KEMIJA ZA PRIPREMU PRIJEMNIH ISPITA NA FAKULTETIMA
Izdava HINUS
Miramarska 13B Zagreb
tel./fax (01) 611 55 18
Recenzenti prof. dr. sc. JASNA HELENA MENCER
prof. dr. sc. ZORAN GOMZI DUBRAVKA TURINOVI, prof
Lektor
IVANICA URI, prof.
Korektor MIRJANA ZRNI
ISBN 978-953-6904-27-3 Copyright Hrvoje Zrni Knjigu moete besplatno preuzeti samo za osobnu upotrebu, a ne smijete je stavljati na druge mrene stranice, umoavati ili je koristiti za bilo koju komercijalnu svrhu.
mr. sc. Hrvoje Zrni
za pripremu razredbenih ispita na fakultetima
HINUS
P R E D G O V O R
Ovaj prirunik sa zbirkom rjeenih zadataka namijenjen je za dobro i brzo usvajanje, odnosno ponavljanje gradiva kemije potrebnog za polaganje razredbenih ispita, i to na svim fakultetima na kojima se polae kemija. Graa prirunika sa zbirkom podijeljena je u dva dijela. U prvom dijelu navedeni su osnovni pojmovi bez kojih nije mogue logiki dobro i u relativno kratkom vremen-skom intervalu savladati drugi dio prirunika sa zbirkom. Drugi se dio sastoji od pitanja i odgovora koji su posebno rastumaeni. Pitanja potjeu s prijanjih testova razredbenih ispita za upis na fakultete. Pripremanje za razredbeni ispit samo pomou navedenih pitanja i zaokruenih odgovora dugotrajan je i mukotrpan posao, esto bez rezultata. Nedostaju tumaenja zato su ba zaokrueni odgovori toni. Upravo su ta objanjenja dana u ovom priruniku. Usvajanjem logikih tumaenja gradiva brzina savladavanja, odnosno ponavljanja gradiva viestruko se poveava, a dobri rezultati rijetko izostaju. U skladu s tim graa je obraena tako da je u poetku dana prednost opisnim tumaenjima. Uvodei simbole postupno, na kraju prevladavaju tumaenja dana simbolima, a opisno su dana samo neophodna razjanjenja. Ako su u pitanju navedena imena tvari, u pravilu u odgovoru su dane formule i obratno. Ovo djelo pisano je u nadi da e moje viegodinje iskustvo, steeno radom na fakultetu i u srednjoj koli te poduavanjem kemije za fakultetske razredbene ispite, biti preneseno irem krugu mladih ljudi.
Autor
S A D R A J
PERIODNI SUSTAV ELEMENATA .........................................................................9 UPOTRIJEBLJENI SIMBOLI I KRATICE .......................................................... 10 KEMIJA............................................................................................................................ 11 TVARI I NJIHOVE PROMJENE .................................................................................. 11 ATOMI I MOLEKULE ................................................................................................... 11 GRAA ATOMA ................................................................................................................ 11 ELEKTRONSKI OMOTA .................................................................................................. 12 PERIODNI SUSTAV ELEMENATA ...................................................................................... 13 KEMIJSKE VEZE............................................................................................................... 14 Ionska veza....................................................................................................................... 14 Kovalentna veza ................................................................................................................ 15 Metalna veza..................................................................................................................... 16 MEUMOLEKULSKE VEZE............................................................................................... 16 Vodikova veza................................................................................................................... 16 Van der Waalsova sila ....................................................................................................... 17 vrsto agregatno stanje ...................................................................................................... 17 Ionski kristali.................................................................................................................... 17 Molekulski kristali ............................................................................................................. 17 OSNOVE KEMIJSKOG RAUNA ............................................................................... 17 MASENI UDIO ELEMENATA U SPOJU................................................................................ 18 IZRAUNAVANJE EMPIRIJSKE I MOLEKULSKE FORMULE IZ PODATAKA ELEMENTARNE ANALIZE.............................................................................. 18 MOLARNI VOLUMEN PLINOVA ........................................................................................ 19 STEHIOMETRIJA KEMIJSKE REAKCIJE ........................................................................... 20 GUSTOA .......................................................................................................................................................21 TERMOKEMIJA ............................................................................................................. 21 TEKUINE ....................................................................................................................... 21 DISPERZNI SUSTAVI .................................................................................................... 22 PRAVE OTOPINE............................................................................................................... 22 Otapanje vrstih tvari ........................................................................................................ 22 ISKAZIVANJE SASTAVA OTOPINA.................................................................................... 22 Masena koncentracija ........................................................................................................ 23 Mnoinska koncentracija .................................................................................................... 23 Molalnost ......................................................................................................................... 23 BRZINA KEMIJSKE REAKCIJE................................................................................. 24 KEMIJSKA RAVNOTEA ............................................................................................ 24 KISELINE I BAZE .......................................................................................................... 25 NEUTRALIZACIJA ............................................................................................................ 26 SOLI.................................................................................................................................. 27 HIDROLIZA ...................................................................................................................... 27 OKSIDACIJSKO-REDUKCIJSKI PROCESI ............................................................. 27 OSNOVE ELEKTROKEMIJE....................................................................................... 28 ELEKTROLIZA .............................................................................................................................................29 UVOD U ANORGANSKU KEMIJU ............................................................................. 30 NEMETALI ...................................................................................................................... 31 VODIK .............................................................................................................................. 31
HALOGENI ELEMENTI ..................................................................................................... 31 HALKOGENI ELEMENTI ................................................................................................... 33 Kisik ............................................................................................................................... 33 Sumpor............................................................................................................................ 33 DUIKOVA SKUPINA ELEMENATA ................................................................................... 34 Duik............................................................................................................................... 35 Fosfor .............................................................................................................................. 36 UGLJIKOVA SKUPINA ELEMENATA ...................................................................... 36 Ugljik .............................................................................................................................. 36 Silicij ............................................................................................................................... 37 METALI ............................................................................................................................ 37 ALKALIJSKI I ZEMNOALKALIJSKI METALI ..................................................................... 38 TEHNIKI VANI METALI ................................................................................................ 40 Aluminij .......................................................................................................................... 40 eljezo............................................................................................................................. 40 Bakar .............................................................................................................................. 41 Kompleksni spojevi prijelaznih metala .................................................................................. 42 KEMIJA I OKOLI......................................................................................................... 42 ZRAK ................................................................................................................................ 43 VODA................................................................................................................................ 44 TLA................................................................................................................................... 45 UVOD U ORGANSKU KEMIJU ................................................................................... 46 UGLJIKOVODICI........................................................................................................... 47 ALKANI ............................................................................................................................ 47 ALKENI............................................................................................................................. 49 ALKINI ............................................................................................................................. 50 UGLJIKOVODICI PRSTENASTE STRUKTURE .................................................................... 50 NAFTA ............................................................................................................................... 52 ORGANSKI SPOJEVI S KISIKOM.............................................................................. 52 ALKOHOLI ....................................................................................................................... 53 FENOLI ............................................................................................................................. 54 ETERI ............................................................................................................................... 54 ALDEHIDI I KETONI ......................................................................................................... 55 KARBOKSILNE KISELINE ................................................................................................. 56 ESTERI ............................................................................................................................. 57 ORGANSKI SPOJEVI S DUIKOM............................................................................. 58 AMINI ............................................................................................................................... 58 SINTETIKI POLIMERI............................................................................................... 58 ADICIJSKA POLIMERIZACIJA .......................................................................................... 59 KONDENZACIJSKA POLIMERIZACIJA.............................................................................. 59 PRIRODNI SPOJEVI ...................................................................................................... 59 UGLJIKOHIDRATI ............................................................................................................ 59 Monosaharidi.................................................................................................................... 59 Disaharidi ........................................................................................................................ 60 Polisaharidi ...................................................................................................................... 60 PROTEINI ......................................................................................................................... 60 Aminokiseline ................................................................................................................... 60 Peptidi ............................................................................................................................. 60 Proteini............................................................................................................................ 61 ENZIMI ............................................................................................................................. 61 LIPIDI ............................................................................................................................... 61 NUKLEINSKE KISELINE.................................................................................................... 61 PITANJA & ODGOVORI ........................................................................................... 63
n 1 2 3 4 5 6 7 6 7
18
2 He
4,00
3 10
Ne
20,1
8 18
Ar
39,9
5 36
Kr
83,8
0
54 Xe
131,
3 86
Rn
222,
0 11
8 Uuo
17
9 F 19,00
17
Cl
35,4
5 35
Br
79,9
0
53 I 126
,9
85 At
210,
0 11
7 Uus
71 Lu
175,
0 10
3 Lr
260,
1
16
8 O
16,0
0 16
S 32,06
34
Se
78,9
6
52 Te
127,
6 84
Po
209,
0 11
6 Uuh
70 Yb
173,
0 10
2 No
259,
1
15
7 N
14,0
1 15
P 30,97
33
As
74,9
2
51 Sb
121,
8 83
Bi
209,
0 11
5 Uup
69 Tm
168,
9 10
1 Md
258,
1
14
6 C
12,0
1 14
Si
28,0
9 32
Ge
72,5
9
50 Sn
118,
7 82
Pb
207,
2 11
4 Uuq
68 Er
167,
3 10
0 Fm
257,
1
13
5 B 10,81
13
Al
26,9
8 31
Ga
69,7
2
49 In
114,
8 81
Tl
204,
4 11
3 Uut
67 Ho
164,
9 99
Es
252,
1
12
30 Zn
65,3
8
48 Cd
112,
4 80
Hg
200,
6 11
2 Uub
66 Dy
162,
5 98
Cf
251,
1
11
29 Cu
63,5
5
47 Ag
107,
9 79
Au
197,
0 11
1 Uuu
65 Tb
158,
9 97
Bk
247,
1
10
28 Ni
58,7
0
46 Pd
106,
4 78
Pt
195,
1 11
0 Uun
64 Gd
157,
3 96
Cm
247,
1
9 27 Co
58,9
3
45 Rh
102,
9 77
Ir
192,
2 10
9 Mt
63 Eu
152,
0 95
A
m
243,
1
8 26 Fe
55,8
5
44 Ru
101,
1 76
Os
190,
2 10
8 Hs
62 Sm
150,
4 94
Pu
244,
1
7 25 Mn
54,9
4
43 Tc
98,9
75
Re
186,
2 10
7 Bh
262,
1
61 Pm
145,
0 93
Np
237,
0
6 24 Cr
52,0
0
42 Mo
95,9
4 74
, W
183,
9 10
6 Sg
263,
1
60 Nd
144,
2 92
U
238,
0
5 23 V
50,9
4
41 Nb
92,9
1 73
Ta
180,
9 10
5 Db
262,
1
59 Pr
140,
9 91
Pa
231,
0
4 22 Ti
47,9
0
40 Zr
91,2
2 72
Hf
178,
5 10
4 Rf
261,
1
58 Ce
140,
1 90
Th
232,
0
3 21 Sc
44,9
6
39 Y
88,9
1 57
* La
138,
9 89
*
* A
c 22
7,0
*
**
2 4 Be
9,01
2 12
Mg
24,3
1 20
Ca
40,0
8
38 Sr
87,6
2 56
Ba
137,
3 88
Ra
226,
0
PER
IOD
NI S
UST
AV
ELE
MEN
ATA
1 1 H
1,00
8 3 L
i 6,
941
11 Na
22,9
9 19
K
39,1
0
37 Rb
85,4
7 55
Cs
132,
9 87
Fr
223,
0
UPOTRIJEBLJENI SIMBOLI I KRATICE
A - maseni broj Ar - relativna atomska masa b - molalnost c - mnoinska koncentracija cm - centimetar D - desni, desna (u nazivu spoja) dm - decimetar e, e - elektron g - gram H - entalpija HGLB - hemoglobin IUPAC - Meunarodna unija za istu i
primijenjenu kemiju j - broj jedinki jedne vrste k - kilo kat- katalizator kg - kilogram Kw - ionski produkt vode L - Avogadrova konstanta; litar log - logaritam M - molarna masa m - masa; metar; meta poloaj (u nazivu
spoja) Mr - relativna molekulska masa N - broj jedinki
NA - Avogadrov broj n - glavni kvantni broj n - mnoina tvari; broj pojedinih atoma
u spoju; broj molekula; broj mera u molekuli polimera; broj kiralnih sre-dita (asimetrinih C-atoma)
n0 - neutron o - orto poloaj (u nazivu spoja) p - para poloaj (u nazivu spoja); piko Pa - paskal p+ - proton S - entropija SI - Meunarodni sustav t - toplota TNT - trinitrotoluen u - unificirana atomska jedinica mase V - volumen Vm - molarni volumen Vmo - standardni molarni volumen w - maseni udio Z - atomski broj - alotropska modifikacija eljeza - alotropska modifikacija eljeza - alotropska modifikacija eljeza - gustoa
11
KEMIJA
Kemija prouava tvari od kojih je nainjen svemir. Ispituje njihov sastav, svoj-stva i unutranju strukturu. Kemija istrauje promjene i naine promjene tvari, odnosno kemijske reakcije i pripadajue mehanizme koje se odvijaju u prirodi ili su djelo ljudskih ruku.
TVARI I NJIHOVE PROMJENE
iste tvari graene od istovrsnih estica, atoma su elementarne tvari, a pojedine vrste atoma nazivamo kemijskim elementima. Tvari mogu biti u plinovitom, tekuem ili vrstom agregatnom stanju. Promje-nom agregatnog stanja ne dolazi do kemijske promjene. Kod kemijske promjene bitno se mijenja sastav tvari tj. produkt kemijske reakcije nije vie ista tvar kao ona prije te promjene, za razliku od fizikih promjena pri kojima se mijenja npr. energetsko stanje tvari, oblik ali ne i sama tvar. Kemijske promjene su termika razgradnja, razgradnja tvari djelovanjem elektrine struje, kemijske promjene uzrokovane djelovanjem svjetlosti kao i sinteza razliitih spojeva. Pri svim kemijskim promjenama ukupna masa reaktanata i produkata uvijek je stalna.
ATOMI I MOLEKULE
GRAA ATOMA
Najsitnije estice neke tvari koje mogu stupati u kemijsku reakciju zovemo atomima. Te su estice vrlo malih dimenzija. Promjer najmanjeg atoma, dakle atoma vodika iznosi oko 100 pm (0,0000000001 m), dok je promjer najveeg atoma samo tri puta vei, dakle oko 300 pm (0,0000000003 m). Za oekivati je da tako male estice imaju i malu masu; masa atoma vodika iznosi
1,67310-27 kg (0,000000000000000000000000001673 kg), dok je masa najveeg atoma reda veliine 10-25 kg. Ovako mali, atomi ipak nisu homoge-ne estice, ve su graeni od jo sitnijih estica. U sreditu atoma nalazi se siuna jezgra
12
(nukleus) velike gustoe koja se sastoji od protona i neutrona (nukleoni). U prostoru oko jezgre, nazvanom elektronski omota, gibaju se elektroni. U jezgri je koncentrirana skoro sva masa atoma (99.95 %) tako da elektroni, u usporedbi s jezgrom, imaju zanemarivo malu masu. Elementarne estice, neutroni su elektriki neutralne estice, protoni pozitivne, a elektroni negativne. Apsolutni iznosi naboja, elementarni naboji protona i elektrona su jednaki, a jednak je i broj protona i elektrona u atomu, pa je svaki atom prema vani elektriki neutralna estica.
Tablica 1. Svojstva elementarnih estica
Elementarna estica Znak Masa Relativna masa Nabojni broj elektron e 0 0 1 proton p+ 1u 1 +1 neutron n0 1u 1 0
Svaki atom je definiran atomskim brojem Z i masenim brojem A koji se esto pie uz simbol elementa kao 1
111X H, . npr.
Z = N(p+) = N(e) A = N(p+) + N(n0)
Kaemo da je atom stabilan sustav jedne jezgre i odreenog broja elektrona. Kako je vrsta atoma odreena samo brojem protona tj. atomskim brojem, broj neutrona u atomima iste vrste moe biti razliit. Atome istog broja protona (istog atomskog broja, istog elementa) a razliitog broja neutrona (znai razliitog masenog broja, razliite mase) nazivamo izotopima. Izobari su atomi razliitog broja protona, razliitih elemenata istog masenog broja. Nuklidi su atomi koji osim istog atomskog imaju i isti maseni broj. Samo 20 elementarnih tvari u prirodi sastoji se od samo jedne vrste nuklida pa ih nazivamo mononuklidni elementi. Ostali su polinuklidni elementi. Molekule su estice nastale meusobnim spajanjem vie atoma. Molekule su najsitnije estice kemijskih spojeva (vie raznovrsnih atoma meusobno spojenih), npr. H2SO4, H2O itd. I elementarne tvari javljaju se u obliku molekula (vie istovrsnih atoma meusobno spojenih), npr. O2, P4 itd.
ELEKTRONSKI OMOTA ATOMA
Najtoniji poznati prikaz karakteristika atoma moe se dobiti rjeavanjem vrlo sloenih matematikih jednadbi, stoga je potrebno istaknuti da nijedan model i nijedna slika kojima prikazujemo grau atoma i gibanje elektrona oko jezgre, ne daju pravi odraz zbivanja u atomu, ve nam samo olakavaju razumijevanje nekih pojava koje koristimo u praksi. Svaki elektron u atomu giba se velikom brzinom oko jezgre. Vjerojatnost nalae-nja elektrona oko jezgre prikazuje se elektronskim oblakom, koji je gui na mjestima vee vjerojatnosti nalaenja elektrona. Poevi od atoma vodika, iji se omota sastoji od samo jednog elektrona, svaka slijedea sloenija vrsta atoma ima po jedan elektron vie u
13
elektronskom omotau. Svaki elektron u atomu ima tono odreenu energiju, odnosno elektroni se nalaze u razliitim ali odreenim energetskim nivoima ili ljuskama. Oznaavaju se brojevima od 1 to 7 ili slovima K, L, M, N, O, P i Q. Unutar jedne ljuske elektroni se zbog razlika u energiji, grupiraju u podljuske ili energetske podnivoe odreenih energija. Prva ljuska ima jednu podljusku, druga moe imati dvije podljuske, trea 3, a etvrta 4 podljuske. Prva ili s podljuska sadri jednu s-orbitalu, druga ili p podljuska sadri tri p-orbitale, trea ili d podljuska sadri pet d-orbitala i etvrta ili f podljuska sadri sedam f-orbitala. Broj ljuske kojoj pripadaju podljuske stavlja se ispred simbola podljuske, npr. 1s, 3p, itd. Desno gore, uz simbol podljuske piemo broj elektrona koji se u njoj nalazi, npr. 1s2, 3p5, itd (ita se: jedan es dva, tri pe pet). Kako svaka orbitala daje rjeenje za najvie dva elektrona, iz navedenog se moe izraunati maksimalan broj elektrona, bilo u odreenoj podljusci, bilo u odreenoj ljusci, s napomenom da je ukupan broj elektrona u atomu jednak broju protona, odnosno atomskom broju. Maksimalan broj elektrona u jednoj podljusci izrauna se pomou izraza 2n2 gdje je n glavni kvantni broj koji odgovara rednom broju ljuske. Elektroni popunjavaju omota zauzimajui najnie, najstabilnije mogue energetske nivoe, podnivoe, orbitale. Redoslijed popunjavanja orbitala je slijedei: 1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p 5s 4d 5p 6s 4f 5d 6p 7s 5f 6d 7p. Ako nema dovoljno elektrona uz maksimalno popunjavanje orbitala jedne podljuske, onda se elektroni tako rasporede da zauzmu to je mogue vei broj orbitala. U zadnjoj ljusci ne moe biti vie od 8 elektrona. Raspored elektrona u atomu nazivamo elektronska konfiguracija.
PERIODNI SUSTAV ELEMENATA
Kemijsko pismo je meunarodno pismo, a predstavljaju ga simboli, formule i jednadbe kemijskih reakcija. Periodni sustav elemenata odraz je grae atoma, odnosno njegove elektronske konfiguracije. Potrebno je dobro usvojiti principe i simbole periodnog sustava da bi se iz njega moglo puno toga oitati to se prije uilo napamet. U periodnom sustavu elementi su poredani u vodoravne retke - periode i u oko-mite stupce - skupine. Redaka, perioda ima sedam isto koliko i moguih ljusaka. U prvoj periodi nalaze se dva elementa: vodik i helij, jer prva ljuska atoma moe primiti maksimalno dva elektrona i to suprotnih spinova. Atomi kemijskih elemenata iste periode imaju isti broj ljusaka. Atomi elemenata iste skupine imaju vrlo slina svojstva koja odreuje karakteri-stina struktura vanjske, valentne ljuske. Razliitost svojstava unutar skupine uvjetovana je razliitom, sve veom udaljenou elektrona vanjske ljuske od jezgre odnosno povea-njem atoma. Elemente u ijim se atomima zadnje popunjavaju s-orbitale i p-orbitale nazivamo elementima glavnih skupina. Broj elektrona u vanjskoj ljuski atoma elemenata prve dvije
14
skupine jednak je broju skupine, a broj elektrona u zadnjoj ljuski elemenata 13. do 18. skupine odgovara broju skupine umanjenom za 10. Elemente kod kojih popunjavanje elektronskog omotaa zavrava d-elektronima nazivamo prijelaznim elementima. Svi oni u valentnoj ljusci imaju dva s-elektrona, a d-elektronima popunjava se pretposljednja ljuska. Po svojstvima meusobno su jo sliniji elementi koji pripadaju skupinama lantanida i aktinida. Popunjavanje njihovih ljusaka zavrava f-elektronima, koji se nalaze u pretpretposljednoj ljusci, pa ti elektroni vrlo malo utjeu na kemijska svojstva atoma tih elemenata. Na lijevoj strani i u sredini periodnog sustava nalaze se metali. Na desnoj su stra-ni nemetali. Prijelaz izmeu metala i nemetala ine polumetali ili metaloidi. To su bor, silicij, germanij, arsen, antimon, telurij i polonij. Najizraenija su svojstva metala kod ele-menata u donjem lijevom dijelu periodnog sustava elemenata, a nemetala u gornjem des-nom dijelu.
KEMIJSKE VEZE
Atomi se meusobno spajaju jer time postiu veu stabilnost, odnosno stanje s manjim sadrajem energije. Meusobnim spajanjem atoma istog elementa nastaju molekule tog elementa, a spajanjem atoma razliitih elemenata nastaju molekule kemijskih spojeva tono odree-nog i stalnog kemijskog sastava. Svojstvo atoma nekog elementa da se spaja s odreenim brojem atoma drugog elementa naziva se njegovom valencijom. Kada se atomi meusobno spajanju oni to ine pomou elektrona vanjske ljuske, valentnih elektrona. Koja e vrsta veze nastati izmeu spojenih atoma zavisi o elektronskoj konfiguraciji slobodnih atoma, tj. o energijskom stanju njegovih valentnih elektrona koje se oituje u energiji ionizacije odnosno elektronskom afinitetu. Energiju ionizacije definiramo kao energiju potrebnu da se atomu oduzme elektron. U periodnom sustavu ona raste u periodi od lijeva na desno (poveanjem atomskog broja), a u skupini odozdo prema gore (smanjenjem atomskog broja). Afinitet atoma ili iona prema elektronu je elja za elektronima; jednak je energiji koja se oslobodi kada atom ili ion primi elektron. U periodnom sustavu raste u periodi od lijeva prema desno, a u skupini odozdo prema gore.
Ionska veza
Da bi izmeu atoma nastala ionska veza, atomi metala otputaju odreeni broj elektrona pri emu nastaje pozitivno nabijen ion (kation). Atomi nemetala primaju te elektrone i prelaze u negativno nabijen ion (anion). Ti ioni suprotnih naboja meusobno se privlae ostvarujui tako ionsku vezu. O veliini ionskog radijusa, karakteristinoj veliini svakog iona, ovisi jakost privlane sile.
15
Primjeri: Na Na+ + 1e Cl + 1e Cl Ca Ca2+ + 2e 2Cl + 2e 2Cl
2Al 2Al3+ + 6e 3O + 6e 3O2
Atomi koji daju elektrone moraju imati dovoljno malu energiju ionizacije, a atomi koji primaju elektrone moraju imati dovoljno velik elektronski afinitet da bi (prelas-kom elektrona) nastao spoj koji je stabilniji, energetski siromaniji od atoma od kojih nastaje. U pravilu ionsku vezu ine atomi metala s atomima nemetala. Iznimku ine, npr. atomi u spojevima formula SnCl4 i PbCl4, iji su atomi vezani kovalentno.
Kovalentna veza
U prirodi se kao jednoatomni elementi javljaju samo plemeniti plinovi (helij, neon, argon, kripton, ksenon i radon). Oni ili ne reagiraju ili vrlo teko reagiraju s ostalim elementima. To ukazuje na stabilnost njihove elektronske konfiguracije zadnje ljuske. Helij ima dva elektrona u zadnjoj ljusci ( ne moe ih imati vie!) a svi ostali osam. Stabil-nu elektronsku konfiguraciju s dva elektrona u zadnjoj ljusci nazivamo dublet, a s osam oktet. Spajanjem atoma nemetala, pri emu se ostvaruje dublet odnosno oktet, snizuje se energija takvog sustava, tj. sustav se stabilizira (usporedi s ionskom vezom). Npr. ako se dva atoma vodika udrue, svaki sa po jednim elektronom suprotnog spina, nastat e molekula vodika. Svakom atomu u molekuli pripadaju oba elektrona jer se gibaju oko obje jezgre. Tada za svaki atom vodika kaemo da je postigao dublet. Par elektrona koji pripada i jednom i drugom atomu zove se zajedniki ili vezni elektronski par. Veza nastala na temelju zajednikog elektronskog para naziva se kovale-ntna veza. Elektronski parovi vanjskih ljusaka koji ne sudjeluju u vezi zovu se nepodijelje-ni, slobodni ili nevezni elektronski parovi. Dva atoma klora u molekuli ostvaruju jednostruku kovalentnu vezu jer su povezani jednim zajednikim parom:
Cl + Cl2Cl ClCl Cl Cl
Dva atoma kisika u molekuli povezana s dva elektronska para, tj. vezani su dvostrukom kovalentnom vezom:
O O+ O2OO O O
Al2O3
CaCl2
NaCl
16
Trostruku kovalentnu vezu meusobno ostvaruju dva atoma duika veui se s tri elektronska para:
NN + N N N2N N
Postoje i vieatomske molekule elemenata nemetala ije su veze kovalentne, npr. S8, gdje je osam atoma sumpora prstenasto povezano; P4, (bijeli fosfor) gdje se atomi bijelog fosfora nalaze na vrhovima tetraedra, a bridovi predstavljaju kovalentne veze.
Metalna veza
Meusobnim spajanjem atomi metala postiu stabilnost tako da se njihovi atomi gusto slau u kristalnu reetku, a valentni elektroni su im delokalizirani, tj. privlai ih vei broj jezgara okolnih atoma. Gustim slaganjem atoma u kristalnu reetku dolazi do preklapanja atomskih orbitala. to se vie atomskih orbitala stapa, to su blie energijski nivoi valentnih elektro-na, tvorei tako vrpce vrlo bliskih energijskih nivoa. Pojedine vrpce odijeljene su samo uskim energijskim podrujem, tzv. zabranjenim zonama. Zbog malog broja elektrona u valentnim ljuskama svi energijski nivoi u vrpcama nisu popunjeni elektronima koji se primanjem energije lako mogu kretati od atoma do atoma to omoguuje dobro provoe-nje elektriciteta i topline. Zato se nepopunjene vrpce zovu vodljivim vrpcama. Vrpce popunjene elektronima zovemo valentne vrpce.
MEUMOLEKULSKE VEZE
Atomi elemenata se razlikuju po elektronegativnosti, tj. imaju svojstvo da vie ili manje privlae elektrone vanjske ljuske drugih atoma. Elektronegativnost je relativna mjera sposobnosti jezgre atoma da privlai elek-trone zajednikog para. Elektronegativniji atom u spoju je atom s veim afinitetom za elektrone. Npr., zbog razlike u elektronegativnosti, elektroni zajednikog elektronskog para izmeu atoma kisika i vodika (u H2O) ee e se nai oko jezgre elektronegativnijeg kisi-ka. Zato e dio molekule vode u dijelu gdje se nalazi atom kisika imati mali negativni naboj, a u dijelovima gdje se nalaze atomi vodika male pozitivne naboje. Za takve molekule kod kojih teita pozitivnog i negativnog naboja nisu na istom mjestu, kaemo da su polarne ili da imaju dipolni karakter. Ovakva vrsta kovalentne veze, u stvari, ima djelomino ionski karakter.
Vodikova veza
Molekule nastale spajanjem vodika s jako elektronegativnim elementima (HF, H2O, NH3, ...) izrazito su polarne pa nastaju veze meu takvim molekulama. Meusobno se privlae atom vodika (malog pozitivnog naboja) jedne molekule i jako elektronegativan atom (malog negativnog naboja) druge molekule ostvarujui, na taj nain, vodikovu vezu. Ova meumolekulska, vodikova veza slabija je od meumolekulske, ionske ili kovalentne veze.
17
Van der Waalsova sila
Ako nastale molekule nemaju izrazito polaran karakter (mjesta teita pozitivnog i negativnog naboja nisu jako udaljena) meu takvim molekulama javljaju se slabe privlane sile nazvane van der Waalsovim silama. Ove sile javljaju se meu molekulama joda, eera, meu slojevima ugljika u grafitu i drugdje. Van der Waalsove sile slabije su od vodikovih veza.
vrsto agregatno stanje
Unato vrlo razliitim svojstvima mnoge vrste tvari imaju jedno zajedniko svojstvo. To je njihova pravilna unutranja struktura, kristalna graa. Kristali su geometrijska tijela, pravilne unutranje grae, omeene ravnim plohama koje se sijeku u bridovima, a bridovi u uglovima. Pravilan vanjski oblik kristala posljedica je njegove pravilne unutranje grae. Najmanji dio kristalne strukture koji pokazuje razmjetaj graevnih elemenata u itavom kristalu nazivamo elementarna sta-nica. Tvari stalnog oblika koje nemaju pravilnu unutranju grau ne smatramo pravim vrstim tvarima, ve kaemo da su amorfne, npr. staklo.
Ionski kristali
Ionski kristali izgraeni su od, to je mogue gue sloenih iona. Razliito nabijeni ioni naizmjence se redaju u tri smjera u prostoru, a meusobno su povezani ionskom vezom. Broj istovrsnih estica koje su jednako udaljene od estice druge vrste nazivamo koordinacijski broj. Ionski spojevi u vrstom stanju ne provode elektrinu struju, to ukazuje da su ioni u kristalu nepokretni. Taline ionskih spojeva vrlo su dobri vodii elektrine struje jer su ioni u njima pokretni.
Primjer: talina kuhinjske soli, NaCl.
Molekulski kristali
To su kristali izgraeni od molekula povezanih, vie ili manje, slabim vodikovim vezama ili van der Waalsovim silama koje su takoer elektrine prirode, a rastu s poras-tom veliine i mase molekula.
Primjer: kristali eera C6H12O6.
Pojava da se ista tvar javlja u vie kristalnih oblika je polimorfija.
OSNOVE KEMIJSKOG RAUNA
Mase atoma su tako male da njihove vrijednosti nisu pogodne za proraunavanja. Stoga se za praktine proraune primjenjuju druge fizike veliine. Unificirana atomska jedinica mase je 1/12 mase atoma izotopa ugljika-12 i iznosi 1,66051027 kg.
18
Relativna atomska masa je broj koji nam kae koliko je puta masa nekog atoma vea od unificirane atomske jedinice mase i zapisana je uz simbol elementa u peridnom sustavu elemenata. Veliina pogodna za iskazivanje koliina u laboratorijskom radu je mnoina tva-ri ija je jedinica mol. Mol je mnoina onog uzorka koji sadri onoliko definiranih jedinki koliko ima atoma ugljika u 0,012 kg ugljika-12. To je i osnovna jedinica SI-sustava. U jednom molu ili 0,012 kg ugljika nalazi se Avogadrov broj tj. 6,0220451023 atoma ugljika. Opa prirodna Avogadrova konstanta definirana je omjerom brojnosti jedinki N(B) i mnoine n(B): L = N(B)/n(B) i iznosi 6,0220451023 mol1. Relativna molekulska masa ima isto znaenje za molekule kao i relativna atom-ska masa za atome, a izraunava se zbrajanjem svih relativnih atomskih masa atoma koji ine molekulu. Fizika veliina molarna masa karakterizira istu tvar i definirana je omjerom mase tvari i mnoine jedinki M(B) = m(B)/n(B). Ona, ustvari oznaava masu jednog mola tvari. Jedinica molarne mase je kg mol1, a decimalna g mol1.
MASENI UDIO ELEMENATA U SPOJU
Maseni udio iskazuje udio mase jedne komponente u cjelokupnoj masi uzorka. Maseni udio, w pojedinog elementa A u spoju B definiran je izrazom
)BA()A()BAA,(
jj
m
mw =
odnosno
)BA()A()A()BAA,(
jj
r
r
MAj
w
=
gdje je j broj istovrsnih atoma jedne vrste u molekuli.
Primjer:
% 96,636396,0111
5,352)CaCl(
)Cl(2)CaClCl,(2
2 ==
==
r
r
MA
w
IZRAUNAVANJE EMPIRIJSKE I MOLEKULSKE FORMULE IZ PODATAKA ELEMENTARNE ANALIZE
Kemijskom analizom ustanovljeno je da su u nekom spoju maseni udjeli: kisika 0,6531, sumpora 0,3265 i vodika 0,0204, a molekulska masa 98. Odredi molekulsku formulu spoja.
w(O) = 0,6531 w(S) = 0,3265 w(H) = 0,0204 molekulska formula = ?
19
Najprije emo izraunati masu pojedinog elementa u 100 g spoja:
m(O) = w(O)m(spoja) = 0,6531100 g = 65,31 g m(S) = 32,65 g m(H) = 2,04 g
Kako je broj jedinki razmjeran mnoini tvari vrijedi odnos:
N(O):N(S):N(H) = n(O):n(S):n(H)
)H()H(
:)S()S(
:)O()O()H(:)S(:)O(
Mm
Mm
Mm
nnn =
104,2
:32
65,32:
1631,65
=
= 4,08 : 1,02 : 2,04 |:1,02 = 4 : 1 : 2
Empirijska formula je H2SO4. Broj atoma pojedine vrste u molekulskoj formuli dobijemo mnoenjem broja atoma u empirijskoj formuli s faktorom kojeg dobijemo dijeljenjem analizirane relativne molekulske mase spoja s relativnom masom empirijske jedinke.
19898
)SOH()spoj(42
==
r
r
EM
H21S11O41 H2SO4
U ovom sluaju empirijska i molekulska formula su jednake.
MOLARNI VOLUMEN PLINOVA
Molarni volumen plinova Vm definiran je omjerom volumena i mnoine
n
VVm =
SI jedinica je m3/mol, ali ee se upotrebljava decimalna jedinica litra (decime-tar kubini) po molu, L/mol (dm3/mol). Pri standardnim uvjetima (tlak 101,3 kPa, temperatura 0 C) volumen bilo kojeg plina, tj. standardni molarni volumen, iznosi 22,4 L/mol, a oznaava se Vm.
Primjer: Koliki je volumen 5,6 g duika pri standardnim uvjetima? m(N2) = 5,6 g V(N2) = ? mol 0,2
mol g 28g 5,6
)N()N()N(
12
22 ===
Mm
n
)(dm L 4,48mol 0,2mol L 22,4)N()N( )N()N( 31
222
2====
nVVn
VV mm
20
STEHIOMETRIJA KEMIJSKE REAKCIJE
Spajanje klora s kalcijem, kisika s aluminijem, itd., nazivamo kemijskim reakcijama, a njih prikazujemo jednadbama. One daju i kvantitativan opis jedinine pretvorbe pa su zato temelj kemijskog rauna.
Primjeri:
Ca + Cl2 CaCl2 (1) 4Al + 3O2 2Al2O3 (2)
Primjer: Treba izraunati masu aluminijevog oksida, Al2O3, nastalu izgaranjem 6 mola aluminija, Al. Sama rije jednadba ukazuje da broj pojedinih atoma na lijevoj strani (reaktanti) mora biti jednak broju atoma na desnoj strani jednadbe (produkti), potujui pri tom integritet jedinki koje stupaju u reakciju i koje nastaju reakcijom. Broj jedinki izraen je pripadnim koeficijentima u jednadbi kemijske reakcije. Za jednadbu (2) vrijede odnosi:
itd. , 23
)OAl()(O
ili 34
)O()Al(
32
2
2==
NN
NN
Kako je brojnost, broj jedinki upravo proporcionalna mnoini tih istih jedinki vrijede i odnosi:
itd. , 23
)OAl()n(O
ili 34
)O()Al(
32
2
2==
nn
n
Da bi se rijeio postavljeni zadatak treba nakon pravilno napisane jednadbe postaviti omjer brojnosti zadanih jedinki aluminija i aluminijevog oksida:
mol 32mol 6
2)Al()OAl(
2)OAl()n(Al
224
)OAl()N(Al
32
32
32
===
=
==
nn
n
N
Iz definicije molarne mase izvodimo:
m(Al2O3) = n(Al2O3)M(Al2O3) = 3 mol102 gmol-1 = 306 g
Primjer: Koliko e formulskih jedinki kalcijevog klorida nastati spajanjem 2 mola klora s kalcijem? Ca + Cl2 CaCl2
n(Cl2) = 2 mol N(CaCl2) = ?
21
11
)Cl()CaCl(
2
2=
NN
Iz definicije Avogadrove konstante izvodimo
N(Cl2) = n(Cl2)L
Sada imamo
N(CaCl2) = N(Cl2) = n(Cl2)L = 2 mol6,0221023 mol1 = 12,0441023
Dakle nastaju 12,0441023 formulske jedinke CaCl2.
GUSTOA
Gustoa je definirana omjerom mase i volumena:
Vm
=
SI-jedinica je kg/m3, a ee se upotrebljava decimalna jedinica g/cm3.
TERMOKEMIJA
Sustav koji promatramo moe biti neki proces, neka reakcija ili neki objekt. Sve ostalo je okolina.
Osnovni kemijski sustav je kemijska reakcija, tj. dogaaj u sklopu kojega se kidaju postojee i stvaraju nove kemijske veze. Kemijske reakcije mogu oslobaati toplinu u okolinu, egzotermne ili troiti toplinu okoline, endotermne.
Ako je tlak stalan, izmjena topline izmeu sustava i okoline mijenja toplinski sadraj sustava, tj. entalpiju (H). Eksperimentalno moemo odreivati samo promjenu entalpije sustava, tj. razliku entalpije poetnog i konanog stanja.
Spontane kemijske reakcije i druge prirodne promjene prati nesreeno rasipanje energije u okolinu to nazivamo entropija (S). Znai da je entropiju mogue promatrati i kao mjeru nesreenosti sustava. Oigledno, pri svim spontanim procesima entropija raste (drugi zakon termodinamike).
TEKUINE
Uobiajeno je nazivati tekuinama one iste tvari koje su pri atmosferskom tlaku i sobnoj temperaturi u tekuem stanju. Tekue stanje posljedica je meumolekulskih djelovanja (uvijek su elektrostatske prirode) koja su izraenija nego kod plinova, a manje izraena nego u vrstim tvarima. Za razliku od estica vrstih tvari, estice tekuina nemaju stalnog poloaja ve se gibaju slobodno, ali ne toliko slobodno koliko se gibaju estice plinova.
22
DISPERZNI SUSTAVI
Smjese dviju ili vie tvari kojima je jedna tvar rasprena, dispergirana u drugoj nazivamo disperznim sustavima. Tvar koje u takvim sustavima ima u suviku nazivamo disperznim sredstvom, a rasprenu tvar (ima je manje) disperzna faza. S obzirom na veliinu estica dispergirane faze disperzni sustavi dijele se na: 1. Grubo disperzni sustavi gdje je veliina estica disperzne faze vea od 200 nm, npr. smjesa pijeska u vodi. 2. Koloidne sustave s veliinom estica disperzne faze od 1 - 200 nm, npr. magla, dim, mlijeko, elatina. 3. Prave otopine ije su estice disperzne faze manje od 1 nm, npr. otopine kuhinjske soli u vodi, eera u vodi.
PRAVE OTOPINE
Iako postoje otopine u sva tri agregatna stanja, plinovitom, tekuem i vrstom, kad se kae samo otopina, onda se pod tim pojmom obino podrazumijeva smjesa u kojoj je disperzno sredstvo tekue, a disperzna faza vrsta. Prave su otopine molekulno disperzni sustavi.
Otapanje vrstih tvari
Ako molekule vode, dovoljne energije, udare u ion ionskog kristala dijelom svoje (polarne) molekule koji je suprotnog naboja od promatranog iona, one e te ione izvui iz kristala u otopinu. To znai da je savladana Coulombova (Kulnova) i da se ti ioni slobodno gibaju u otopini.
Primjer: NaCl se u vodi razlae na ione, disocira NaCl Na+ + Cl. Proces otapanja molekulskih kristala razlikuje se time to molekule vode svojim udarima savladavaju mnogo slabije meumolekulske van der Waalsove sile i vodikove veze u kristalu, te u otopinu iz kristala odlaze molekule, slobodno se gibajui.
Primjer: vodena otopina saharoze. Svaka prava otopina sastoji se od otapala (disperzno sredstvo) i otopljene tvari (disperzna faza). Otapalo je ona tvar koje ima vie. Najee otapalo je voda. Pokusi ukazuju da e se tvari polarne grae bolje otapati u polarnom otapalu, a nepolarne tvari u nepolarnom otapalu. Otopine koje sadre pokretne ione provode elektrinu struju i zovu se elektrolit-ske otopine, a one koje nemaju te karakteristike neelektrolitske.
ISKAZIVANJE SASTAVA OTOPINA
Za iskazivanje sastava otopine u laboratoriju se najee upotrebljavaju - maseni udjeli, w - masena koncentracija, - mnoinska koncentracija, c
23
Masena koncentracija
Definirana je kao omjer mase otopljene tvari i volumena otopine
)otopine( tvari)ot.(
tvari)ot.(Vm
=
Jedinica masene koncentracije je kg/m3, odnosno decimalna jedinica g/L.
Primjer: Koliko grama natrijevog sulfata treba otopiti da se pripravi 200 mL otopine masene koncentracije 0,1 g/L? V(otopine) = 200 mL = 0,2 L (Na2SO4) = 0,1 g/L m(Na2SO4) = ?
= )otopine()SONa()SONa( 4242 V
m
m(Na2SO4) = (Na2SO4)V(otopine) = 0,1 g L10,2 L = 0,02 g
Mnoinska koncentracija
Definirana je omjerom mnoine jedinki otopljene tvari i volumena otopine
)otopine( tvari)ot.(
tvari)ot.(Vn
c =
U praksi se upotrebljava decimalna jedinica mol/L (mol/dm3).
Primjer: Kolika je masa kalijevog klorida otopljenog u 200 mL otopine mnoinske koncentracije 0,25 mol dm3? V(otopine) = 200 mL = 0,2 dm3 c(KCl) = 0,25 mol dm3 m(KCl) = ?
)otopine()KCl()KCl( =
Vn
c
mol 0,05dm 0,2dm mol 25,0)otopine()KCl()KCl( 33 === Vcn m(KCl) = n(KCl)M(KCl) = 0,05 mol74,55 g mol1 = 3,725 g
Molalnost
Molalnost (b) komponente A je definirana kao omjer mnoine A i mase otapala
)otapala()A()A(
m
nb =
24
Primjer: Kolika je molalnost otopine u ijih je 200 g otopljeno 10 g natrijevog nitrata? M(NaNO3) = 10 g m(otopine) = 200 g b(NaNO3) = ?
Za izraunavanje molalnosti NaNO3 moramo znati njegovu mnoinu, n i masu otapala, vode.
kg 19,0g 190g 10g 200)NaNO((otopine) )O(H
mol 1176,0g/mol 85
g 10)NaNO()NaNO()NaNO(
32
3
33
====
===
mmm
Mm
n
mol/kg 6184,0kg 19,0mol 1176,0
)OH()NaNO()NaNO(
2
33 ===
m
nb
BRZINA KEMIJSKE REAKCIJE
Energijom aktivacije nazivamo energetsku barijeru koju je potrebno savladati da bi estice koje se sudaraju stupile u kemijsku reakciju. Brzina kemijske reakcije iskazuje se vremenskom promjenom koncentracije, tj. omjerom promjene mnoinske koncentracije c i vremenskog intervala t u kojem je ta promjena nastala. Srednja brzina prirasta koncentracije komponente A, v(A) dana je izrazom
t
cv
=
)A()A(
Primjer: Koncentracija reaktanta A promijeni se od 2,8102 mol dm3 do 1,6102 mol dm3 u intervalu od etrnaeste do tridesetetvrte minute reakcije. Kolika je srednja brzina promjene koncentracije reaktanta A u tom vremenskom intervalu?
13433
mindm mol 106min 14min 34
dm mol8,2dm mol 6,1)A()A(
=
=
=
t
cv
Brzina kemijske reakcije ovisi o koncentraciji rekatanta, temperaturi i prisutnosti katalizatora. Svi ovi initelji je ubrzavaju. Katalizatori su tvari koje ubrzavaju kemijsku reakciju tako da u nju ulaze i usmjeravaju je nekim drugim putem, smanjujui energiju aktivacije, a na kraju reakcije izlaze nepromijenjeni.
KEMIJSKA RAVNOTEA
Prouavanje kemijske ravnotee i inilaca koji na nju utjeu prijeko je potrebno za pravilno voenje kemijskih procesa. Disocijacijom, npr. slabe octene kiseline u vodi uspostavlja se dinamika ravnotea izmeu disociranih i nedisociranih molekula. Moleku-le octene kiseline disociraju do odreene (ravnotene) granice kada se disocijacijom nastali ioni spajaju dajui upravo onoliko molekula octene kiseline koliko takvih molekula disocira.
25
Pri stalnoj temperaturi omjer umnoaka koncentracija produkata i reaktanata koji su potencirani njihovim stehiometrijskim koeficijentom je konstantan (Kc). Slijedi da je za reakciju
aA + bB cC + dD
konstanta
)()()()(
ba
dc
BcAcDcCc
Kc
=
Primjer: Treba izraunati konstantu ravnotee za reakciju
PCl5 PCl3 Cl2+
pri 25 C. Analizom je ustanovljeno da su ravnotene koncentracije komponenata u smjesi c(PCl5) = 0,1 mol dm3, c(PCl3) = 0,18 mol dm3 i c(Cl2) = 0,18 mol dm3.
Kako je ravnotea ve uspostavljena vrijednosti koncentracija se mogu izravno uvrstiti u izraz za konstantu ravnotee
33
33
5
23 dm mol 324,0dm mol 1,0
dm mol 18,0dm mol 18,0)PCl(
)Cl()PCl(
=
=
=
c
ccKc
KISELINE I BAZE
Primjeri kiselina su sumporna H2SO4, duina HNO3, octena CH3COOH, klorovodina HCl itd. Pod utjecajem vode (polarno otapalo!) polarne molekule kiselina cijepati e se, disocirati na ione vodika H+ i negativne ione kiselinskog ostatka. Vodikov ion nosilac je kiselog okusa, kiselih svojstava.
HNO3 H+ + NO3 CH3COOH H+ + CH3COO H2SO4 2H+ + SO42
Vodikov ion vee se na molekulu vode te tako nastaje hidronijev ion H3O+ (nap-rijed navedeni nain pisanja disocijacije kiselina zadran je zbog jednostavnosti). Spojeve koji disociranjem u vodi daju hidronijev ion nazivamo kiseline, prema S. Arrheniusu. Osim kiselina imamo spojeve koje zovemo baze. Veliku skupinu baza ine hidroksidi, npr. natrijev hidroksid NaOH, kalcijev hidroksid Ca(OH)2. Svi oni sadre hidroksidnu skupinu OH koja se u vodi odcjepljuje dajui hidroksidni ion OH to je karakteristika baza prema S. Arrheniusu. Otopinu hidroksida u vodi nazivamo luina.
NaOH Na+ + OH Ca(OH)2 Ca2+ + 2OH
26
OH- ion uvjetuje lunat okus, lunata svojstva. Iako vrlo slabo, i molekule vode disociraju.
H2O H+ + OH
Iz jednadbe se vidi da su (broj) mnoinska koncentracija H+ i OH iona jednake, a utvreno je da iznose 107 mol/dm3. To znai da voda nije ni kisela ni lunata ve neu-tralna. Umnoak koncentracija H+ i OH iona u otopini zove se ionski produkt vode, Kw. Kod sobne temperature to je c(H+)c(OH) = Kw = 1014 mol2/dm6. Ako je c(H+) = c(OH) otopina je neutralna, ako je c(H+) > c(OH) otopina je kisela i ako je c(H+) < c(OH) otopina je lunata. Kiselost odnosno lunatost ispitujemo kiselo-baznim indikatorima. To su tvari koje mijenjaju boju ovisno o kiselosti odnosno lunatosti ili pak neutralnosti otopine. Mjera kiselosti ili lunatosti otopine je pH. pH vrijednost je negativan logaritam mnoinske koncentracije vodikovih iona pa je odgovarajui matematiki izraz sljedei
=
+
3dm mol)H(logH cp
Ako je pH = 7 otopina je neutralna, ako je pH > 7 otopina je lunata i ako je pH < 7 otopina je kisela. Ako je u vodenim otopinama disocijacija kiselina ili luina potpuna ili skoro potpuna, govorimo o jakim kiselinama ili luinama, a ako je u otopini malen broj mole-kula kiseline ili luine disocirao, govorimo o slabim kiselinama ili luinama. I.N. Brnsted (i T.M. Lowry) definirali su kiseline i baze na slijedei nain: kiselina je tvar koja daje proton (protondonor), a baza je tvar koja prima proton (proton-akceptor). Ravnotea kemijske reakcije uspostavlja se u smjeru slabije kiseline i baze. Po definiciji G.N. Lewisa kiselina je svaka tvar koja moe primiti elektronski par (elektron-akceptor), a baza je svaka tvar koja moe dati elektronski par (elektron-donor). Znai, nisu obavezno potrebni ni vodikovi ni hidroksidni ioni da bi neka tvar bila kiselina ili baza.
NEUTRALIZACIJA
Reakcija neutralizacije je nastajanje molekula vode reakcijom H+ i OH iona.
H+ + Cl + Na+ + OH H2O + Na+ + Cl
ili krae pisano u molekulskom obliku HCl + NaOH H2O + NaCl.
Osim vode, reakcijom netralizacije nastala je sol natrijev klorid koji je u otopini disociran. Takoer moemo rei da su reakcije izmeu kiselina i luina reakcije neutrali-
zacije.
27
SOLI
Soli su vani spojevi ionskih struktura. Kako je svaki ionski kristal u irem smislu jedna velika molekula, formula soli predstavlja zapravo formulsku jedinku soli. U vodenim otopinama soli su disocirane, npr.
NaNO3 Na+ + NO3
HIDROLIZA
Kemijske reakcije u kojima sudjeluju molekule vode nazivaju se reakcije hidro-lize. Otapanjem natrijeva acetata u vodi nastaju acetat i natrijevi ioni. Acetatni ioni kemijski reagiraju s vodom oduzimajui joj H+ pri emu nastaje slabo disocirana octena kiselina. Ostatak izreagirale molekule H2O je OH koji uz natrijev ion ostaje u otopini. Na taj se nain u otopini poveava koncentracija OH i otopina djeluje lunato:
CH3COO + Na+ + H2O CH3COOH + Na+ + OH
U vodenoj otopini amonijevog klorida, amonijevi ioni kemijski reagiraju s vodom oduzimajui joj OH pri emu nastaje slabo disocirana amonijeva luina. Ostatak izreagirale molekule H2O je H+ koji uz kloridni ion ostaje u otopini. Tako se u otopini poveava koncentracija H+ i otopina djeluje kiselo:
NH4+ + Cl + H2O NH4OH + H+ + Cl.
Prema tome, do hidrolize dolazi samo onda kada voda djeluje na soli dobivene neutralizacijom kiselina i luina nejednake jakosti. Iz navedenog slijedi da otopine soli - jakih kiselina i jakih luina djeluju neutralno, npr. otopina NaCl, - jakih kiselina i slabih luina reagiraju kiselo, npr. otopina NH4Cl, - slabih kiselina i jakih luina reagiraju lunato, npr. otopina CH3COONa.
OKSIDACIJSKO-REDUKCIJSKI PROCESI
Oksidacija je proces u kojem neka molekula, atom ili ion otputa (daje) elektro-ne, a redukcija je proces u kojem neka molekula, atom ili ion prima (dobiva) elektrone.
Primjer: Nastajanje natrijevog klorida spajanjem natrija i klora.
OKSIDACIJA: 2Na 2Na+ + 2e REDUKCIJA: Cl2 + 2e 2Cl
Natrij se oksidirao, a klor reducirao. Natrij je redukcijsko sredstvo jer je kloru omoguio redukciju, a klor je oksidacijsko sredstvo jer je natriju omoguio oksidaciju. Pri elektrolizi se na elektrodama, postoji li mogunost vie od jedne kemijske reakcije, dogaa ona reakcija koja zahtijeva najmanji utroak energije, npr. pri elektrolizi vodene otopine NaCl.
NaCl Na+ + Cl
28
Na katodi e se utroiti manje energije za redukciju vode, nego za redukciju natrijevih iona.
H2O H+ + OH
KATODA(): 2H2O + 2e H2 + 2OH ANODA(+): 2Cl Cl2 + 2e
Kod svih reakcija redukcije-oksidacije, redoks reakcija, koje su uvijek povezane, broj primljenih elektrona mora biti jednak broju otputenih. Oksidacijsko sredstvo omoguava reakciju oksidacije, reducirajui se pri tom, a redukcijsko sredstvo omoguava reakciju redukcije oksidirajui se pri tom. Pri nekim kemijskim reakcijama teko je sa sigurnou odrediti koja se tvar oksi-dira, a koja reducira, time je teko i sastaviti jednadbu reakcije. Da se to olaka, dogovo-rom je uveden pojam oksidacijski broj i pravila odreivanja: 1. Oksidacijski broj svih elemenata u elementarnom stanju jednak je nuli. 2. Oksidacijski broj kisika uvijek je jednak (2) osim u peroksidima gdje je (1). 3. Oksidacijski broj vodika uvijek je jednak (+1) osim u hidridima metala 1. i 2. skupine gdje je oksidacijski broj vodika (1). 4. Oksidacijski broj svih jednostavnih iona jednak je naboju iona. 5. Zbroj svih oksidacijskih brojeva u molekuli mora biti jednak nuli. 6. Zbroj svih oksidacijskih brojeva u sloenim ionima mora biti jednak naboju iona.
7. U spojevima s kovalentnom vezom oksidacijski broj nekog atoma jednak je zamiljenom naboju koji se javlja na tom atomu kada se zajedniki elektron-ski parovi dodijele elektronegativnijem elementu.
Primjeri: Cl O O N O S O S O
02
22
12
23
4 23
6 24 H H H H
+12
+1 +5 +12
+12
+ +
U gornjem redu su zapisani oksidacijski brojevi jednog atoma te vrste. Ukupni oksidacijski broj atoma jedne vrste dobijemo da oksidacijske brojeve jednog atoma pomnoimo s brojem atoma. Vrijedi i obratno, oksidacijski broj jednog atoma dobijemo ako ukupni oksidacijski broj atoma jedne vrste podijelimo s brojem atoma te vrste. Sve se to uvijek odnosi samo na promatranu molekulu ili ion. Uoi da oksidacijske brojeve piemo uvijek s plusom ili minusom ispred broja (npr. Ca+2) za razliku od naboja iona gdje plus ili minus piemo iza broja (Ca2+). Sada oksidaciju moemo definirati kao poveanje oksidacijskog broja, a redukci-ju kao smanjenje oksidacijskog broja.
OSNOVE ELEKTROKEMIJE
Elektrokemijski red elemenata ili Voltin niz je niz u kojem su elementi poredani tako da je u nizu najprije naveden metal (Li) s najnegativnijim standardnim redukcijskim potencijalom, a posljednji (Au) s najpozitivnijim redukcijskim potencijalom. Osim metala susreu se i nemetalne elektrode (Cl2/Cl) ili redoks elektrode (MnO4/Mn2+) koje se mogu svrstati u taj niz. Mnoge kemijske reakcije mogu se protumaiti upravo poloajem
29
tvari u Voltinom nizu, npr. tvar s negativnijim potencijalom e potiskivati tvar s pozitivnijim potencijalom iz njenih spojeva:
Cu2+ + Zn Zn2+ + Cu Zn + 2H+ Zn2+ + H2
Navedena znanja koriste se za: izradu depnih baterija, razliitih akumulatora, razumijevanje procesa korozije time i za smiljanje metoda zatite od korozije.
ELEKTROLIZA
Tvari koje u vodenim otopinama ili talinama vode elektrinu struju zovu se elektroliti. Npr. disocijacijom NaCl bilo u vodi ili talini nastaju pokretni ioni koji omogu-avaju provoenje elektrine struje: NaCl Na+ + Cl. Putovanje iona kroz otopinu ili talinu i njihovo izbijanje na elektrodama djelovanjem elektrine struje zove se elektroliza. Elektrode su dijelovi vodia elektrine struje uronjeni u elektrolite i spojeni na izvor istosmjerne elektrine struje. Elektroda spojena na pozitivni pol izvora struje zove se anoda, a elektroda spojena na negativni pol izvora struje zove se katoda. Pozitivna anoda privlai negativne ione koje zovemo anioni, a negativna katoda privlai pozitivne ione koje zovemo kationi. Dolaskom na katodu kationi primaju elektrone, a dolaskom aniona na anodu anioni predaju viak elektrona anodi. Tako ioni prelaze u neutralne atome koji se spajaju u molekule.
Primjer: elektroliza vodene otopine bakrovog(II) klorida, CuCl2 koji najprije u vodi diso-cira.
CuCl2 Cu2+ + 2Cl
KATODA (): Cu2+ + 2e Cu ANODA (+): 2Cl Cl2 + 2e
Prvi Faradayev zakon: masa tvari izluena na elektrodi proporcionalna je mnoini elek-triciteta koja je prola kroz elektrolit
QFz
Mm
=
)A()A(
gdje je m(A) masa tvari A, M(A) molarna masa tvari A, z broj primljenih elektrona kationa tvari A, F Faradayeva konstanta (96500 C/mol) i Q mnoina elektriciteta. M(A), z, i F su konstante! Primjer: Odredi masu bakra koja bi se izluila elektrolizom vodene otopine bakrovog(II) sulfata prolazom od 2A u vremenu 15 minuta. I = 2A t = 15 min = 900 s m(Cu) = ?
As 18009002 === tIQ
30
g 593,0C 1800mol C 965002
mol g 55,63)Cu((Cu) 11
=
=
=
QFz
Mm
Drugi Faradayev zakon: mnoine tvari izluene na elektrodama u serijski spojenim elektrolizerima istom mnoinom elektriciteta odnose se obrnuto proporcionalno broju izmijenjenih elektrona u tim reakcijama.
1
2
2
1221121
z
z
n
n znz n QQ ===
UVOD U ANORGANSKU KEMIJU
Elemente prve skupine periodnog sustava nazivamo alkalijski metali, druge skupine zemnoalkalijski metali, tree do dvanaeste prijelazni metali, trinaeste borova skupina elemenata, etrnaeste ugljikova skupina elemenata, petnaeste duikova skupina elemenata, esnaeste halkogeni elementi, sedamnaeste halogeni elementi i osamnaeste plemeniti plinovi. Alkalijski i zemnoalkalijski metali su vrlo reaktivni jer lako otputaju jedan, odnosno dva elektrona vanjske ljuske postiui stabilnost pa ih stoga u prirodi nalazimo samo u spojevima. Alkalijski su metali reaktivniji od zemnolakalijskih metala jer lake otputaju jedan elektron pri postizanju stabilnosti nego zemnoalkalijski metali koji trebaju otpustiti dva. Reagiraju s nemetalima dajui soli. Dobivaju se elektrolizom pripadajuih rastaljenih soli. Prijelazni metali se javljaju u prirodi u spojevima, ali i u elementarnom stanju to je odraz velikih razlika njihovih osobina. Dobri su vodii elektrine struje, lako se obrauju i tvore legure pa su neki od njih upotrebno vani. Najee su dvovalentni, ali su mnogi od njih polivalentni. Razliitih svojstava, prijelazni metali dobivaju se na razliite naine u ovisnosti o sirovinama i svojstvima pojedinog metala. U borovoj skupini elemenata bor je polumetal pa ne daje katione, a najzastup-ljeniji u prirodi je aluminij. Aluminij ujedno ima i najveu praktinu vanost. U spojevima je trovalentan. U duikovoj skupini duik je jedini plin i ini oko tri etvrtine mase zraka. Porastom atomskog broja u skupini sve je izraeniji metalni karakter elemenata. Halkogeni elementi se u prirodi javljaju u razliitim oblicima, a mogu se nai i u elementarnom stanju. Kisik i sumpor kao i njihovi spojevi su najzastupljeniji. Jedino je kisik plin; ostali su vrste tvari. Afinitet za elektronima opada porastom atomskog broja elemenata u skupini. Halogeni elementi se u prirodi javljaju samo u spojevima. Fluor je element s najveim afinitetom za elektrone. Reaktivnost pada s porastom atomskog broja elemenata u skupini. Dobivaju se elektrolizom talina odgovarajuih soli ili njihovih zasienih otopina. Plemeniti plinovi imaju stabilnu elektronsku konfiguraciju i stoga se javljaju u atomarnom stanju i tvore vrlo malo spojeva uz vrlo specifine uvjete.
31
NEMETALI
VODIK
Vodik je najzastupljeniji element u svemiru inei oko tri etvrtine ukupne mase svemira. Sve zvijezde, zavisno o starosti, sadre vie od 90 % vodika. Vodik ima izotope: deuterij s jednim neutronom u jezgri i tricij s dva neutrona u jezgri za razliku od procija koji nema neutrona. Vodik je plin koji hlaenjem ispod 252,8 C prelazi u tekue stanje. U slobodnom stanju je dvoatomna molekula. Zapaljiv je i u smjesi sa zrakom (kisikom) eksplozivan. Elementarnog vodika na Zemlji ima u vrlo malim koliinama, ali zato ulazi u sastav najveeg broja spojeva, npr. veeg broja spojeva nego ugljik. Na veliko se dobiva iz vode, npr. elektrolizom:
K(): 4H2O + 4e 2H2 + 4OH A(+): 4OH O2 + 2H2 + 4e.
Vodik tvori spojeve s metalima oksidacijskog broja 1 dajui metalne hidride te s nemetalima oksidacijskog broja +1 dajui nemetalne hidride. Spojeve oksidacijskog stupnja 1 tvori s metalima koji imaju najmanji afinitet za elektrone pa imamo litijev hidrid, LiH, kalijev hidrid, KH, kalcijev hidrid, CaH2 itd. Spojeve oksidacijskog stupnja +1 tvori s nemetalima pa imamo halogenovodike (HF, HCl, HI, itd), vodu, sumporovodik, amonijak, ugljikovodike (metan, butan, itd) itd.
HALOGENI ELEMENTI
Fluor, F, klor, Cl, brom, Br, jod, I, astat, At. Kod halogenih elemenata postoji veliki afinitet prema elektronima pa su oni snani oksidansi. Fluor je najsnaniji poznati oksidans, a sposobnost oksidacije opada u nizu prema jodu. Osim s atomima drugih elementa, atomi halogenih elemenata spajaju se i meusobno pa imamo F2, Cl2 itd. Najvaniji minerali fluora su fluorit, CaF2 i kriolit Na3AlF6. Uz klorovodik, HCl, najvaniji spojevi klora su natrijev klorid, NaCl, kalijev klorid, KCl, i magnezijev klorid, MgCl2 kojih ima u moru i slanim jezerima te klorna, HClO3, perklorna, HClO4 i hipoklorasta, HOCl kiselina. Klor je pri standardnim uvjetima utozeleni plin, nadraljivac, izaziva koroziju. Javlja se u obliku dvoatomnih molekula kao i svi halogeni elementi. Vrlo je reaktivan jer mu do stabilne elektronske konfiguracije nedostaje samo jedan elektron. Stabilnu konfigu-raciju moe ostvarivati ionskim i kovalentnim vezama. Klor se najvie dobiva elektroli-zom zasiene vodene otopine ili taline natrijevog klorida.
K(): 2Na+ + 2e 2Na A(+): 2Cl Cl2 + 2e.
Upotrebljava se u proizvodnji organskih spojeva i lijekova.
32
Tablica 2. Kiseline koje tvori klor
Formula Naziv HCl(aq) klorovodina HClO hipoklorasta HClO2 klorasta HClO3 klorna HClO4 perklorna
Imena kiselina se dobiju tako da se osnovi imena elementa koji tvori kiselinu (u ovom sluaju klor) pridodaju nastavci i predmeci navedeni u tablici. Uoi radi lakeg pamenja da se sastav, odnosno formule susjednih kiselina u nizu se razlikuju jedna od druge za jedan atom kisika. Princip je isti i za kiseline koje tvore ostali nemetali, npr. sumpor, duik, fosfor. Kod odreivanja formule kiseline uvijek kreni od osnovne kiseline, npr. sumporne, fosforne i njima dodaji ili oduzimaj po jedan atom kisika.
Tablica 3. Natrijeve soli kiselina koje tvori klor
Formula Naziv NaCl natrijev klorid NaOCl natrijev
hipoklorit NaClO2 natrijev klorit NaClO3 natrijev klorat NaClO4 natrijev perklorat
Klorovodik je pri standardnim uvjetima plin bez boje, otra mirisa. Klorovodik najee dobivamo direktnom sintezom ili kao sporedni produkt organskih sinteza.
H2 + Cl2 2HCl
CH4 + Cl2 CH3Cl + HCl
Klorovodina kiselina je otopina plina klorovodika u vodi.
HCl + H2O H3O+ + Cl
Koncentrirana klorovodina kiselina ima maseni udio HCl od 34 do 36 %. To je jaka mineralna kiselina. Upotrebljava se za dobivanje lijekova, anorganskih spojeva, boja, kao otapalo itd. Soli su joj kloridi (osim ve spomenutih to su srebrov klorid, AgCl, kalcijev klorid, CaCl2, eljezov(III) klorid, FeCl3 itd.). Reakcija disproporcioniranja (pojava kada jedna tvar prelazi u dva nova spoja i kada su oksidacijski brojevi istovrsnih atoma u sva ta tri spoja su razliiti), javlja se kada se grije otopina kalijevog hipoklorita ili kada se tali kalijev klorat.
Cl2 + H2O HCl + HOCl 3KOCl KClO3 + 2KCl 4KClO3 3KClO4 + KCl
33
HALKOGENI ELEMENTI
Kisik, O, sumpor, S, selenij, Se, telurij, Te, polonij, Po. Najei i najvaniji halkogeni elementi su kisik i sumpor, a time i njihovi spoje-
vi. Atomi halkogenih elemenata imaju u zadnjoj ljusci est elektrona i do stabilne konfiguracije im nedostaju dva to ostvaruju bilo kovalentnim bilo ionskim vezama. Relativno su snani oksidansi.
Kisik
Kisik je najzastupljeniji element na Zemlji. U zraku mu je maseni udio oko 23 %, a u Zemljinoj kori skoro 50 %. Kisik se svojim najveim dijelom javlja u obliku dvoatmnih molekula, O2 ili dikisik. U viim slojevima atmosfere javlja se i u obliku troatomnih molekula, O3 ili trikisik, koji jo zovemo ozon. To su alotropske modifikacije kisika. Uglavnom se dobiva frakcijskom destilacijom ukapljenog zraka. Kisik se upotrebljava u metalnoj industriji (elik!), kemijskoj industriji za dobivanje spojeva s kisikom i drugdje. Pri standardnim uvjetima, kisik, O2 je plin bez boje, okusa i mirisa, ne gori, ali podrava gorenje to znai da se spaja s mnogim tvarima. Kisik je uvjet nastanka i odranja ivota na Zemlji. Gorenjem i disanjem troe se velike koliine kisika pri emu nastaje CO2. Nastali CO2 koriste biljke u procesu fotosinteze oslobaajui kisik ime je zatvoren kruni tok kisika u prirodi. Najvaniji spojevi kisika su oksidi, peroksidi, kiseline i njihove soli. Najei kisikovi spojevi su oksidi i to metala (Na2O, Al2O3, Fe2O3, ZnO itd) i nemetala (H2O, SO2, CO2, NO2 itd.). Vodikov oksid, H2O ili voda najvaniji je kisikov spoj. Ona je uz kisik preduvjet za nastanak i opstanak ivota. Pri sobnoj temperaturi je tekuina bez boje, okusa i mirisa. Molekule vode izraziti su dipoli pa je voda izvrsno otapalo naroito za ionske spojeve. U prirodi se javlja kao atmosferska, povrinska ili podzemna voda. Najia je atmosferska voda jer dolazi u dodir s najmanje tvari. Ona ipak pokazuje blago kiselu reakciju jer u malim koliinama otapa CO2 to je razlog da otapa vapnenac, CaCO3.
2H2O + CO2 H3O+ + HCO3 CaCO3 + H2O + CO2 Ca2+ + 2HCO3
Na taj nain iz mekih voda nastaju tvrde vode, tj vode koje sadre otopljene soli kalcija, ali po istom naelu i magnezija. Vodikov peroksid, H2O2 je bezbojna tekuina koja se u vodenim otopinama pri veim koncentracijama lako raspada. Raspad ubrzavaju ioni prijelaznih metala i svjetlost.
2H2O2 2H2O + O2
Sumpor
Najvee koliine elementarnog sumpora u prirodi se nalaze u podzemnim slojevima na dubini oko 200 m. Odatle se i dobiva taljenjem pregrijanom vodenom parom koju se do slojeva sumpora dovodi sustavom cijevi kroz koji se ujedno rastaljeni sumpor odvodi na povrinu. U istom stanju sumpor je vrsta tvar ute boje bez okusa i mirisa, a
34
javlja se u velikom broju alotropskih modifikacija od kojih je pri sobnoj temperaturi stabilan jedino vrsti rompski sumpor. Molekula rompskog sumpora sastoji se od osam atoma sumpora prstenasto povezanih. Sumpor tvori veliki broj spojeva jer se spaja sa skoro svim elementima.
Tablica 4. Neki primjeri kiselina koje tvori sumpor
Formula Naziv H2S (aq) suporovodina kiselina H2SO2 hiposumporasta kiselina H2SO3 suporasta kiselina H2SO4 sumporna kiselina
Tablica 5. Natrijeve soli nekih kiselina koje tvori sumpor
Formula Naziv Na2S natrijev sulfid Na2SO2 natrijev hiposulfit Na2SO3 natrijev sulfit Na2SO4 natrijev sulfat
Sumporna kiselina (tekuina uljasta izgleda) ubraja se meu najjae mineralne kiseline. Slui za proizvodnju umjetnih gnojiva, boja, vlakana, detergenata, lijekova itd. Najee se proizvodi tzv. kontaktnim postupkom. Taj se postupak moe podijeliti u tri faze: 1. dobivanje sumporovog(IV) oksida bilo spaljivanjem sumpora
S + O2 SO2,
bilo prenjem sulfidnih ruda
4FeS2 + 11O2 2Fe2O3 + 8SO2
Dobiveni SO2 mora biti to ii. 2. Katalitika oksidacija u sumporov(VI) oksid
2SO2 + O2 t, kat 2SO3
3. Apsorpcija SO3 u koncentriranoj H2SO4 pri emu nastaje oleum ili disumporna (pirosumporna) kiselina
SO3 + H2SO4 H2S2O7. H2S2O7 se prema potrebi razrjeuje vodom.
H2S2O7 + H2O 2H2SO4
DUIKOVA SKUPINA ELEMENATA
Duik, N, fosfor, P, arsen, As, antimon, Sb, bizmut, Bi.
35
Najei su duik i fosfor kao i njihovi spojevi. Duik je jedini plinoviti element ove skupine. Kada se javlja elementaran onda se javlja u obliku dvoatomnih molekula, N2, diduik. Elementaran duik je sastojak zraka s masenim udjelom oko 76 %. Od spojeva najei su nitrati. Fosfor se javlja kao bijeli fosfor molekule P4, tetrafosfor, tetraedarske strukture, crveni fosfor nepoznate strukture i crni fosfor slojevite strukture. Najei spojevi fosfora su fosfati. Atomi elemenata ove skupine imaju pet elektrona u zadnjoj ljusci i najee svoju stabilnu elektronsku kofiguraciju postiu kovalentnim vezama.
Duik
Duik je plin bez boje, okusa i mirisa, ne gori i ne podrava gorenje. Dobiva se frakcijskom destilacijom ukapljenog zraka.
Sintezom iz duika i vodika dobiva se amonijak bezbojan plin otra mirisa, otro-van i eksplozivan.
p, t, katN2 H2 NH323+
U normalnim uvjetima ova je reakcija spora, stoga se smjesa zagrijava, a reakcija provodi uz katalizator. Meutim kako je pad tlaka velik (od 4 estice nastaju dvije, a tlak plina prvenstveno zavisi o broju estica) reakcija se mora provoditi pod znatnim tlakom. Inae bi se nastali amonijak raspadao nastojei poveati broj estica ime se nadoknauje gubitak tlaka. Amonijak se proiava ukapljivanjem, a neizreagirani plinovi vraaju se u proces.
Otapanjem u vodi daje slabu amonijevu luinu.
NH3 + H2O NH4OH
Kao i svaka baza amonijak s kiselinama tvori soli.
NH3 + HCl NH4Cl NH3 + HNO3 NH4NO3 2 NH3 + H2SO4 (NH4)2SO4
Upotrebljava se za dobivanje praktiki svih ostalih duikovih spojeva (umjetnih gnojiva, boja, eksploziva, duine kiseline itd.).
Duina kiselina slui za dobivanje eksploziva, lijekova, umjetnih gnojiva itd. Proizvodi se iz amonijaka. Najprije se amonijak katalitiki spali (oksidira).
4NH3 + 5O2 4NO + 6H2O
Dalje se duikov(II) oksid spontano oksidira.
2NO + O2 2NO2
Zatim se duikov(IV) oksid apsorbira u vodi.
3NO2 + H2O 2HNO3 + NO
36
Osloboeni duikov(II) oksid vraa se u proces. Ovim postupkom dobiva se HNO3 ma-senog udjela do 60 %, a 96 - 98 %-tna HNO3 dobiva se destilacijom 60 %-tne. Duina kiselina vrlo je jaka mineralna kiselina snanog oksidativnog djelovanja, npr. reagira s bakrom razrijeena i koncentrirana.
3Cu + 8HNO3 3Cu(NO3)2 + 2NO + 4H2O Cu + 4HNO3 Cu(NO3)2 + 2NO2 + 2H2O
Soli duine kiseline su nitrati, npr. amonijev nitrat, NH4NO3, natrijev nitrat, NaNO3 itd. Duikovi spojevi nezaobilazan su sastojak umjetnih gnojiva. Najea duina gnojiva su urea NH2CONH2 i amonijev nitrat NH4NO3.
Fosfor
Fosfor gori na zraku dajui fosforov(III) oksid i fosforov(V) oksid.
P4 + 3O2 P4O6 P4 + 5O2 P4O10
Fosforov(V) oksid se otapa u vodi dajui fosfornu kiselinu.
P4O10 + 6H2O 4H3PO4
Soli fosforne kiseline su fosfati. Najee se upotrebljavaju kao umjetna gnojiva. Fosforna gnojiva se najee dobivaju iz netopljivog minerala fosforita Ca3(PO4)2, kemijskom obradom s H2SO4, ime nastaju topljivi superfosfat, Ca(H2PO4)2H2O + CaSO42H2O ili trostruki superfosfat 3Ca(H2PO4)2H2O.
UGLJIKOVA SKUPINA ELEMENATA
Ugljik, C, silicij, Si, germanij, Ge, kositar, Sn, olovo, Pb. U prirodi se javljaju u spojevima, a ugljik jo i u organskim spojevima te elemen-taran. Atomi elemenata ove skupine imaju etiri elektrona u zadnjoj ljusci. Svoju stabilnu elektronsku konfiguraciju mogu ostvariti kovalentnim vezama, a kositar i olovo i ionskim.
Ugljik
Najei spojevi ugljika u prirodi su karbonati. U istom obliku atomi ugljika mogu se vezati na dva naina i zato se ugljik pojavljuje u dvije alotropske modifikacije kao dijamant i kao grafit. U kristalu dijamanta svaki atom ugljika povezan je s etiri kovalentne veze s etiri susjedna atoma ugljika. Kovalentne veze svakog atoma ugljika usmjerene su prema etiri ugla tetraedra. U kristalu grafita svaki je atom ugljika povezan s s tri ugljikova atoma jednostrukim kovalentnim vezama tvorei tako slojeve s velikim brojem esterokuta. Po jedan elektron svakog atoma nije vrsto vezan, ve su relativno slobodni (delokalizirani) i pripadaju cijelom sloju atoma ugljika. Zato grafit vodi elektrinu struju. Izmeu slojeva u kristalu grafita vladaju slabe van der Waalsove sile.
37
Gorenjem ugljika fosilnih goriva uz dovoljnu koliinu kisika nastaje ugljikov di-oksid, a redukcijom ugljikovog dioksida uarenim ugljikom nataloenim u peima nastaje ugljikov monoksid.
C + O2 CO2 CO2 + C 2CO
Ugljikov dioksid je plin tei od zraka, ne gori ni ne podrava gorenje, neotrovan je i sadran u pjenuavim piima dajui im kiselkast okus jer njegovim otapanjem nastaje ugljina kiselina.
CO2 H2O H2CO3+
Ugljina je kiselina slaba kiselina. Tvori soli karbonate (Na2CO3) i hidrogenkarbonate (NaHCO3).
Ugljikov monoksid je, za razliku od ugljikovog dioksida, plin neto laki od zraka i otrovan je. Djeluje kao krvni otrov vezujui se na hemoglobin 200 - 300 puta bre od kisika ime onemoguuje opskrbu stanica organizma kisikom. Koristi se kao gorivo, kao redukcijsko sredstvo i u organskim sintezama. Sastojak je vodenog plina.
Silicij
Silicij se nalazi u sastavu veine stijena. Maseni udjel silicija u Zemljinoj kori odmah je iza kisikovog. Silicij i germanij su slabi vodii elektrine struje. Namjernim oneienjem silicija atomima s tri ili s pet elektrona u zadnjoj ljusci poveavamo njihovu vodljivost na dva razliita naina pa imamo p-poluvodie i n-poluvodie, tj. p- i n-vodljivost.
Uobiajeno, silikati su alkalijske soli silikatnih kiselina, npr. Na2SiO3, Na2Si2O5. Vodena otopina natrijevog silikata sadri ione silikatne kiseline, H2SiO42 koji mogu polimerizirati, (H2SiO3)n u vrpce, slojeve ili trodimenzionalne mree oslobaajui vodu. Odgovarajui broj kationa uvijek neutraliziraju preostali naboj. Konani produkt polimerizacije ne sadri vodik, (SiO2)n i poznat je pod nazivom silikagel. Svoja dobra adsorpcijska svojstva duguje izuzetnoj poroznosti, odnosno velikoj povrini. Silikoni su visoko polimerizirani spojevi lanaste ili prstenaste strukture ope formule (R2SiO)n u kojima atome silicija povezuje kisik, a preostale dvije veze silicija ostvaruju su s organskim skupinama.
METALI
Samo mali broj metala nalazimo u prirodi u elementarnom stanju (bakar, srebro, zlato, platina, nikal, itd). To su uglavnom plemeniti metali. Ostali metali se javljaju u spojevima, najee kao sulfidi, sulfati, oksidi, hidroksidi ili karbonati. Te spojeve nazivamo minerali, a osnovni su sastojci ruda.
Metali uglavnom kristaliziraju tako da svaki atom bude okruen sa to veim brojem atoma na to manjoj udaljenosti. Atomi metala meusobno se povezuju slino kovalentnoj vezi s tom razlikom da jedan kristal metala moemo promatrati kao jednu
38
molekulu. Jezgra jednog atoma djeluje na vie elektrona drugih, prije svega susjednih atoma. U sustavu kakav je kristal metala ima puno elektronskih orbitala, energijskih nivoa koje tvore veze, metalne veze. Neki nivoi su popunjeni elektronima, a neki su prazni. Energijski nivoi slinih energija tvore vrpce nivoa. Energijski nivoi popunjeni elektronima tvore valentne vrpce, a prazni energijski nivoi tvore vodljive vrpce. Vodii struje imaju valentne (elektronima popunjene) vrpce toliko slinih energi-ja vodljivim (praznim vrpcama kojima se elektroni mogu gibati kroz kristal pod utjecajem vanjskog elektrinog polja) da elektroni praktiki bez energijske zapreke prelaze iz valentnih vrpca u vodljive vrpce. Izolatori imaju veliku energijsku razliku izmeu valentnih i vodljivih vrpca tako da elektroni ne mogu savladati tu energijsku zapreku i prijei iz valentnih u vodljive vrpce, a to znai da ne mogu voditi struju. Poluvodii imaju takve energijske razlike, energijske zapreke izmeu valentnih i vodljivih vrpca da ih samo manji broj elektrona moe savladati za razliku od vodia pa je time i elektrina vodljivost manja nego kod vodia.
Zajednike osobine metala su i velika elektrika i termika vodljivost, metalni sjaj, kovkost i podatnost razvlaenju. Legure ili slitine su vrste otopine ili intermetalni spojevi metala sainjeni sa svrhom da se dobiju materijali drukijih, eljenih svojstava razliitih od svojstava metala koji ine slitinu. Legure se dobivaju taljenjem smjese metala ili tako da se smjesa metala u prahu jako tlai u kalupima i zagrijava do temperature blizu talita smjese (sinter materi-jali). Legiranjem se mijenjaju i kemijska i mehanika svojstva metala, npr. duraluminij, legura aluminija (93 - 95 % Al) s dodatkom bakra, magnezija i mangana ima manju gustou i puno veu tvrdou od aluminija, ali zato bre korodira od aluminija.
ALKALIJSKI I ZEMNOALKALIJSKI METALI
Alkalijski metali su: litij, Li, natrij, Na, kalij, K, rubidij, Rb, cezij, Cs, francij, Fr, a zemnoalkalijski su: berilij, Be, magnezij, Mg, kalcij, Ca, stroncij, Sr, barij, Ba, radij, Ra. Alkalijski metali postiu stabilnu elektronsku konfiguraciju otputanjem jednog elektrona vanjske ljuske, a zemnoalkalijski otputanjem dvaju elektrona vanjske ljuske. Kako otputaju tako malo elektrona atomi ovih metala za to trebaju uloiti malu energiju to znai da imaju malu energiju ionizacije i da su jako reaktivni. Najznaajniji spoj ovih metala je natrijev klorid, NaCl. Nalazimo ga u moru kojem daje slanost, ali i u naslagama u Zemljinoj kori kao kamenu sol. Slui za dobivanje klora, natrijeva hidroksida, sode itd. tako i natrija i to elektrolizom njegove taline najee u Downsovoj eliji.
K(): Na+ + e Na A(+):2Cl Cl2 + 2e
Natrijev karbonat, Na2CO3 ili soda je otrovna, bijela, vrsta tvar. Upotrebljava se za proizvodnju papira, stakla, sredstava za pranje, boja itd. Proizvodi se postupkom po Solvayu. Prenjem vapnenca najprije se dobiju ivo vapno i ugljikov(IV) oksid.
CaCO3 CaO + CO2
39
U natrijevom kloridom zasienu vodenu otopinu uvodi se amonijak pa uz ione Na+ i Cl u vodi imamo i amonijeve ione i OH.
NH3 + H2O NH4+ + OH
Ve dobiveni CO2 u dodiru s tom otopinom reagira.
OH + CO2 HCO3.
Od kombinacija iona koja je u otopini nastat e i istaloit e se najmanje topljiva sol. U ovom sluaju to je natrijev hidrogenkarbonat.
Na+ + Cl + NH4+ + HCO3 NaHCO3 + NH4+ + Cl
Filtracijom odvojeni NaHCO3 se ari i dobije soda.
2NaHCO3 Na2CO3 + CO2 + H2O
Dobiveni CO2 vraa se u proces. Iz otopine amonijeva klorida regenerira se amonijak i vraa u proces.
2NH4Cl + Ca(OH)2 2NH3 + CaCl2 + 2H2O
Gaeno vapno ili kalcijev hidroksid dobiva se gaenjem, reakcijom s vodom, ve dobive-nog, ivog vapna.
CaO + H2O Ca(OH)2
Natrijev hidroksid, NaOH, bijela, vrsta, vrlo higroskopna tvar koja nagriza organske tvari. Upotrebljava se u proizvodnji sapuna, papira, aluminija, lijekova itd. To je jedna od najjaih baza, tj. u vodi potpuno disocira. Dobiva se elektrolizom koncentrirane vodene otopine natrijeva klorida.
K(): 2H2O + 2e H2 + 2OH A(+):2Cl Cl2 + 2e
Na katodi se reduciraju molekule vode, a ne ioni natrija jer je za tu reakciju potrebno manje energije. Katodni i anodni prostor odvojeni su polupropusnom mebranom da se ioni natrija mogu nakupljati u katodnom prostoru uz OH. Iz te vodene otopine NaOH, vrsti NaOH se dobiva uparavanjem. Kalcijev karbonat, CaCO3 u prirodi javlja u razliitim oblicima, kao vapnenac, kalcit itd. U poglavlju o vodi opisali smo kako se prolaskom kinih kapi kroz zrak u njoj otapa ugljini dioksid dajui ugljinu kiselinu koja dolaskom na stijene otapa kalcijev karbonat dajui kalcijev hidrogenkarbonat koji je topljiv u vodi i koji s vodom odlazi u podzemlja. Tu se dogaa obratan proces.
Ca(HCO3)2 CaCO3 + CO2 + H2O
Voda i ugljikov dioksid ispare, a iskristalizirani kalcijev karbonat gradi stalaktite, stalag-mite i slino.
40
U opisu dobivanja natrijevog karbonata opisano je dobivanje ivog, CaO i iz njega gaenog vapna, Ca(OH)2, a kao poetna sirovina sluio je CaCO3. Gaeno vapno dio je svake buke. Tijekom ovrivanja buke gaeno vapno reagira s ugljikovim dioksidom dajui kalcijev karbonat.
Ca(OH)2 + CO2 CaCO3
Gips, CaSO42H2O, kao mineral javlja se u naslagama u prirodi.
TEHNIKI VANI METALI
Aluminij
Zbog svojih dragocjenih svojstava, aluminij je u kratkom vremenu postao vaan metal. Proizvodi se iz boksita. Odvajanjem primjesa iz boksita dobije se isti aluminijev oksid ili glinica. isti aluminij dobiva se elektrolizom taline glinice.
taljenje Al2O3 2Al3+ + 3O2
K(): 4Al3+ + 12e 4Al A(+): 6O2 3O2 + 12e
Grafitna anoda reagira s kisikom dajui ugljikov(IV) oksid. Sam aluminij je amfoteran element kao i njegov hidroksid (reagiraju i s kiselina-ma i s luinama).
2Al + 6HCl 2AlCl3 + 3H2 2Al + 2OH + 6H2O 2Al(OH)4 + 3H2
Al(OH)3 + 3HCl AlCl3 + 3H2O Al(OH)3 + OH Al(OH)4
Aluminij je postojan na atmosferske utjecaje jer mu se na povrini stvori tanki sloj oksida koji ga titi. Postupak oksidacije povrinskog sloja moe se izvoditi postupkom elektrolitike oksidacije, tj. eloksiranja. Legure aluminija kod kojih se poboljavaju ljevna svojstva, tzv. ljevne legure nastaju dodatkom aluminiju manjih koliina silicija, bakra i/ili magnezija. Kovne se legure dobivaju dodatkom bakra, magnezija, mangana, a mogu sadravati i cinka i nikla. Za duraluminij vidi legure openito.
eljezo
eljezo je najvaniji metal. Bez njega ne bi bilo ivota jer mu u procesima metabolizma pripada centralno mjesto, sudjeluje u izgradnji hemoglobina itd. Javlja se kao , i eljezo, zavisno koju kristalnu strukturu poprimi. Najvanije rude eljeza su magnetit Fe3O4 i hematit Fe2O3. Dobiva se u procesima u visokoj pei koja se puni naizmjenino slojevima koksa i rude s dodacima. Vrui zrak obogaen kisikom upuhuje se s donje strane pei, pali koks i pokree time niz reakcija:
41
C + O2 CO2 C + CO2 2CO Fe2O3 + 3CO 2Fe + 3CO2
Rastaljeno sirovo eljezo skuplja se na dnu pei. eljezo je podlono i kemijskom i elektrokemijskom nagrizanju, tj. koroziji. Kemijska korozija uvjetovana je nagrizanjem eljeza agresivnim tvarima, npr. oteenja eljeznih cjevovoda prolaskom klora kroz njih. Elektrokemijska korozija uzrokovana je nastajanjem galvanskog lanka na povrini eljeza, npr. hranje, gdje je katoda vlano mjesto na eljezu s veom koncentracijom kisika, a anoda drugo mjesto na istom komadu eljeza na kojem je koncentracija kisika manja. Na anodi se otapa eljezo, a na katodi kisik reagira s vodom.
K(): Fe Fe3+ + 3e A(+): O2 + 2H2O + 4e 4OH
Zatita eljeza od korozije postie se dodavanjem inhibitora anodnih ili katodnih rakcija, katodnom zatitom, galvanizacijom (pocinavanje, kromiranje itd) ili premazima koji onemoguuju kontakt eljeza s kisikom. eljezo koje se eli zatiti katodnom zatitom spoji se s velikim komadom manje plemenita metala, metala elektronegativnijeg redukcijskog potencijala (npr. magnezija) tako da e se u procesu korozije otapati magnezij, a ne eljezo. eljezo se legira u ugljine i legirane elike kojih ima preko tisuu vrsta. elici se odlikuju velikom tvrdoom, ilavou, elastinou, otpornou na koroziju itd.
Bakar
Bakar je metal karakteristine crvene boje te izuzetan vodi elektrine struje i topline. Stabilnu elektronsku konfiguraciju postie otputanjem jednog ili dva elektrona u ionskoj vezi. U prirodi se bakar javlja elementaran, ali se najvie javlja u obliku sulfidnih ruda, halkopirita, CuFeS2, halkozina, Cu2S i kovelina, CuS. Koliina bakra u rudama je malena pa se rude najprije moraju koncentrirati da bi se zatim prile.
8CuFeS2 + 11O2 4(Cu2S + FeS) + 2Fe2O3 + 8SO2
Produkt dobiven prenjem pomijea se s koksom i kremenim pijeskom pa se tali.
Fe2O3 + C + 2SiO2 2FeSiO3 + CO
Talina eljezovog(II) silikata je troska koja pliva na talini bakrovog(I) i eljezovog(II) sulfida. Talina sulfida, bakrenac odvoji se od troske i propuhuje zrakom uz dodatak kremenog pijeska pri emu se oksidira sav sumpor vezan za eljezo, a eljezo prelazi u trosku. 2FeS + 3O2 + 2SiO2 2FeSiO3 +2SO2
Nakon uklanjanja troske nastavi se proces oksidacije sulfida dok jedan dio bakrovog(I) sulfida ne prijee u bakrov(I) oksid.
42
2Cu2S + 3O2 2Cu2O + 2SO2
Tada meusobno reagiraju bakrov(I) sulfid i bakrov(I) oksid dajui sirovi ili blister-bakar.
Cu2S + 2Cu2O 6Cu + SO2
Ako na raspolaganju imamo karbonatnu ili oksidnu rudu onda se samo karbonat-na ruda prevede grijanjem u oksid nakon ega se oksid reducira koksom dajui izmeu ostalog i sirovi bakar.
Cu2(OH)2CO3 2CuO + H2O + CO2 CuO + C Cu + CO
Sirovi bakar se proiava elektrolitikom rafinacijom u kojoj je anoda od siro-vog bakra, katoda od tankog isto bakrenog lima, a kao elektrolit slui otopljen bakrov(II) sulfat.
A(+): Cu (sirovi) Cu2+ + 2e K(): Cu2+ + 2e Cu (isti)
Mjedi su u osnovi legure bakra i cinka. Mogu se dodavati i neki drugi metali da bi se poboljala pojedina eljena svojstva. Mjedi imaju veu vrstou i otpornost na koroziju od bakra ili cinka. Bronce su legure bakra i kositra. Odlikuju se velikom vrsto-om i tvrdoom te visokom otpornou na koroziju. Postoje i druge legure bakra, npr. novo srebro i konstatan.
Kompleksni spojevi prijelaznih metala
Kompleksni spojevi su spojevi koji u svojoj sloenoj strukturi imaju dvije, etiri, pet i est, a rjee vie molekula vode, molekula amonijaka itd., iona ili drugih skupina koje pravilno okruuju sredinji atom, atom prijelaznog elementa. Ponekad je to jedna vea molekula takve
Recommended
