LEKCJA 1 WSTĘP DO CHEMII GIMNAZJALNEJ (ATOM, CZĄSTKA, ZWIĄZEK, MIESZANINA) - ujęcie rozszerzone ;)

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. N_{2 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 180^oC ) szalkę petriego na 8 części, rysując flamastrem od dołu promienie koła podstawy, co 45^o (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!