Autor: Faradaj
Witam serdecznie wszystkich
zainteresowanych najpiękniejszą nauką o świecie!
Chciałbym wprowadzić Was w ten świat, ucząc podstaw tego
przedmiotu, tzn. praw rządzących w świecie.
Nie nauczę Was -również ważnych-
informacji, jak skład powietrza, gleby czy nie omówię tak dokładnie roli wody w
codziennym życiu, ale to jesteście w stanie sami dokładnie poznać, czytając
materiał z dowolnej encyklopedii.
Zajmę się z Wami od razu tym, co najciekawsze
– mniej kucia, więcej poznania i zrozumienia.
Musimy –jednak- zacząć od podstaw, choć to my decydujemy, co
za podstawę uważamy.
Na początku chciałbym Ci coś powiedzieć: „Jesteś głównie
pustą przestrzenią!”.
Nie obrażaj się i nie zadawaj pytań typu: ale jak to?
Sprawa jest prosta nasze ciało zbudowane jest z następujących grup substancji:
a. białek
b. tłuszczy
c. cukrów
d. soli mineralnych
e. wody
Pierwsze z czterech wymienionych słów to grupy związków chemicznych.
Piąte wymienione słowo jest nazwą zwyczajową związku
chemicznego o dumnej nazwie systematycznej tlenek wodoru ;) Wzór chemiczny wody to H2O – być
może już o tym słyszałeś. Woda to wielka ilość cząsteczek tlenku wodoru, które
oddziaływają na siebie siłami spójności oraz wiązaniami wodorowymi.
Dobra, dobra, ale
pojawił się termin cząsteczka.
Cząsteczka są to co najmniej dwa atomy pierwiastków
chemicznych, które są połączone wiązaniem, czyli tworzą molekułę. Molekuła
ma zawsze ładunek obojętny!
Molekuła =
cząsteczka (Proste prawda?)
Atom wg definicji, która nie jest do końca poprawna, ale obowiązuje
na poziomie nawet licealnym, jest to
najmniejsza część pierwiastka chemicznego, która zachowuje swoje właściwości. Atom jest zbudowany z jądra zawierającego
protony i neutrony oraz powłok elektronowych, o czym będzie później. Jednakże,
największą część objętości atomu zajmuje pustka
między powłokami a jądrem. W ten sposób udowodniłem Ci, że człowiek składa się
głównie z NICZEGO.
Wiemy już, co to atom
i molekuła/cząsteczka, czym jest więc związek chemiczny? Związek chemiczny ma
identyczną definicje jak cząsteczka z jedną subtelną różnicą.
Związek chemiczny
to minimum dwa RÓŻNE atomy połączone wiązaniem.
Widzimy –więc-, że każdy związek chemiczny to cząsteczka np.
H2O, NH3, ale nie każda cząsteczka jest związkiem chemicznym (np. N2 dwu atomowa cząsteczka azotu, gazy występują głównie w cząstkach 2 atomowych, azot to 78% powietrza, ale oddychamy tlenem, którego jest 21%, azot potrafią przetwarzać bakterie brodawkowe, które żyją w symbiozie z roślinami motylkowymi - a mówiłem, że tego nie będzie ;) kłamałem ;P)
Używam od czasu do czasu wzorów chemicznych, które zostaną dokładnie omówione w następnej
lekcji, ale dla lepszego zrozumienia:
Pierwiastki
w chemii mają swoje symbole.
Symbolem atomu wodoru jest H, symbolem atomu tlenu jest O, symbolem atomu azotu
jest N, a symbolem atomu węgla jest C. Cyferki w indeksie dolnym (pod
symbolami) oznaczają, ile jest atomów danego pierwiastka w jednej cząsteczce
związku. Więc jedna cząsteczka H2O składa się z dwóch atomów wodoru
i jednego atomu tlenu połączonych wiązaniami.
Pierwiastek – jest
to zbiór atomów, które są identycznie zbudowane (będzie o tym później, ale
posiadają taką samą liczbę ujemnych elektronów, dodatnich protonów i
neutralnych neutronów)
Spójrzmy teraz na wykres poniżej:
Materię, czyli wszystko, co nas otacza możemy podzielić na
dwie grupy:
Substancje i Mieszaniny substancji.
Nawet nie wiedziałeś, gdy
dowiedziałeś się wszystkiego, co najważniejsze o substancjach. Przejdźmy –więc,
do mieszanin substancji.
Mieszaniny dzielimy na jednorodne(inaczej homogeniczne) i
niejednorodne(heterogeniczne). Spytasz: Co to za podział?
Odpowiem: prosty.
Jeśli jesteś w stanie zobaczyć gołym okiem (tak się mówi ;)
), że dana mieszanina to dwie substancje np. piasek i woda (btw piasek to
zanieczyszczony SiO2 czyt. tlenek
krzemu) to nazywamy substancję niejednorodną/heterogeniczną.
Jeśli jednak nie
jesteś w stanie odróżnić fazy jednej substancji od drugiej, mówisz o
mieszaninie jednorodnej/homogenicznej np. woda z cukrem (cukier w cukierniczce
to sacharoza C12H22O11).
Pewnie rozumiesz bez problemu tę różnicę, ale twoją uwagę
mogło przykuć słowo „faza”.
Bynajmniej nie chodzi tu o odlot po środkach
psychoaktywnych (np. po 1,4-benzodiazepinach).
Faza jest to porcja
materii, która tworzy jednolitą jej część.
Nikt Ci nie każe się nauczyć tej
definicji. W tym przypadku jest ważniejsze zastosowanie. Spójrzmy na wodę z olejem:
Woda nie rozpuszcza oleju. Olej unosi się na powierzchni
wody. Mówimy –więc, że mieszanina jest dwufazowa.
Identycznie sytuacja wygląda w przypadku kamienia w szklance z wodą. Mieszanina
jest wtedy dwufazowa, a jak dodamy olej to będzie miała trzy fazy kamień, woda
unosząca się wokół i nad kamieniem oraz olej unoszący się nad wodą.
Na tej podstawie możemy powiedzieć, że mieszanina
niejednorodna to taka, która ma więcej niż jedną fazę.
Więcej o
mieszaninach dowiecie się na lekcji: Lekcja
6 Roztwory wodne, stężenia
Tam wykorzystacie zdobytą już do tej pory wiedzę w
konkretnej sytuacji.
Tymczasem skupmy się na pierwszych krokach, które należy
postawić w chemii, tzn. nauczmy się rozdzielać substancje w obrębie mieszanin.
Poznajmy podstawowe metody, a przy okazji poznamy podstawowe szkło
laboratoryjne.
Metody dla
mieszanin heterogenicznych
Zastosowanie magnesu
(nie mylić z magnezem, który jest pierwiastkiem chemicznym o wzorze Mg)
Wykorzystujemy tu właściwości magnetyczne, tzn. opiłki
żelaza są przyciągane przez magnes, a siarka nie, więc jeśli komuś w domu pomieszają
się wiórki metalu z substancją, której magnes nie przyciąga – mamy metodę ;) Tutaj slajd z Internetu:
Wkleiłem to w jednym
celu ;) Czy wiecie jak się nazywa to w czym leży nasza mieszanina
heterogeniczna? Nie, to nie jest pokrywka od słoika. Jest to Szalka Petriego. Stosuję się ją często w
mikrobiologii do badań na bakteriach.
Nie musisz czytać,
ciekawostka biochemia/mikrobiologia:
Aby zbadać wpływ paru substancji na bakterie, dzielimy sterylną (po
wcześniejszym wygotowaniu w około 180oC ) szalkę petriego na 8
części, rysując flamastrem od dołu promienie koła podstawy, co 45o
(czyli po prostu na równe części). Następnie do szalki nanosimy bulion (dowolną
pożywkę dla bakterii) i żywe lub /uśpione/ (brakuje mi słowa, nieaktywne)
bakterie. Zostawiamy w sprzyjających do rozwoju bakterii danego szczepu
warunkach. Po określonym czasie (zależy jak dużą farmę bakterii chcemy mieć ^^)
nanosimy pipetką równe dawki danych substancji, każda substancja w innej
przegródce, zostawiając jedną przegródkę wolną – to będzie tak zwana próba
kontrolna. Po odpowiedniej chwili oznaczamy ilościowo bakterie – w zależności
od ich gatunku i spisujemy wnioski.
Zamiast szalki petriego osoba ze zdjęcia mogłaby zastosować
szkiełko zegarkowe:
Szalka jest używana zamiennie – choć ma szersze
zastosowanie, bo możemy ją dość równo podzielić na partie za pomocą flamastra,
podczas gdy wypukły kształt szkiełka zegarkowego utrudniłby to.
Przejdźmy więc do kolejnej metody rozdzielania substancji:
Użycie
rozdzielacza – niby taki banał, ale kto z Was wie co to jest? Pfff
:P Część pewnie wie.
Jest to szklane naczynie w kształcie owalnym, stożkowym (na
obrazku) lub gruszki z kranikiem.
Wykorzystujemy, tu fakt, że jedna substancja jest gęstsza => a przez to
cięższa, więc pierwsza wylewa się z kraniku. W naszej mieszaninie
heterogenicznej wody i oleju, woda wylałaby się z kranika pierwsza.
To, co utrzymuje ten rozdzielacz to łapa, która jest przymocowana do statywu. Koniec rozdzielacza (szyjka) umieszczona jest w szyjce Kolby stożkowej tzw. Erlenmayerki . Erlenmayerka jest zaliczana do kolb. Inne
rodzaje kolb: kulista okrągło-denna, kulista płasko-denn i destylacyjna (Englera)
Sedymentacja
Jest to nie tyle metoda rozdzielania, co zjawisko samoistnego
opadania osadu na dno roztworu. Wykorzystuje się tu różnice gęstości – co gęstsze
to na dole (Fizyka: Prawo wyporu).
Naczynie, które zostało tu użyte to zlewka. Zlewki dzielimy
na niskie i wysokie(na zdj.pow.)
Dekantacja
Ściśle związana z sedymentacją. Polega na zlaniu cieczy z nad
osadu.
Sączenie/przesącz
Metoda polega na przepuszczeniu mieszaniny przez lejek na którym jest tzw. sączek, czyli
ciało stałe, przez które przejdzie tylko ciecz. Osad/ciało stałe zostanie na
sączku, a reszta faza ciekła wyleje się przez lejek – dobrze podstawić zlewkę
;)
Metody dla
mieszanin homogenicznych
Zacznę nietypowo. Przed chwilą mówiliśmy o sączeniu. Pomyślmy
więc czy nie dałoby się użyć czegoś zamiast sączka, co nie przepuszczałoby
substancji rozpuszczonej. Owszem da się.
Oto ta magiczna metoda:
Przepuszczenie
przez jonit:
Jonit – jest to substancja, która przepuszcza jedynie
niektóre jony. Jonity dzielimy na kationity i anionity w zależności od rodzaju
pochłanianych jonów. Ze względu, że nie omówiliśmy, co to jest jon podaję
prostszą definicję:
Jonit jest tu substancja, która przepuszcza przez siebie wodę
pozbawiając ją niektórych zawartych w niej soli.
Nie ma tego w podstawie ani gimnazjum ani liceum. Jednakże,
metoda jest warta znajomości.
Na zdjęciu żywica jonowymienna, przykładowa substancja
pełniąca rolę jonitu.
Dobra skoro udało się znaleźć metodę dla homogenicznych na
podstawie heterogenicznych możemy spróbować zrobić też coś z rozdzielaczem:
Ekstrakcja
Metoda wykorzystuje różnice w budowie cząsteczek, ale by nie
komplikować właściwości, które mówią nam co się w czym rozpuszcza.
Mamy mieszaninę homogeniczną dwie ciecze np. alkohol i olej.
Chcę je jakość rozdzielić, ale nie widzę nawet dwóch faz. Wykorzystuję do tego
inny rozpuszczalnik, o którym wiem, że nie miesza się z jednym z składników
mieszaniny, a z drugą tak. Wlewam go trochę (w tym przypadku jest to woda, więc
nie muszę sobie żałować) i czekam na rozwarstwienie się warstwy alkoholu z wodą
i oleju bez wody. Następnie kranik i jest ok ;)
Wszystko leci do menzurki(cylindra miarowego), dzięki czemu
mogę później określić objętości faz po dodaniu rozpuszczalnika. Cylinder
miarowy:
Ewentualnie do probówki (a-zwykła, b-do wirówki, c-z
podziałem i szlifem, ma swoją specjalną nazwę, ale to nie jest konieczne):
sprytnie wpycham wam kolejne szkło :)
Odparowywanie
Rozpuszczona sól kuchenna (NaCl – chlorek sodu ;) ) nie jest
bez powrotnie stratna.
Odparowywanie to metoda wykorzystująca różnice temperatur
między rozpuszczalnikiem(wodą), a substancją rozpuszczoną (solą).
Dobra, ale skoro da się temperaturę wykorzystać w jedną
stronę – podwyższając ją, to czemu by nie spróbować zadziałać odwrotnie –
obniżając ją.
Można próbować jest to tak zwana metoda:
Krystalizacji
Uwaga! Zapamiętaj to co napiszę: Rozpuszczalność substancji w
wodzie zależy od temperatury.
Jeśli obniżymy odpowiednio temperaturę, część substancji
rozpuszczonej wróci z powrotem do swojej pierwotnej postaci. (być może jedynie
uwodnionej w porównaniu do stanu pierwotnego, ale o tym później)
Destylacja
Polega na wykorzystaniu różnicy wrzenia dwóch substancji.
Mówimy o niej, gdy mamy zmieszane ze sobą dwie lub więcej cieczy. Podgrzewamy
je i za pomocą chłodnicy skraplamy
do zlewki. Kolejno podwyższając temperaturę (gdy już nic więcej z próbki nie
paruje) i zmieniając zlewkę.
W ten sposób otrzymujemy kolejne frakcje substancji.
Frakcja jest to po prostu część mieszaniny, która odparowuje
w danej temperaturze.
W przypadku destylacji frakcjonowanej ropy (taka super mieszanina zawierająca związki należące do chemii organicznej) otrzymujemy następujące frakcje:
Temperatura oC
|
Substancja/mieszanina
|
50-150
|
Benzyna
|
150-250
|
Nafta
|
250-350
|
Oleje
|
>350
|
Mazut
|
(tabelka powtórzy się w szkole średniej - miejmy nadzieję, materiał coraz cieńszy)
Ale, ale pojawiła nam się nowy element szkła laboratoryjnego.
Układ zawierający chłodnicę wygląda tak:
4 to źródło ognia, 3 to nasza kolba englera,
6 to kolba
kulista okrągło denna na trójnogu (nowe, ale nie muszę tłumaczyć działania ;P mam
nadzieję),
a 5 to nasza cudowna chłodnica Liebiga.
Jej działanie polega na tym,
że wokół rurki (wszelkie szklane rurki w chemii możemy nazywać kapilarami) jest
obudowa szklana zamknięta z wejściem i wyjściem na zimną ciecz. Więc gaz, który
przechodzi przez kapilar zostaje okradziony z ciepła na rzecz zimnego szkła
kapilaru – zimnego bo od zewn. Otacza go zimna płynąca woda, więc gaz się
skrapla i spływa do kolby.
Jak już jesteśmy przy sprzęcie to jest pipeta (służy do wprowadzania substancji do probówki):
Robi się to w prostu sposób zanuża się jej czubek w substancji, a następnie zatyka górny otwór. Ważna sprawa! Pipetujemy zawsze używając do zatykania palca wskazującego lub gumowej gruszki.
Dla osób, które tego nie potrafią ogarnąć jest taka oto pipeta pasterka:
I tym pięknym akcentem kończę pierwszą lekcję. Dziękuję
wytrwałym i zapraszam…
Do zadania domowego:
1. Wyjaśnij
pojęcia:
a. Sedymentacja
b. Mieszanina jednorodna
c. Mieszanina heterogeniczna
d. Atom
e. Związek chemiczny
f.
Molekuła
2. Opisz w
jaki sposób rozdzieliłbyś:
a. Wodę od
alkoholu (a dodajmy mu procentów ;) )
b. Białko od
wody (w osobnych fazach)
3. Wymień
najważniejsze elementy szkła laboratoryjnego.
4. Napisz esej
na temat: „Piękno świata codziennego w ujęciu chemicznym”.
Do roboty!