1 Budowa materii

1. Atomowa i cząsteczkowa struktura materii

 1.1 Budowa atomu

 1.1.1 Podstawowe cząstki elementarne

 1.1.2 Opis atomu pierwiastka

 1.1.3 Jądro atomowe

 1.1.4 Reakcje jądrowe

 1.2 Elektronowa struktura atomów

 1.3 Kwantowy model atomu Bohra

 1.4 Mechanika kwantowa

 1.4.1 Falowy charakter cząstek

 1.4.2 Zasada Heisenberga

 1.4.3 Równanie Schrödingera

 1.4.4 Liczby kwantowe

 1.4.5 Graficzny zapis orbitalu

 1.5 Konfiguracje elektronowe pierwiastków

2. Układ okresowy pierwiastków

 3. Wiązania chemiczne

 3.1 Dublet i oktet elektronowy

 3.2 Teoria wiązań G. Lewisa i W. Kossela

 3.2.1 Wiązanie jonowe

 3.2.2 Wiązanie kowalentne

 3.2.3 Wiązanie donorowo-akceptorowe

 3.2.4 Wiązanie metaliczne

 3.3 Wiązania chemiczne w świetle mechaniki kwantowej

 3.3.1 Teoria orbitali molekularnych

 3.3.2 Teoria wiązań walencyjnych

 3.3.3 Hybrydyzacja

Wprowadzenie

Podręcznik „Chemia Ogólna” jest przeznaczony do samodzielnego studiowania podstaw chemii potrzebnych w wykształceniu technicznym inżynierskim i magisterskim. Kurs obejmuje podstawową wiedzę w zakresie pojęć chemicznych, budowy materii, związków i  reakcji chemicznych, głównych procesów fizykochemicznych. Opanowanie materiału ujętego w podręczniku   umożliwia  dalsze studiowanie przedmiotów  bazujących na wiedzy chemicznej, takich jak materiałoznawstwo, inżynieria materiałowa, nauki chemiczne, nauki geologiczne, metalurgia, ochrona środowiska itp.

Podręcznik może być również źródłem wiedzy uzupełniającej dla inżynierów wielu specjalności.

Kurs chemii ogólnej objęty podręcznikiem został podzielony na 9 rozdziałów obejmujących podstawowe dziedziny chemii. Większość z nich obok klasycznego wykładu zawiera przykłady zadań i obliczeń chemicznych pozwalających na utrwalenie materiału oraz praktyczne wykorzystanie zdobytej wiedzy. Studiowanie poszczególnych rozdziałów wymaga sekwencji od rozdziału pierwszego do ostatniego.

Materiałem dodatkowym do podręcznika będą: test kontrolny i egzaminacyjny oraz materiały ćwiczeniowe (ćwiczenia obliczeniowe z chemii) przygotowywane przez Zakład Chemii Ogólnej i Analitycznej Wydziału Odlewnictwa AGH. Materiały te będą dostępne w sieci prawdopodobnie w przyszłym roku. Obecnie radzimy kontaktowanie się z autorami podręcznika w celu uzyskania niezbędnych wskazówek i materiałów (skryptów) umożliwiających wystarczające opanowanie materiału.

1.1  Budowa atomu

Chemia jest nauką zajmującą się budową materii, jej właściwościami oraz przemianami, jakim ulega. Materia to otaczające nas ciała stałe, ciekłe lub gazowe oddziaływujące na nasze zmysły bezpośrednio lub poprzez przyrządy. Rozszerzone pojęcie materii obejmuje, poza materią korpuskularną, również wszelkie formy energii. Równoważność masy i energii podaje równanie Alberta Einsteina

                                          1-1

Materia korpuskularna zbudowana jest z atomów. Atomy różnych pierwiastków różnią się od siebie. Rozmiary atomów zależą od rodzaju pierwiastka, im bardziej złożona budowa atomu tym większy jego promień.

 1.1.1  Podstawowe cząstki elementarne

Fizycy zajmujący się badaniami struktury jąder atomowych odkryli około 200 cząstek, spośród których 33 uznano za elementarne. Są to cząstki będące budulcem materii lub antymaterii, które wykryto w promieniowaniu kosmicznym lub podczas badań w akceleratorach:

8 barionów i 8 antybarionów (np.: nukleony i ich antycząstki),

8 mezonów i antymezonów (np.: pion),

8 leptonów i antyleptonów (np.: elektron, pozyton),

foton

Dodatkowo do tej grupy zaliczono także cząstkę będącą kwantem grawitacji – grawitonem, której istnienia do tej pory nie dowiedziono.

Panuje przekonanie, że przedstawiona liczba cząstek uważanych za elementarne jest zbyt duża. Dało to podstawy do przypuszczeń, że istnieją jeszcze bardziej podstawowe cegiełki materii. Przyjmuje się, że tymi najbardziej elementarnymi cząstkami są kwarki, których jest kilka rodzajów. Zakłada się np., że w skład protonu i neutronu wchodzą dwa typy kwarków: up i down. Charakteryzują się one ułamkowym ładunkiem elektrycznym wynoszącym odpowiednio: +2/3 i -1/3 ładunku elementarnego (elektronu), a ich odpowiednia kompozycja może dać wypadkowy ładunek protonu lub neutronu. Wielkości cząstek, które występują w mikroświecie atomów przedstawiono schematycznie na rysunku 1.

Rysunek 1. Wielkość cząstek w świecie atomów.

Badania budowy jądra atomu stanowią domenę fizyki i nie będą tu omawiane. Szerszą informację można uzyskać na ten temat w Internecie pod adresami: http://www.ifj.edu.pl/edukacja/adventure_home.html, http://www.fuw.edu.pl/~ajduk/Public/Welcome.html

Do wyjaśnienia podstawowych właściwości chemicznych pierwiastków wystarczy charakterystyka cząstek elementarnych przedstawionych w tabeli 1. Zawarto w niej dane dotyczącą masy i ładunku podstawowych cząstek wchodzących w skład atomów, a mianowicie: protonu i neutronu (noszących nazwę nukleonów) oraz elektronu. Protony to elementarne cząstki o masie bliskiej 1 wyrażonej w jednostkach mas atomowych (u) i jednostkowym ładunku dodatnim. Obok protonu w jądrze atomowym każdego pierwiastka, z wyjątkiem wodoru, występuje neutron. Cząstka ta charakteryzuje się masą podobną do masy protonu oraz brakiem ładunku elektrycznego. Neutron jest stabilną cząstką, jeśli występuje w jądrze atomu. Występując poza jądrem swobodny neutron jest nietrwały i ulega rozpadowi z powstaniem protonu. O trwałości cząstki świadczy czas połowicznego rozpadu, który dla neutronu wynosi ok. 17 minut. Elektron jest trwałą cząstką znacznie mniejszą od nukleonów, charakteryzującą się jednostkowym ładunkiem ujemnym.

Tabela 1.  Właściwości protonu, neutronu i elektronu