Πανεπιστήμιο Κύπρου Τμήμα Χημείας ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΗ ΧΗΜΕΙΑ ΓΙΑ ΒΙΟΛΟΓΟΥΣ ΚΑΙ ΦΥΣΙΚΟΥΣ ΧΗΜ 021 Χειμερινό Εξάμηνο 2008 Κωνσταντίνος Ζεϊναλιπούρ Λευκωσία, Σεπτέμβριος 2008
ΚΑΝΟΝΕΣ ΤΥΠΙΚΟΥ ΦΟΡΤΙΟΥ ΑΤΟΜΩΝ Το τυπικό φορτίο ενός ατόμου σε τύπο Lewis είναι το υποθετικό φορτίο το οποίο προκύπτει όταν θεωρήσουμε ότι τα δεσμικά ηλεκτρόνια μοιράζονται εξίσου μεταξύ συνδεδεμένων ατόμων και ότι τα ηλεκτρόνια από κάθε μονήρες ζεύγος ανήκουν εξολοκλήρου σε ένα άτομο. Τυπικό φορτίο = [ηλεκτρόνια σθένους ελεύθερου ατόμου] [ηλεκτρόνια άτομου μέσα στο μόριο] Παράδειγμα: Βρέστε το τυπικό φορτίο των ατόμων στις πιο κάτω δομές Lewis Αριθμός χημικών δεσμών ατόμου + αριθμός μονήρων και ζευγών ηλεκτρονίων A) B) ΚΑΝΟΝΑΣ 1 Aπό τους διάφορους τύπους Lewis τους οποίους μπορούμε να γράψουμε για ένα μόριο, επιλέγουμε εκείνο το οποίο έχει τα χαμηλότερα τυπικά φορτία. Αυτά τα μόρια είναι πιο σταθερά (δηλαδή έχουν χαμηλότερη ενέργεια) αφού γενικά απαιτείται ενέργεια για να υπάρξει διαχωρισμός φορτίων μέσα σε ένα μόριο
ΚΑΝΟΝΕΣ ΤΥΠΙΚΟΥ ΦΟΡΤΙΟΥ ΑΤΟΜΩΝ ΚΑΝΟΝΑΣ 2 Όταν δυο προτεινόμενοι τύποι Lewis έχουνταίδιασεμέγεθοςτυπικάφορτία, επιλέγουμε εκείνον τον τύπο που έχει τα αρνητικά φορτία στα πιο ηλεκτροαρνητικά άτομα. Παράδειγμα: Ποία από τις πιο κάτω δομές Lewis είναι η πιο αληθοφανής. (α) Όλες οι δομές υπακούουν τον κανόνα της οκτάδας ηλεκτρονίων (β) Βάση του 1 ου κανόνα τυπικού φορτίου οι πρώτες δύο δομές είναι πιο σταθερές από την τρίτη (γ) Βάση του 2 ου κανόνα τυπικού φορτίου η αριστερή δομή είναι πιο σταθερή γιατί το αρνητικό φορτίο βρίσκεται στο οξυγόνο το οποίο είναι πιο ηλεκτροαρνητικό από το θείο.
ΠΟΛΙΚΑ ΜΟΡΙΑ ΔΙΠΟΛΙΚΗ ΡΟΠΗ Άτομα τα οποία σχηματίζουν ομοιοπολικούς δεσμούς και έχουν διαφορετική ηλεκτροαρνητικότητα έχουν Διπολική Ροπή είναι ένα άνυσμα το οποίο περιγράφει ποσοτικά τον διαχωρισμό φορτίων σε ένα μόριο φυσικοί χημικοί δ + δ - Η Στις δομές Lewis συμβολίζεται με ένα βέλος το οποίο δείχνει προς την κατεύθυνση στην οποία έγινε η μετατόπιση του ηλεκτρονικού νέφους. Το άνυσμα της διπολικής ροπής το οποίο χρησιμοποιούν οι φυσικοί έχει την αντίθετη κατεύθυνση.
ΠΟΛΙΚΑ ΜΟΡΙΑ ΔΙΠΟΛΙΚΗ ΡΟΠΗ H 2 O C 4 Ηλεκτρικά φορτισμένη ράβδος
ΠΟΛΙΚΑ ΜΟΡΙΑ ΔΙΠΟΛΙΚΗ ΡΟΠΗ Εισαγωγή στη Χημεία για Βιολόγους και Φυσικούς Μικρά μόρια με κέντρο συμμετρίας δεν έχουν διπολική ροπή αφού τα δίπολα των χημικών δεσμών αλληλοεξουδετερώνονται. Μόρια όπως τα πιο κάτω έχουν διπολική ροπή γιατί αν προσθέσεις τα ανύσματα των διπόλων τους δεν παίρνεις μηδέν Πρόσθεση ανυσμάτων Πρόσθεση ανυσμάτων
ΑΣΚΗΣΗ Βρέστε ποία από τα πιο κάτω μόρια είναι πολικά και σχεδιάστε την διπολική ροπή του μορίου (χρησιμοποιείστε τον συμβολισμό που χρησιμοποιείται στην Χημεία) F F C F H O O H C O μ = 0 F F F C C μ = 0 μ = 0 F Xe F
Εισαγωγή στη Χημεία για Βιολόγους και Φυσικούς ΦΑΙΝΟΜΕΝΟ ΕΦΥΔΑΤΩΣΗΣ Όταν ένας ιοντικός κρύσταλλος τοποθετηθεί μέσα στο νερό παρουσιάζεται το φαινόμενο της εφυδάτωσης (dissolution). Σε αυτό λόγο αλληλεπιδράσεων φορτίου-διπόλου το νερό αποσπά αρχικά ιόντα από τον ιοντικό κρύσταλλο τα οποία ακόλουθος περιβάλλονται από μόρια νερού με τέτοιο τρόπο που να κατευθύνεται το αρνητικό άκρο της διπολικής τους ροπής προς τα κατιόντα ενώ το θετικό άκρο της διπολικής ροπής προς τα ανιόντα. Η σφαίρα μορίων νερού η οποία δημιουργείται γύρω από κάθε ιόν ονομάζεται σφαίρα εφυδάτωσης. Όταν ο διαλύτης δεν είναι το νερό τότε το φαινόμενο ονομάζεται επιδιαλύτωση (solvation). Τα διαλύματα ιοντικών ενώσεων είναι καλοί αγωγοί του ηλεκτρικού ρεύματος γιατί τα ιόντα μπορούν να μεταφέρουν φορτία μεταξύ ηλεκτροδίων. Ανιόν Σφαίρα εφυδάτωσης Ιοντικός κρύσταλλος Μόριο νερού Κατιόν
ΚΙΝΗΣΗ ΙΟΝΤΩΝ ΥΠΟ ΤΗΝ ΕΠΙΔΡΑΣΗ ΗΛΕΚΤΡΙΚΟΥ ΠΕΔΙΟΥ Τα διαλύματα ιοντικών ενώσεων είναι καλοί αγωγοί του ηλεκτρικού ρεύματος γιατί τα ιόντα μπορούν να μεταφέρουν φορτία μεταξύ ηλεκτροδίων. Σε κάποιες περιπτώσεις όταν τα ιόντα φτάσουν στα ηλεκτρόδια συμβαίνουν χημικές αντιδράσεις (οξειδοαναγωγικές) οι οποίες οδηγούν στο σχηματισμό νέων χημικών ουσιών (ηλεκτρόλυση του νερού που οδηγεί στον σχηματισμό μοριακού οξυγόνου και υδρογόνου) ηκαι στην εναπόθεση των ιόντων στην επιφάνεια του ηλεκτροδίου (π.χ. επινικέλωση) Ηλεκτρόδιο
IΣΟΗΛΕΚΤΡΟΝΙΑΚΑ ΑΤΟΜΑ Ισοηλεκτρονιακά είναι τα χημικά είδη που έχουν τον ίδιο αριθμό ηλεκτρονίων και την ίδια ηλεκτρονική δομή π.χ. Τα κατίοντα Νa +, Μg 2+ και Αl 3+ έχουν τον ίδιο αριθμό ηλεκτρονίων και την ίδια ηλεκτρονική δομή 1s 2 2s 2 2p 6 Για τα ισοηλεκτρονιακά άτομα ισχύει ότι η ατομική τους ακτίνα μειώνεται όσο αυξάνεται ο ατομικός αριθμός (Ζ) του στοιχείου αυξάνεταιτοθετικόφορτίοτουπυρήναενώοαριθμός των ηλεκτρονίων παραμένει ο ίδιος έτσι η αυξάνονται οι δυνάμεις Coulomb Έτσι η σειρά αύξησης της ατομικής ακτίνας των πιο πάνω στοιχείων είναι Νa + > Μg 2+ > Αl 3+ ΑΣΚΗΣΗ (α) Γράψετε την ηλεκτρονική δομή των ακόλουθων στοιχείων Μg 2+, F - και Ο 2- και τοποθετήστε τα κατά σειρά μείωσης της ιοντικής τους ακτίνας 1s 2 2s 2 2p 6 Ο 2- > F - > Μg 2+ (α) Γράψετε την ηλεκτρονική δομή των ακόλουθων στοιχείων Ca 2+, - και P 3- και τοποθετήστε τα κατά μείωσης της ιοντικής τους ακτίνας 1s 2 2s 2 2p 6 P 3- > - > Ca 2+
ΠΥΡΗΝΙΚH XHMEIA Το φαινόμενο της ραδιενέργειας ανακαλύφθηκε από τον Antoine Henri Becquerel το 1896 Φωτογραφικές πλάκες εκτεθειμένες σε ορυκτά του ουρανίου εμφανίζουν φωτεινές κηλίδες συμπέρανε ότι τα ορυκτά εκπέμπουν κάποιο είδος ακτινοβολίας. Αργότερα αποδείχτηκε ότι η ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία μπορεί να διαχωριστεί σε τρία τύπους ακτινοβολίας με την χρήση ηλεκτρικού πεδίου ακτίνες α (θετικό φορτίο), ακτίνες β (αρνητικό φορτίο) και ακτίνες γ (μηδενικό φορτίο).
ΝΟΥΚΛΙΔΙΟ, ΣΤΑΘΕΡΑ ΚΑΙ ΑΣΤΑΘΗ ΙΣΟΤΟΠΑ Νουκλίδιο είναι κάθε άτομο που χαρακτηρίζεται από έναν ατομικό και έναν μαζικό αριθμό περιλαμβάνει το σύμβολο του στοιχείου με τον ατομικό αριθμό γραμμένο ως δείκτη και το μαζικό αριθμό ως εκθέτη Ατομικός αριθμός (Z) = οαριθμόςτων πρωτονίων του πυρήνα ενός ατόμου Μαζικός αριθμός (Α) = ο συνολικός αριθμός πρωτονίων + νετρονίων ενός πυρήνα Μαζικός αριθμός Ατομικός αριθμός 23 11 Na Τα χημικά στοιχεία με ατομικούς αριθμούς μέχρι το 19 έχουν σταθερά ισότοπα. Τα άτομα με ατομικούς αριθμούς 20-83 αποτελούνται από μείγμα ισοτόπων εκ των οποίων κάποια είναι ασταθή διασπούνται εκπέμποντας ενέργεια ραδιενεργά ισότοπα
ΤΥΠΟΙ ΡΑΔΙΕΝΕΡΓΟΥΣ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ Υπάρχουν και άλλα τύποι ραδιενεργούς ακτινοβολίας οι οποίοι δεν αναφέρονται εδώ
ΠΡΟΣΤΑΣΙΑ ΑΠΟ ΤΗΝ ΡΑΔΙΕΝΕΡΓΕΙΑ Γιατί είναι επικίνδυνη η ραδιενέργεια: Όταν η ακτινοβολία που εκπέμπεται από ραδιενεργά υλικά κτυπήσει μόρια μέσα στο σώμα ιοντισμός ηλεκτρονίων από μόρια παραγωγή ριζών (μόρια με μονήρη ηλεκτρόνια) ρίζες είναι πολύ δραστικές και αντιδράνε με οτιδήποτε μέσα στα κύτταρα μας αντιδράσεις ριζών και DNA προκαλούν μεταλλάξεις οι οποίες μπορούν να οδηγήσουν σε καρκίνο ή μπορεί να επηρεάσουν την κανονική λειτουργία των κυττάρων. Πώς μπορεί να προστατευθεί κάποιος από την ραδιενέργεια? Ράδιο-226 σωματίδια α 2-4 cm μέσα στον αέρα ένα χαρτί ή και μια κανονική φανέλα Ανθρακάς-14 σωματίδια β 200-300 cm μέσα στον αέρα εργαστηριακή ρόμπα και γάντια Τεχνίτιο-99m ακτίνες γ 500 m μέσα στον αέρα μια πλάκα από μόλυβδο (Pb) ή χοντρός τοίχος από μπετόν Έκθεση σε ραδιενέργεια μειώνεται: Με μείωση του χρόνου που περνάμε κοντά σε μια ραδιενεργή πηγή Με αύξηση της απόστασης από την ραδιενεργή πηγή
ΕΚΠΟΜΠΗ ΑΛΦΑ Εκπομπή α: είναι η εκπομπή ενός πυρήνα Ηe από ένα ραδιενεργά ασταθή πυρήνα Προσέξετε ότι στις πυρηνικές αντιδράσεις το άθροισμα των ατομικών αριθμών των αντιδρώντων ισούται με το άθροισμα τωνατομικώναριθμώντωνπροϊόντων. Το ίδιο ισχύει για τους μαζικούς αριθμούς για τους μαζικούς αριθμούς 238 = 234 + 4 για τους ατομικούς αριθμούς 92 = 90 + 2
ΕΚΠΟΜΠΗ ΒΗΤΑ ΚΑΙ ΕΚΠΟΜΠΗ ΓΑΜΜΑ Εκπομπή β: είναι η εκπομπή ενός ηλεκτρονίου υψηλής ταχύτητας από ένα ασταθή πυρήνα 99 43 Tc 43Tc + 99m γ Εκπομπή γ: είναι η εκπομπή από ένα διεγερμένο πυρήνα ενός φωτονίου γάμμα, το οποίο αντιστοιχεί σε μήκος κύματος περίπου 10-12 m.
ΜΕΤΑΣΤΟΙΧΕΙΩΣΗ Σήμερα περισσότερα από 1500 είδη ραδιοϊσοτοπων μπορούν να δημιουργηθούν με την μέθοδο της μεταστοιχείωσης Μεταστοιχείωση είναι η μετατροπή ενός πυρήνα σε άλλο με βομβαρδισμό του πυρήνα του στοιχείου με πυρηνικά σωματίδια η πυρήνες. Όλα τα στοιχεία με ατομικούς αριθμούς μεγαλύτερους του 92 έχουν δημιουργηθεί εργαστηριακά με την μέθοδο της μεταστοιχείωσης και κανένα από αυτά τα άτομα δεν υπάρχει ελεύθερο στην φύση.
ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ Γράψετε την πυρηνική εξίσωση για την διάσπαση του Rn 222 μέσο εκπομπής σωματιδίου α. 86 Rn? + 222 4 2 He Καθορισμός του μαζικού και ατομικού αριθμού του νέου πυρήνα Μαζικός αριθμός : 222 4 218 Ατομικός αριθμός : 86 2 84 Το χημικό σύμβολο του περιοδικού πίνακα το οποίο αντιστοιχεί σε ατομικό αριθμό 84 είναι το Po Η συμπληρωμένη πυρηνική εξίσωση είναι 218 86 Rn 84Po + 222 4 2 He
ΑΣΚΗΣΕΙΣ Συμπληρώστε τις πιο κάτω πυρηνικές αντιδράσεις (α) 222 88 Ra? Rn+ 226 4 88 86 + 2 He 4 2 He (β) 60 60 27 Co Co 28? Ni + 60 27 + 0 ee 0-1 -1 (γ) Cf Cf? N Db 249 249 15 260 260 98 98 + + 7 105 105 + + 1 1 4 n 0 0 (δ) 44 17 N 7 + 2He 2? 8O + 14 14 7 + 1 p 1 1 1 (ε) 9 4 12 12 Be 4 Be + + 2He? 6C6 C + 9 4 + 1 0 1 nn 0
ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΦΡΟΝΤΙΣΤΗΡΙΟΥ ΑΣΚΗΣΕΙΣ 141-148, 153, 156-161, 163-165 Το σετ ασκήσεων μαζί με τις λύσεις για το μάθημα μπορείτε να το «κατεβάσετε» από την ιστοσελίδα του μαθήματος: http://www.ucy.ac.cy/~zeinalip/courses/chem021/index.html
ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ ΔΙΑΦΑΝΕΙΩΝ 1. Γενική Χημεία, Darell D. Ebbin and Steven D. Gammon, 6 η έκδοση, Μεταφρασμένο στα Ελληνικά από τον Καθηγητή Νικόλαο Κλούρα, Εκδόσεις Τραυλός, 1999. 2. Εφαρμοσμένη Ανόργανη Χημεία, Στυλιανός Λιοδάκης, Επιστημονικές εκδόσεις Παρισιανού Α.Ε., 2003. 3. Αρχές Χημείας, Νικόλαου Δ. Χατζηλιάδη, 1992, Μακεδονικές εκδόσεις, Εκδόσεις ΙΩΝ,1992. 4. Chemistry, The Molecular Nature of Matter and Change, Martin S. Silberberg, 3 rd edition, Mc Graw Hill, 2003. 5. General Chemistry, The Essential Concepts, Raymond Chang, Annotated Instructor s Edition, 4 th edition, Mc Graw Hill, 2006. 6. Introductory Chemistry, Steve Russo and Mike Silver, 3 rd edition, Pearson, 2007. 7. General, Organic and Biological Chemistry, Structures of Life, Karen C. Timberlake, Platinum edition, Pearson, 2004. 8. Chemistry, Matter and Its Changes, James E. Brady and Fred Senese, 4 th edition, Wiley, 2004. 9. The Practice of Chemistry, Donald J. Wink, Sharon Fetzer-Gislason, Sheila D. McNicholas, W.H. Freeman and Company, 2004. 10. Chemistry in your Life, Colin Baird, 2 nd edition, W.H. Freeman and Company, 2006. 11. Physical Chemistry for the Life Sciences, Peter Atkins and Julio de Paula, Oxford University Press and W.H. Freeman and Company, 2006. 12. General Chemistry, Linus Pauling, Dover Publications Inc., 1970.