Poprzedni wykład miał na celu między innymi uświadomić, że wzory
Transkrypt
Poprzedni wykład miał na celu między innymi uświadomić, że wzory
Poprzedni wykład miał na celu między innymi uświadomić, że wzory chemiczne i równania reakcji to tylko bardzo uproszczone schematy skomplikowanych procesów, w dodatku zapisane w formie „zaszyfrowanej”. Zrozumienie, co rzeczywiście kryje się pod tym schematycznym zapisem, wymaga znajomości podstawowych zasad i reguł chemicznych, czyli owego „szyfru”. Podstawą owego szyfru jest budowa materii, więc dziś o tym trochę więcej i szerzej. Na początek muszę ostrzec, że w świecie subatomowym, którego elementy będziemy teraz omawiać, rządzą prawa tzw. mechaniki kwantowej, które są nieco odmienne niż te znane nam z mechaniki niutonowskiej, a czasami wręcz im przeczą (pozornie). Stąd konieczność przyjęcia niektórych stwierdzeń „na wiarę”, bo na podstawie wiedzy fizycznej, którą mamy, wyjaśnić ich się nie da (a poznawanie praw i wyjaśnień mechaniki kwantowej – jeśli nie marzymy o zostaniu fizykami teoretycznymi – raczej nie wchodzi w rachubę). Na razie musi nam wystarczyć informacja, że podstawą mechaniki kwantowej jest prawo mówiące, że energia w mikroświecie subatomowym zmienia się nie w sposób ciągły, (jak to przyjmujemy w makroświecie), a w sposób skokowy, czyli konkretnymi porcjami, zwanymi kwantami (stąd nazwa całej tej dziedziny wiedzy). I po tym uprzedzającym wstępie możemy przejść do meritum zagadnienia. Podstawowym elementem biorącym udział w przemianach chemicznych jest atom. Jest to twór złożony z jądra atomowego, wokół którego w przestrzeni sferycznej (kulistej) rozmieszczone są elektrony obdarzone elektrycznym ujemnym ładunkiem elementarnym. Jądro atomowe zbudowane jest głównie z dwóch rodzajów elementów – neutronów, obojętnych elektrycznie i protonów, prawie identycznych z neutronami, lecz obdarzonych elementarnym ładunkiem dodatnim. Jądro atomowe zajmuje bardzo niewielką objętość (w porównaniu do wielkości całego atomu) i skupia w sobie prawie całą masę atomu (ponad 99,95% całkowitej masy atomu). Stąd możemy przyjąć, że masa protonu czy neutronu wynosi 1u (jednostkę masy atomowej, zwaną też na cześć angielskiego uczonego Johna Daltona - daltonem Da*). W jądrze atomowym skupiona jest ogromna energia, bowiem dodatnio naładowane protony, położone bardzo blisko siebie, zgodnie z prawami fizyki, odpychają się, a specjalnego rodzaju oddziaływania zwane siłami krótkiego zasięgu, utrzymują jądro atomowe w całości. Ta energia jądra przejawia się w przemianach jądrowych (rozpad promieniotwórczych izotopów, chemia radiacyjna) i „zwykłych” chemików specjalnie nie interesuje. Bardziej interesujące są dla chemików elektrony otaczające jądro. Ponieważ atom jako całość jest elektrycznie obojętny, ujemnie naładowanych elektronów dookoła jądra musi być tyle ile jest protonów w jądrze. Na każdy elektron oddziałuje pole elektryczne jądra (przyciąga elektrony do jądra, bo ładunki o przeciwnych znakach przyciągają się) i pola elektryczne pozostałych elektronów (ponieważ mają ten sam znak – odpychają się). Ponadto wszystkie elementy atomu wykonują ruch wirowy dookoła własnej osi (tzw. spin), co powoduje powstanie pola magnetycznego wokół elementów obdarzonych ładunkiem. Dołóżmy do tego energie ruchu elektronów i zasady mechaniki kwantowej a w konsekwencji otrzymamy doniosłe dla chemii skutki tej subtelnej gry sił wokół jądra. Wypunktujmy konsekwencje tych wewnątrzatomowych oddziaływań: • elektrony mogą przebywać w przestrzeni okołojądrowej tylko w dość ściśle określonych obszarach zwanych orbitalami**, gdzie ich energia własna wystarcza do zrównoważenia energii oddziaływania otoczenia (pole elektryczne jądra i innych elektronów itp.); • orbitale wokół jądra są pogrupowane w tzw. powłoki elektronowe, czyli sferyczne przestrzenie rozmieszczone wokół jądra w różnych odległościach od niego; kolejne powłoki, zaczynając od najbliższej jadra, oznaczamy zazwyczaj literami: K, L, M, … lub kolejnymi liczbami 1, 2, 3, ... • na poszczególnych powłokach może znaleźć się ściśle określona ilość orbitali: – na K 1 orbital – na L 4 orbitale (1+3) – na M 9 orbitali (1+3+5) • energia elektronów rozmieszczonych na różnych powłokach jest wyraźnie różna; • wyróżniamy cztery typy orbitali, różniących się kształtem i energią, są to orbitale typu s, p, d, f; na każdym orbitalu mogą się znajdować najwyżej 2 elektrony, różniące się kierunkiem wirowania (spinem); • na poszczególnych powłokach wyróżniamy podpowłoki, złożone z orbitali tego samego typu; • orbitale budują odpowiednio kolejne powłoki w sposób następujący: na powłoce K - 1 orbital s (maksymalnie 2 elektrony) na powłoce L - 1 orbital s i 3 orbitale p (maksymalnie 2+6=8 elektronów) na powłoce M - 1 orbital s, 3 orbitale p i 5 orbitali d (maksymalnie 2+6+10=18 elektronów) • energia elektronów umieszczonych na tej samej podpowłoce (na orbitalach tego samego typu) danej powłoki jest identyczna; (np. wszystkie elektrony na orbitalach p powłoki M mają energię identyczną, ale różną od energii elektronów umieszczonych na orbitalach p powłoki L); • zajmowanie powłok i podpowłok w miarę wzrostu ilości elektronów w kolejnych pierwiastkach odbywa się w sposób systematyczny, zgodny ze wzrostem energii potrzebnej do obsadzenia danego orbitala, systematyczność ta ulega jednak pewnym zmianom, począwszy od potasu; (patrz http://www.mlyniec.gda.pl/~chemia/pierwiastki/nieorganiczna/ogolne.html#top i ewentualnie http://www.mlyniec.gda.pl/~chemia/pierwiastki/grupa_3_12.html ) • rozmieszczenie elektronów w atomie konkretnego pierwiastka nazywamy jego konfiguracją elektronową i przedstawiamy skrótowym, symbolicznym zapisem: 1s 2 2s2p6 3s2p6d10 …. lub Ks2 Ls2p6 Ms2p6d10 …. lub K2 L8 M18 …. ; gdzie duże litery lub liczby oznaczają rodzaj powłoki, małe litery typ orbitali (podpowłoki) a cyferki w postaci górnego indeksu ilość elektronów na danej podpowłoce czy powłoce; np. dla węgla jest to zapis 1s2 2s2p2 lub K2 L4, a dla chloru K2 L8 M7 lub precyzyjniej 1s2 2s2p6 3s2p5 No a teraz najważniejsze – jak te informacje podane powyżej możemy zamienić na wiedzę, czyli wykorzystać je w praktyce. Pokażmy to na prostym przykładzie. Jeśli z układu okresowego pierwiastków czy jakiejkolwiek innej bazy danych dowiemy się, że atom węgla ma sześć protonów w jądrze (liczbę atomowa równą 6), to wiemy, że ma też sześć elektronów wokół jądra. Spróbujmy je rozmieścić na orbitalach zgodnie z informacjami zamieszczonymi powyżej: – powłoka 1 zawiera 1 orbital s i na nim mogą być tylko 2 elektrony, pozostało jeszcze cztery; – powłoka 2 zawiera 1 orbital s i na nim 2 elektrony, pozostałe dwa musimy umieścić na orbitalach p; może to być tak, że oba są na tym samym orbitalu p lub każdy z nich na innym orbitalu p: 1s2 2s2p2 lub 1s2 2s2 px1py1pz0 ; – może też się zdarzyć, w szczególnych warunkach, że uzyskamy konfigurację: 1s2 2s1 px1py1pz1, na przykład po podgrzaniu środowiska reakcji – dostarczenie dodatkowej energii na sposób ciepła, wystarczy do przeniesienia elektronu z s na p, bowiem różnice energetyczne w obrębie powłoki (między różnymi typami orbitali) są niewielkie. No dobrze, potrafimy przewidzieć konfiguracje elektronowe na podstawie ilości elektronów w atomie, i co z tego? Jakie praktyczne wnioski? Otóż na przykład pamiętając, że wiązania kowalencyjne tworzą się przez nałożenie się orbitala z jednym elektronem z ostatniej (walencyjnej) powłoki jednego atomu, na orbital innego atomu, też z jednym elektronem z powłoki walencyjnej, możemy wyciągnąć wnioski, że węgiel może być chemicznie nieaktywny (konfiguracja 1s2 2s2p2, brak orbitali z jednym elektronem), może występować jako pierwiastek dwuwartościowy i np. z dwuwartościowym tlenem tworzyć tlenek węgla(II) C=O (konfiguracja 1s2 2s2 px1py1, dwa orbitale jednoelektronowe, zdolne do tworzenia wiązań chemicznych) lub po podgrzaniu zamienić się w węgiel czterowartościowy (konfiguracja 1s2 2s1 px1py1pz1) i z tlenem stworzyć tlenek węgla (IV) CO2. Wiemy też, że węgiel nie wystąpi nigdy jako pierwiastek jedno-, trój- czy pięciowartościowy. Potrafimy też zrozumieć, dlaczego czad (tlenek węgla(II) CO) jest taki zabójczy. Z konfiguracji elektronowej wynika, że jest tam wolna para elektronowa na atomie węgla. Ta para elektronowa, łącząc wiązaniem koordynacyjnym tlenek węgla z atomem żelaza w hemoglobinie, blokuje go na stałe i uniemożliwia transport tlenu z płuc do organizmu i „wywóz” dwutlenku węgla z organizmu do płuc i do wydechiwanego powietrza. Następuje „komórkowe uduszenie”. Im więcej takich „teoretycznych” informacji będziemy znali i pamiętali, tym mniej będzie do „zakuwania”. Po prostu to, czego inni będą uczyć się na pamięć, dla Ciebie będzie logiczną konsekwencją wcześniej poznanych zasad. I choć może na początek trzeba zainwestować troszkę więcej intelektualnego wysiłku, to per saldo zwróci Ci się to w przyszłości dziesięciokrotnie. *Problemy związane z pojęciem masy atomowej i mola zostanie bardziej szczegółowo omówiony w pliku 4_mol.pdf ** Orbital, to część przestrzeni okołojądrowej, gdzie nastąpiło zrównoważenie, zminimalizowanie sił działających na elektrony atomu. Granice tej przestrzeni są dość rozmyte a sam orbital, o czym nie należy nigdy zapominać, nie jest obiektem materialnym. Przypominam o tym, bo sposób, w jaki jest on opisywany w większości podręczników („kształt orbitalu”; „nakładanie się orbitali”; „kąty między orbitalami”; „przeniesienie na orbital”; „uśrednienie orbitali” itp.), u nieobytego z tym pojęciem czytelnika może podświadomie wywołać wrażenie, że orbital to coś materialnego.