Energia wewnętrzna jest całkowitą energią danego układu.
Category Archives: Chemia nieorganiczna i ogólna
Energia wewnętrzna
Energia wewnętrzna układu jest sumą:
- energii ruchów wykonywanych przez cząsteczki i atomy znajdujące się w układzie,
- energii oddziaływań pomiędzy elektronami, jądrami atomowymi, oraz pomiędzy tymi dwoma grupami,
- energii oddziaływań pomiędzy nukleonami w jądrze atomowym.
Energia wewnętrzna układu nie uwzględnia:
- energii kinetycznej układu – czyli energii związanej z ruchem,
- energii potencjalnej układu – czyli energii związanej z umieszczeniem układu w polu sił, np. w polu grawitacyjnym Ziemi.
Energia wewnętrzna a I zasada termodynamiki
W układzie izolowanym energia wewnętrzna układu pozostaje stała.
Sole – nazewnictwo i właściwości
Sole są związkami zbudowanymi z kationu, bądź też kilku kationów, oraz anionu lub kilku anionów reszty kwasowej.
Sole są substancjami stałymi, nierzadko posiadają budowę krystaliczną, co możemy zaobserwować na przykładzie soli kuchennej (NaCl, chlorek sodu). Ich wspólną cechą jest również odporność na działanie wysokich temperatur. Zasada ta nie obowiązuje niektórych soli, w tym amonowych i węglanów metali.
Rozpuszczalność w wodzie jest cechą indywidualną soli. Niektóre rozpuszczają się w wodzie bardzo dobrze, inne natomiast praktycznie wcale.
Budowa i podział kwasów
Kwasy są związkami zbudowanymi z reszty kwasowej oraz atomu, bądź też atomów wodoru. Ogólny wzór kwasów można przedstawić wg schematu:
HnR
R – reszta kwasowa,
n – liczba atomów wodoru
Podział kwasów
Reszta kwasowa w cząsteczce kwasu może mieć różny charakter i pochodzenie. Podstawowy ich podział polega na wydzieleniu grupy kwasów tlenowych, oraz kwasów beztlenowych.
Kwasy tlenowe
Kwasy tlenowe posiadają w swej budowie przynajmniej jeden atom tlenu.
Wśród ich wielu kombinacji warto przytoczyć te najczęściej spotykane:
H2CO3 –
H3PO4 – kwas fosforowy stanowiący składnik Coca Coli,
HNO3 – kwas azotowy (V),
HNO2 –
H2SO4 – kwas siarkowy (IV),
H2SO3 – kwas siarkowy (VI).
Kwasy beztlenowe
Kwasy beztlenowe, jak sama nazwa wskazuje, pozbawione są tlenu w swym składzie. Są natomiast wodnymi roztworami związków wodoru z atomami niemetali należących do tlenowców i fluorowców.
HF – kwas fluorowodorowy,
HCl – kwas chlorowodorowy,
H2S – kwas siarkowodorowy.
Wodorotlenki i zasady – wodne roztwory wodorotlenków
Wodorotlenki są związkami jonowymi zawierającymi kation metalu Mex+, oraz anion lub aniony wodorotlenkowe OH–. Ogólny wzór wodorotlenków można przedstawić wg schematu:
Me(OH)x
Me – symbol metalu,
x – wartościowość metalu i liczba grup wodorotlenkowych, najczęściej 1, 2 lub 3, czasem 4.
Właściwości wodorotlenków
Wodorotlenki są ciałami stałymi, nierzadko zabarwionymi, choć część jest biała. Rozpuszczalność w wodzie wodorotlenków jest różna, poczynając od bardzo dobrze rozpuszczalnych wodorotlenków litowców (NaOH wodorotlenek sodu, KOH wodorotlenek potasu), poprzez wodorotlenki wapniowców o niewielkiej rozpuszczalności (Ca(OH)2 wodorotlenek wapnia, Mg(OH)2 wodorotlenek magnezu), po wodorotlenki o bardzo słabej rozpuszczalności.
Zasady
Zasady są wodnymi roztworami wodorotlenków. Mowa tu przede wszystkim o wodorotlenkach litowców i wapniowców, zdecydowanie lepiej rozpuszczalnych w wodzie niż związki innych metali.
Właściwości zasad, czyli wodnych roztworów wodorotlenków
Wskaźniki pH – indykatory. Zasady powodują zmianę zabarwienia wskaźników.
Neutralizacja kwaśnego odczynu. Zasady zobojętniają kwasy neutralizując kwaśny odczyn roztworów. W reakcji zobojętniania powstaje woda.
CO2. Rozpuszczanie tlenku węgla (IV), czyli CO2, pochodzącego z powietrza jest procesem naturalnie następującym w wodach na całym świecie. Zasady przyśpieszają jednak ten proces, co określa się jako pochłanianie CO2 przez zasady. Przyczyną jest reakcja.
Śliskość roztworu. Każdy kto miał styczność z mydłem może sobie wyobrazić pierwszy kontakt z silnie zasadowym roztworem. Jest on śliski w dotyku.
Liczba Avogarda
Znana nam chemia opiera się głównie na reakcjach poszczególnych atomów i cząsteczek. Przynajmniej w teorii. Odpowiadająca jej praktyka możliwa jest jednak jedynie w bardzo zaawansowanych laboratoriach chemicznych, które zapewne można by było policzyć na palcach jednej ręki na całym globie ziemskim. W praktyce posługujemy się nieco inną jednostką, znacznie większą od pojedynczej sztuki atomu, czy też cząsteczki. Mowa tu o zbiorze, jakim jest mol atomów, bądź cząsteczek.
NA = 6,02 × 1023 = 602 000 000 000 000 000 000 000
Liczba Avogadra wynosi 6,02 × 1023. Stosowana jest ona jako równowartość 1 mola drobin, a dokładniej atomów, cząsteczek, bądź też jonów.
1 mol = 6,02 × 1023 atomów, cząsteczek, bądź jonów
Rozdzielanie mieszanin substancji
Zdecydowana większość substancji występuje w przyrodzie w postaci mieszanin. To z nich wyodrębniamy potrzebne nam surowce, pozwalające na kształtowanie otaczającego nas środowiska w sposób odpowiadający człowiekowi.
Większość substancji wykorzystywanych przez człowieka do kształtowania otaczającej nas rzeczywistości występuje w postaci mieszanin lub substancji zanieczyszczonych domieszkami. Zazwyczaj w tej postaci potrzebne substancje nie nadają się do wykorzystania. Stąd pojawia się konieczność oczyszczania i rozdzielania mieszanin.
Prawo zachowania masy
Podczas reakcji chemicznych zachodzących w układach zamkniętych, nie wymieniających substancji z otoczeniem, łączna masa substancji użytych do reakcji jest równa łącznej masie substancji otrzymanych w wyniku reakcji.
Historia prawa zachowania masy
odkrycie – Michaił Łomonosow, Rosjanin
potwierdzenie – Antoine Lavoisier, Francuz br>
podanie w podręczniku – 1789r. , Antoine Lavoisier, Francuz
Właściwości fizyczne substancji
Każda z otaczających nas substancji, czy też stanowiąca cząstkę nas samych, posiada zestaw indywidualnych cech fizycznych, które odróżniają ją od innych substancji. Ogromna liczba różnorodnych substancji sprawia, że poszczególne właściwości fizyczne mogą powtarzać się stosunkowo często. Mimo to zbiory właściwości okazują się niepowtarzalne.
Określanie właściwości fizycznych
Określanie właściwości fizycznych substancji stanowi podstawę do ich rozróżnienia i nazwania. W przypadku materiałów, z którymi mamy do czynienia na co dzień, zazwyczaj wystarczającą procedurą okazuje się określenie cech charakterystycznych substancji, tj. masa, objętość, twardość, czy odporność na zniszczenie. Pomocne może okazać się również badanie organoleptyczne. Określanie cech odbywa się w różnych warunkach atmosferycznych, dając porównywalne efekty, jednak w przypadku konieczności wykonania dokładnych analiz istotne jest porównywanie właściwości fizycznych badanych substancji w określonych warunkach temperatury i ciśnienia, czasem nawet wilgotności. Często właściwości te oznacza się w warunkach normalnych, czyli temperaturze 0 °C (273 K) i ciśnieniu 1013 hPa. Dzięki takiemu postępowaniu otrzymywane wyniki przyjmują porównywalne wartości, jeśli tylko badane substancje nie zostały zanieczyszczone.
Wartym uwagi aspektem związanym z analizą właściwości fizycznych jest znaczna zależność niektórych z tych właściwości od stopnia zanieczyszczenia badanej substancji. Dla przykładu można tu wymienić przewodnictwo elektryczne, które wraz z domieszkami ulega ogromnym zmianom. Inne właściwości substancji w sposób nieznaczny reagują na domieszki, czego przykładem może tu być gęstość substancji.
Cechy charakterystyczne substancji
Substancje chemiczne otaczają człowieka z każdej strony, będąc składnikiem materii widocznej gołym okiem, wyczuwalnej, czy tej dla nas niedostrzegalnej gołym okiem. Materii żywej, oraz tej nieożywionej. Od zarania dziejów człowiek stara się tę materię opisywać, nadając jej nazwy na podstawie określonych cech. Początkowo były to nazwy tj. kamień, drewno, woda, z czasem uzupełniane i dalej systematycznie dzielone. Dla współczesnego człowieka kamień to cała grupa skał i minerałów, a nawet skamieniałych roślin. Woda może być morska, pitna, destylowana, czy nawet dejonizowana, stając się niemal czystym związkiem o wzorze H2O.
Wszystkie te nazwy nadawane są na podstawie posiadanych przez daną materię cech charakterystycznych.
Do najważniejszych cech charakterystycznych substancji, określanych w pierwszej kolejności, należą masa, objętość, oraz przepuszczalność dla promieniowania.
Ważną cechę charakterystyczną, choć określaną raczej w dalszej kolejności, stanowi trwałość materii.
Masa – masa substancji jest pojęciem bardzo istotnym. Określana jest w postaci masy spoczynkowej (bezwładnej), pozbawionej wszelkich zewnętrznych nacisków, poza przyciąganiem ziemskim.
Skuteczność działania detergentów, w tym mydła, a twardość wody
Choć chemicznie wodą określa się związek o wzorze H2O, to w naturze zasadniczo nie występuje ona w czystej postaci. Wody na globie ziemskim obfitują w różnorodne związki, zarówno organiczne, jak i nieorganiczne. Woda wodociągowa, używana w przeważającej części do mycia i prania, nie jest wyjątkiem. Choć substancje organiczne stanowią tu raczej rzadkość, różnego rodzaju sole zmniejszają skuteczność działania detergentów, w tym mydła.
Największy problem dla mydła i innego rodzaju detergentów stanowią sole wapnia i magnezu. Całkowita zawartość jonów wapnia Ca2+ i magnezu Mg2+ w wodzie określana jest jako twardość wody. Im jest ona wyższa, tym więcej woda zawiera soli wapnia i magnezu, i tym więcej należy użyć mydła i detergentów, aby oczyścić przedmioty i samego siebie.
Jony wapnia i magnezu obecne w wodzie reagują z mydłem dość szybko, wytrącając się w postaci białych osadów soli kwasów tłuszczowych.
Reakcje strąceniowe wapnia i magnezu:
|
Mg2+ + 2C17H35COO– → |
(C17H35COO)2Mg ↓ |
|
stearynian magnezu |
|
|
Ca2+ + 2C17H35COO– → |
C17H35COO)2Ca ↓ |
|
stearynian wapnia |
Z powodu wytrącania się znacznej ilości osadów w twardej wodzie usuwanie brudu jest najbardziej skuteczne w wodzie miękkiej, np. deszczówce, jeśli nie jest ona zanieczyszczona. W Polsce większość wód dostarczanych do gospodarstw domowych jest jednak twarda, przez co musi ona być zmiękczana, aby nie uszkodzić urządzeń tj. pralki i zmywarki, oraz by zmniejszyć ilość detergentów potrzebnych do usuwania brudu. Zmiękczanie wody zostało opisane w artykule dotyczącym twardości wody.
W warunkach domowych do zmiękczanie wody wykorzystuje się środki dodawane do środków czyszczących. Znakomite efekty osiągane są dzięki zastosowaniu polifosforanów sodu, które z jonami wapnia i magnezu tworzą związki kompleksowe. Nie wytrącają się one na tkaninach w pralce, czy naczyniach w zmywarce, po dodaniu mydła lub innych detergentów. Do produkcji proszków do prania wykorzystywany jest np. Na5P3O10.
