Хемија за I разред

И КЕ

САЊА ГРГУРИЋ ШИПКА

УЏ БЕ

ЗА I РАЗРЕД

Н

ХЕМИЈА

ЗА ВО Д

ЗА

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

И КЕ

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

УЏ БЕ

Главни уредник др Милорад Марјановић

Н

Одговорни уредник др Татјана Костић

ЗА ВО Д

ЗА

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

Н

И КЕ

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

УЏ БЕ

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

ЗА ВО Д

ЗА

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

И КЕ

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

ЗА

УЏ БЕ

Н

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

ЗА ВО Д

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

УЏ БЕ

Н

И КЕ

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

ЗА ВО Д

ЗА

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

ЗА ВО Д ЗА Н

УЏ БЕ

И КЕ

1. ХЕМИЈА КАО НАУКА

УЏ БЕ

Н

И КЕ

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

ФИЗИЧКА ХЕМИЈА

ЗА ВО Д

ФИЗИКА

ФАРМАЦЕУТСКА ХЕМИЈА БИОХЕМИЈА

ЗА

НЕОРГАНСКА ХЕМИЈА

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. експерименти и опажања

увиђање шаблона и трендова

формулисање и тестирање хипотеза

теорија

И КЕ

посматрање и дефинисање проблема

Слика 1.2. Научни метод је општи приступ у решавању научних проблема

ЗА ВО Д

ЗА

УЏ БЕ

Н

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

УЏ БЕ

Н

И КЕ

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.

ЗА

Слика 1.4. Лабораторијско посуђе за мерење запремине течности

ЗА ВО Д

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

Температура

Келвин

Интензитет светлости

Кандела

Количина супстанце

Мол

s

И КЕ

Секунда

K

mol cd

Н

Време

УЏ БЕ

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

Гига

Мега

G

M k

1 тераметар (Tm) = 1·1012 m

1000000 или 106

1 мегаметар (Mm) = 1·106 m

1000000000 или 109

1000 или 103

d

Мили

m

1/1000 или 10–3

Нано

n

1/1000000000 или 10–9

Микро Пико

c

μ

p

1 гигаметар (Gm) = 1·109 m

1 километар (km) = 1·103 m

Деци

Центи

Пример

1000000000000 или 1012

ЗА ВО Д

Кило

T

ЗА

Тера

Значење

1/10 или 10–1

1 дециметар (dm) = 1·10–1 m

1/100 или 10–2

1 центиметар (cm) = 1·10–2 m

1/1000000 или 10–6

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

100

100

(а)

(б)

30

100

И КЕ

30

(в)

Слика 1.6. а) Прецизно и тачно; б) прецизно и нетачно; в) непрецизно и нетачно

ЗА ВО Д

ЗА

УЏ БЕ

Н

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

УЏ БЕ

Н

И КЕ

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.

ЗА

Питања и задаци

ЗА ВО Д

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