TOT CE TREBUIE SĂ ȘTII CA SĂ FII AS LA CHIMIE ÎNTR-UN DITAMAI CAIETUL [PDF]

Zitiervorschau

Everything You Need to Ace Chemistry in One Big Fat Notebook The Complete High School Study Guide de Workman Publishing Copyright © 2020 Workman Publishing Ediție publicată pentru prima dată în Statele Unite ale Americii Ediție publicată prin înțelegere cu Workman Publishing Co., Inc., New York Text : Jennifer Swanson Consultant : Kristen Drury Ilustrator: Chris Pearce Designer: Vanessa Han

Editura Litera tel.: 0374 82 66 35; 021 319 63 90; 031 425 16 19 e-mail: [email protected] www.litera.ro

Tot ce trebuie să știi ca să fii as la chimie într-un ditamai caietul de notițe Copyright © 2022 Grup Media Litera pentru versiunea în limba română Toate drepturile rezervate Traducere din engleză: Elena Arhire Editor: Vidrașcu și fiii Redactor: Laura Udrea Redactor coordonator: Ilieș Câmpeanu Corector: Georgiana Enache Prelucrare copertă: Bogdan Mitea Tehnoredactare și prepress: Marin Popa Descrierea CIP a Bibliotecii Naţionale a României Tot ce trebuie să știi ca să fii as la chimie într-un ditamai caietul de notiţe / București: Litera, 2022 ISBN 978-606-33-8682-4 54

CHIMIE TOT CE TREBUIE SĂ ȘTII CA SĂ FII AS LA

Salut! Bine ai venit la chimie! Acest caiet este conceput să-ți ofere ajutor pe măsură ce treci prin noțiunile de chimie. Ia în considerare faptul că acestea sunt notițele celui mai bun elev la chimie din clasa ta — cel care pare să „prindă“ repede totul și care are cele mai clare, mai precise și mai ușor de înțeles notițe.

În fiecare capitol vei găsi noțiuni importante de chimie prezentate într-un mod organizat, ușor de înțeles. Explicațiile despre stările și fazele materiei, structura și teoria atomică, tabelul periodic, reacțiile chimice și multe altele sunt prezentate logic. Nu trebuie să fii superinteligent sau vreun mare pasionat de chimie pentru a înțelege și a te bucura de noțiunile din această carte. Este chimie pe înțelesul tuturor.

Ca lucrurile să fie organizate: •

Termenii importanți de vocabular sunt evidențiați cu

GALBEN și clar definiți.

•

Termenii și noțiunile conexe sunt scrise cu A LBASTRU.

•

Exemplele și calculele sunt explicate detaliat, în pași.

•

Noțiunile sunt susținute de explicații, ilustrații și diagrame.

Dacă nu îți place foarte mult manualul și nu ești atât de priceput să iei notițe, acest caiet te va ajuta. A tinge toate noțiunile-cheie predate la ora de chimie.

CUPRINS UNITATEA 1:

BAZELE CHIMIEI

1

1.

Introducere în chimie 2

2.

Efectuarea de experimente 16

3.

Rapoarte de laborator și evaluare a rezultatelor 27

4.

Măsurători 40

5.

Siguranță în laborator și instrumente științifice 56

UNITATEA 2:

TOTUL DESPRE MATERIE 6. Proprietăți ale materiei și modificări de formă 74

7. Stările materiei 86 8. A tomi, elemente, compuși și amestecuri 100

73

UNITATEA 3:

TEORIA ATOMICĂ ȘI CONFIGURAȚIA ELECTRONULUI 113 9.

Teoria atomică 114

10. Unde, teoria cuantică și fotoni 123

UNITATEA 4:

ELEMENTE ȘI TABELUL PERIODIC 11. 12. 13.

135 Tabelul periodic al elementelor 136 Tendințe periodice 151 Electroni 172

UNITATEA 5:

LEGĂTURI ȘI TEORIA RPESV

179

14. Legături 180 15. Teoria respingerii perechilor de electroni din stratul de valență (RPESV) 204 16. Legături metalice și forțe intramoleculare 218

UNITATEA 6:

COMPUȘI CHIMICI

231 17. Denumirea substanțelor 232 18. Molul 249 19. Identificarea compozițiilor în compuși 263

UNITATEA 7:

REACȚII CHIMICE ȘI CALCULE 273

20. Reacții chimice 274 21. Calcule chimice 290

UNITATEA 8: GAZE 311 22. Gaze comune 312 23. Teoria cinetică moleculară 321 24. Legile gazelor 327

UNITATEA 9:

SOLUȚII ȘI SOLUBILITATE 25. Solubilitate 348 26. Reguli și condiții de solubilitate 361 27. Concentrații ale soluțiilor 372

347

UNITATEA 10:

ACIZI ȘI BAZE

ȘAMPON

383

28. Proprietăți ale acizilor și ale bazelor 384 29. Scala și calculul pH-ului 393

GE

E LD

PĂR

30. Acizi și baze conjugate 405 31. Titrări 415

UNITATEA 11:

COMPUȘI CHIMICI

423

32. Echilibru chimic 424 33. Principiul lui Le Châtelier 442

UNITATEA 12:

TERMODINAMICĂ

451

34. Prima lege a termodinamicii 452 35. A doua lege a termodinamicii 472 36. Rate de reacție 481

Indice 495

De obicei, o diagramă de fază este configurată astfel încât presiunea în atmosfere să fie reprezentată grafic față de temperatura în grade Celsius sau Kelvin. Diagrama este împărțită în trei zone care reprezintă stările solidă, lichidă și gazoasă ale substanței. Fiecare punct de pe diagramă indică o posibilă combinație de temperatură și presiune pentru substanță. Regiunile separate prin linii arată temperatura și presiunea care vor produce cel mai probabil un gaz, un lichid sau un solid. Liniile care împart diagrama în stări indică temperatura și presiunea la care două stări ale substanței sunt în echilibru.

Cum citim o diagramă de fază: O linie AB reprezintă rata de sublimare (crește) și depunere (descrește). Pe această linie, solidul este în echilibru cu gazul. Linia BC este rata de evaporare (crește) și condensare (descrește). Pe această linie, lichidul coexistă cu gazul. Linia BD este rata de topire (crește) și îngheț (descrește). Pe această linie, solidul coexistă cu lichidul.

PUNCT TRIPLU , unde solidul, lichidul și gazul pot coexista în ECHILIBRU (împreună). Punctul B se numește

94

Un alt mod de a arăta ce se întâmplă în timpul unei modificări de fază este folosirea unei curbe de încălzire sau de răcire. A cest grafic arată temperatura substanței față de cantitatea de căldură absorbită la o presiune constantă. EVAPORARE

TOPIRE

TEMPERATURĂ (°C)

GAZ

LICHID

SOLID

CĂLDURĂ ABSORBITĂ Pe măsură ce substanțele se încălzesc, absorb energie și își modifică starea.

95

Un

SOLID se situează în partea din stânga jos a graficului.

A ceasta înseamnă că are o temperatură scăzută și o căldură foarte puțin absorbită. Graficul arată că temperatura solidului se situează în intervalul -40°C și 0°C. Dar, pe măsură ce căldura crește, linia roșie urcă în grafic până la punctul în care este absorbită suficientă energie ca substanța să se transforme într-un

LICHID . Intervalul

prezentat în grafic este de la 0°C la 100°C. Când substanța se încălzește până la 100°C, se absoarbe mai multă energie, iar substanța se modifică din lichid în

SOL I D

L ICHI D

GAZ .

GA Z

De ce linia roșie rămâne plană înainte de a-și schimba din nou starea? Substanța trebuie să absoarbă suficientă căldură, astfel încât moleculele sale să se poată deplasa suficient ca să depășească forțele de atracție dintre ele și apoi să-și modifice starea. Toată energia este concentrată fie în procesul de topire, fie în cel de evaporare, nu în creșterea temperaturii.

96

w

VERIFICă-ȚI cunoștințele

1. Numește două motive pentru care s-ar putea produce o schimbare de fază. 2. Moleculele dintr-un solid se mișcă? 3. Care dintre fazele solidă, lichidă și gazoasă sunt comprimabile? 4.

este opusul înghețului. condensării.

este opusul

este opusul depunerii.

5. Numește trei tipuri de modificări de fază. 6. Într-o diagramă de fază, care sunt cele două proprietăți reprezentate grafic și care se intersectează, de obicei, pe axele x și y? 7. Într-o curbă de încălzire sau de răcire, ce înseamnă când linia rămâne plană o vreme înainte de a urca sau de a coborî?

RĂSPUNSURI

97

VERIFICă-ȚI RĂSPUNSURILE 1. Starea unui obiect nu este întotdeauna permanentă. Modificările de temperatură sau de presiune afectează materia și acestea se numesc modificări de fază. 2. Într-un solid, moleculele sunt strâns legate laolaltă într-un anumit model și nu se pot deplasa liber. Deși moleculele pot să vibreze înainte și înapoi în locurile lor, ele nu pot rupe structura rigidă. 3. Lichidele și gazele pot fi comprimate pentru că nu au o formă fixă. Solidele au formă fixă și nu pot fi comprimate. 4. Topirea este opusul înghețării. Evaporarea este opusul condensării. Sublimarea este opusul depunerii. 5. Oricare dintre următoarele: topire, înghețare, sublimare, depunere, evaporare și condensare.

98

6. De obicei, o diagramă de fază se configurează astfel încât presiunea în atmosfere să fie reprezentată grafic în funcție de temperatură în grade Celsius sau Kelvin. 7. Linia rămâne plană într-o curbă de încălzire și de răcire înainte de a se schimba starea pentru că substanța trebuie să absoarbă suficientă căldură, astfel încât moleculele să se poată deplasa îndeajuns ca să depășească forțele de atracție.

99

Capitolul 8 ATOMI, ELEMENTE, COMPUȘI ȘI AMESTECURI ATOMI Materia reprezintă tot ceea ce are masă și ocupă spațiu. Materia este alcătuită din

ATOMI .

A tomii sunt cele mai mici unități de materie care au proprietățile unui element chimic. A tomii sunt atât de mici încât nu îi poți vedea cu ochiul liber și nici chiar cu un microscop standard de laborator. A tomii sunt compuși din particule și mai mici (subatomice). Unele dintre aceste particule au o sarcină electrică asociată. O

SARCINĂ este o proprietate fizică. Sarcinile le permit

particulelor să se deplaseze (sau să rămână nemișcate) printr-un câmp electromagnetic.

100

Tipuri de particule Electroni: particule cu sarcină electrică negativă (-) Protoni: particule cu sarcină electrică pozitivă (+) Neutroni: particule care nu au nicio sarcină; sunt neutri.

Nu există niciun semn care să indice o sarcină neutră. nucleu

proton

Protonii și neutronii sunt localizați în

NUCLEU sau

neutron

centrul atomului. Întrucât protonii au sarcină pozitivă (+), iar neutronii

electron

nu au sarcină, nucleul are sarcină totală pozitivă.

nivel de energie Model al unui atom

Electronii sunt dispuși sub forma unor „nori“ la anumite niveluri de energie și la o distanță specifică de nucleu. De fapt, electronii, protonii și neutronii nu sunt cele mai mici particule de materie cunoscute. Există particule mai mici: leptonii, muonii, particulele tau și quarcurile.

101

Un

ATOM NEUTRU (un atom fără o sarcină totală) va

avea același număr de protoni și de electroni. Întrucât numărul de electroni (-) este același cu numărul de protoni (+), atomul nu are nicio sarcină totală. Un

ATOM POZITIV (un atom cu sarcină pozitivă) va avea

mai mulți protoni decât electroni. Un

ATOM NEGATIV (un atom cu sarcină negativă) va avea

mai mulți electroni decât protoni.

ELEMENTE ȘI COMPUȘI A tomii sunt, de obicei, clasificați ca elemente, care se mai numesc și substanțe pure. Există sute de atomi. O

SUBSTANȚĂ PURĂ este alcătuită dintr-un singur tip

de atomi sau dintr-un singur tip de molecule. O substanță pură poate fi ori un element, ori un compus. Oxigenul, hidrogenul și sodiul sunt exemple de substanțe pure. O

MOLECULĂ reprezintă doi sau mai mulți atomi care

se unesc chimic.

102

Un

COMPUS este o moleculă care conține cel puțin două

elemente diferite (sau atomi) care sunt combinate chimic într-un raport fix. A pa, reprezentată de simbolul chimic H 2O, este un compus

deoarece conține două elemente diferite: hidrogen (H) și oxigen (O).

Și sarea de masă, reprezentată de simbolul chimic NaCl, este un compus deoarece conține sodiu (Na) și clor (Cl). O

SUBSTANȚĂ CHIMICĂ

este ceva ce se poate separa în componentele sale prin metode fizice. De exemplu, la început, un diamant este o bucată de cărbune, dar este supus căldurii și presiunii intense. Deși își modifică forma de la cărbune la diamant, este totuși

format din aceeași substanță: carbon.

103

w VERIFICă-ȚI cunoștințele 1. Câte elemente cunoscute există? 2. Ce număr din tabelul periodic indică numărul de protoni dintr-un element? 3. Cum se numește un rând din tabelul periodic? Cum se numește o coloană din tabelul periodic? 4. Cine este cunoscut drept părintele tabelului periodic? Pe ce unitate de măsură și-a bazat structura tabelul periodic? 5. Care este diferența dintre numărul atomic și masa atomică? De ce este această diferență atât de importantă pentru tabelul periodic? 6. Care este diferența dintre un anion și un cation? Dă exemple pentru fiecare.

RĂSPUNSURI

149

VERIFICă-ȚI RĂSPUNSURILE 1. Există 118 elemente cunoscute. 2. Numărul atomic arată numărul de protoni dintr-un element. 3. Un rând din tabelul periodic se numește perioadă. O coloană se numește grupă sau familie. 4. Dmitri Mendeleev este cunoscut ca părintele tabelului periodic al elementelor. El și-a bazat structura elementelor pe masă. 5. Numărul atomic este numărul de protoni pe care îi conține un atom. Masa atomică este media ponderată care se bazează pe abundența relativă a izotopilor. Henry Moseley, chimist britanic, a reorganizat tabelul lui Mendeleev după numărul atomic, nu după masa atomică. Totul s-a „aranjat“ de la sine. Moseley a stabilit că numărul atomic crește în aceeași ordine ca masa atomică. 6. Un anion este un ion cu sarcină negativă. Un cation

este un ion cu sarcină pozitivă. Exemple de anioni sunt : clorura, nitritul, sulfatul și fosfatul. Exemple de cationi sunt : litiul, sodiul și potasiul.

150

Capitolul 12

TENDINȚE PERIODICE TIPURI DE ELEMENTE Tabelul periodic este guvernat de

care afirmă că:

Proprietățile fizice și chimice ale elementelor se repetă sistematic și predictibil când elementele sunt aranjate în ordinea

LEGEA PERIODICĂ ,

Legea periodică este considerată unul dintre cele mai importante concepte în chimie. Ea îi ajută pe chimiști să anticipeze cum se va comporta un element.

creșterii numărului atomic.

Dacă știi poziția unui element în tabelul periodic, poți anticipa proprietățile lui.

151

Elementele din tabelul periodic sunt împărțite în trei categorii:

METALE

NEMETALE

METALOIDE

METALELE sunt : solide la temperatura camerei (cu excepția mercurului [Hg], care este lichid la temperatura camerei)

DUCTILE (pot fi trase în fire subțiri) LUCIOASE (sau cu „luciu mare“/strălucitor) bune conductoare de electricitate și de căldură

MALEABILE (pot fi trase în foi subțiri) predispuse la pierderea cu ușurință a electronilor

152

NEMETALELE au proprietăți opuse metalelor. Sunt : FRAGILE mate sau fără strălucire slabe conductoare de electricitate și de căldură solide, lichide sau gazoase la temperatura camerei capabile să câștige sau să împartă cu ușurință electroni

METALOIDELE au proprietăți care sunt un amestec între proprietățile metalelor și nemetalelor. Sunt : solide la temperatura camerei mate sau strălucitoare un amestec de conductoare bune și conductoare slabe de electricitate și de căldură caracterizate prin proprietăți fizice care tind să fie proprietăți metalice și proprietăți chimice care tind să fie nemetalice

153

1

H

Prezentare a celor trei categorii în tabelul periodic

Hidrogen 1,0078

3

→ METAL → METALOID

4

Li

Be

11

12

Sodiu 22,990

Ma g neziu 24,305

19

20

21

Potasiu 39,098

Calciu 40,078

Scandiu 44,956

Titan 47,867

Vanadiu 50,942

37

38

39

40

Rubidiu 85,468

Stronțiu 87,62

Ytriu 88,906

55

56

Litiu 6,941

→ NEMETAL

Beri liu 9,0122

Na M g K

Ca Sc

Rb Sr

Y

22

24

25

26

Crom 51,996

Man g an 54,938

Fier 55,845

41

42

43

44

Zirconiu 91,224

Niobiu 92,906

Mol ibden 95,95

Technețiu 98,9062

Ruteniu 101,07

Ru

Rh

72

73

74

75

76

77

Ti

23

V

Cr Mn Fe

Zr Nb Mo Tc

Cobalt 58,933

45

Rodiu 102,91

Cesiu 132,91

Bariu 137,33

Hf Hafniu 178,49

Tantal 180,95

Wolfram 183,84

Reniu 186,21

Osmiu 190,23

Iridiu 192,22

87

88

104

105

106

107

108

109

Radiu ( 226 )

Rutherfordiu ( 267 )

Dubnim ( 268 )

Seaborg iu ( 269 )

Bohriu ( 264 )

Hassiu ( 269 )

Meitneriu ( 278 )

57

58

59

60

61

62

Lanthan 138,91

Ceriu 140,12

Praseodim 140,91

Neodim 144,24

Promețiu ( 145 )

Samariu 150,36

89

90

91

92

93

94

Actiniu ( 226 )

Toriu 232,04

Neptuniu ( 237 )

Plutoniu ( 244 )

Fr

Ra

Ir

Rf Db S g Bh Hs Mt

La Ce

Ac Th 154

Os

Co

Cs Ba Franciu ( 223 )

Ta W Re

27

Pr Nd Pm Sm

Pa

Protactiniu 231,04

U

Uraniu 238,03

Np Pu

2

He

Heliu 4,0026

5

B

6

10

Azot 14,006

Ox ig en 15,999

Fluor 18,998

F

Ne

13

14

15

16

17

18

P

O

9

Carbon 12,009

Si

N

8

Bor 10,806

Al

C

7

S

Neon 20,180

Cl Ar

Aluminiu 26,982

Siliciu 28,084

Fosfor 30,974

Sulf 32,059

Clor 35,446

Arg on 39,948

34

35

36

28

29

30

31

32

33

Nichel 58,693

Cupru 63,546

Zinc 65,38

Galiu 69,723

Germaniu 72,63

Arsen 74,922

Seleniu 78,96

Brom 79,904

Kripton 83,798

46

47

48

49

50

51

52

53

Paladiu 106,42

Argint 107,87

Cadmiu 112,41

Indiu 114,82

Staniu 118,71

Stibiu 121,76

Telur 127,60

I

54

Iod 126,90

Xe

78

79

80

81

82

83

84

85

86

Platină 195,08

Aur 196,97

Mercur 200,59

Taliu 204,38

Plumb 207,2

Bismut 208,98

Poloniu ( 209 )

Astatin ( 210 )

Radon ( 222 )

110

111

112

113

114

115

116

117

118

Darmstadtiu ( 281 )

Roentg eniu ( 281 )

Co p erniciu ( 285 )

Nihoniu ( 286 )

Fleroviu ( 289 )

Moscoviu ( 289 )

Livermoriu ( 293 )

Tennessine ( 294 )

Oganesson ( 294 )

63

64

65

66

67

68

69

70

Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb

71

Euro p iu 151,96

Gadoliniu 157,25

Terbiu 158,93

Dis p rosiu 162,50

Holmiu 164,93

Erbiu 167,26

Tuliu 168,93

Yterbiu 173,04

Lu

95

96

97

98

99

100

101

102

103

Americiu ( 243 )

Curiu ( 247 )

Berkeliu ( 247 )

Fermiu ( 257 )

Mendeleeviu ( 258 )

Nobeliu ( 259 )

Lawrenciu ( 262 )

Ni Cu Zn Ga Ge As

Pd A g Cd In Pt Au Hg Ds

Tl

Rg Cn Nh

Am Cm Bk

Cf

Californiu ( 251 )

Sn Sb Pb Bi

Se

Te

Es

Kr Xenon 131,29

Po At Rn

Fl Mc Lv

Einsteiniu ( 252 )

Br

Tn Og

Lutețiu 174,97

Fm Md No Lr 155

FAMILII ÎN TABELUL PERIODIC O familie (sau grupă) din tabelul periodic reprezintă o serie de elemente care împărtășesc aceleași proprietăți. Caracteristicile fiecărui element afișat sunt determinate de numărul

ELECTRONILOR DE VALENȚĂ . Electronii

de valență decid cum va reacționa un atom într-o reacție chimică. Fiecare element vrea să obțină un

OCTET COMPLET , ceea

ELECTRON DE VALENȚĂ

Un electron situat în învelișul exterior.

ce înseamnă de obicei, dar nu întotdeauna, opt electroni în învelișul exterior. Pentru a obține un octet complet, un element va câștiga sau va pierde electroni de valență, electronii din învelișul exterior.

Oxigen = 8 electroni

Fiecare înveliș (n) este numerotat. înveliș interior – cel mai scăzut nivel de energie

n2

6 electroni de valență în învelișul exterior

n1

nucleu

156

REGULA OCTETULUI spune că elementele trebuie să se combine astfel încât fiecare atom să aibă opt electroni în stratul de valență, în așa fel încât să aibă aceeași configurație electronică pe care o are un gaz rar (sau nobil).

Există cinci grupe majore în tabelul periodic:

Metale alcaline: Grupa 1 (IA )

Fiecare grupă este numerotată.

Metale alcalino-pământoase: Grupa 2 (IIA )

Metale tranziționale: Grupele 3-12

Halogeni: Grupa 17 (VIIA )

Gaze rare: Grupa 18 (VIIIA )

Grupele 13—16 conțin metaloide. Metaloidele sunt cea mai restrânsă grupă. Spre deosebire de grupele majore,

metaloidele conțin două categorii: metale și nemetale.

157

METALE ALCALINE Elementele din această grupă au următoarele proprietăți: au un electron de valență la care vor renunța cu ușurință pentru a obține un octet, astfel încât ionul să aibă o sarcină 1+ sunt solide moi și metalice și sunt strălucitoare sunt bune conductoare de căldură și de electricitate au densități mici și puncte de topire relativ scăzute, scăzând odată cu masa atomică

METALE ALCALINO-PĂMÂNTOASE Elementele din această grupă au următoarele proprietăți: conțin doi electroni de valență la care vor renunța, astfel încât ionul să aibă o sarcină 2+ sunt solide metalice, mai dure decât metalele alcaline sunt mai dense, au puncte de topire mai mari și sunt conductoare mai bune decât metalele alcaline

METALE TRANZIȚIONALE Elementele din această grupă au următoarele proprietăți:

158

Coliziune a particulelor de gaz Temperatura afectează direct energia cinetică. Pe măsură ce temperatura crește, particulele de gaz se mișcă mai repede. Pe măsură ce ea scade, particulele încetinesc. temperatură

și energie cinetică

temperatură

și energie cinetică

Cu cât un gaz are mai multă energie cinetică, cu atât particulele sale vor prezenta mai multe coliziuni. Dacă energia cinetică este mare, particulele se vor mișca mult, rezultând mai multe coliziuni. Pe măsură ce energia cinetică scade, numărul coliziunilor scade. Formulă pentru calcularea nivelului de energie cinetică (Ec)

E c = 1 mv2 2

m = masă

v = viteză

Cu cât numărul (n) de molecule de gaz este mai mare, cu atât este mai mare numărul de coliziuni. Este ca și cum ai fi într-o piscină cu trei copii — vă veți putea evita. Dacă alți cincizeci de copii intră în piscină, vă veți ciocni mult mai des.

324

w VERIFICă-ȚI cunoștințele 1. Ce este teoria cinetică moleculară a unui gaz? 2. Adevărat sau fals: energia cinetică medie a unui gaz depinde de temperatură și de nimic altceva.

3. Adevărat sau fals: coliziunile dintre particule sunt

complet neelastice, ceea ce înseamnă că ele transferă energie de la o particulă la alta și nu se pierde energie.

4. Care este diferența dintre energia cinetică și energia potențială? 5. Ce se întâmplă cu moleculele unui gaz când energia cinetică este crescută? 6. În ce condiții funcționează cel mai bine legea ideală a gazelor? Când nu funcționează la fel de bine?

RĂSPUNSURI

325

VERIFICă-ȚI RĂSPUNSURILE 1. Gazele se mișcă constant în mișcare liniară, având particule foarte mici, situate la distanțe mari una de cealaltă. Nu au forțe de atracție intermoleculare. 2. A devărat 3. Fals 4. Energia cinetică este energia mișcării. Energia potențială este energia pe care o are un obiect grație poziției sale relative față de alte obiecte. 5. Numărul de coliziuni crește între moleculele înseși și în contact cu recipientul. 6. Legea ideală a gazelor este destul de precisă, în sensul că oferă valori care se încadrează în mod obișnuit în 5% din valorile reale ale gazelor reale, sub TPS. Nu funcționează bine când presiunea gazului este foarte mare sau temperatura este foarte scăzută.

326

Capitolul 24

LEGILE GAZELOR LEGILE GAZELOR sunt reguli matematice care spun cum se va comporta un gaz în anumite condiții.

LEGEA LUI BOYLE Legea lui Boyle descrie relația dintre presiune și volum. Legea lui Boyle este numită după chimistul britanic din secolul XVII ROBERT BOYLE, care a elaborat pentru prima dată relația dintre presiunea și volumul unui gaz.

Legea lui Boyle: presiunea unei cantități fixe de gaz (p) la o temperatură constantă (t) este invers proporțională cu volumul de gaz (V).

P1V1 = P2V2

1 P ~ V , presupunând că temperatura și cantitatea de gaz rămân aceleași.

327

În timp ce presiunea unui gaz

, volumul gazului

.

În timp ce presiunea unui gaz

, volumul gazului

.

Ecuația legii lui Boyle arată modul în care presiunea (P1 ) și volumul (V1 ) inițiale ale unui gaz sunt egale cu presiunea (P2 ) și volumul (V2 ) finale ale unui gaz.

P 1V 1 = P2V 2 Legea lui Boyle este adevărată numai dacă numărul (n) de molecule și temperatura ( T ) rămân aceleași. Graficul legii Presiun e (P)

lui Boyle:

Pe măsu ră ce volum ul crește, presi unea scad e (inve rs prop orțio nal).

VOLU M (l)

DE EXEMPLU: Un eșantion de gaz are un volum de 15,25 ml la presiunea de 4,25 atm. Care va fi presiunea dacă volumul crește la 22,0 ml la o temperatură și o cantitate fixe de gaz?

328

4,25 atm 15,25 ml

P2 = ? 22,0 m l

La acee ași temp eratu ră

(4,25 atm) × (15,25 ml) P2 = P1 × V1 = = 2,9 5 atm 22,0 ml V2 Presiune nouă (P2 ) = 2,9 5 atm

VERIFICĂ: Deoarece volumul a crescut, presiunea ar trebui să scadă.

LEGEA LUI CHARLES JACQUES CHARLES a fost un fizician francez din secolul XVIII și primul care a studiat efectul temperaturii asupra volumului unui gaz.

Legea lui Charles: volumul unei cantități fixe de gaz la o presiune constantă este direct proporțional cu temperatura absolută a gazului.

Prin experimente, el a stabilit că volumul și temperatura sunt direct proporționale.

Temperatura absolută trebuie înregistrată în Kelvin (K).

329

V

~ T, presupunând că presiunea și cantitatea de gaz rămân la fel.

Când temperatura unui gaz

, volumul gazului

.

Când temperatura unui gaz

, volumul gazului

.

Legea lui Charles arată cum temperatura (T1 ) și volumul (V1 ) inițiale ale unui gaz sunt proporționale cu temperatura (T2 ) și volumul (V2) finale ale unui gaz.

V V1 = 2 T2 T1

Volum (l)

B A

Graficul legii lui Charles Pe măsură ce temperatura crește, volumul crește. A = 200K, 400l B = 300K, 600l

Tem pera tură T (K)

Temperatura absolută se scrie întotdeauna în Kelvin (K) și nu are valori negative. Pentru a transforma din grade Celsius în Kelvin, folosește formula °C + 273 = K.

330

DE EXEMPLU: Un eșantion de heliu dintr-un balon are un volum de 12,5 ml și o temperatură de 75,0°C. Dacă și cantitatea de gaz, și presiunea rămân constante, află noul volum de heliu când temperatura scade la 45,0˚C. Se dă: V1 = 12,5 ml

T2 = 45˚C + 273 = 318 K

V2 = ? Rezultă că V2:

T1 = 75˚C + 273 = 348 K

V1 T2 (12,5 mL) (318 K) = = 11,4 ml T1 348 K

VERIFICĂ: Întrucât temperatura a scăzut, volumul ar trebui să scadă.

LEGEA GAY-LUSSAC JOSEPH GAY-LUSSAC a fost un fizician francez din secolul XVIII și primul care a studiat efectul temperaturii asupra presiunii unui gaz. Prin experimente, el a stabilit că presiunea și temperatura sunt direct proporționale.

Legea lui Gay-Lussac: presiunea unei cantități fixe de gaz la un volum constant este direct proporțională cu temperatura absolută a gazului.

331

P

~ T, presupunând că volumul și cantitatea de gaz rămân aceleași.

Când temperatura unui gaz

, presiunea gazului

.

Când temperatura unui gaz

, presiunea gazului

.

Ecuația legii lui Gay-Lussac arată cum temperatura (T1 ) și presiunea (P1 ) inițiale ale unui gaz sunt proporționale cu temperatura (T2 ) și presiunea (P2) finale ale gazului.

P1 P2 = T2 T1

Presiun e P

B A

Tem pera tură T (K)

332

Graficul legii lui Gay-Lussac Pe măsură ce temperatura crește, presiunea crește.

DE EXEMPLU: 33,0 litri de gaz se păstrează într-un recipient fix la 2,15 atm și 35°C. Care va fi presiunea gazului dacă temperatura crește la 50°C? Se dă: P1 = 2,15 atm

T2 = 50˚C + 273 = 323 K

P2 = ? Rezultă că P2:

T1 = 35˚C + 273 = 308 K

P1 T2 (2,15 atm) (323 K) = = 2,25 atm T1 308 K

VERIFICĂ: Întrucât temperatura a crescut, presiunea ar trebui să crească.

LEGEA GAZELOR COMBINATE Legea gazelor combinate aduce legile lui Boyle, Charles și Gay-Lussac la un loc și este folosită când temperatura, presiunea și volumul se pot schimba.

Legea gazelor combinate Boyle + Charles + Gay-Lussac

Când vine vorba despre legea gazelor combinate

este important să nu uităm următorul lucru: cantitatea de gaz (moli) rămâne aceeași.

333

CATALIZATOR Un catalizator este o substanță care este folosită pentru a crește rata de reacție, dar nu este consumată în timpul reacției. Un catalizator crește rata de reacție prin scăderea ENERGIEI DE A CTIVA RE. Un exemplu de catalizator este o enzimă. Enzimele sunt proteine care acționează drept catalizatori în reacții biochimice. OXIDA REA glucozei, procesul biologic prin care organismele obțin energie, depinde de enzime pentru a face procesul să funcționeze mai repede.

Energie de activare

ENERGIA DE ACTIVARE (Ea ) este cantitatea minimă

de energie necesară pentru declanșarea unei reacții chimice. Fiecare moleculă are cantitatea sa minimă de energie cinetică. Dacă două molecule interacționează,

Cu cât energia de activare este mai mică, cu atât mai rapid va avea loc o reacție. Cu cât este mai mare energia de activare, cu atât mai lent va avea loc o reacție.

coliziunea lor trebuie să aibă suficientă energie pentru a depăși energia de activare necesară reacției. Reacția trebuie să posede și suficientă energie liberă ( G ) pentru a rupe legăturile dintre molecule, astfel încât acestea să poată reacționa. Prin urmare, energia de activare este în relație cu energia liberă.

488

G = energie liberă Gibbs sau diferența de energie dintre produși și reactanți

Energie

Complex activat Energie a produșilor

Energie de activare

Energie de activare cu un catalizator Energie a reactanților

Tim p

Graficul arată că reactanții trebuie să depășească energia de activare înainte de a se putea combina (în complexul activat) și de a deveni produși. În lipsa unui catalizator, energia de activare este mai mare, ilustrată prin curba albastră. Cu un catalizator, energia de activare este mai mică, ilustrată prin curba roșie. Reacția trebuie să aibă suficientă energie în coliziuni pentru a rupe legăturile din molecule și a reacționa pentru a forma produsul.

489

Energia de activare este legată și de entalpia de activare

Ene rgie

Stare de tranziție

H Reactanți

Produși

Coo rdo nat ă a rea cți ei

Entalpia de activare reprezintă diferența de energie dintre reactanți în starea lor normală (arătată de linia roșie la începutul curbei) și starea lor de tranziție la partea superioară a curbei (duce la energia de activare) într-o reacție.

Pe măsură ce E a și H scad, reacția are o șansă mai mare de a se produce. Pe măsură ce E a și H cresc, reacția are mai puține șanse de a se produce.

490

H:

MECANISME DE REACȚIE ȘI PASUL DE DETERMINARE A RATEI Reacțiile chimice apar pe baza unui

MECANISM REACȚIONAL

specific, o serie de pași care permit reactanților să treacă prin mai multe reacții pentru a forma produsul dorit. Fiecare parte a mecanismului arată punctul în care legăturile se rup în interiorul moleculelor și se formează noi legături. Fiecare mecanism se desfășoară la propria rată de reacție, care determină rata generală de reacție a procesului. Două lucruri care trebuie știute:

1.

Rata generală de reacție trebuie să fie egală cu suma ratei de reacție a fiecărui mecanism.

2. PASUL DE DETERMINARE A RATEI

reacției

va determina viteza de reacție a reacției globale.

PAS DE DETERMINARE A RATEI

Cel mai lent mecanism (reacție) din întreaga reacție chimică.

491

DE EXEMPLU: În reacția NO 2 + CO ➜ NO + CO 2 : Dioxidul de azot se combină cu monoxidul de carbon pentru a forma oxid de azot și dioxid de carbon. A ceasta nu este o reacție într-un singur pas. Are loc în două reacții mai mici. Fiecare reacție are propria rată. Prima reacție este NO 2 + NO 2 ➜ NO + NO 3 . (A re loc într-un ritm lent.) A doua reacție este NO 3 + CO ➜ NO 2 + CO 2 . (A re loc într-un ritm rapid.) Nu scriem întreaga reacție ca două etape, deoarece moleculele care se află în stânga și în dreapta reacției se anulează:

NO 2 + NO 2 ➜ NO + NO 3 (încet) NO 3 + CO ➜ NO 2 + CO 2 (rapid) Ecuație finală: NO 2 + CO ➜ NO + CO 2 Pasul de determinare a ratei a fost prima reacție, deoarece este cea mai lentă.

492

w VERIFICă-ȚI cunoștințele 1. Ce este rata de reacție și care sunt unitățile sale? 2. Numește trei condiții care pot accelera sau încetini rata de reacție. 3. Definește suprafața. Dă un exemplu. 4. Ce este energia de activare și ce rol joacă într-o reacție chimică? 5. Cum afectează pasul de determinare a ratei rata generală de reacție?

RĂSPUNSURI

493

VERIFICă-ȚI RĂSPUNSURILE 1. Rata de reacție este modificarea concentrației reactantului sau a produsului în timp. Se măsoară în molaritate/secundă. 2. Modificarea temperaturii, a concentrației sau a suprafeței poate accelera sau reduce rata de reacție. 3. Suprafața este stratul exterior al unei substanțe. Zahărul are mai multă suprafață când este cumpărat într-o pungă de la magazin decât dacă este condensat într-o bomboană tare. 4. Energia de activare este cantitatea minimă de energie necesară pentru a se începe o reacție chimică. Nivelul energiei de activare afectează viteza cu care va avea loc o reacție. 5. Rata generală de reacție depinde aproape în totalitate de rata celui mai lent pas.

494

INDICE A

„a reduce la zero“ ceva, 32 acceptă protoni, 386-387 acid azotic, 398 acid clorhidric, 390 acizi Bronsted-Lowry, 385-387 conjugați, 405-411 definiție, 384 diluare, 60 proprietăți, 387-388 reacții de neutralizare și, 388-390 tărie, 409-411 acizi și baze amfotere, 409 acizi și baze conjugate, 405-411 acizi ternari, 242 acronim MASP, 212 actinide, 160 acțiune a masei, legea, 430 aerosoli, 357 afinitate electronică, 183 alcalinitate, 393 amestecuri descriere, 104 separare, 105-108 tipuri, 105 amestecuri eterogene, 105, 348-349 amestecuri omogene, 105, 348 amoniac, 313 amper (A), 40 amplitudine, 123 analiză dimensională, 42-44, 291-292 anion, 147-148, 183, 232-233 anod, 116-117 apă, temperatură pentru starea de, 91 Arrhenius, Svante, 384 arzător Bunsen, 66 atomi calculare, 256-257 definiție, 86 descriere, 100 particule și, 100-101 sarcină și, 100-102

atomi negativi, 102 atomi neutri, 102 atomi pozitivi, 102 atmosfere (atm), 48-49 atracție electrostatică, 182-183 Avogadro, Amedeo, 250, 336 legea lui Avogadro, 336-337 numărul lui Avogadro, 250 azot, 196 Ångström, 124

B

balanță cu două platane, 67 baloane volumetrice, 64, 378 barometre, 317-318 baze Bronsted-Lowry, 385-387 conjugate, 405-411 definiție, 384 proprietăți, 388 reacții de neutralizare și, 388-390 tărie, 409-411 baze ternare, 243 Beguin, Jean, 275 biochimie, definiție, 4 biuretă cu stativ, 66 Bohr, Niels, 172-173 Boyle, Robert, 327 brom, 196 Bronsted, Johannes, 385

C

calcule chimice definiție, 290 reactanți limitativi și, 301-306 stoichiometrie masă la masă, 292-296 stoichiometrie masă la volum, 297-300 stoichiometrie mol la mol, 291-292 stoichiometrie volum la volum, 300-301 calcule de dozare, 415-418

calibrare, 32 calorie (cal), 46 calorimetre, 455 calorimetrie, 455-456 calorimetru cană de cafea, 455 cantitate de gaz, legea gazelor ideale și, 337-340 capacitate termică, 455-456 caracteristici fizice, descriere, 6 catalizatori, 428, 488 cation, 148, 183, 232-233 catod, 116-117 căldură siguranță și, 62 termodinamică și, 454-455 căldură specifică (C), 456, 459 cântar electronic, 67 cedează protoni, 386-387 Celsius (C), 46-47, 330 cercetare de fond, 5-6 Chadwick, James, 120 Charles, Jacques, 329 legea lui Charles, 329-331 chimie descriere, 2-3 tipuri, 4 chimie anorganică, definiție, 4 chimie fizică, definiție, 4 chimie nucleară, definiție, 4 chimie organică, definiție, 4 cifre semnificative, 34-35, 49-52 cilindru gradat, 65 cinetică, termodinamică versus, 481 clești sau mănuși termice, 61 clor, 196 coeficient de reacție (Q), 434-436 coliziune de particule de gaz, 324 coliziuni eficiente, 485 coloizi, 355-357 combustibilitate, 77-78 combustie, 283

495

compoziții de masă, 263-267 identificare în compuși, 263-270 compresibilitate, 90 compuși anorganici, 5 binari, 236-238 calculare a atomilor unui element în, 257-259 calculare a molilor de, 260 definiție, 103 formulă empirică și, 268-270 găsire a compozițiilor în, 263-270 ionici, 189, 192, 232-237, 361-363 moleculari, 244-245 nemetalici, 244-245 organici, 5 procent dintr-un singur element în, 266-267 reacție chimică și, 104 ternari, 239-243 compuși anorganici, 5 compuși binari denumire, 236-237 scriere a formulelor pentru, 237-238 compuși ionici, 189, 192, 232-237, 361-363 compuși moleculari, denumire, 244-245 compuși nemetalici, denumire, 244-245 compuși organici, 5 compuși ternari, 239-243 constantă de disociere a acidului (Ka), 409-410 constantă de echilibru (K), 430-436 cromatografie, 107 coloizi, 355-357 concentrații calcul în amestecul soluțiilor, 372-373 constatare, 416-417 grafice timp versus, 437-438

496

rate de reacție și, 487 schimbare, 443-448 concluzii evaluare a rezultatelor de laborator, 30 formulare, 24 condens, 92, 94 constante, concepere a unui experiment științific și, 17-18 cuantă, 127-129, 132 culoare definiție, 75 schimbare, 80 spectru electromagnetic (EM) și, 125-126 curbe de încălzire, 95, 457-459 curbe de răcire, 95, 457-459

D

Dalton, John, 27-28, 114-116, 342 date analiză, 23 colectare, 20 în rapoarte de laborator, 29 prezentare, 21-22 de Broglie, Louis, 174 de dublu schimb/de metateză, 284 deca (da), 41 deci (d), 41 deducere, 24 delta (δ), notație, 208 Democrit, 27 densitate definiție, 75 lege a gazelor ideale și, 340-342 măsurători, 46 denumire a compușilor ionici, 232-237 depunere, 94 descompunere, 282 deșeuri chimice, eliminare, 59 diagramă Lewis 194-196 diagrame de fază, 93-96 diluții, 378-379 dimensiune, definiție, 75 dioxid de carbon, 312 dipol, 208 discipline, 4 disociere, 192

disociere a ionilor, 361 distilare, 108 dopuri, 64 ductilitate, 152, 219 duș de siguranță, 62

E

echilibrare a ecuațiilor chimice, 277-281 echilibru principiul lui Le Châtelier și, 442-448 stări ale materiei și, 94 echilibru chimic acizi și baze conjugate și, 405-409 constantă de echilibru, 430-434 echilibru chimic și fizic, 427-430 elemente de bază ale, 424-427 grafice concentrație versus timp, 437-438 K versus Q, 434-436 rate de reacție și, 484 echilibru omogen, 433 echipament în rapoarte de laborator, 29 siguranță, 61-62 ecuația lui Schrödinger, 175 ecuația lui Van der Waals, 338 ecuație ionică netă, 362-363 ecuații chimice echilibrare, 277-281 elemente de bază, 275-277 ecuații termochimice, 462-466 efect de ecranare, 161 efect fotoelectric, 129 Einstein, Albert, 129 elasticitate, 322 electricitate, siguranță și, 63 electroliți, 366-367 electronegativitate, 165-167, 190-191, 209-211 electroni definiție, 101 delocalizați, 218 masă, 119, 120

niveluri de energie și, 172-174 taxă și, 118-120 teorii despre comportamentul, 174-176 tub catodic și, 116 valență, 174, 181 electroni delocalizați, 218 electroni de valență, 156, 174, 181 electrozi, 116-117 elemente artificiale, 160 calculare a atomilor unui, 256-257 descriere, 102 elemente de bază, 136 tipuri, 151-155 elemente artificiale, 160 elemente comune, 143 elemente neutre, 142 eliminare a deșeurilor, 58-60 emulsii, 356 energie cinetică, 322-323, 457 cinetică mare, 88 definiție, 453 ecuație pentru, 131 ionizare, 164-165 legea conservării, 452 modificare, 81 niveluri, 172-173 potențială, 323, 457 prima lege a termodinamicii și, 452-455 tipuri, 453 energie cinetică (Ec), 322-323, 457 energie cinetică mare, 88 energie chimică, 453 energie de activare, 488-490 energie de ionizare (EI), 164-165, 183 energie liberă Gibbs (G), 477 energie potențială (Ep), 323, 453 energie radiantă, 453 energie termică, 453, 455 entalpie (H), 447, 460-466 entalpie de activare, 490

entalpie standard de formare, 464 entropie (S), 472-476 eprubete, 64 eroare de paralaxă, 32 eroare experimentală raportare, 33-34 surse, 31-33 erori aleatorii, 31, 33 erori de sistem, 31-32 estimare, 35 evaporare, 91, 107 exces de reactant, 302 extinctor, 61 experimente analiză a datelor și, 23 colectare de date din, 20 controlate, 17 efectuare, 16-24 prezentare a datelor și, 21-22 procedură științifică, 16-19 tragere de concluzii din, 23 experimente controlate, 17 experimentul Millikan cu picătura de ulei, 119 extracție, 108

F

factor de conversie, 42-44 Fahrenheit (F), 47 familie (tabel periodic), 141, 156-160 fenolftaleină (ppth), 416 filtrare, 106 fluor, 196 formulă empirică, 268-270 formule de scriere pentru compuși binari, 237-238 forțe de dispersie London, 222 forțe dipolare, 223 forțe electrostatice, 224 forțe intermoleculare, 221-228 forțe intramoleculare, 221 forțe Van der Waals, 222 fotoni, 129-132 fotosinteză, 482 fragilitate, 153 frecare, 88

frecvență, 123 frecvență limită, 130

G

gaze comune, 312-318 gaze ideale, 297, 322 grafic cu bare, 21, 23 grafice circulare, 22, 23 Gay-Lussac, Joseph, 331 gaze coliziune a particulelor, 324 comune, 312-318 descriere, 88-89 entropie și, 474 formare, 80 forțe intermoleculare și, 226 la temperatura camerei, 314 legi, 327-344 modificare a presiunii și, 445-446 modificare a volumului și, 446 reactanți și produși ca, 285-286 temperatură și, 367 teoria cinetică moleculară a, 321-324 tipuri, 313 unități de măsură, 315-318 gaze diatomice, 313 gaze monoatomice, 313 gaze rare, 157, 159, 182, 313 geometrie moleculară, 204-206 giga (G), 41 grade de corectitudine diferite 52 grafice concentrație versus timp, 437-438 grafice liniare, 22, 23 gram (g) calculare a molilor din, 260 calcul, 256 ca măsură a masei, 40, 45 măsurare a densității și, 46 grupă (tabel periodic), 141, 156-160

497