PChOl – substancje i ich właściwości – cz. I

PChOl – substancje i ich właściwości część I

Zaczynamy pierwszą lekcję z kategorii PChOl czyli Podstaw Chemii Olimpijskiej.

Idealny cykl dla osób, które jeszcze nie do końca są pewne swoich chęci startu w Olimpiadzie Chemicznej, ale także dla gimnazjalistów/licealistów , którzy chcą odświeżyć sobie podstawy chemii chociażby do szkolnego użytku.

W ramach odprężenia, podaję filmik z ciekawą reakcją (miłą dla oka) chemiczną (akcja w 42 sekundzie) :  https://www.youtube.com/watch?v=huQ9kwzS8gk


Rozdział 1 – substancje oraz ich właściwości  (Gim)

1.1  Wszystko składa się z atomów

Wszystko co nas otacza – długopis który pożyczamy na lekcji, laptop, na którym marnujemy czas na fb, mama wołająca na obiad czy dym tytoniowy z papierochów składa się z atomów.

Atom to po prostu podstawowy składnik całej materii. Atom jest bardzo, bardzo malutki – można go dostrzec jedynie przez specjalny mikroskop. Jednak słowo ,,malutki” nie za bardzo oddaje jak niewielki w rzeczywistości jest atom.

Atom ma średnicę około  10^{-10} \ m   . Takie wartości (zarówno bardzo małe jak i bardzo duże) są dla nas tak naprawdę niewyobrażalne i sama liczba niewiele mówi. Dlatego musimy to jakoś porównać.

Na pewno trzymaliście kiedyś jednego włosa w palcach. Nie jest on zbyt gruby/szeroki, prawda? To teraz wyobraźcie sobie, że w tej ,,grubości włosa” zmieściłby się rząd 500000 (500 tysięcy) atomów węgla! 

Budową atomu zajmiemy się w następnym rozdziale. Na razie zapamiętajmy, że są to bardzo malutkie ,,cegiełki” , z których zbudowany jest cały świat. Nie są one jednak najmniejsze – one w środku mają inne, jeszcze mniejsze składowe!

1.2 Atom, cząsteczka oraz jon – czym się różnią? 

Pamiętajmy, że atom \neq cząsteczka!

Cząsteczka to po prostu efekt połączenia co najmniej dwóch atomów ze sobą. Mamy np. cząsteczkę wodoru (2 atomy) czy cząsteczkę wody (łącznie trzy atomy). Popatrzmy :

  • He   :  jeden atom helu
  • H_{2}  :  jedna cząsteczka wodoru = łącznie 2 atomy wodoru
  • H_{2}O   :  jedna cząsteczka wody = łącznie 3 atomy (2 atomy wodoru + 1 atom tlenu)
  • 3 NH_{3}   : trzy cząsteczki amoniaku = łącznie 3 atomy azotu oraz 9 atomów wodoru

Jon – to atom lub cząsteczka, który niesie ze sobą ładunek elektryczny. Ładunek elektryczny na pewno kojarzycie. Może być dodatni lub ujemny. Dwa ,,plusy” lub dwa ,,minusy” się odpychają, natomiast plus z minusem się przyciągają.

A jakieś życiowe dowody, że te atomy czy cząsteczki faktycznie istnieją? Pewnie!

Jak działa zmysł zapachu? Ano tak, że cząsteczki, które niosą ze sobą odpowiedni zapach ,,wylatują” np. z garnka do naszego nosa. W śluzówce naszego nosa są odpowiednie białka (tzw. białka G), do których te cząsteczki się przyłączają i w dużym skrócie = czujemy wtedy dany zapach.

Man sues neighbors after their foul smelling food ruins his life

1.3  Stany skupienia – ciało stałe, ciecz oraz gaz

*stan skupienia można jeszcze nazywać fazą. Zapamiętajcie to alternatywne określenie.

Ciało stałe, ciecz oraz gaz to wszystko materia, a więc oczywiście są one złożone z atomów. Zachowują się jednak inaczej, mają inne właściwości, a wszystko to wynika z różnego ułożenia atomów. 

Ciało stałe – przykładowo cegła jest ciałem stałym. Ma ona zatem określony kształt ( i objętość), który ciężko jest zmienić – trzeba by w nią naprawdę mocno uderzyć. Albo taka piłka golfowa – praktycznie niezniszczalna! Budowa ciał stałych to w rzeczywistości całkiem skomplikowana sprawa, ale do tego wrócimy później. Jeśli by wrzucić jakąś bardziej książkową definicję, to ciało stałe to każda substancja, która zachowuje swój kształt (wrzucę cegłę do wiadra, to jej kształt się nie zmieni), jest niepłynna (no cegła w wiadrze nie pływa) i jest nieściśliwa (no bo mogę ścisnąć palcami cegłę z całej siły, ale raczej nic się nie wydarzy, nie powstanie nawet drobne zagłębienie). Można się zatem domyślić, że  w ciele stałym atomy są ułożone (a nawet upakowane to lepsze słowo) bardzo, bardzo bliziutko siebie. Tak jakby trzymały się mocno za ręce i ciężko było je rozdzielić –  stąd brak płynności, brak ściśliwości i taka intuicyjna ,,twardość”.

Znalezione obrazy dla zapytania cegla

Ciecz – to oczywiście każdy potrafi sobie wyobrazić. To przecież sok pomarańczowy, które lejecie do szklanki. A zatem mamy od razu pierwszą właściwość – ,,kształt” cieczy zależy od naczynia, w  którym się znajduje! Ciężko jednak zmienić objętość cieczy. Można więc powiedzieć, że ciecz ma takie właściwości pośrednie pomiędzy gazem a ciałem stałym. I tak samo też ułożone są cząsteczki w cieczy – ni to ułożenie w ciele stałym, ni to w gazie. Są one całkiem blisko i dlatego trzymają się ze sobą, ale nie na tyle mocno by zachowywały swój kształt, tylko łatwo się ,,przelewają”.

Znalezione obrazy dla zapytania sok pomaranczowy szklanka

Gaz – tutaj mamy taką sytuację, że cząsteczki/atomy mają pełną swobodę ruchu i latają wszędzie jak szalone, tak jak im się podoba. Wpuścimy je do pokoju – to zajmą cały pokój. Napompujemy balon, to zajmą cały balon itd. Gazy są zatem ściśliwe i przyjmują dowolny kształt w jakim się znajdą.

Znalezione obrazy dla zapytania gas

Oto podsumowanie ułożenia cząstek w każdym stanie skupienia :

Znalezione obrazy dla zapytania gaz ciecz cialo stale

1.4  Woda jako ciało stałe, ciecz i gaz!

Woda to wyjątkowy związek o doskonale znanym wszystkim wzorze  H_{2}O

W zależności od panującej temperatury, może ona być :

  • ciałem stałym (czyli lód) :  w temperaturze  T < 0 ^{\circ}C . O temperaturze równej 0 stopni Celsjusza mówimy, że jest to temperatura topnienia (oznaczana symbolami  T_{top}   czy  T_{t} ). Uwaga – temperatura ta będzie inna dla każdej substancji! Jest to przemiana fizyczna (zmiana stanu skupienia), a nie żadna reakcja chemiczna (bo nadal mamy te same cząsteczki, one teraz są po prostu w różnej odległości).

  • cieczą (czyli zwykła woda) :  w temperaturze od T = 0 ^{\circ}C   do T = 100 ^{\circ}C
  • gazem (czyli parą wodną) :  w temperaturze  T > 100 ^{\circ}C . O temperaturze równej 100 stopni Celsjusza mówimy, że jest to temperatura wrzenia (oznaczana symbolami  T_{wrz}   czy  T_{w} .

I podsumowujące zdjęcie :

stan skupienia.jpg

 

Oczywiście nie tylko woda ulega tym przemianom fizycznym! Popatrzmy dokładnie, co się dzieje podczas topnienia i wrzenia :

Weźmy sobie ciało stałe. Każdy atom jest grzecznie ,,upakowany” , ustawiony na swojej pozycji, mocno ściśnięty z innymi atomami. Zaczynamy ogrzewać to ciało stałe, a co za tym idzie – każdy atom dostaje trochę energii. To tak jakbyśmy zaczęli szturchać każdy z atomów, a gdy szturchniemy odpowiednio mocno (= będzie odpowiednia temperatura) to atom w końcu wyskoczy ze swojej pozycji, a za nim kolejne atomy i ostatecznie oddalą się od siebie, a nam powstanie ciecz.

Wrzenie to identyczna historia. Kolejne porcje energii cieplnej wprawiają atomy w ruch, a te w końcu mają ,,na tyle siły” , że są w stanie się rozdzielić i przejść do fazy (pamiętajmy to słówko) gazowej.

Sytuacja jest analogiczna przy krzepnięciu i skraplaniu tylko, że wszystko dzieje się na odwrót (bo mamy ochładzanie).

A ile konkretnie trzeba dostarczyć ciepła, aby dokonała się jakaś tam przemiana? To zależy. Każda substancja składa się z innych atomów, między którymi występują różne siły przyciągania czy odpychania. Im silniejsze te przyciągania, tym więcej energii trzeba dostarczyć, żeby je przełamać. Dlatego też, każda substancja ma inne temperatury topnienia, wrzenia itd. Ucząc się z książek, nie uczymy się tych temperatur, należy tylko zapamiętać dwa charakterystyczne punkty temperaturowe dla wody czyli zero oraz sto stopni.

1.4  Kilka słów więcej o gazach

Wyobraź sobie, że pompujesz balon. Wypełniasz go tym samym cząsteczkami powietrza, a więc gazem. A jak już wiemy, cząsteczki gazu latają sobie po całym balonie, zderzają się ze sobą, ale także odbijają się od wewnętrznej powierzchni balonu – tym samym wywierając na nim ciśnienie. To ciśnienie sprawia, że balon jest napompowany.

Znalezione obrazy dla zapytania balloon pumping

Każdy gaz wywiera jakieś ciśnienie, a zależy ono od panującej temperatury oraz od objętości, w jakiej znajduje się ten nasz gaz. Bardzo łatwo to wyjaśnić/wyobrazić sobie, dlaczego właśnie od tych czynników zależy ciśnienie.

  • temperatura (T)  :  jeśli zaczniemy zwiększać temperaturę, to cząsteczki gazu dostają energię cieplną, a to wprawia je w ruch/drgania. Zaczynają więc one po prostu szybciej się poruszać, co oznacza, że cząsteczki gazu mają większą prędkość i mocniej uderzają w ścianki balonu, co powoduje wzrost ciśnienia. Proste, prawda? Zresztą wyobraźmy sobie, że gdyby ktoś chciał zgasić papierosa nam na ramieniu, to też byśmy dostali +5 do szybkości ucieczki przed tym zwiększonym ciepłem, prawda?
  • objętość (V)  :  myślę, że intuicyjnie wiele z Was wie, że im mniejsza objętość tym większe ciśnienie. Przykładowo naciskając tłok strzykawki (jednocześnie zatykając palcem wylot strzykawki) czuć na palcu zwiększające się ciśnienie, a nam coraz ciężej przesuwać tłok strzykawki, bo rośnie ciśnienie. A czemu ono rośnie? Bo zmuszamy cząsteczki gazu by były bliżej siebie. Mają one wtedy mniej swobody ,,do latania” i zaczynają wywierać większe ciśnienie.

Troszkę przypomnienia z fizyki o samym ciśnieniu :

p = \frac{F}{S}     gdzie :

  • p    to nasze ciśnienie (od angielskiego pressure)
  • F    to siła (nacisk) działająca na daną powierzchnię.
  • S    to pole powierzchni, na którą działa dana siła. Podobny obraz

Mam nadzieję, że wiecie już, że jednostką siły jest niuton (N), a jednostką powierzchni jest metr kwadratowy (m^{2} ) . Z tego wychodzi, że jednostką ciśnienia byłby niuton przez metr kwadratowy, co określa się jako Paskal (Pa).

p = \frac{F}{S} = \frac{N}{m^{2}} = Pa

Znalezione obrazy dla zapytania ciśnienie

Kilka przydatnych, używanych w życiu (i zadaniach) jednostek ciśnienia :

  • 1 \ bar = 1000 \ hPa    (na ile barów pompuje się opony w samochodzie?)
  • 1 \ hPa = 100 \ Pa   (,,ciśnienie pogodowe”)
  • 1 \ kPa = 1000 \ Pa
  • 1 \ atm = 1013 \ hPa    (atm = atmosfera)
  • 760 \ mmHg = 760 \ Tor = 1 \ atm    (klasyczne ciśnienie tętnicze wynosi 120/80 mmHg)
  • 1 \ MPa = 10^{6} Pa

Znalezione obrazy dla zapytania jakie ciśnienie w oponach

Znalezione obrazy dla zapytania ciśnieniomierz pomiar

Uwaga! Wszystkie gazy są ściśliwe (ale jedne mniej, drugie bardziej). Można je nawet tak mocno ścisnąć, że stają się cieczami!

Pomiar ciśnienia dokonuje się urządzeniem, które się nazywa manometr. Barometr służy do pomiaru ciśnienia atmosferycznego.

Gazy ulegają ważnemu procesowi, który nazywa się dyfuzją.

Dyfuzja to najprościej mówiąc proces samorzutnego rozprzestrzeniania się cząsteczek. Dyfuzja jest wtedy, kiedy otwieracie karton pizzy i po chwili czujecie ten piękny zapach jedzenia. Dyfuzja jest też wtedy, gdy tlen z powietrza przenika przez nasze naczynia krwionośne w płucach, żeby dostarczyć niezbędny tlen do tkanek.

Nie wszystkie gazy dyfundują z tą samą prędkością (niektóre perfumy czujemy od razu po wejściu do pokoju, a inne wyczuwamy dopiero po jakimś czasie). Musimy zapamiętać dwa czynniki, od których to zależy (i są one jak najbardziej logiczne, a więc może nie zapamiętajmy, tylko zrozumiejmy!) :

  • masa gazu – bardzo logiczna sprawa. Cząsteczka wodoru, która jest bardzo lekka i ma masę (do pojęcia masy jeszcze wrócimy) równą  ,,2″ będzie się rozprzestrzeniać dużo szybciej, niż cząsteczka tlenu, która ma masę aż  ,,32″ ! Nie spodziewamy się raczej, że osoba ważąca 200 kg pobiegnie szybciej niż osoba ważąca 70 kg.
  • temperatura – dyfuzja jest oczywiście wynikiem ruchu cząsteczek, ciągle się od siebie odbijających. Im większa temperatura, tym ten ruch jest bardziej żwawy, o czym już sobie zresztą wspominaliśmy. Zatem im większa temperatura, tym ta dyfuzja będzie szybsza. Zapach kwiatów będzie wyczuwalny dużo szybciej w cieplejszym pokoju! I analogicznie – psikanie się perfumami w lato ,,starczy” nam na krócej niż w zimie. I teraz wiesz już dlaczego 🙂

Skorzystam z okazji i wprowadzę użyteczny zapis ,,proporcjonalności”. To proste pojęcie, na przykład : jeśli mocniej (bardziej mocno) kogoś uderzę, to bardziej będzie go bolało. Jeśli wezmę ze sobą mniej pieniędzy na zakupy, to starczy mi na mniej produktów. Czyli proporcja działa w dwie strony –  w górę i w dół.

W naszym dyfuzyjnym przypadku mamy sytuację, że im mniejsza masa (oznaczymy sobie jako  M ) gazu tym szybsza będzie dyfuzja oraz im wyższa temperatura (oznaczymy jako  T )  tym szybsza dyfuzja.

Pierwsza zależność jest odwrotnie proporcjonalna (jak X rośnie to Y maleje = i odwrotnie), a druga wprost proporcjonalna (jak X rośnie to Y rośnie = i odwrotnie).

Proporcjonalność ma symbol\sim

dyfuzja \sim T

dyfuzja \sim \frac{1}{M}

Zauważmy, że w pierwszej linijce mamy zależność wprost proporcjonalną, a w drugiej linijce mamy proporcjonalność odwrotną (jedno rośnie, to drugie maleje).

Proporcjonalności używamy wtedy, kiedy chcemy powiedzieć jak jeden czynnik (np. ciśnienie) zależy od drugiego (np. od objętości), ale jednocześnie nie znamy konkretnej wartości liczbowej. Na przykład wiem, że autobus będzie ważył więcej z każdym kolejnym pasażerem, ale nie wiem dokładnie o ile więcej, bo każdy pasażer ma inną wagę. Jestem więc w stanie określić tylko zależność (im więcej osób wsiądzie = tym cięższy będzie cały autobus), ale nie mogę powiedzieć o ile kilogramów będzie cięższy.

[Takiego zapisu proporcjonalności ja osobiście sobie używałem gdy się czegoś uczyłem, chociażby na studiach. Przykładowo, zamiast pisać, że gdy pacjent będzie gorączkował (zwiększa się temperatura), to jego tętno (Heart Rate) będzie rosło, zapisywałem to sobie w notatkach jako :  HR \sim T ]

W drugiej części tego rozdziału pomówimy sobie o mieszaninach i sposobach ich rozdzielania. Zapraszam –

2 myśli w temacie “PChOl – substancje i ich właściwości – cz. I”

    1. Jest mi bardzo, bardzo miło! Ciesz się jeśli można coś wynieść z artykułów. Jeśli masz jakieś pytania odnośnie nauki, OlChemu, to pisz śmiało . Pozdrawiam i życzę wszystkiego dobrego!

Leave a Reply