Хемија - 21187

САЊА ГРГУРИЋ ШИПКА

ХЕМИЈА

ХЕМИЈА ЗА I РАЗРЕД

ЗА ОПШТУ И ГИМНАЗИЈУ ПРИРОДНО-МАТЕМАТИЧКОГ СМЕРА, МЕДИЦИНСКУ И ПОЉОПРИВРЕДНУ ШКОЛУ САЊА ГРГУРИЋ ШИПКА

К.Б. 21187

8 600262

056740

www.zavod.co.rs

САЊА ГРГУРИЋ ШИПКА

ХЕМИЈА ЗА I РАЗРЕД гимназије општег типа и природно-математичког смера и средње стручне школе у подручјима рада: пољопривреда, производња и прерада хране за образовне профиле: зоотехничар и техничар хортикултуре; текстилство и кожарство, за образовне профиле: текстилни техничар, конфекцијски техничар, техничар моделар коже; здравство и социјална заштита за образовне профиле: санитарно-еколошки техничар, педијатријска сестра–техничар, гинеколошко-акушерска сестра, медицинска сестра–васпитач и осталe делатности личних услуга

ЗАВОД ЗА УЏБЕНИКЕ • БЕОГРАД

Хемија

Рецензенти доцент др Јелена Пољаревић, Хемијског факултета Универзитета у Београду Јасна Петровић, професор Прве београдске гимназије Слађана Басуровић, професор Медицинске школе у Ужицу Манојле Шалипуровић, професор у пензији

Уредник др Иван Живадиновић Одговорни уредник др Татјана Костић Главни уредник др Милорад Марјановић За издавача др Милорад Марјановић, в. д. директора

Министар просвете, науке и технолошког развоја Републике Србије решењем број 650-02-474/2019-03 од 4. фебруара 2020. године одобрио је овај уџбеник за издавање и употребу у првом разреду гимназије и средњих стручних школа.

ISBN 978-86-17-20290-1 © Завод за уџбенике, Београд, 2020 Ово дело не сме се умножавати, фотокопирати и на било који други начин репродуковати, ни у целини ни у деловима, без писменог одобрења издавача.

САДРЖАЈ

1. ХЕМИЈА КАО НАУКА . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .7 1.1. Meрења . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .9 1.2. Tачност и прецизност мерења . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 1.3. Значајне цифре . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 Питања и задаци . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 2. ВРСТЕ СУПСТАНЦИ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 2.1. Агрегатна стања . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 2.1.1. Чисте супстанце и смеше . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 2.1.2. Раздвајање смеша на чисте компоненте . . . . . . . . . . . . . 15 2.1.3. Елементи и једињења . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 2.1.4. Физичка и хемијска својства . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 Питања и задаци . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 3. СТРУКТУРА АТОМА . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 3.1. Структура атома . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 3.2. Aтомски број, масени број и изотопи . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 3.3. Молекули и јони . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 Питања и задаци . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 4. ЕЛЕКТРОНСКА СТРУКТУРА АТОМА . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 4.1. Боров атомски модел . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 4.2. Таласно-механички модел атома . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 4.3. Просторни изглед орбитала . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 4.4. Електронска конфигурација . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 4.5. Периодни систем и периодична својства елемената . . . . . . . . 35 4.5.1. Енергија јонизације . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 4.5.2. Афинитет према електрону . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 4.5.3. Атомски и јонски полупречници . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 Питања и задаци . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 5. ХЕМИЈСКА ВЕЗА . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 5.1. Луисови симболи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 5.2. Јонска веза . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 5.2.1. Својства јонских једињења . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

3

Хемија

5.3. Ковалентна веза . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 5.3.1. Правила писања Луисових формула . . . . . . . . . . . . . . . 49 5.3.2 Oдступање од октетног правила . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 5.3.3. Својства ковалентних једињења . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 5.3.4. Електронегативност . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 5.3.5. Геометрија молекула . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 5.3.6. Диполни момент . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 5.4. Квантно-механичке теорије везе . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 5.4.1. Теорија валентне везе . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 5.4.2. Теорија молекулских орбитала . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 5.5. Метална веза . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 Питања и задаци . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 6. МЕЂУМОЛЕКУЛСКЕ ИНТЕРАКЦИЈЕ . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 6.1. Јон-дипол интеракције . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 6.2. Дипол-дипол интеракције . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 6.3. Дисперзионе силе . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 6.4. Водонична веза . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 6.4.1. Својства воде . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 6.5. Aгрегатна стања . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 6.5.1. Гасовито агрегатно стање . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 6.5.2. Течно агрегатно стање . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 6.5.3. Својства чврстих супстанци . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 6.5.4. Фазни прелази . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 Питања и задаци . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 7. ДИСПЕРЗНИ СИСТЕМИ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 7.1. Раствори . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 7.2. Процес растварања . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 7.3. Растворљивост . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .78 7.3.1. Утицај температуре на растворљивост . . . . . . . . . . . . . . 78 7.4. Засићени и пресићени раствори . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 7.5. Квантитативни састав раствора – изражавање концентрације раствора . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 7.6. Kолигативна својства . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 7.7. Колоидни раствори . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 Питања и задаци . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87 8. ХЕМИЈСКЕ РЕАКЦИЈЕ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88 8.1. Маса атома и молекула и моларна маса . . . . . . . . . . . . . . . 88 8.2. Процентни састав и емпиријска формула . . . . . . . . . . . . . . 89 8.3. Хемијске једначине и стехиометријски закони . . . . . . . . . . . 90

4

8.4. Изједначавање хемијских једначина и стехиометријска израчунавања . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92 8.5. Лимитирајући (ограничавајући) реактант . . . . . . . . . . . . . . 94 8.6. Принос реакције (теоријски принос) . . . . . . . . . . . . . . . . . .95 Питања и задаци . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95 8.7. Енталпија хемијске реакције . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96 8.8. Спонтаност и слободна енергија хемијске реакције . . . . . . . . 100 Питања и задаци . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102 8.9. Брзина хемијских реакција . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103 8.9.1. Фактори који утичу на брзину реакције . . . . . . . . . . . . . 104 8.9.2. Закон о дејству маса или закон брзине . . . . . . . . . . . . . 106 8.9.3. Теорија судaра . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106 8.9.4. Катализатори . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109 Питања и задаци . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110 8.10. Хемијска равнотежа . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110 8.10.1. Равнотежа у хетерогеном систему . . . . . . . . . . . . . . . . . 112 8.10.2. Ле Шатељеов принцип . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113 Питања и задаци . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115

9. КИСЕЛИНЕ, БАЗЕ, СОЛИ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116 9.1. Електролитичка дисоцијација . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116 9.2. Теорије о киселинама и базама . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117 9.3. Равнотеже у растворима слабих киселина и база . . . . . . . . . 121 9.4. Јонски производ воде и pH . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124 9.5. Соли и хидролиза соли . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126 9.6. Јонске реакције . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127 Питања и задаци . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130 10. OКСИДО-РЕДУКЦИОНЕ РЕАКЦИЈЕ . . . . . . . . . . . . . . . . . 132 10.1. Оксидација и редукција . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132 10.2. Оксидациони број . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133 10.3. Одређивање коефицијената у оксидо-редукционим реакцијама 135 10.4. Врсте оксидо-редукционих (редокс) реакција . . . . . . . . . . 136 Питања и задаци . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140 Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142

5

1. ХЕМИЈА КАО НАУКА

Хемија објашњава појаве које се свакодневно дешавају око нас. Примера је безброј, од хемијски једноставних, на пример рђања гвожђа, па до сложенијих, рецимо, зашто лишће жути или како се храном одржавамо у животу. Хемија утиче на све аспекте нашег живота и свакодневно се срећемо са хемијским производима, од лекова, одеће, намештаја, ђубрива, па до хемијског оружја и експлозива. У једној реченици – хемија изучава структуру и својства супстанце (облика материје) и промене кроз које она пролази. Учећи основне хемијске принципе, трудићемо се да их приметимо у разним аспектима свакодневног живота, од одржавања личне хигијене, па све до најкомпликованијих дијагностичких процедура или лечења. МЕДИЦИНСКА ХЕМИЈА

ОРГАНСКА ХЕМИЈА НЕОРГАНСКА ХЕМИЈА

ФАРМАЦЕУТСКА ХЕМИЈА

ФИЗИЧКА ХЕМИЈА

ФИЗИКА

БИОХЕМИЈА

ХЕМИЈА

АНАЛИТИЧКА ХЕМИЈА

БИОЛОГИЈА АТМОСФЕРСКА ХЕМИЈА

ГЕОХЕМИЈА ХЕМИЈА ЖИВОТНЕ СРЕДИНЕ

Слика 1.1. Хемија у односу на остале науке и научне области које из хемије проистичу Хемија је природна наука која заједно са физиком и биологијом проучава различите облике кретања материје у природи, као и њен развој и промене. Ове три науке се убрајају у основне природне науке које су међусобно повезане и између којих не постоји оштра граница. Све се заснивају на експериментима, па хемичари значајан део свог времена проводе у лабораторијама. Већина научних открића заснива се на посматрању и описивању уочених појава током експеримената. Сваки научни процес започиње постављањем питања и жељом научника да објасни неку појаву. То је први корак научног поступка, који називамо научни метод. На основу уочених 7

Хемија

појава и прикупљених података, научник приступа интерпретацији, одно­ сно објашњавању запажених појава. Тако настаје хипотеза – привремено објашњење експерименталних података, која, након великог броја провера и поновљених експеримената, уколико је потврђена, постаје закон. Закон је концизно, речима или математички, формулисан однос између појединачних феномена, увек исти, под истим условима и независан од утицаја човека. посматрање и дефинисање проблема

експерименти и опажања

увиђање шаблона и трендова

формулисање и тестирање хипотеза

теорија

Слика 1.2. Научни метод је општи приступ у решавању научних проблема Хипотезе које буду потврђене небројеним експериментима могу да постану теорије. Теорија је обједињени принцип који објашњава скуп чињеница или закона који се на тим чињеницама заснивају. Теорије су предмет непре­ станих и безбројних проверавања. У случају да не буде у сагласности са експерименталним подацима добијеним на пример, на савременијем инструменту, теорија мора бити модификована или чак одбачена. Мора се нагласити да научни метод није универзалан, као и то да је пут до научних открића веома ретко једноставан и праволинијски. Понекад за­кон претходи теорији, а некад теорија закону. Велика открића су резултат доприноса и искустава многих научника, поготово данас када се већина великих открића налази у граничним областима појединих наука. Понекад су та открића и случајна, али ће значај тог случајног открића увидети само научник који је знањем веома добро поткован.

O2

Fe

Fe2O3

Слика 1.3. Хемичар посматрајући макроскопски свет – оно што може да види, осети или директно мери, објашњава на микроскопском нивоу. Пример на слици јесте рђање гвожђа, приказано поједностављеном хемијском реакцијом. Питање за размишљање: Зашто су јони гвожђа (Fe3+) мањи од атома гво­ жђа, а оксидни јони већи од атома кисеоника?

8

1. Хемија као наука

1.1. Meрења Хемичари обављају мерења и те податке користе да би израчунали неке друге величине. Подсетимо се, мерење је упоређивање једне одабране физичке величине (јединице мере) са непознатом величином исте врсте. За мерења се користе различити инструменти или пробор. Неки од њих су, на пример, вага за мерење масе, бирете, пипете и мензуре за мерење запремине, термометар за мерење температуре.

Слика 1.4. Лабораторијско посуђе за мерење запремине течности Помоћу ових инструмената одређујемо вредности макроскопских својстава, док микроскопска својства, на атомском или молекулском нивоу, одређујемо на неке индиректне начине. Да бисмо те измерене вредности могли да користимо, морамо да им придружимо јединице. Данас се користи Међународни систем јединица, SI (скраћеница изведена из француских речи). У таблици 1.1 приказано је седам основних SI јединица. Све остале јединице се изводе из ових основних.

Слика 1.5. Електрична вага 9

Хемија

Таблица 1.1. Основне SI јединице Величина

Назив јединице

Симбол јединице

Дужина

Метар

m

Маса

Килограм

kg

Електрична струја

Ампер

A

Време

Секунда

Температура

Келвин

Интензитет светлости

Кандела

Количина супстанце

s

K

Мол

mol cd

Када је јединица сувише мала или велика, за њено изражавање се кори­ сте префикси да означе за један или више редова величине веће или мање вредности од основних. Таблица 1.2. Префикси који се користе уз јединице

Префикс Симбол Тера Гига

T

Мили

m

Нано

n

Пико

1 мегаметар (Mm) = 1·106 m

1000 или 103

d

Микро

1000000 или 106

k

Деци

Центи

1 тераметар (Tm) = 1·1012 m

1000000000 или 109

M

c

μ

p

Пример

1000000000000 или 1012

G

Мега

Кило

Значење

1 гигаметар (Gm) = 1·109 m

1 километар (km) = 1·103 m

1/10 или 10–1

1 дециметар (dm) = 1·10–1 m

1/100 или 10–2

1 центиметар (cm) = 1·10–2 m

1/1000 или 10–3

1/1000000 или 10–6

1/1000000000 или 10–9

1 милиметар (mm) = 1·10–3 m

1 микрометар (μm) = 1·10–6 m 1 нанометар (nm) = 1·10–9 m

1/1000000000000 или 10–12 1пикометар (pm) = 1·10–12 m

1.2. Tачност и прецизност мерења

Тачан резултат је онај који је по вредности врло близак стварној вредно­сти мерене величине, док прецизност мерења представља међусобну сагла­сност групе добијених резултата мерења неке величине истим и ­ нструментом.

10

1. Хемија као наука

10

10

10

60

60

60

30

30

30

100

100

100

(а)

(б)

(в)

Слика 1.6. а) Прецизно и тачно; б) прецизно и нетачно; в) непрецизно и нетачно Пошто је хемија егзактна наука, треба водити рачуна o тачности добијених података изражених у бројевима, који се састоје од мањег или већег броја цифара. Број цифара мора да одговара поузданости датог мерења, односно прецизност диктира број значајних цифара. Број значајних цифара треба да буде толики да последња цифра добијеног резултата буде несигурна. Рецимо да меримо запремину течности мензуром која је градуисана скалом од по 1 cm3 и да добијемо резултат да је запремина 6 cm3. Тада је стварна запремина у распону од 5 cm3 до 7 cm3, а измерену запремину пишемо (6±1) cm3. Уколико пак исту запремину течности измеримо мензуром код које је поузданост мерења 0,1 cm3, тада ћемо запремину изразити у облику (6,0±0,1) cm3 будући да је стварна запремина између 5,9 cm3 и 6,1 cm3. Ако меримо масу неке супстанце на аналитичкој ваги, њена маса ће бити изражена у грамима, бројем који садржи четири децимале јер је толика поу­зданост мерења на аналитичкој ваги. На пример, ако маса измерене супстанце износи 2,2360 g, њу ћемо написати у облику (2,2360±0,0001) g. Мерења се могу унапређивати коришћењем бољих прибора, уређаја и инструмената, а непоузданост увек зависи од примењеног инструмента, док је последња цифра увек непоуздана.

1.3. Значајне цифре

Број значајних цифара није тешко одредити када се држимо правила: 1. Свака цифра која није нула је значајна. Тако, на пример, број 951 има три значајне цифре.

2. Нула између цифара које нису нула је значајна, па број 505 има три значајне цифре, а 20,605 пет значајних цифара.

3. Нуле које се налазе лево од цифара нису значајне. Тако 0,08 има једну значајну цифру. Те нуле само указују на место децималног зареза.

4. Ако је број већи од 1, нуле десно од децималног зареза су значајне, као у бројевима: 2,0 или 3,040.

11

Хемија

5. Ако је број мањи од 1, значајне су нуле на крају броја и оне између цифара које нису 0, као у бројевима 0,080, где је значајна последња нула, или 0,2006, где су значајне нуле у средини, али не и прва нула.

6. Код бројева који не садрже децимални зарез, не можемо знати које су нуле које долазе после цифре која није нула значајне. Број 500 може имати једну, две или три значајне цифре без додатних података. То се може избећи изражавањем у облику 5∙102 са једном значајном цифром, 5∙102, 5,0∙102 са две значајне цифре или 5,00∙102 са три значајне цифре. Такође, постоји група правила која се односи на заокруживања приликом израчунавања.

1. Приликом одузимања и сабирања одговор не може имати већи број цифара од броја који има мањи, односно најмањи број цифара.

66,432 + 2,2 = 68,6 или 2,832 − 0,5 = 2,3. При заокруживању се води рачуна о томе која цифра остаје у броју након одбацивања наредних. Ако је прва одбачена цифра мања од 5, последња задржана која остаје јесте, а ако је већа од пет, последња задржана се увећава за 1.

2. Приликом множења и дељења заокружује се на број који пре операције има најмањи број значајних цифара. Тако је, на пример, 8,16 ∙ 5,1355 = 41,90568, а заокружујемо на 41,9.

Питања и задаци

1. Претворити следеће вредности: 0,076 l у cm3; 5,0∙10–8 m у nm; 5,66∙10–3 s у ms; 1,55 kg/m3 у g/dm3. (Решење: 76 cm3; 0,5 nm; 5,66 ms; 1,55 g/dm3)

2. Која је просечна маса три предмета ако су појединачне масе 10,3 g, 9,334 g и 9,25 g? (Решење: 9,6 g) 3. Која је запремина тела изражена у cm3 ако су његове димензије 22,86 cm x 38,0 cm x 76 cm? (Решење: 66 020 cm3)

12

2. ВРСТЕ СУПСТАНЦИ

Универзум, односно целокупна природа, сачињен је од материје. Материја, то јест све што нас окружује, организована је на различите начине, а може постојати у два облика: као супстанца коју карактерише физичка величина маса и која заузима простор и као поље сила које карактерише енергија. Изучавање хемије почећемо класификацијом супстанци. Два су принципа класификовања супстанце: у односу на агрегатно стање када супстанца може бити гасовита, течна или чврста, и у односу на састав када може бити у облику елемента, једињења или смеше.

2.1. Агрегатна стања

Три агрегатна стања материје, гасовито, течно и чврсто, међусобно се разликују по својствима које се лако запажају. Гасови немају одређену запремину и облик, те заузимају запремину и облик суда у ком се налазе, могу се сабијати на мању запремину или ширити кроз простор или другу супстанцу. Течности имају дефинисану запремину, али заузимају и прилагођавају се облику суда у ком се налазе. Чврсте супстанце имају одређени облик и запремину.

чврсто

течно

гасовито

Слика 2.1. Сликовит приказ чврстог, течног и гасовитог агрегатног стања 13

Хемија

гасовито

Температура

течно

чврсто

Слика 2.2. Вода у три различита агрегатна стања

2.1.1. Чисте супстанце и смеше Већина супстанци са којима се сусрећемо, као што је ваздух који удишемо, бензин као гориво у аутомобилима или тротоар по коме ходамо, нису хемијски чисте. Међутим, те материјале можемо да раздвојимо на компоненте које их сачињавају – чисте супстанце. Чиста супстанца је она која има одређени састав и карактеристична својства. На пример, дестилована вода и кухињска со су чисте супстанце, а основни су састојци морске воде, која је смеша тих као и неких других супстанци. Супстанце могу бити елементи и једињења. Елементи су облици чисте супстанце који не могу бити разложени на простије. Сваки елемент се састоји од само једне врсте атома. Једињења су облик супстанце који се састоји од различитих елемената и самим тим од више врста атома. Већи део супстанци са којима се срећемо нису чисте, већ су комбинације више супстанци. Комбинације супстанци у којима свака задржава своја карактеристична хемијска својства назива се смеша. Док чисте супстанце, односно елементи и једињења имају сталан и непроменљив састав, састав смеша може да варира. Супстанца која улази у састав смеше назива се компонента смеше, и смеша може бити разложена на појединачне супстанце избором погодних физичких метода. Такође, својства смеша зависе од њиховог састава, али и од односа појединих састојака смеше. Неке смеше, као што су песак, стена или дрво, немају исти састав, својства и изглед у целом узорку. Такве смеше називамо хетерогеним. Хетерогена смеша је, на пример, 14

2. Врсте супстанци

смеша уља и воде. Хомогене смеше су пак оне које у сваком свом делу имају исти састав и својства. Примери су раствор шећера у води, раствор алкохола и воде или ваздух, који је гасовита смеша, највећим делом сачињена од азота и кисеоника. Хомогене смеше често називамо растворима.

2.1.2. Раздвајање смеша на чисте компоненте

Смеша, било хомогена било хетерогена, може да се разложи на саставне компоненте физичким методама. Избор методе за разлагање смеша на компоненте, најпре, зависи од физичких и хемијских својстава компоненти смеше. Тако, на пример, смешу која се састоји из опиљака гвожђа и злата можемо раздвојити по различитој боји ова два метала. Други начин је коришћењем магнета који ће привлачити опиљке гвожђа, остављајући злато.

Слика 2.3. Издвајање гвожђа из смеше магнетом Такође, гвожђе се раствара у многим киселинама, а злато не. Ако се смеша ова два метала помеша са једном таквом киселином и након тога процеди, нерастворено злато ће заостајати у виду талога.

Слика 2.4. Филтрирање (цеђење) као техника раздвајања смеше која се састоји из чврсте и течне компоненте 15

Хемија

Течности различитих температура кључања ћемо раздвојити на компоненте дестилацијом. (Температура кључања је температура на којој течна супстанца прелази у гасовито стање.)

Слика 2.5. Дестилација као техника раздвајања Различити афинитети везивања супстанци за површине различитих чврстих супстанци (хартија или скроб) основа су примене хроматографских аналитичких метода.

(а)

(б)

(в)

Слика 2.6. Раздвајање мастила на компоненте хроматографијом на хартији: а) вода се креће нагоре; б) прелазећи преко мастила вода раствара различите компоненте различитом брзином; в) мастило је раздвојено на више компоненти. Без обзира на технику коју применимо, након раздвајања компоненте смеше имају исти састав и својства као на почетку.

2.1.3. Елементи и једињења Чисте супстанце могу бити елементи и једињења. Елемент је супстанца која не може бити разложена на простије хемијским поступцима. До данас је познато 117 елемената. Многи од њих су природни елементи који се налазе 16

2. Врсте супстанци

на Земљи, док су други производ нуклеарних реакција у лабораторијама. За означавање елемената хемичари користе хемијске симболе. Прво слово хемијског елемента је увек велико, а друго је мало (уколико га има). На пример, Cо је симбол кобалта, а CО угљеник (II)-оксида. Симболи неких елемената су изведени из латинских имена, каo на пример Au од речи aurum (злато), Fe од ferrum (гвожђе), док је већина симбола изведена из енглеских имена. Атоми елемената могу да реагују градећи једињења. Гасовити водоник и гасовити кисеоник бурно реагују дајући воду, чија се својства значајно разликују од својстава водоника и кисеоника. Слика 2.7. Водоник сагорева на ваздуху и настаје вода

Састав дестиловане воде је исти, без обзира на то да ли је дестилована вода из језера, кишнице или са чесме. Вода је једињење, а једињења су чисте супстанце које се састоје од атома два или више елемената хемијски сједињених у одређеном односу. Једињења се могу разложити на елементе хемијским методама.

раздвајање физичким методама

раздвајање хемијским методама

Слика 2.8. Облици супстанци

2.1.4. Физичка и хемијска својства Супстанце су дефинисане својим хемијским саставом и физичким својствима. Боја, температура топљења или температура кључања су физичка својства. Физичко својство се може мерити или запазити без промене састава или идентитета супстанце. На пример, можемо измерити температуру топљења леда загревањем комада леда и то тако што ћемо уочити температуру на којој лед почиње да прелази у воду. Вода у леду и течна вода се разликују само по изгледу, а не и по хемијском саставу. Хлађењем ћемо 17

Хемија

опет добити лед. Према томе, температура топљења је физичко својство. Међутим, ако водоник и кисеоник реагују дајући воду, то је њихово хемијско својство. Након хемијске промене, настала је нова супстанца, другачијих хемијских и физичких свој­става, другачијег изгледа. Из воде, међутим, не можемо добити водоник и кисеоник неком физичком променом, на пример хлађењем или загревањем. Мерљива својства супстанци припадају једној од две категорије: екстензивна и интензивна својства. Екстензивна својства зависе од количине посматране супстанце. Таква су, на пример, маса и запремина. За разлику од њих измерене вредности интензивних величина не зависе од количине узорка. То су, на пример, температура или густина. Њихове измерене вредности се не могу сабирати. Замислимо да у две чаше имамо исту запремину воде исте температуре. Након мешања ових течности, укупна запремина ће бити једнака збиру првобитних запремина, али ће температура бити иста као у појединачним узорцима.

Питања и задаци

1. Супстанце: пудинг, морску воду, магнезијум, бензин, ваздух, сок од парадајза, кристале јода и песак сврстајте у чисте супстанце или смеше. Уколико је смеша, наведите да ли је хомогена или хетерогена.

2. Који су симболи следећих елемената: сумпора, магнезијума, угљеника, азота, јода, калијума, бакра, злата?

3. Како бисте раздвојили на компоненте следеће смеше: шећер и песак; гвожђе и сумпор?

4. Наведите имена следећих елемената: F, Ni, Al, Ag, H, O, Pb, Sn. 5. Бела чврста супстанца означена са А загревана је без присуства ва­ здуха, при чему се распала дајући чврсту белу супстанцу Б и гас В. Гас означен са В има иста својства као гас који се добија сагоревањем угљеника у вишку кисеоника. Да ли на основу ових података можемо закључити да ли су супстанце А, Б и В елементи или једињења? Објасните своје закључке.

6. Да ли су подвучена својства физичка или хемијска: Бром има црвено-наранџасту боју. У присуству кисеоника и воде гвожђе рђа. Густина урана је 19,07 g/cm3. У контакту са кисеоником динамит експлодира.

7. Следећа својства сврстајте у интензивна или екстензивна: Температура топљења натријума је 98° C. За експеримент је потребно 250 cm3 воде. Густина злата је 19,3 g/cm3.

18

3. СТРУКТУРА АТОМА

Још од древних времена људи су покушавали да проникну у структуру материје (супстанце). Данашње модерно схватање структуре материје почиње да се обликује почетком XIX века, појавом Далтонове атомске теорије. Знамо да су све супстанце сачињене од атома, молекула и јона и да се све гране хемије (неорганска, органска, биохемија) баве овим честицама. У V веку п. н. е. грчки филозоф Демокрит је сматрао да се материја са­ стоји од веома малих недељивих честица које је назвао атомима (грч аtomos = недељив). Иако Демокритове ставове нису прихватили многи његови савременици, а нарочито Платон и Аристотел, идеја је опстала. Рана научна истраживања су потврђивала идеје атомизма и постепено допринела модерним дефиницијама елемената и једињења. Године 1808. енглески научник и наставник Џон Далтон1 је формулисао прецизне дефиниције тих недељивих изграђивачких јединица које називамо атомима.

То је једна од основа модерне хемије. Његови постулати се састоје у следећем: 1. Елементи се састоје од веома малих честица које се називају атоми.

2. Сви атоми једног елемента су идентични по маси, величини и хемиј­ ским својствима. Атоми једног елемента се разликују од атома другог елемента.

3. Једињења се састоје од атома различитих елемената, односно једињења настају сједињавањем атома различитих елемената.

4. Приликом хемијске реакције атоми се сједињавају или раздвајају, при чему не долази до стварања нових или уништавања постојећих атома.

3.1. Структура атома

На основу Далтонове атомске теорије, атом дефинишемо као основну изграђивачку јединицу елемента којa може хемијски реаговати. Далтон је сматрао да је атом изузетно мали и недељив. Међутим, велики број експеримената изведених половином XIX века јасно је указивао на то да атоми поседују сложену унутрашњу структуру. Откриће појаве радиоактивности, односно својства неких елемената да спонтано емитују алфа, бета или гама зраке, указивало је на то да су атоми изграђени од још ситнијих честица.

1 Џон Далтон (John Dalton, 1766–1844) је енглески хемичар, математичар и филозоф. Фор-

мулисао је атомску теорију, неколико гасних закона. Описао је болест неразликовања боја од које је и сам боловао.

19

Хемија

Појава да се при електричном пражњењу кроз разређене гасове јављају тзв. катодни зраци, који су по својој природи електрони, недвосмислено је указивала на то да су и електрони саставни део атома. До раног почетка XX века две карактеристике атома су постале потпуно јасне: атоми садрже електроне и атоми су електронеутрални. Да би били електронеутрални, атоми морају да имају исти број позитивних честица – протона и негативних честица – електрона. И Томсон1 је поставио модел атома, који се састоји из позитивне сфере у коју су уроњени електрони. Овај модел, који се још назива модел пyдинга од шљива, прихваћен je у наредним годинама.

Слика 3.1. Томсонов модел атома Десетак година касније Радерфорд2 је, веома изненађен и задивљен резултатима својих експеримената, поставио модел атома. Према Радерфордовом моделу, позитивно наелектрисање језгра, које чине протони, концентрисано је у језгру, које представља најгушћи део атома. Електрони се налазе на одређеним удаљеностима од језгра, а већи део атома је празан простор.

Слика 3.2. Радерфордов модел атома 1 Џозеф Џон Томсон (Joseph John Thomson, 1856–1940) је британски физичар који је 1906. г. за откриће електрона добио Нобелову награду из физике.

2 Ернест Радерфорд (Ernest Rutherford, 1871–1937) је био новозеландски физичар који је

већину својих открића остварио у Енглеској. Нобелову награду за хемију добио је 1908. г. за испитивања атомског језгра.

20

3. Структура атома

Тада је, такође, откривено да протон поседује исту количину наелектрисања као и електрон, а да му је маса 1837 пута већа од масе електрона. До тада је, дакле, било познато: маса језгра чини највећи део масе атома, али језгро заузима само 1/1013 запремине атома. Ако бисмо атом замислили као спортски стадион, језгро би било величине кликера. Даљи корак у откривању структуре атома представља Чедвиково1 откриће неутрона. Неутрони су неутралне честице чија је маса незнатно већа од масе протона. Сви ови модели били су значајан корак у схватању структуре материје, али нису били у складу са неким својствима атома, као ни са законима класичне физике. Тек је са појавом нове научне дисциплине – квантне механике било могуће потпуно разумети структуру и понашање атома.

3.2. Aтомски број, масени број и изотопи

Атом сваког елемента садржи одређени број протона у свом језгру. Тај број се назива редни (атомски) број и обележава се словом Z. У неутралном атому број протона једнак је броју електрона, тако да атомски број истовремено означава и број електрона у атому. Хемијски идентитет неког атома је дефинисан његовим редним бројем. На пример, атомски број угљеника је 6. То значи да угљеник садржи 6 протона и 6 електрона. И обратно, сваки атом који садржи 6 протона је угљеник. Збир броја протона N(p+) и броја неутрона N(n0) у атому елемента је масени број. Означава се словом А. Са изузетком водоника, чије језгро садржи само протон, сва остала атомска језгра садрже протоне и неутроне. А = N(p+) + N(n0)

масени број број протона број неутрона

Када су познати масени и редни број елемента, може се израчунати број неутрона у атомском језгру. На пример, ако је масени број одређеног атома бора 12, а редни број 5 (број протона у језгру), број неутрона је 12 – 5 = 7. Треба обратити пажњу да су све ове вредности, позитивни цели бројеви. Немају сви атоми истог елемента исту масу јер се већина елемената јавља у облику два или више изотопа. Изотопи су атоми истог елемента који имају исти број протона, а различит број неутрона, односно имају исти редни, а различит масени број. На пример, постоје три изотопа водоника. Први, који 1 Џејмс Чедвик (Јames Chadwick, 1891–1972) је британски физичар који је 1935. г. добио Нобелову награду за откриће неутрона.

21

Хемија

називамо једноставно водоник, садржи један протон у језгру. Деутеријум садржи један протон и један неутрон, док трицијум садржи један протон и два неутрона. Сва три изотопа садрже један електрон у електронском омотачу. Атоме елемента уобичајено приказујемо на следећи начин: масени број

атомски број

У складу са тим, изотопе водоника представљамо: протијум

деутеријум

трицијум

Или, изотопе урана приказујемо као: Називамо их уран-235 и уран-238, тј. „уран двеста тридесет петˮ и „уран двеста тридесет осам”. Први изотоп се користи у нуклеарним реакторима и атомским бомбама, док други изотоп не показује својства које су неопходне за ту примену. Хемијска својства елемента највећим делом зависе од броја електрона, односно електронског омотача, док неутрони не учествују у хемијским реакцијама. Стога изотопи истог елемента имају сличну, односно готово идентичну хемијску реактивност.

3.3. Молекули и јони

Молекул је скуп два или више атома чврсто повезаних хемијским везама. Молекул може садржавати атоме истог елемената или атоме два или више различитих елемената у тачно одређеним односима. Дакле, молекул могу да чине атоми истих или различитих елемената. На пример, гас водоник је чист елемент чији се молекул састоји од два атома водоника, док је вода једињење чији се молекул састоји од два атома водоника и једног атома кисеоника. Као и атоми, и молекули су електронеутрални. Осим поменутог молекула водоника, остали двоатомски молекули су азот, кисеоник, флуор, хлор, бром и јод. Двоатаомски молекули често садрже различите атоме као, на пример, NO или HCl, док већина молекула садржи више од два атома – сви такви молекули су полиатомски. Озон (О3) је полиатомски молекул који, на пример, садржи исте атоме – атоме кисеоника, док амонијак (NH3) садржи различите атоме.

22

3. Структура атома

елементи

смеше

једињења

Слика 3.3. Упоредни приказ, елемената (атома или молекула), једињења и смеша Јон је атом или група атома која има укупно позитивно или негативно наелектрисање. Током хемијских промена, које називамо хемијским реакцијама, број протона у атому се не мења, док атом може отпуштати или примати електроне. Отпуштање електрона доводи до настајања катјона, јона који је позитивно наелектрисан, док анјон носи негативно наелектрисање због повећања броја електрона.

отпуштање електрона

неутрални атом

примање електрона анјон (−)

катјон (+)

Слика 3.4. Настајање катјона и анјона од атома Атом натријума садржи једанаест протона и једанаест електрона. Током реакције лако отпушта електрон и настаје Na+ катјон, a флуор, који садржи девет електрона, након примања електрона има их десет, те настаје F- (флуо­ ридни анјон).

23

Хемија

Na 11 протона 11 електрона

Na+ 11 протона 10 електрона

F 9 протона 9 електрона

e−

e−

11e−

Na

F− 9 протона 10 електрона

9e−

10e−

F

Na+

10e−

F−

Слика 3.5. Настајање катјона натријума и флуоридног анјона Атом може примати или отпуштати више електрона, као, на пример, ки­сео­ник, који након примања два електрона постаје оксидни анјон (О2–), или гвожђе катјон (Fe2+), који настаје након што је атом гвожђа отпустио два електрона. Ово су примери моноатомских јона јер ови јони настају од једног атома.

2

1

Li+

2

Na+

Mg2+

5

Rb+

Sr2+

6

7

K+

Cs+

13

Be2+

3 4

H+

Ca2+

3

7

8

Fe2+ Fe3+

9

10

11

Cu+ Cu2+ Ag+

Au+ Au3+

Ba2+

Ra2+

12

Al3+

Zn2+

Ga3+

Hg+ Hg2+

Ti+ Ti3+

Cd2+

14

In+ In3+

Sn2+ Sn4+

Pb2+ Pb4+

Слика 3.6. Неки моноатомски катјони у Периодном систему 24

3. Структура атома

18 H

–

13

14

15

16

17

N

O

F–

3–

P3–

2–

S2–

Cl–

Se2–

Br– I–

Слика 3.7. Примери моноатомских анјона Полиатомски јони садрже два или више атома и имају укупно позитивно или негативно наелектрисање. Они се могу састојати из два или више истих атома, као што је пероксид јон, (О22–), или различитих атома, као, на пример, OH–, CN–, NH4+ и многи, многи други. Као што смо видели, састав молекула се „на папиру” представља хемиј­ ским формулама. Састав молекула, односно хемијска формула представља врсту и однос комбинованих атома у молекулу. Означава хемијски елемент азот

Означава молекул хемијског једињења азот(III)-оксида

Означава хемијски елемент кисеоник

N2O3

Означава два атома азота у молекулу

Означава три атома кисеоника у молекулу

Слика 3.8. Пример хемијске формуле

Молекулска формула приказује тачан број атома који чине молекул, као на пример H2O, NH3, CH4, док емпиријска приказује прост однос атома у неком молекулу. Индекси у емпиријским формулама су увек најмањи могући цели бројеви. Молекулска формула водоник-пероксида је H2O2, а емпиријска HO. Молекулска формула етана, једног алкана, је C2H6, док је његова емпиријска 25

Хемија

формула CH3. Молекулска формула нам пружа много више информација него емпиријска формула и из ње је могуће извући емпиријску формулу, али обратно није могуће. Емпиријске формуле се користе јер већина метода за анализу супстанци као резултат даје релативан однос елемената у једињењу. Такође, неки молекули, као и јонске супстанце, постоје у тродимензионалним структурама које се састоје од великог броја градивних јединица, те је за њих могуће дати само емпиријску формулу. Молекулска формула нам, међутим, не указује на структуру молекула, односно на начин на који су атоми повезани. За то служе структурне формуле и у њима су атоми представљени својим симболима, а веза цртицом. Молекул се може представити и у перспективи, затим помоћу лоптица (које представљају атоме) и штапића (који представљају везе), као и моделом калота.

Слика 3.9. Приказивање молекула метана

Питања и задаци 1. Одредите масени број следећих атома: берилијума који садржи пет неутрона, титана са 26 неутрона и галијума са 39 неутрона. (Решење: А = 9, А = 48, А = 70)

2. Одредите број протона, неутрона и електрона следећих атома: 40Ca, 119 Sn, 244Pu. (Решење: Ca: 20, 20, 20; Sn: 50, 69, 50; Pu: 94, 150, 94) 3. Напишите формуле свих једињења која могу настати узајамним комбиновањем: катјона Na+, Sr2+ и NH4+ и анјона CO32−, I−, NO3−.

26

3. Структура атома

4. Попуните таблицу, уз коришћење Периодног система елемената и претпоставку да се подаци односе на неутралне атоме. Симбол

Zn

65

Протони

Неутрони

25 30

Електрони

49

Масени број

5. Попуните таблицу. Симбол

Протони

Co3+

59

Неутрони

35 45

Електрони

Наелектрисање

82

38

47

76

80

108

116 2+

–

120 78

6. Попуните таблицу као у првом примеру. Јон Cl–

OH–

K+

KCl

NH4+

Ca2+

CO32– SO42–

PO43–

27

Fe2+

207

118 76 3+ Al3+