Основни закони хемије др Душан Вељковић Хемијски факултет Универзитет у Београду vdusan@chem.bg.ac.rs 1 Закон о одржању масе 2 1
Закон о одржању масе 17. Век Лавоазје Током хемијске реакције укупна маса свих супстанци се не мења или Укупна маса пре и после реакције се не мења 3 Закон о одржању масе Закон се може дефинисати и овако: Током хемијске реакције материја се не може нити створити нити уништити (Закон о неуништивости материје) 100 година након Лавоазјеа Ландолт експериментално потврдио овај закон 4 2
Закон о одржању масе AgNO 3(aq) + HCl (aq) AgCl (s) + HNO 3(aq) 5 Закон о одржању масе 2 6 3
Закон сталних масених односа 7 Закон сталних масених односа 1789. година Јозеф Пруст Елементи се међусобно једине у сталним масеним односима због чега је састав хемијских једињења сталан без обзира на начин на који су она добијена. Једињења сталног хемијског састава. 8 4
Закон сталних масених односа H 2 O однос маса увек H : O = 1 : 8 (2 : 16) 1g H и 8g O при реакцији увек даје 9g H 2 O CO 2 однос маса увек C : O = 3 : 8 (12 : 32) 3 g C и : 9 g O даје 11 g CO 2 и 1 g O остаје у вишку Стас потврдио закон прецизним мерењима масе среброхлорида синтетисаног на различите начине (100 грама сребра увек даје око 132,84 грама сребро-хлорида). 9 Закон сталних масених односа Далтон био велики присталица Прустовог закона. Потврдио га је експериментално, али и дао теоријско објашњење за њега. Једињења сталног састава далтониди. 10 5
Закон сталних масених односа Бертоле сматрао да не мора да постоји стални масени однос елемената који се једине. Постоје једињења која немају стални састав бертолиди. Готово искључиво у чврстом стању ретко FeO много чешће Fe 0.95 O FeO жарењем на ваздуху прелази у Fe 0.95 O -приликом жарења део кисеоника улази у решетку и оксидује Fe 2+ до Fe 3+ : 4 Fe 2+ + O 2 4 Fe 3+ + 2 O 2- пирхотит Fe 1-x S (x = од 0 до 0.2 ) 11 Закон сталних масених односа При брзој кристализацији Cu 2 S може се десити да се један Cu + јон изгуби тј не стигне да се угради у решетку. На његовом месту остаје празнина. Да би кристал остао електронеутралан један од Cu + јона мора прећи у Cu 2+. Ствара се мањак бакра и једињење формуле Cu 1,7 S 12 6
Закон сталних масених односа Дефекат у кристалној решетки Због дефекта атоми много покретљивији! 13 Примена: Закон сталних масених односа - у електрохемији - суперпроводљивост (најпознатији Y x Ba 2 Cu3O 7 x ) - Керамика - Пруско плаво 14 7
Закон сталних масених односа Пруско плаво (Fe 7 (CN) 18 ) Винсент ван Гог Звездана ноћ (1889.) 15 Атомска теорија 16 8
Атомизам ἄτομος= недељив Све се састоји од атома, који су недељиви Аристотел није прихватио ово мишљење. Искористио концепт атома да објасни зашто елементи увек међусобно реагују у односу малих целих бројева - 1804: Елементи се састоје од веома малих честица које се називају атомима 1766-1844 - Атоми истог елемента су идентични по величини, маси и другим особинама. Атоми различитих елемената се повезују у односу целих бројева градећи хемијска једињења - Атоми се не могу даље делити, створити, уништити нити претворити у атоме другог елемента - Приликом хемијских реакција, атоми се међусобно повезују, раздвајају или им се преуређује распоред (комбинују се) 9
Ови постулати објаснили тада познате законе сједињавања елемената по маси При сједињавању атома елемената у молекуле једињења долази до прегруписавања - дакле нема губитка масе! 1766-1844 Далтону било јасно да су атоми толико мали да им се не могу мерити масе расположивим вагама увео појам релативне атомске масе (водоник узео као стандард) На основу овога Далтон је поставио Закон умножених масених односа Закон умножених масених односа 20 10
Закон умножених масених односа Шта када елементи могу да се сједињавају у више различитих масених односа градећи различита једињења? Пруст приметио да бакар с кисеоником гради два оксида: - У првом на 79,9% бакра долази 20,1% кисеоника - У другом на 88,8% бакра долази 11,2% кисеоника 21 Закон умножених масених односа Далтон на основу испитивања азотових оксида: Ако два елемента међусобно граде два или више једињења онда се стална маса једног елемента једини са различитим масама другог елемента, а те различите масе другог елемента стоје у односу малих целих бројева. У H 2 O се 8 g кисеоника једине са 1 g водоника. У H 2 O 2 се 16 g кисеоника једине са 1 g водоника. 16 : 8 = 2 : 1 22 11
Закон умножених масених односа Пример: оксиди азота 23 Убрзо су се појавили докази да Далтонова теорија није сасвим тачна: Откриће мањих честица од атома Атоми истих елемената не морају бити исти по маси и особинама изотопи Атоми различитих елемената могу имати исту масу изобари ( 14 C и 14 N) 12
1858. Џулијус Пликер откриће катодних зрака 1886. Еуген Голдштајн: позитивно наелектрисање у атому 1895. В. Рентген: откриће Х-зрака 1896. Бекерел, Пјер и Марија Кири: откриће радиоактивности - Експерименти са катодним зрацима - Катодна цев: Делимично евакуисана цев у којој се налазе катода и анода повезане на извор једносмерне струје - При високом напону унутар цеви почиње да се производи зрачење (види се уколико пролази кроз гас или пада на одговарајући екран). 1856-1940 -Катодни зраци скрећу са праволинијске путање у електричном или магнетном пољу негативно су наелектрисани! 13
1897. - Катодни зраци сноп негативно наелектрисаних честица са масом! откриће електрона атом има сложену грађу! 1856-1940 1903. Томсонов модел атома: Атом је позитивно наелектрисана куглица са равномерно распоређеним негативно наелектрисаним електронима у њима (тако да укупно дају електронеутралну честицу). МОДЕЛ ПУДИНГА СА ШЉИВАМА 14
Роберт Миликен у експерименту са капима уља одредио наелектрисање једног електрона тј. најмању могућу количину наелектрисања које једна честица може да има. На капљицу која стоји делује: 1) Гравитација 1) Електрична сила Пошто капљица стоји ове две силе су изједначене. 29 Маса електрона (Томпсонов експеримент): (око 2000 пута мања од масе протона) 30 15
Хенри Бекерел откриће радиоактивности Пјер и Марија Кири (Бекерелови докторанди) изоловали радиоактивну компоненту из руде уранијума и открили два нова елемента радијум и полонијум. Радерфорд детаљно проучавао радиоактивност (радио код Томпсона). Три типа зрачења из радиоактивне супстанце: α (алфа) зраци, β (бета) зраци и γ (гама) зраци 31 α зраци и β зраци скрећу у електричном пољу На γ (гама) зраке поље не утиче α честице језгра хелијума β честице електрони α честице масивније и дупло више наелектрисане од β честица комбинују се и дају атоме хелијума 32 16
33 1913. бомбардовао фолију злата снопом α-честица Уколико је атом компактна целина (по Томсону), све честице ће пролетети кроз танак слој злата, с обзиром да поседују велике брзине 1871-1937 α-честица 17
Највећи део честица прошао кроз фолију без промене правца Свака 10 000-та честица се одбије! 1871-1937 Како је то могуће?!?!? Било је то као да сте испалили гранату од 40 центиметара на папирну марамицу, а она се одбила од марамице и погодила вас Е.Радерфорд α-честице Au 18
α-честице Au α-честице Au Већина масе атома налази се у малом веома густом региону језгру С обзиром да се део позитивно наелектрисаних α честица одбија, језгро мора бити позитивно наелектрисано Већина запремине атома је празан простор у коме се крећу електрони 19
Велики број различитих честица од којих је саграђен атом За хемичаре довољно поједностављено виђење протони, електрони, неутрони Протони и електрони иста количина наелектрисања, само су протони позитивни, електрони негативни Неутрони нису наелектрисани Атоми имају подједнак број протона и електроне у целини су електронеутрални 39 Скенирајућа тунелска микроскопија слике атома Протони и неутрони се налазе у језгру које је веома мало у односу на величину атома Маса атома сконцентрисана у језгру Остатак атома простор у ком се крећу електрони Радијуси атома од 1 до 5 Å Радијуси језгра 10-4 Å 40 20
41 Авогадров закон 42 21
Авогадров закон Исте запремине различитих гасова под истим условима (притисак и температура) садрже исти број молекула. Молекула? Племенити гасови? Исте запремине различитих гасова под истим условима (притисак и температура) садрже исти број изграђивачких честица. 43 Гасни закони 44 22
Гасни закони Бојл-Мариотов закон При сталној температури, за исту количину гаса, производ притиска и запремине је константан. P V = const. 45 Гасни закони 46 23
Гасни закони Шарл-Геј-Лисаков закон 1802.На сталном притиску, за исту количину гаса, при повећању температуре за 1 С запремина гаса се повећа за 1/273,15 део првобитне запремине. 47 Геј-Лисаков закон Гасни закони За исту запремину исте количине гаса, при повећању температуре за 1 С притисак гаса се повећа за 1/273,15 део првобитног притиска. P = const. T 48 24
Гасни закони Једначина стања идеалног гаса: P V=n R T P V = m/m R T R универзална гасна константа (8,314472 J mol 1 K 1 ) Једначина стања реалног гаса: 49 Далтон водоник као стандард: Релативна атомска тежина елемента је број који показује колико је атом тог елемента тежи од атома водоника. 20.век сукоб физичара и хемичара Физичари: 1/16 масе кисеониковиг изотопа 16 О Хемичари: 1/16 масе изотопске смеше кисеоника (три изотопа) 1961. Релативна атомска маса је број који показује колико је маса атома тог елемента већа од 1/12масе угљениковог изотопа 12 C. 50 25
Дефинише се на исти начин као и релативна атомска маса Израчунава се сабирањем релативних атомских маса елемената који улазе у састав једињења: Mr (HCl) = Ar(H) + Ar(Cl) = 1 + 35,5 = 36,5 1 amu = 1/12масе угљениковог изотопа 12 C 1amu = 1,66054 x 10-24 g 51 Данас се атомске масе рутински одређују помоћу масене спектроскопије. Одлична метода одмах се добија и изотопски састав. 52 26
1932. Чедвик - откриће неутрона Изотопи су атоми истог елемента који садрже исти број протона, а различит број неутрона, тако да се међусобно разликују по масама. Водоник: Протијум Деутеријум Трицијум 53 Један атом одређеног изотопа се назива нуклид. Записивање: Прво се пише хемијски симбол елемента Атомски (редни) број пише се у субскрипту лево од елемента (није обавезно наводити број протона) Масени број број протона и неутрона пише се у суперскрипту лево од симбола елемента. 54 27
55 Примери изотопа: Изотопски ефекат иако су хемијске особине исте, брзина реакције зависи од масе атома (тежи атоми спорије реагују). Изотопи се разликују по физичким особинама. 56 28
Два нуклида су изобари уколико имају исти масени, а различит редни број. Два нуклида су изотони уколико имају исти број неутрона, а различит број протона у језгру. 57 Како се рачуна просечна атомска маса? 58 29
Како се рачуна просечна атомска маса? изотоп заступљеност атомска маса 59 Дефект масе Маса језгра није једнака збиру маса протона и неутрона које чине језгро Основ за добијање енергије у нуклеарној фузији 60 30
Одговори на испитна питања: 4. Закон о одржању масе, откиће, примери, последице 5. Закон сталних масених односа, далтониди, бертолиди 6. Далтонова атомска теорија 7. Закон умножених масених односа 8. Томпсонов и Миликенов експеримент 9. Радиоактивност 10. Радерфордов модел атома 11. Модерно схватање структуре атома 12. Релативна атомска и молекулска маса, изотопи, масена спектрометрија 61 31