Chemia- notatki

Pierwiastki i związki chemiczne

Żmudne prace badawcze, bądź też czasem zabawne okoliczności przyczyniły się do odkrycia coraz większej liczby pierwiastków chemicznych. Aby móc je rozróżnić wprowadzono nazwy, które pochodziły m. in.
- od nazw państw, miast, części świata, np. polon, europ czy magnez( jego nazwa pochodzi od pobliskiego miasteczka ? Magnesia)
- od nazwisk uczonych ? Nobel, Kiur
- od właściwości pierwiastka, np. siarka ? sira oznacza bowiem jasnożółty
- od nazw ciał niebieskich ? uran, hel.

W czasach starożytnych starano się skrócić pisanie nazw pierwiastków i związków chemicznych. Alchemicy wiązali nazwy metali z nazwami ciał niebieskich i oznaczali je umownymi symbolami. Podobnie związki chemiczne miały swoje obrazki. z biegiem lat stosowanie ich stawało się coraz bardziej uciążliwe, głównie ze względu na nowe pierwiastki i związki jakie odkrywano. Stopniowo zaczęto więc wprowadzać symbole literowe.


Układ okresowy pierwiastków

Tak jak mapa świata jest nieodzownym elementem nauk geograficznych, tak dla chemii bardzo ważny jest układ okresowy. Stworzony w II połowie XIX wieku przez Mendelejewa układ jest tablicą uporządkowującą wszystkie odkryte dotąd pierwiastki. Ułożone są one według podobnych właściwości w poziomych rzędach, tzw. okresach i pionowych grupach.


Symbole chemiczne pierwiastków

Chemicy opisując pierwiastki chemiczne i ich związki częściej niż pełnych nazw używają ich skrótów ? symboli literowych. Każdy pierwiastek oprócz nazwy posiada swój własny symbol literowy wywodzący się od nazwy łacińskiej pierwiastka. Symbole pierwiastków są jedno lub dwuliterowe i zawsze zapisujemy z dużej litery; druga litera symbolu pierwiastka, jeżeli symbol jest dwuliterowy, jest mała np. :
- pierwiastek tlen ma symbol O, który wyprowadzony jest od nazwy oxygenium
- pierwiastek żelazo ma symbol Fe, wyprowadzony jest od nazwy ferrum.


Wzory chemiczne związków

Znajomość symboli pierwiastków chemicznych w znacznym stopniu ułatwia przekazywanie informacji w chemii. Chemia bowiem to nie tylko proste substancje zwane pierwiastkami, ale i bardziej złożone substancje, często o skomplikowanych, dłuższych nazwach, zwane związkami chemicznymi. Znając symbole stanowiące kod chemiczny, możemy w prosty sposób określić skład związków chemicznych. Zapisując zespół symboli pierwiastków chemicznych, zaznaczając przy każdym z nich, w prawym dolnym rogu liczbę atomów danego pierwiastka występującą w cząsteczce, otrzymujemy wzór chemiczny związku chemicznego, np.:


Zasady ustalania wzorów

Skąd jednak wiadomo, że wzór powyższego tlenku nie będzie wyglądał następująco: O3Fe2
Otóż należy pamiętać o kilku zasadach dotyczących ustalenia wzorów.

1. Po pierwsze, gdy metal reaguje z niemetalem, to na pierwszym miejscu we wzorze zapisujemy symbol metalu. Zdecydowanie więc prawidłowym wzorem tlenku żelaza(III) jest: Fe2O3.
2. Gdy reagują z kolei dwa niemetale, wówczas jako pierwszy zapisujemy symbol pierwiastka, który w układzie okresowym znajduje się w grupie o niższym numerze. Jeżeli oba leżą w tej samej grupie np. S i O, wówczas jako pierwszy zapisujemy symbol pierwiastka leżący w okresie o wyższym numerze - inaczej mówiąc pierwiastek leżący wyżej w układzie, np. SO2 a nie O2S.


Wzory sumaryczne

Przedstawiony powyżej przykład przedstawia wzór sumaryczny związku chemicznego. Wśród wzorów chemicznych wyróżniamy jednak jeszcze wzory strukturalne, obrazujący sposób połączenia pierwiastków.


Strategia ustalania wzór sumarycznego związku dwupierwiastkowego

W jaki sposób ustalić wzór sumaryczny związku dwupierwiastkowego? Otóż konieczna jest tutaj znajomość wartościowości pierwiastka, którego atomy wchodzą w skład cząsteczki związku chemicznego.


Wartościowość pierwiastka

Wartościowość pierwiastka to liczba wiązań jakie ten pierwiastek może utworzyć podczas powstawania cząsteczek związków chemicznych. Niektóre pierwiastki w związkach mają tylko jedną wartościowość, ale są i takie, które w zależności od tego z jakimi pierwiastkami i w jakich warunkach reagują - tworzą związki z różną liczbą wiązań.


Odczytywanie wartościowości pierwiastka z układu okresowego

Korzystając z układu okresowego możemy odczytać wartościowości maksymalne pierwiastków, leżących w głównych grupach. Należy jedynie pamiętać, iż główne grupy w układzie okresowym to 1 i 2 (w niektórych podręcznikach możemy spotkać oznaczenie IA i IIA) oraz 13 ? 18 (IIIA ? VIIIA). Wartościowość pierwiastków w tych grupach rośnie kolejno od i do VIII. Np. magnez (Mg) leżący w 2 (IIA) grupie wykazuje wartościowość II. Azot (N) natomiast leży w grupie 15 (VA) i jego maksymalna wartościowość to V.
Należy jednak pamiętać, że pierwiastki wykazują maksymalną wartościowość tylko w niektórych związkach np. tlenkach
Dodajmy przy okazji, że wartościowość związków powyższych pierwiastków (leżących w głównych grupach) z wodorem i metalami, w pierwszych czterech grupach rośnie od i do IV, natomiast dalej od grupy V do VIII maleje od III do 0, czyli w grupie 15 (VA) wynosi III a w grupie 18 (VIIIA) ? 0.


Strategia ustalania wzór sumarycznego związku chemicznego

Kiedy znamy już wartościowość wykorzystujemy metodę zwaną regułą krzyżową. Pozwoli to nam ustalić wzór danego związku, bez konieczności uczenia się go na pamięć. Mając związek chemiczny pierwiastków a o wartościowości WA z pierwiastkiem B o wartościowości WB zapisujemy: Wartości WA i WB zapisujemy najczęściej nad symbolami.


Indeksy stechiometryczne wzoru ustalamy przenosząc liczby wartościowości zamiennie do sąsiednich pierwiastków:
Pozostaje na koniec tylko uprościć indeksy tak aby były najmniejszymi możliwie liczbami. Uczynić to można dzieląc każdą z tych liczb przez ich wspólny mianownik:

Przykład
Prześledźmy to na konkretnym przykładzie. Mamy utworzyć wzór sumaryczny tlenku siarki(VI)
SO WA= VI WB = II x= 2 czyli: S1O3
Pamiętajmy jednak, że jeżeli wynikiem dzielenia jest liczba ?1? to we wzorze sumarycznym jej nie zapisujemy. Ostatecznie wzór tlenku siarki(VI) przedstawia się następująco: SO3
Równania reakcji chemicznych
Znajomość symboli chemicznych pierwiastków ułatwia nie tylko przekazywanie informacji w chemii nie tylko poprzez zapisywanie nazw związków chemicznych i pierwiastków w postaci wzorów sumarycznych. Wiadomo przecież, że związki chemiczne mogą ze sobą reagować. Zapis informacji o jakościowym i ilościowym przebiegu takiej reakcji chemicznej nazywa się równaniem chemicznym. Każde równanie chemiczne obejmuje lewą stronę równania, strzałkę kierunkową oraz prawą stronę równania:

Lewa strona równania to nic innego jak wzory i/lub symbole substratów, czyli substancji potrzebnych do przeprowadzenia reakcji chemicznej. Natomiast prawa strona równania zawiera wzory i/lub symbole substancji, które w reakcji powstają, czyli produkty reakcji:

Rozważając konkretny przykład równania reakcji chemicznej zamieszczony poniżej, możemy dostrzec liczby występujące przed symbolami/wzorami sumarycznymi związków chemicznych. Są to tzw. współczynniki stechiometryczne:

C + 2S = CS2
Ich obecność jest niezbędna, ponieważ liczba atomów po prawej i lewej stronie równania musi być taka sama. Czy tak jest? Sprawdźmy, opierając się o powyższy przykład:
C + 2S = CS2
lewa strona równania prawa strona równania

Po lewej stronie równania mamy 1 atom węgla oraz 2 atomy siarki. Po prawej stronie równania mamy: CS2czyli:
- 1 atom węgla
- 2 atomy siarki (mały indeks przy symbolu siarki wskazuje na ilość atomów siarki w cząsteczce).

Widzimy więc, że po obu stronach równania mamy tę samą liczbę atomów danego pierwiastka.


Przykłady
Podsumowując powyższe rozważania spójrzmy jeszcze na różne sposoby zapisu reakcji chemicznych.
Reakcja tworzenia siarczku żelaza(II)
Reakcję tą możemy zapisać słownie, czyli:
żelazo siarka + siarczek żelaza
Znamy jednak symbole pierwiastków i związków chemicznych więc zapiszemy:
Fe + S = FeS

Po lewej stronie równania znajdują się substraty tej reakcji: siarka i żelazo, natomiast produktem reakcji jest siarczek żelaza, opisany prawą stroną równania.

Sprawdzamy czy równanie jest zbilansowane, czyli czy po obu jego stronach jest taka sama liczba atomów danego pierwiastka. Widzimy, że po obu stronach równania znajdują sie po dwa atomy siarki i dwa atomy żelaza, pozostaje nam więc tylko prawidłowo je odczytać:
jeden atom żelaza reaguje z jednym atomem siarki i powstaje cząsteczka siarczku żelaza.

W podobny sposób przedstawimy jeszcze jeden, nieco trudniejszy przykład, który pojawił się już we wcześniejszych rozważaniach. Zapiszmy reakcję węgla z siarką, w wyniku której tworzy się sól -dwusiarczek węgla.
węgiel + siarka = dwusiarczek węgla

Symbolicznie zapiszemy:
C + 2S = CS2
Cyfra 2 przed symbolem siarki to nic innego jak współczynnik stechiometryczny, którego zapisanie "wyrównuje" liczbę atomów siarki po obu stronach równania.

Powyższe równanie odczytujemy następująco:
jeden atom węgla reaguje z dwoma atomami siarki i powstaje cząsteczka dwusiarczku węgla.
Kolejne przykłady przedstawimy w postaci tabelki.


Reakcja spalania węgla

Zapis słowny
węgiel tlen + tlenek węgla(IV)

Równanie reakcji chemicznej
C + O2 = CO2

Sposób odczytywania
Jeden atom węgla reaguje z jedną cząsteczką tlenu i powstaje jedna cząsteczka tlenku węgla(IV).


Reakcja spalania wodoru

Zapis słowny
wodór = tlen + woda

Równanie reakcji chemicznej
2H2 + O2 = 2H2O

Sposób odczytywania
Jedna cząsteczka wodoru reaguje z jedną cząsteczką tlenu i powstaje jedna cząsteczka wody.


Reakcja rozkładu tlenku rtęci(II)

Zapis słowny
tlenek rtęci = rtęć + tlen

Równanie reakcji chemicznej
2HgO = 2Hg + O2

Sposób odczytywania
Dwie cząsteczki tlenku rtęci(II) rozkładają się na dwa atomy rtęci i cząsteczkę tlenu.


Bilansowanie równań chemicznych

Aby zapisane równanie reakcji chemicznej było prawidłowe, należy sprawdzić czy faktycznie liczba atomów danego pierwiastka po obu stronach jest taka sama. Jeśli tak nie jest ? musimy równanie zbilansować, czyli uzupełnić brakujące współczynniki stechiometryczne.
Nie ma jednoznacznego sposobu na ustalenie współczynników stechiometrycznych. Pewny jest jedynie fakt, iż w miarę ćwiczeń w tym zakresie nabieramy coraz większej wprawy.

Prześledźmy, na konkretnym przykładzie, jak zbilansować równanie reakcji chemicznej. w wyniku reakcji żelaza z siarką powstaje siarczek żelaza. wykorzystując symbole zapiszemy:
Fe + S = FeS

Sprawdzamy liczbę atomów poszczególnych pierwiastków po obu stronach równania. Lewa strona równania to: 1 atom żelaza i 1 atom siarki. Prawa strona równania opisuje cząsteczkę siarczku żelaza, zawierającą 1 atom żelaza i 1 atom siarki. Widzimy więc, że równanie zapisane w powyższej postaci jest zapisane prawidłowo.


Weźmy teraz kolejny opisany tutaj wcześniej przykład. Reakcję węgla z siarką, w wyniku której powstaje dwusiarczek węgla. Zapiszmy reakcje symbolicznie:
C + S = CS2

Sprawdzając liczbę atomów poszczególnych pierwiastków po obu stronach równania zauważamy, iż po prawej stronie mamy 2atomy siarki a po lewej tylko jeden. Wniosek jest taki, że w reakcji musiały brać udział dwa atomy siarki. Zapisujemy więc po lewej stronie równania przed symbolem siarki "dwójkę":
C + 2S = CS2

Skoro liczba atomów siarki po obu stronach się zgadza to sprawdźmy jeszcze liczbę atomów węgla. Lewa i prawa strona równania opisują po jednym atomie węgla, więc równanie zostało zbilansowane, a powyższy zapis jest prawidłowy.


Przyjrzyjmy się jeszcze kolejnemu przykładowi. w wyniku spalania w tlenie glinu powstaje tlenek glinu.

Wykorzystując symbole zapiszemy:
Al + O2 = Al2O3
(Uwaga! Tlen występuje w cząsteczkach dwuatomowych, stąd zapis: O2 a nie O)

Sprawdzamy liczbę atomów poszczególnych pierwiastków po obu stronach równania.
Lewa strona równania to: 1 atom glinu i 2 atomy tlenu (bo dwuatomowa cząsteczka)
Prawa strona równania opisuje cząsteczkę tlenku glinu, czyli mamy tutaj: 2 atomy glinu oraz 3 atomy tlenu. Widzimy więc, że równanie w powyższej postaci nie jest zapisane prawidłowo i należy je zbilansować.

Spróbujmy "wyrównać" liczbę tlenu po obu stronach równania. Zapisując cyfrę 3 przed cząsteczką tlenu (po lewej stronie równania) uzyskujemy jednocześnie 6 atomów tlenu:
Al + 3O2 = Al2O3

Nie pozostaje nic innego jak tylko z prawej strony równania, przed cząsteczką tlenku glinu zapisać cyfrę 2, aby liczba atomów tlenu wynosiła również 6:
Al + 3O2 = 2Al2O3

Liczba atomów tlenu po obu stronach równania "zgadza się".

Sprawdźmy więc liczbę atomów glinu. Po lewej stronie cały czas mamy tylko 1atom glinu, natomiast po prawej aż 4. Przed atom glinu po lewej stronie równania wpisujemy więc współczynnik 4.
4 Al + 3 O2 = 2Al2O3

Jeszcze raz, dla pewności, sprawdźmy czy wszystko się zgadza.
Lewa strona równania to: 4 atomy glinu oraz 6 atomów tlenu.
Prawa strona równania to:4 atomy glinu oraz 6 atomów tlenu.

Widzimy więc, że ostatni zapis jest właściwy i prawidłowo zbilansowaliśmy równanie reakcji. Teraz nie pozostaje nic innego jak je prawidłowo odczytać.
Cztery atomy glinu reagują z trzema cząsteczkami tlenu i powstają dwie cząsteczki tlenku glinu.

Tak zbilansowane równanie chemiczne możemy wykorzystać m. in. w wielu obliczeniach stechiometrycznych, np. podczas obliczania stężeń roztworów.