Υλικό σώμα Μείγμα Κάθε σύστημα που προκύπτει από την ανάμειξη δύο ή περισσότερων ουσιών. Τα συστατικά του διατηρούν πολλές από τις ιδιότητές τους. Δεν έχει σταθερή ποσοτική σύσταση. Διαλύτης: διαλύει (νερό, οινόπνευμα, βενζίνη, ασετόν) Διαλυμένη ουσία: διαλύεται Ομογενές Διάλυμα Τα συστατικά δεν είναι διακριτά (αλατόνερο, καφές φίλτρου γλυκός) Ετερογενές Τα συστατικά είναι διακριτά (σούπα, λάδι με νερό) Χημικό στοιχείο δεν διασπάται με φυσικές ή χημικές μεθόδους (οξυγόνο, άζωτο, σίδηρος) Χημική ουσία Χημική ένωση Τα στοιχεία με τα οποία αποτελείται είναι σε σταθερή αναλογία και σταθερή ποσοτική σύσταση. Διασπάται στα στοιχεία με χημικές μεθόδους (νερό, ζάχαρη, αλάτι) Φυσικές μέθοδοι διαχωρισμού μειγμάτων: εκχύλιση, απόχυση, διήθηση (φιλτράρισμα), εξάτμιση, απόσταξη, χρωματογραφία, φυγοκέντριση, μαγνητικός διαχωρισμός. Χημική μέθοδος διαχωρισμού χημικών ενώσεων: χημική αντίδραση (εξίσωση) Άτομα Μόρια Η ύλη αποτελείται από στοιχεία και ενώσεις. Τα στοιχεία είναι άτομα αλλά στη φύση συναντώνται με τη μορφή μορίων. Τα μόρια των στοιχείων περιέχουν ίδια άτομα. Κάποια μόρια στοιχείων περιέχουν ένα άτομο (το μόριο σιδήρου περιέχει ένα άτομο σιδήρου), κάποια δύο ίδια άτομα (το μόριο ιωδίου περιέχει δύο ίδια άτομα ιωδίου), και λίγα, περισσότερα από δύο ίδια άτομα (το μόριο του φωσφόρου περιέχει τέσσερα ίδια άτομα φωσφόρου). Οι ενώσεις είναι όλες μόρια και περιέχουν διαφορετικά άτομα στοιχείων (το μόριο του αλατιού, χλωριούχο νάτριο, περιέχει ένα άτομο χλωρίου και ένα άτομο νατρίου). Άτομα είναι τα μικρότερα σωματίδια της χημικής ουσίας τα οποία συμμετέχουν στο σχηματισμό χημικών ουσιών και παραμένουν αναλλοίωτα στις χημικές αντιδράσεις. Μόρια είναι τα μικρότερα σωματίδια της χημικής ουσίας που μπορούν να υπάρχουν σε ελεύθερη κατάσταση και να διατηρούν τις ιδιότητες της ουσίας. Πόσο μικρά είναι τα μόρια και τα άτομα; Μόριο νερού: 2,8*10-10 m Άτομο υδρογόνου: 25*10-12 m Μάζα ατόμου άνθρακα: 2*10-23 g 40.000.000 άτομα σιδήρου σε σειρά φτιάχνουν μια αλυσίδα 1cm. 1
Το ανθρώπινο μάτι με τη βοήθεια ισχυρού ηλεκτρονικού μικροσκοπίου βλέπει μέχρι 0,2*10-9 m Άρα δεν μπορούμε να δούμε με τα μάτια μας (άμεσα) τα μόρια, πόσο μάλλον τα άτομα. Ο τρόπος παρατήρησής τους είναι έμμεσος. Κάποια οργανικά μεγαλομόρια (DNA, Πρωτεΐνες) μπορούμε να τα διακρίνουμε με δυσκολία με γυμνό μάτι. Ατομική Θεωρία Δημόκριτου (460-370π.Χ.) Τα άτομα όλων των υλικών αποτελούνται από την ίδια ουσία και διαφέρουν μεταξύ τους κατά μέγεθος και σχήμα. Τα άτομα ούτε καταστρέφονται ούτε δημιουργούνται από το μηδέν Συνδέονται με διαφορετικούς τρόπους και δημιουργούν διαφορετικά υλικά. Είναι πλήρη και βρίσκονται σε διαρκή κίνηση. Υποατομικά σωματίδια - Ιόντα Ατομική Θεωρία John Dalton (1766-1844μ.Χ.) Κάθε στοιχείο αποτελείται από πολύ μικρά σωματίδια τα άτομα. Τα άτομα ενός στοιχείου είναι όμοια μεταξύ τους. Τα άτομα διαφορετικών στοιχείων διαφέρουν σε σχήμα, μέγεθος και μάζα. Τα άτομα ενός στοιχείου δεν μετατρέπονται σε άλλου είδους άτομα. Όταν διαφορετικά άτομα ενώνονται μεταξύ τους σχηματίζουν χημικές ενώσεις. Σε κάθε χημική ένωση το είδος των ατόμων και η μεταξύ τους αναλογία είναι σταθερή. Τα άτομα των στοιχείων αποτελούνται από μικρότερα σωματίδια που ονομάζονται υποατομικά. Αυτά είναι, τα πρωτόνια, τα νετρόνια και τα ηλεκτρόνια. Τα σωματίδια αυτά έχουν μάζα (ποσότητα ύλης) αλλά και μια άλλη ιδιότητα για την οποία δε γνωρίζουμε τι είναι ακριβώς, ονομάζεται φορτίο και συναντιέται με δύο μορφές, το θετικό (+) και το αρνητικό ( ). Αυτό που γνωρίζουμε είναι ότι τα ομώνυμα φορτία (δύο θετικά ή δύο αρνητικά) όταν βρίσκονται κοντά, απωθούνται και τα ετερώνυμα (ένα θετικό και ένα αρνητικό), έλκονται. Τα πρωτόνια (p) έχουν ελάχιστο θετικό (+) φορτίο (q p= +1,6*10-19 Cb), και μάζα m p=1,67*10-27 Kg Τα νετρόνια (n) δεν έχουν φορτίο και μάζα ίση με αυτή του πρωτονίου, m n=1,67*10-27 Kg Τα ηλεκτρόνια (e) έχουν ελάχιστο αρνητικό (-) φορτίο (q e= -1,6*10-19 Cb), και μάζα 1836 φορές μικρότερη του πρωτονίου, m e=m p/1836=9,1*10-31 Kg Ασύλληπτα μικρές ποσότητες. Τα φορτία που υπάρχουν στη φύση είναι ακέραια πολλαπλάσια της ασύλληπτα αυτής μικρής ποσότητας (1,6*10-19 Cb) γι αυτό και ονομάζεται κβάντο φορτίου. Διάταξη στο χώρο Η διάταξη των υποατομικών σωματιδίων του ατόμου κάθε στοιχείου στο χώρο είναι παρόμοια με αυτή του ηλιακού συστήματος. Πρωτόνια και νετρόνια καταλαμβάνουν ένα κεντρικό χώρο όπως ο ήλιος, που ονομάζεται πυρήνας και τα ηλεκτρόνια κινούνται γύρω από τον πυρήνα όπως οι πλανήτες. Πρωτόνια και νετρόνια ονομάζονται νουκλεόνια (βαρυόνια). Επειδή τα ηλεκτρόνια περιστρέφονται με την ταχύτητα του φωτός, στην πραγματικότητα δεν «διακρίνονται» αλλά «φαίνονται» σαν συννεφάκια γύρω από τον πυρήνα. Η μάζα των πρωτονίων και των νετρονίων είναι πολύ μεγαλύτερη σε σχέση με αυτή των ηλεκτρονίων. Επομένως η μάζα του ατόμου προσδιορίζεται από τη μάζα των σωματιδίων του πυρήνα (πρωτονίων και νετρονίων). 2
Ο όγκος όμως που καταλαμβάνουν τα ηλεκτρόνια είναι πολύ μεγαλύτερος από αυτόν του πυρήνα. Επομένως ο όγκος του ατόμου προσδιορίζεται από τον όγκο που καταλαμβάνουν τα ηλεκτρόνια. Να θυμάστε την εικόνα του Ολυμπιακού σταδίου. Ένα μπαλάκι του πινγκ-πονγκ στη σέντρα παίζει το ρόλο του πυρήνα και ολόκληρος ο χώρος του σταδίου παίζει το ρόλο του όγκου του ατόμου. Ο ενδιάμεσος χώρος είναι κενός. Ο αριθμός των πρωτονίων στον πυρήνα προσδιορίζει το είδος του στοιχείου (το άτομο του οξυγόνου έχει λιγότερα πρωτόνια και προφανώς είναι ελαφρύτερο από το άτομο του σιδήρου). Ακόμη και ένα πρωτόνιο διαφορά να έχουν δύο άτομα, τα στοιχεία είναι διαφορετικά. Τα νετρόνια (μαζί με τα πρωτόνια) του πυρήνα συνεισφέρουν μόνο στη μάζα και επομένως στο βάρος του ατόμου. Άτομα του ίδιου στοιχείου με διαφορετικό αριθμό νετρονίων ονομάζονται ισότοπα. Τα ηλεκτρόνια το μόνο που κάνουν είναι να συμπληρώνουν τη δομή του ατόμου ώστε το σύνολο να είναι ηλεκτρικά ουδέτερο. Διότι αυτό απαιτεί η συμμετρία στη φύση. Ίσος αριθμός πρωτονίων και ηλεκτρονίων δημιουργεί αφόρτιστο άτομο (πχ +10p -10e = 0). Όλα τα άτομα των στοιχείων στη φύση είναι ηλεκτρικά ουδέτερα. Ατομικός αριθμός (Ζ) του ατόμου ενός στοιχείου είναι ο αριθμός των πρωτονίων του πυρήνα. Ο αριθμός αυτός δείχνει το είδος του στοιχείου. Επιπλέον, εφόσον το άτομο είναι ελεύθερο στη φύση και ηλεκτρικά ουδέτερο, δείχνει τον αριθμό των ηλεκτρονίων που περιστρέφονται γύρω από τον πυρήνα. Μαζικός αριθμός (Α) του ατόμου ενός στοιχείου είναι ο αριθμός των νουκλεονίων στον πυρήνα (πρωτόνια + νετρόνια). Ο αριθμός αυτός δείχνει τη μάζα και το βάρος του ατόμου και τα διαφορετικά ισότοπα του ατόμου ενός στοιχείου. Σε όλες τις περιπτώσεις ισχύει Α = Ζ + Ν όπου Ν: αριθμός νετρονίων Όπως είπαμε τα άτομα στη φύση είναι ηλεκτρικά ουδέτερα. Τα ηλεκτρόνια περιστρέφονται γύρω από τον πυρήνα και διατάσσονται σε στοιβάδες (τροχιές) όπως οι τροχιές των πλανητών γύρω από τον ήλιο. Τα ηλεκτρόνια της εξωτερικής τελευταίας στοιβάδας βρίσκονται στα περισσότερα άτομα στοιχείων αρκετά μακριά από τον πυρήνα με αποτέλεσμα να δέχονται ασθενέστερες ελκτικές ηλεκτρικές δυνάμεις. Έτσι από διάφορους παράγοντες (ακτινοβολία ήλιου), μπορούν να προσλάβουν ενέργεια και να φύγουν από το άτομο. Με αυτόν τον τρόπο τα άτομα θα έχουν περισσότερα πρωτόνια, λιγότερα ηλεκτρόνια και επομένως θετικό φορτίο. Τότε λέμε ότι μετατρέπονται σε θετικά ιόντα κατιόντα (X +ψ ). Το +ψ σημαίνει ότι το άτομο έχει ψ πρωτόνια περισσότερα. Σε άλλες περιπτώσεις μπορεί να προσλάβουν ηλεκτρόνια, οπότε έχουν περισσότερα ηλεκτρόνια, λιγότερα πρωτόνια και μετατρέπονται σε αρνητικά ιόντα ανιόντα (Χ -ψ ). Το -ψ σημαίνει ότι το άτομο έχει ψ ηλεκτρόνια περισσότερα. Σύμβολα χημικών στοιχείων Ο άνθρωπος από την αρχαία εποχή χρησιμοποίησε σύμβολα για τον προσδιορισμό των χημικών στοιχείων. Το 1814 ο Σουηδός Berzelious καθιέρωσε τα σύγχρονα σύμβολα των χημικών στοιχείων. Ο κανόνας που ισχύει είναι ο εξής: Κάθε στοιχείο παριστάνεται με ένα κεφαλαίο γράμμα του λατινικού αλφαβήτου ή με ένα κεφαλαίο και ένα μικρό γράμμα. Το σύμβολο επίσης υποδηλώνει το άτομο του στοιχείου. Τα γράμματα αυτά προέρχονται από το όνομα του κάθε στοιχείου στα λατινικά (άνθρακας C: Carbon, σίδηρος Fe: Ferrum). Τα σύμβολα των στοιχείων που πρέπει να γνωρίζετε τουλάχιστον μέχρι το τέλος της σχολικής σας ζωής είναι τα παρακάτω: 3
Μέταλλα Ευγενή μέταλλα Αλογόνα Ευγενή αέρια Αέρια Άλλα στοιχεία Fe: σίδηρος Au: χρυσός F: φθόριο He: ήλιο H: υδρογόνο C: άνθρακας Al: αργίλιο αλουμίνιο Pt: λευκόχρυσος Cl: χλώριο Ne: νέο O: οξυγόνο Si: πυρίτιο Cu: Χαλκός Ag: άργυρος - ασήμι Br: βρώμιο Ar: αργό N: άζωτο P: φώσφορος Zn: ψευδάργυρος I: ιώδιο Kr: κρυπτό S: θείο K: κάλιο Xe: ξένο B: βόριο Na: νάτριο Rn: ραδόνιο As: αρσενικό Ca: ασβέστιο Bi: βισμούθιο Mg: μαγνήσιο Mn: μαγγάνιο Hg: υδράργυρος Pb: μόλυβδος Co: κοβάλτιο Ni: νικέλιο Ba: βάριο Cr: χρώμιο Sn: κασσίτερος Sb: αντιμόνιο Li: λίθιο Το σύμβολο κάθε στοιχείου το γράφουμε επίσης μαζί με τον ατομικό (Ζ) και τον μαζικό αριθμό (Α) ως εξής: Επάνω αριστερά του συμβόλου γράφουμε το μαζικό αριθμό (Α) και κάτω αριστερά τον ατομικό αριθμό (Ζ). Ατομικότητα στοιχείου Δείχνει τον αριθμό ατόμων του στοιχείου που βρίσκονται στο μόριό του. Δεδομένου ότι τα στοιχεία στη φύση υπάρχουν με τη μορφή μορίων, θα πρέπει να λαμβάνουμε σοβαρά υπόψη την ατομικότητα. Μονοατομικά στοιχεία: Ευγενή αέρια (He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn), όλα τα μέταλλα, C, Si, B Διατομικά στοιχεία: Η2, Ο2, Ν2, Αλογόνα (F2, Cl2, Br2, I2) Τριατομικό στοιχείο: O3 (όζον) Τετρατομικά στοιχεία: P4, As4, Sb4 Όπως βλέπετε η ατομικότητα κάθε στοιχείου (δηλαδή το μόριό του) προσδιορίζεται με ένα αριθμό κάτω δεξιά στο σύμβολο του στοιχείου. Πως ενώνονται μεταξύ τους τα άτομα των στοιχείων για να σχηματίσουν ενώσεις; Υπάρχει ένας νόμος στη φύση που λέει ότι όταν ένα άτομο στοιχείου έχει στην εξωτερική τελευταία στοιβάδα 2 (αν είναι μοναδική) ή 8 ηλεκτρόνια (αν είναι περισσότερες από 2), δεν έχει την τάση να ενωθεί με άλλο άτομο (χημική ουδετερότητα). Αν όμως δεν έχει 2 ή 8 ηλεκτρόνια στην εξωτερική στοιβάδα, έχει την τάση να ενωθεί με άλλο άτομο στοιχείου ώστε να τη συμπληρώσει με 2 ή 8 ηλεκτρόνια και να γίνει χημικά ουδέτερο (δηλαδή να μην έχει την τάση να ενωθεί με άλλο στοιχείο) ή να αποκτήσει δομή ευγενούς αερίου (διότι μόνον τα ευγενή αέρια έχουν 2 ή 8 ηλεκτρόνια στην εξωτερική τους στιβάδα). 4
Παραδείγματα : Το στοιχείο ήλιο (He) έχει Ζ=2 δηλαδή 2p στον πυρήνα και 2e να περιστρέφονται γύρω του. Το στοιχείο νέο (Ne) έχει Ζ=10 δηλαδή 10p στον πυρήνα και 10e. Αυτά διατάσσονται ως εξής: 2e σε κοντινή τροχιά και 8e σε πιο μακρινή από τον πυρήνα. Επομένως δεν ενώνονται με κανένα στοιχείο (χημικά ουδέτερα). Ας δούμε τώρα δύο άτομα στοιχείων που δεν έχουν 2 ή 8 ηλεκτρόνια στην εξωτερική τους στοιβάδα. Το «νάτριο (Na)» έχει 11p και 11e (Ζ=11) που διατάσσονται ως εξής: 2e στη 1 η στοιβάδα, 8e στη 2 η στοιβάδα και 1e στην 3 η στοιβάδα. Το «χλώριο (Cl)» έχει 17p και 17e (Ζ=17) που διατάσσονται ως εξής: 2e στη 1 η στοιβάδα, 8e στη δεύτερη και 7e στην τρίτη. Τα άτομα αυτά έχουν ανάγκη να ενωθούν ώστε να αποκτήσουν 8e στην εξωτερική τους στοιβάδα και να γίνουν χημικά ουδέτερα. Τι πρέπει να κάνουν; Να χάσει το νάτριο το 1 ηλεκτρόνιο ώστε να μείνει με την προηγούμενη στοιβάδα που έχει 8e και αυτό το 1e να το κερδίσει το χλώριο ώστε η 3 η στοιβάδα του να αποκτήσει 8e. Έτσι δημιουργείται η ένωση «χλωριούχο νάτριο», το γνωστό μας αλάτι στο φαγητό. Το νάτριο που χάνει 1e έχει τώρα 1 περισσότερο p επομένως μετατρέπεται σε θετικό ιόν κατιόν. Το χλώριο που κερδίζει 1e έχει τώρα 1 περισσότερο e επομένως μετατρέπεται σε αρνητικό ιόν ανιόν. Υπάρχουν και άλλοι τρόποι ένωσης ατόμων στοιχείων για το σχηματισμό χημικών ενώσεων, όπως και τρόποι τα άτομα να χάνουν ή να κερδίζουν ηλεκτρόνια και να μετατρέπονται σε κατιόντα ή ανιόντα. Στη φύση τα άτομα στοιχείων εμφανίζουν ηλεκτρική ουδετερότητα (ίσο αριθμό p και e) αλλά δεν έχουν χημική ουδετερότητα (2 ή 8 ηλεκτρόνια στην εξωτερική τους στοιβάδα). Λίγα μόνο στοιχεία εμφανίζουν και ηλεκτρική και χημική ουδετερότητα (τα ευγενή αέρια). Αυτός είναι ο λόγος που οι χημικές ενώσεις στη φύση είναι πάρα πολλές. Δύο βασικοί τρόποι σχηματισμού χημικών ενώσεων είναι οι εξής: Το ένα στοιχείο να χάνει ηλεκτρόνιο ή ηλεκτρόνια και να μετατρέπεται σε θετικό ιόν κατιόν και το άλλο στοιχείο να κερδίζει το ηλεκτρόνιο ή τα ηλεκτρόνια και να μετατρέπεται σε αρνητικό ιόν ανιόν. Αυτός ο τρόπος εμφανίζεται κατά κύριο λόγο στην Ανόργανη Χημεία και οι ενώσεις ονομάζονται ετεροπολικές. Είναι ο τρόπος σχηματισμού του αλατιού (χλωριούχου νατρίου) που αναφέραμε παραπάνω. Τα δύο στοιχεία να δανείζουν το ένα στο άλλο ηλεκτρόνιο ή ηλεκτρόνια ώστε να συμπληρώνουν την εξωτερική τους στιβάδα με 2 ή 8 ηλεκτρόνια. Δηλαδή να μη χάνουν ούτε να κερδίζουν ηλεκτρόνια. Τότε τα άτομα εξακολουθούν να παραμένουν ηλεκτρικά ουδέτερα και δεν μετατρέπονται σε ιόντα. Αυτός ο τρόπος εμφανίζεται κατά κύριο λόγο στην Οργανική Χημεία και οι ενώσεις ονομάζονται ομοιοπολικές. Ο αριθμός των ηλεκτρονίων που μπορεί να χάσει ή να κερδίσει το άτομο στοιχείου για το σχηματισμό ένωσης, είναι μέχρι 3 και αυτό έχει σχέση με το ποσό ενέργειας που μπορεί να ξοδέψει κάθε άτομο. Η σοφή φύση φροντίζει πάντοτε να ξοδεύει το μικρότερο δυνατό ποσό ενέργειας και να παράγει το μεγαλύτερο δυνατό έργο. Αριθμός Οξείδωσης ατόμου στοιχείου Είναι το ηλεκτρικό φορτίο που αποκτά το άτομο ενός στοιχείου στην προσπάθειά του να ενωθεί με άλλο στοιχείο και να σχηματίσει ετεροπολική ένωση. Παραδείγματα : 5
Το άτομο του ασβεστίου (Ca) έχει Ζ=20 δηλαδή 20p και 20e να περιστρέφονται γύρω από τον πυρήνα. Αυτά κατανέμονται ως εξής: 2e στην 1 η στοιβάδα, 8e στη 2 η στοιβάδα, 8e στην 3 η στιβάδα και 2e στην 4 η και τελευταία στοιβάδα. Επομένως θέλει να ενωθεί με άτομο άλλου στοιχείου για να αποκτήσει δομή ευγενούς αερίου με 8 ηλεκτρόνια στην εξωτερική του στιβάδα. Άρα πρέπει να χάσει τα 2e της εξωτερικής και να μείνει με την προηγούμενη στιβάδα που έχει 8. Προσοχή: δεν προτιμά να κερδίσει 6e στην 4 η στιβάδα διότι η ενέργεια που θα ξοδέψει είναι περισσότερη. Άρα το στοιχείο θα αποκτήσει 2e λιγότερα, 2p περισσότερα, θα μετατραπεί σε κατιόν και θα έχει αριθμό οξείδωσης +2 (Ca +2 ). Το άτομο του οξυγόνου (Ο) έχει Ζ=8 δηλαδή 8p και 8e να περιστρέφονται γύρω από τον πυρήνα. Αυτά κατανέμονται ως εξής: 2e στην 1 η στοιβάδα και 6e στη 2 η και τελευταία στοιβάδα. Επομένως θέλει να ενωθεί με άτομο άλλου στοιχείου για να αποκτήσει δομή ευγενούς αερίου με 2 ή 8 ηλεκτρόνια στην εξωτερική του στιβάδα. Με ποιο τρόπο θα ξοδέψει λιγότερη ενέργεια; Κερδίζοντας 2e στη δεύτερη και τελευταία στιβάδα ή χάνοντας τα 6e της δεύτερης ώστε να μείνει με την προηγούμενη με 2e; Προφανώς με τον πρώτο τρόπο. Άρα το στοιχείο θα αποκτήσει 2e επιπλέον, θα μετατραπεί σε ανιόν και θα έχει αριθμό οξείδωσης -2 (O -2 ). Οι αριθμοί οξείδωσης των συνηθισμένων στοιχείων που θα συναντήσετε μέχρι το τέλος της σχολικής σας ζωής φαίνονται στον παρακάτω πίνακα. Η, Li, K, Na, Ag +1 H -1 Mg, Ba, Ca, Zn +2 F, Cl, Br, I -1 Al, Bi +3 O, S -2 Mn, Cr +3, +2 N, P, As, Sb -3 Au +3, +1 C, Si -4 Cu, Hg +1, +2 B -3 Fe, Co, Ni +2, +3 Pb, Sn, Pt +2, +4 Πολυατομικά ιόντα (ρίζες) Είναι συγκροτήματα ατόμων που εμφανίζουν αριθμούς οξείδωσης. Τα συγκροτήματα αυτά ατόμων ενώνονται με στοιχεία ή με άλλο συγκρότημα ατόμων για το σχηματισμό ενώσεων χωρίς να διαχωρίζονται στα άτομά τους. Τα πιο συνηθισμένα πολυατομικά ιόντα που θα συναντήσετε φαίνονται παρακάτω: NH4 +1 αμμώνιο ΟΗ -1 υδροξείδιο, CN -1 κυάνιο NO3-1 νιτρικό, ClO3-1 χλωρικό, BrO3-1 βρωμικό, IO3-1 ιωδικό SO4-2 θειικό, CO3-2 ανθρακικό, CrO4-2 χρωμικό, ZnO2-2 ψευδαργυρικό, SiO3-2 πυριτικό PO4-3 φωσφορικό, AlO3-3 αργιλικό, BO3-3 βορικό Μοριακοί τύποι Μοριακός τύπος στοιχείου είναι ο τύπος που μας δείχνει τον αριθμό ατόμων που περιέχονται στο μόριο του στοιχείου. Πρέπει οπωσδήποτε να θυμόμαστε τον πίνακα με τις ατομικότητες των στοιχείων. Ο αριθμός των ατόμων πρέπει να γράφεται σαν δείκτης κάτω δεξιά του συμβόλου του στοιχείου. 6
Αν πρόκειται για 1 άτομο δε γράφεται κανένας αριθμός. Παραδείγματα: Fe μόριο σιδήρου, Cl 2 μόριο χλωρίου, Ν 2 μόριο αζώτου, P 4 μόριο φωσφόρου Μοριακός τύπος ένωσης είναι ο τύπος που μας δείχνει τα στοιχεία από τα οποία αποτελείται το μόριο της ένωσης καθώς και τον ακριβή αριθμό ατόμων κάθε στοιχείου που περιέχονται. Τα στοιχεία σε κάθε ένωση βρίσκονται σε σταθερή αναλογία και σταθερή ποσοτική σύσταση (σε gr). Ο αριθμός των ατόμων πρέπει να γράφεται σαν δείκτης κάτω δεξιά του συμβόλου του στοιχείου. Αν πρόκειται για 1 άτομο δε γράφεται κανένας αριθμός. Παραδείγματα: NaCl χλωριούχο νάτριο (αλάτι), αποτελείται από νάτριο και χλώριο και μάλιστα από 1 άτομο νατρίου και 1 άτομο χλωρίου. Αναλογία ατόμων Na, Cl 2, 1:1 H 2SO 4 θειικό οξύ, αποτελείται από υδρογόνο, θείο, οξυγόνο και μάλιστα από 2 άτομα υδρογόνου, 1 άτομο θείου και 4 άτομα οξυγόνου. Αναλογία ατόμων H 2, S, O 2, 2:1:4 Πως γράφουμε το μοριακό τύπο μιας χημικής (ετεροπολικής) ένωσης Τα βήματα που ακολουθούμε για να γράψουμε το μοριακό τύπο μιας ένωσης είναι τα εξής: 1) Η ένωση αποτελείται από δύο μέρη που είναι στοιχεία ή πολυατομικά ιόντα. Το ένα πρέπει να έχει θετικό αρ. οξείδωσης (κατιόν) και το άλλο αρνητικό αρ. οξείδωσης (ανιόν). 2) Πρώτο γράφεται το κατιόν (+) στοιχείο ή πολυατομικό ιόν και δεύτερο το ανιόν (-) στοιχείο ή πολυατομικό ιόν. 3) Ο αριθμός οξείδωσης κάθε στοιχείου ή πολυατομικού ιόντος γράφεται κατά απόλυτη τιμή (χωρίς πρόσημο) σαν δείκτης κάτω δεξιά, στο διπλανό στοιχείο ή πολυατομικό ιόν. 4) Στην περίπτωση που ο αριθμός οξείδωσης είναι + ή -1 δεν γράφουμε κανένα δείκτη. 5) Στα πολυατομικά ιόντα ο δείκτης αφορά το πολυατομικό ιόν στο σύνολό του, οπότε κλείνουμε σε παρένθεση το πολυατομικό ιόν και τοποθετούμε το δείκτη κάτω δεξιά. 6) Τέλος αν οι δείκτες δέχονται απλοποίηση (όπως στον αριθμητή και παρονομαστή ενός κλάσματος) πρέπει οπωσδήποτε να τους απλοποιήσουμε για να πάρει η ένωση την τελική της μορφή. Παραδείγματα: Na +1 Cl -1 >> Na 1Cl 1 >> NaCl Ca +2 NO 3-1 >> Ca 1 NO 3 2 >> Ca(NO3)2 Mg +2 SO 4-2 >> Mg 2(SO 4) 2 >> MgSO4 Ονοματολογία οξέων, βάσεων, αλάτων, οξειδίων Οξέα [Η χα] : είναι οι ενώσεις που στο πρώτο μέρος έχουν το υδρογόνο H +1. Το δεύτερο μέρος μπορεί να είναι στοιχείο ή πολυατομικό ιόν. Αν το δεύτερο μέρος είναι στοιχείο, η λέξη αρχίζει με το πρόθεμα -υδρό και συνεχίζει με το όνομα του στοιχείου. Παραδείγματα: HCl υδροχλώριο, H 2S υδρόθειο, HCN υδροκυάνιο Αν το δεύτερο μέρος είναι πολυατομικό ιόν, το όνομα αρχίζει με το όνομα του πολυατομικού ιόντος και καταλήγει με τη λέξη -οξύ Παραδείγματα: H 2SO 4 θειικό οξύ, HNO 3 νιτρικό οξύ, H 3PO 4 φωσφορικό οξύ 7
Παρατήρηση: το νερό (Η 2Ο) δεν ανήκει στα οξέα και ονομάζεται «νερό» Βάσεις [Μ(ΟΗ)χ] : είναι οι ενώσεις που στο δεύτερο μέρος έχουν το πολυατομικό ιόν του υδροξειδίου (ΟΗ -1 ) Το όνομα αρχίζει με τη λέξη «-υδροξείδιο του» και καταλήγει με το όνομα του στοιχείου ή του πολυατομικού ιόντος. Παραδείγματα: NaOH υδροξείδιο του νατρίου (καυστικό νάτριο), Ca(OH) 2 υδροξείδιο του ασβεστίου, Άλατα [ΘχΑψ]: είναι οι ενώσεις που δεν έχουν υδρογόνο (Η +1 ) στο πρώτο μέρος, ούτε υδροξείδιο (ΟΗ -1 ) στο δεύτερο μέρος. Αν το δεύτερο μέρος είναι στοιχείο, το όνομα αρχίζει με το όνομα του στοιχείου με την κατάληξη -ουχο και καταλήγει με το όνομα του στοιχείου ή του πολυατομικού ιόντος στο πρώτο μέρος. Παραδείγματα: KCl χλωριούχο κάλιο, Na 2S θειούχο νάτριο, NH 4F φθοριούχο αμμώνιο Αν το δεύτερο μέρος είναι πολυατομικό ιόν, το όνομα αρχίζει με το όνομα του πολυατομικού ιόντος και καταλήγει με το όνομα του στοιχείου ή του πολυατομικού ιόντος στο πρώτο μέρος. Παραδείγματα: Na 2SO 4 θειικό νάτριο, NH 4NO 3 νιτρικό αμμώνιο Οξείδια [Σ2Οχ] : είναι οι ενώσεις των διαφόρων στοιχείων με το οξυγόνο (Ο -2 ) στο δεύτερο μέρος. Το όνομα αρχίζει με τη λέξη -οξείδιο τονισμένη με το πλήθος των οξυγόνων και καταλήγει με το όνομα του στοιχείου στο πρώτο μέρος. Παραδείγματα: SO 3 τριοξείδιο του θείου, CO 2 διοξείδιο του άνθρακα, CO μονοξείδιο του άνθρακα. Χημική αντίδραση - εξίσωση Χημική αντίδραση ονομάζεται η μεταβολή κατά την οποία από κάποιες αρχικές ουσίες (αντιδρώντα σώματα) προκύπτουν μετά από ανακατάταξη των ατόμων, νέες ουσίες (προϊόντα σώματα), με διαφορετικές ιδιότητες από τις αρχικές. Χημική εξίσωση είναι η περιγραφή μιας χημικής αντίδρασης στην οποία χρησιμοποιούμε τα χημικά σύμβολα και τους χημικούς τύπους των ενώσεων. Κλασσικό παράδειγμα είναι η φωτοσύνθεση: διοξείδιο του άνθρακα + νερό (παρουσία φωτός) οξυγόνο + γλυκόζη Τη χημική αντίδραση διακρίνουμε σε: Εξώθερμη, ενδόθερμη, θερμοουδέτερη Μοριακή, Ιοντική Μονόδρομη, αμφίδρομη Φωτοχημική, ηλεκτροχημική Η εικόνα μιας χημικής αντίδρασης είναι η παρακάτω: αντιδρώσα ένωση ή στοιχείο 1 + αντιδρώσα ένωση ή στοιχείο 2 + προϊόν στοιχείο ή ένωση 1 + προϊόν στοιχείο ή ένωση 2 + Σε κάθε χημική αντίδραση πρέπει να ισχύουν: Η αρχή διατήρησης μαζών: μάζα αντιδρώντων (σε gr) = μάζα προϊόντων (σε gr) Η αρχή διατήρησης ατόμων: αριθμός ατόμων κάθε στοιχείου στα προϊόντα = αριθμός ατόμων του ίδιου στοιχείου στα προϊόντα. Σε κάθε αντίδραση, ενώσεις ή/και στοιχεία παίρνουν μέρος με τη μορφή μορίων. 8
Συνηθισμένη χημική αντίδραση είναι η καύση μιας χημικής ένωσης. Σε αυτήν η ένωση έρχεται σε επαφή με οξυγόνο και εκλύεται πάντα ποσό θερμότητας (εξώθερμη). Σύμφωνα με τις παραπάνω αρχές, η χημική αντίδραση (εξίσωση) μοιάζει με μια μαθηματική εξίσωση. α + β + = γ + δ +. όπου α, β τα αντιδρώντα σώματα και γ, δ τα προϊόντα μιας αντίδρασης. Δεν βάζουμε όμως «=» στη χημική αντίδραση (εξίσωση), αλλά για να δείξουμε τον προσανατολισμό της αντίδρασης. Ότι δηλαδή ενώνουμε τα αντιδρώντα σώματα και μετά από ανακατατάξεις των ατόμων προκύπτουν τα προϊόντα σώματα εντελώς διαφορετικά από τα αρχικά. (Μερικές φορές μπορεί μια αντίδραση να γίνει από αριστερά προς τα δεξιά και κατόπιν από δεξιά προς τα αριστερά. Αυτή ονομάζεται αμφίδρομη). Πως γράφουμε μια χημική αντίδραση εξίσωση Σε κάθε χημική αντίδραση διακρίνουμε το αριστερό μέρος (αντιδρώντα σώματα) και το δεξιό μέρος (προϊόντα της αντίδρασης). Ανάμεσα στα δύο μέρη πρέπει να υπάρχει το που δείχνει την κατεύθυνση της αντίδρασης (από αριστερά προς τα δεξιά). Γράφουμε πρώτα τα αντιδρώντα σώματα (στοιχεία ή ενώσεις), μετά το και κατόπιν τα προϊόντα της αντίδρασης (στοιχεία ή ενώσεις), σύμφωνα με κανόνες που θα μάθουμε στην πορεία της σχολικής ζωής. Φροντίζουμε να γράφουμε τα στοιχεία με το μοριακό τους τύπο (ατομικότητα) και τις ενώσεις επίσης με το μοριακό τους τύπο όπως μάθαμε σε προηγούμενη παράγραφο. Όταν είμαστε σίγουροι ότι έχουμε ολοκληρώσει σωστά τα 2 προηγούμενα βήματα, προχωρούμε με την εφαρμογή της αρχής διατήρησης των ατόμων κάθε στοιχείου στα αντιδρώντα και προϊόντα σώματα. Πρέπει δηλαδή να εξισώσουμε τον αριθμό ατόμων κάθε στοιχείου δεξιά και αριστερά της εξίσωσης. Αρχίζουμε με το πρώτο στοιχείο που βλέπουμε αριστερά, μετράμε τα άτομά του στα αντιδρώντα σώματα και εξισώνουμε με αριθμό (συντελεστή) που βάζουμε μπροστά από ένα στοιχείο ή ένωση στα προϊόντα σώματα. Συνεχίζουμε με το δεύτερο στοιχείο που βλέπουμε και εξισώνουμε με τον ίδιο τρόπο, μετά το τρίτο στοιχείο κτλ. Προτελευταία μετράμε και εξισώνουμε τα άτομα του υδρογόνου και τελευταία τα άτομα του οξυγόνου. Παράδειγμα: Mg + H 3PO 4 Mg 3(PO 4) 2 + H 2 Βλέπουμε ότι έχουμε 1 άτομο Mg αριστερά και 3 άτομα Mg δεξιά Βάζουμε επομένως συντελεστή 3 μπροστά από το Mg αριστερά 3Mg + H 3PO 4 Mg 3(PO 4) 2 + H 2 Προχωρούμε στο φώσφορο (P). Βλέπουμε ότι έχουμε 1 άτομο P αριστερά και 1*2=2 άτομα P δεξιά. Άρα βάζουμε μπροστά από την ένωση H 3PO 4 (φωσφορικό οξύ) συντελεστή 2. 3Mg + 2H 3PO 4 Mg 3(PO 4) 2 + H 2 Δεν έχουμε άλλα στοιχεία εκτός από το υδρογόνο και το οξυγόνο να μετρήσουμε. Επομένως μετράμε τα άτομα υδρογόνου αριστερά. 2*3=6. Πρέπει να γίνουν 6 και δεξιά. Βάζουμε επομένως συντελεστή 3 μπροστά από το μόριο υδρογόνου δεξιά ώστε 3*2=6. 3Mg + 2H 3PO 4 Mg 3(PO 4) 2 + 3H 2 Τέλος μετράμε τα οξυγόνα αριστερά 2*4=8 και δεξιά 4*2=8. Επομένως είμαστε σωστοί και η αντίδρασή μας έχει ολοκληρωθεί. Παρατηρήσεις: Mg και Η 2 τα γράφουμε σύμφωνα με την ατομικότητά τους διότι πρέπει να είναι με τη μορφή μορίων. Τις ενώσεις H 3PO 4 (φωσφορικό οξύ) και Mg 3(PO 4) 2 (φωσφορικό μαγνήσιο) τις γράφουμε όπως μάθαμε σε προηγούμενη παράγραφο διότι είναι και αυτές με τη μορφή μορίων. 9
Πρέπει να ακολουθούμε πιστά τις οδηγίες στο μέτρημα των ατόμων. Πρώτα όλα τα στοιχεία από αριστερά προς τα δεξιά, προτελευταία τα υδρογόνα και τελευταία τα οξυγόνα. Εφόσον ακολουθούμε σωστά τις οδηγίες στο μέτρημα μέχρι και το υδρογόνο, τα οξυγόνα εξισώνονται μόνα τους χωρίς να κάνουμε καμία ενέργεια. Οι συντελεστές που συμπληρώνουμε μπροστά από τα στοιχεία και τις ενώσεις, δηλώνουν μόρια. Έτσι στην τελική της μορφή η αντίδραση μας δείχνει ότι: ενώνουμε 3 μόρια Μg με 2 μόρια H 3PO 4 και παίρνουμε 1 μόριο Mg 3(PO 4) 2 και 3 μόρια H 2. Βλέποντας την αντίδραση στην τελική της μορφή παίρνουμε τις εξής πληροφορίες: 3Mg + 2H 3PO 4 Mg 3(PO 4) 2 + 3H 2 Έχουμε 3 μόρια Mg που το κάθε μόριο περιέχει 1 άτομο 2 μόρια H 3PO 4 με 2*3=6 άτομα υδρογόνου, 2*1=2 άτομα φωσφόρου και 2*4=8 άτομα οξυγόνου 1 μόριο Mg 3(PO 4) 2 με 1*3=3 άτομα μαγνησίου, 1*2*1=2 άτομα φωσφόρου και 1*2*4=8 άτομα οξυγόνου 3 μόρια H 2 με 3*2=6 άτομα υδρογόνου Πολλές φορές δίπλα στις ενώσεις και τα στοιχεία των αντιδράσεων μπορούμε να γράφουμε τη φυσική τους κατάσταση, solid (s) για τα στερεά, liquid (l) για τα υγρά, gas (g) για τα αέρια και aqueous solution (aq) για τα υδατικά διαλύματα. Παράδειγμα: 2H 2O(l) O 2(g) + H 2(g) δύο μόρια υγρού νερού διασπώνται σε ένα μόριο αερίου οξυγόνου και 1 μόριο αερίου υδρογόνου Κάποιες λεπτά σημεία που πρέπει να προσέχετε κατά τη συμπλήρωση των συντελεστών. Παράδειγμα 1: Ας συμπληρώσουμε τους συντελεστές της αντίδρασης: Al + Br 2 AlBr 3 Έχουμε 1 Al αριστερά και 1 δεξιά. ΟΚ Έχουμε 2 Br αριστερά και 3 δεξιά. Τι κάνουμε σε αυτήν την περίπτωση για να εξισώσουμε τα Br; Βάζουμε συντελεστή 3 αριστερά και 2 δεξιά. Έτσι έχουμε 3*2=6 άτομα Br αριστερά και 2*3=6 άτομα Br δεξιά. Έτσι όμως αλλάξαμε τα άτομα του Al δεξιά σε 2. Βάζουμε συντελεστή 2 αριστερά στο Al και είμαστε OK. 2Al + 3Br 2 2AlBr 3 Παράδειγμα 2: Ας συμπληρώσουμε τους συντελεστές της αντίδρασης: CO + O 2 CO 2 Έχουμε 1 C αριστερά και 1 δεξιά. ΟΚ Τα οξυγόνα είναι 1+2=3 αριστερά και δύο δεξιά. Τι κάνουμε σε αυτήν την περίπτωση; Έχουμε τη δυνατότητα να βάλουμε κλάσμα συντελεστή. Βάζοντας 1/2 στο O 2 (μισό μόριο οξυγόνου) εξισώνουμε τα οξυγόνα αριστερά και δεξιά. CO + 1/2O 2 CO 2 Μαθαίνοντας σωστά τη θεωρία και με την εμπειρία των επαναλήψεων και των ασκήσεων θα αποκτήσετε τις δεξιότητες να αντιμετωπίζετε όλες τις δυσκολίες. 10