Chemia

Schemat przedstawiający zależności między fazami oraz terminy używane do opisu przemian fazowych.

Oprócz specyficznych właściwości chemicznych, które wyróżniają różne klasyfikacje chemiczne, substancje chemiczne mogą występować w kilku fazach. W przeważającej części, klasyfikacje chemiczne są niezależne od tych masowych klasyfikacji faz; jednak niektóre bardziej egzotyczne fazy są niezgodne z pewnymi właściwościami chemicznymi. Faza jest zbiorem stanów układu chemicznego, które mają podobne właściwości strukturalne, w pewnym zakresie warunków, takich jak ciśnienie lub temperatura.

Właściwości fizyczne, takie jak gęstość i współczynnik załamania światła, mają tendencję do mieszczenia się w wartościach charakterystycznych dla danej fazy. Faza materii jest definiowana przez przejście fazowe, które ma miejsce, gdy energia wprowadzona do lub usunięta z układu idzie na zmianę struktury układu, zamiast na zmianę warunków masowych.

Czasami rozróżnienie między fazami może być ciągłe zamiast mieć dyskretną granicę' w tym przypadku materia jest uważana za znajdującą się w stanie nadkrytycznym. Kiedy trzy stany spotykają się na podstawie warunków, jest to znane jako punkt potrójny, a ponieważ jest to niezmienne, jest to wygodny sposób na określenie zestawu warunków.

Najbardziej znane przykłady faz to ciała stałe, ciecze i gazy. Wiele substancji wykazuje wiele faz stałych. Na przykład, istnieją trzy fazy żelaza w stanie stałym (alfa, gamma i delta), które różnią się w zależności od temperatury i ciśnienia. Podstawową różnicą pomiędzy fazami stałymi jest struktura krystaliczna, czyli układ atomów. Inną fazą powszechnie spotykaną w nauce chemii jest faza wodna, która jest stanem substancji rozpuszczonych w roztworze wodnym (czyli w wodzie).

Mniej znane fazy obejmują plazmy, kondensaty Bosego-Einsteina i kondensaty fermionowe oraz paramagnetyczne i ferromagnetyczne fazy materiałów magnetycznych. Podczas gdy większość znanych faz dotyczy układów trójwymiarowych, możliwe jest również zdefiniowanie analogów w układach dwuwymiarowych, co zyskało uwagę ze względu na swoje znaczenie dla układów w biologii.

Wiązanie

Animacja procesu wiązania jonowego między sodem (Na) i chlorem (Cl) w celu utworzenia chlorku sodu, czyli zwykłej soli kuchennej. Wiązanie jonowe polega na pobieraniu przez jeden atom elektronów walencyjnych od drugiego (w przeciwieństwie do dzielenia się, które występuje w wiązaniu kowalencyjnym)

O atomach przylegających do siebie w cząsteczkach lub kryształach mówi się, że są ze sobą związane. Wiązanie chemiczne można zobrazować jako wielobiegunową równowagę między ładunkami dodatnimi w jądrach i oscylującymi wokół nich ładunkami ujemnymi. Więcej niż proste przyciąganie i odpychanie, energie i rozkłady charakteryzują dostępność elektronu do wiązania z innym atomem.

Wiązanie chemiczne może być wiązaniem kowalencyjnym, jonowym, wodorowym lub tylko z powodu siły Van der Waalsa. Każdemu z tych rodzajów wiązań przypisany jest jakiś potencjał. Potencjały te tworzą oddziaływania, które utrzymują atomy razem w cząsteczkach lub kryształach. W wielu prostych związkach, teoria wiązań walencyjnych, model odpychania par elektronów w powłoce walencyjnej (VSEPR) i koncepcja liczby utlenienia mogą być użyte do wyjaśnienia struktury i składu cząsteczek.

Wiązanie jonowe powstaje, gdy metal traci jeden lub więcej swoich elektronów, stając się dodatnio naładowanym kationem, a elektrony są następnie zdobywane przez atom niemetalu, stając się ujemnie naładowanym anionem. Dwa przeciwnie naładowane jony przyciągają się wzajemnie, a wiązanie jonowe jest elektrostatyczną siłą przyciągania między nimi. Na przykład, sód (Na), metal, traci jeden elektron, stając się kationem Na+, podczas gdy chlor (Cl), niemetal, zyskuje ten elektron, stając się Cl-. Jony te są utrzymywane razem dzięki elektrostatycznemu przyciąganiu i powstaje związek chlorek sodu (NaCl), czyli popularna sól kuchenna.

W cząsteczce metanu (CH4) atom węgla dzieli parę elektronów walencyjnych z każdym z czterech atomów wodoru. Tak więc reguła oktetu jest spełniona dla atomu C (ma on osiem elektronów w swojej powłoce walencyjnej), a reguła duetu jest spełniona dla atomów H (mają one po dwa elektrony w swoich powłokach walencyjnych).

W wiązaniu kowalencyjnym jedna lub więcej par elektronów walencyjnych jest dzielona przez dwa atomy: powstała w ten sposób elektrycznie obojętna grupa połączonych atomów jest nazywana cząsteczką. Atomy będą dzielić elektrony walencyjne w taki sposób, aby stworzyć konfigurację elektronową gazu szlachetnego (osiem elektronów w najbardziej zewnętrznej powłoce) dla każdego atomu. Atomy, które mają tendencję do łączenia się w taki sposób, że każdy z nich ma osiem elektronów w swojej powłoce walencyjnej, są nazywane zgodnie z regułą oktetu. Jednak niektóre pierwiastki, takie jak wodór i lit potrzebują tylko dwóch elektronów w ich najbardziej zewnętrznej powłoce, aby osiągnąć tę stabilną konfigurację; te atomy są powiedziane, aby przestrzegać reguły duetu, i w ten sposób osiągają konfigurację elektronową gazu szlachetnego helu, który ma dwa elektrony w swojej zewnętrznej powłoce.

Podobnie, teorie z fizyki klasycznej mogą być używane do przewidywania wielu struktur jonowych. W przypadku bardziej skomplikowanych związków, takich jak kompleksy metali, teoria wiązań walencyjnych jest mniej przydatna i zazwyczaj stosuje się alternatywne podejścia, takie jak teoria orbitali molekularnych. Zobacz diagram na orbitalach elektronicznych.

Energia

W kontekście chemii energia jest atrybutem substancji będącym konsekwencją jej struktury atomowej, molekularnej lub agregatowej. Ponieważ przemianie chemicznej towarzyszy zmiana w jednym lub kilku z tych rodzajów struktur, niezmiennie towarzyszy jej wzrost lub spadek energii substancji biorących w niej udział. Część energii jest przekazywana między otoczeniem a reagentami reakcji w postaci ciepła lub światła; dlatego produkty reakcji mogą mieć więcej lub mniej energii niż reagenty.

Reakcja jest egzergoniczna, jeśli stan końcowy jest niższy na skali energetycznej niż stan początkowy; w przypadku reakcji endergonicznych sytuacja jest odwrotna. Reakcja jest egzotermiczna, jeżeli uwalnia ciepło do otoczenia; w przypadku reakcji endotermicznych reakcja pochłania ciepło z otoczenia.

Reakcje chemiczne są niezmiennie niemożliwe, jeżeli reagenty nie pokonają bariery energetycznej zwanej energią aktywacji. Szybkość reakcji chemicznej (w danej temperaturze T) jest związana z energią aktywacji E, przez współczynnik populacji Boltzmanna e – E / k T {{displaystyle e^{-E/kT}}

– czyli prawdopodobieństwo, że cząsteczka będzie miała energię większą lub równą E w danej temperaturze T. Ta wykładnicza zależność szybkości reakcji od temperatury znana jest jako równanie Arrheniusa.Energia aktywacji niezbędna do zajścia reakcji chemicznej może mieć postać ciepła, światła, energii elektrycznej lub siły mechanicznej w postaci ultradźwięków. termodynamice chemicznej bardzo użytecznym sposobem przewidywania wykonalności reakcji i określania stanu równowagi reakcji chemicznej jest powiązana koncepcja energii swobodnej, która obejmuje również rozważania na temat entropii. Reakcja jest wykonalna tylko wtedy, gdy całkowita zmiana w swobodnej energii Gibbsa jest ujemna, Δ G ≤ 0 {Delta G ≤ 0,}

; jeśli jest równa zeru, mówi się, że reakcja chemiczna jest w stanie równowagi.

Istnieją tylko ograniczone możliwe stany energetyczne dla elektronów, atomów i cząsteczek. Są one określone przez zasady mechaniki kwantowej, które wymagają kwantyzacji energii związanego systemu. Atomy/molekuły znajdujące się w wyższym stanie energetycznym nazywane są wzbudzonymi. Cząsteczki/atomy substancji w stanie wzbudzonym są często znacznie bardziej reaktywne; to znaczy, bardziej podatne na reakcje chemiczne.

Faza substancji jest niezmiennie określana przez jej energię i energię otoczenia. Kiedy siły międzycząsteczkowe substancji są takie, że energia otoczenia nie jest wystarczająca do ich pokonania, występuje ona w bardziej uporządkowanej fazie, takiej jak ciecz lub ciało stałe, jak w przypadku wody (H2O); ciecz w temperaturze pokojowej, ponieważ jej cząsteczki są związane wiązaniami wodorowymi. Natomiast siarkowodór (H2S) jest gazem w temperaturze pokojowej i ciśnieniu standardowym, ponieważ jego cząsteczki są związane słabszymi oddziaływaniami dipolowo-dipolowymi.

Przekazywanie energii z jednej substancji chemicznej do drugiej zależy od wielkości kwantów energii emitowanych z jednej substancji. Jednak energia cieplna jest często łatwiej przenoszona z prawie każdej substancji do innej, ponieważ fonony odpowiedzialne za wibracyjne i rotacyjne poziomy energetyczne w substancji mają znacznie mniejszą energię niż fotony przywoływane do elektronicznego transferu energii. Tak więc, ponieważ wibracyjne i rotacyjne poziomy energii są bardziej oddalone od siebie niż elektroniczne poziomy energii, ciepło jest łatwiej przenoszone między substancjami w porównaniu ze światłem lub innymi formami energii elektronicznej. Na przykład, ultrafioletowe promieniowanie elektromagnetyczne nie jest przenoszone z taką skutecznością z jednej substancji do drugiej, jak energia cieplna lub elektryczna.

Istnienie charakterystycznych poziomów energii dla różnych substancji chemicznych jest przydatne do ich identyfikacji poprzez analizę linii widmowych. W spektroskopii chemicznej często stosowane są różne rodzaje widm, np. IR, mikrofalowe, NMR, ESR itp. Spektroskopia jest również wykorzystywana do identyfikacji składu odległych obiektów – takich jak gwiazdy i odległe galaktyki – poprzez analizę ich widm promieniowania.

Widmo emisyjne żelaza

Termin energia chemiczna jest często używany do wskazania potencjału substancji chemicznej do przejścia przemiany poprzez reakcję chemiczną lub do przekształcenia innych substancji chemicznych.

Reakcja

Podczas reakcji chemicznych pękają i tworzą się wiązania między atomami, w wyniku czego powstają substancje o różnych właściwościach. W wielkim piecu tlenek żelaza, związek, reaguje z tlenkiem węgla, tworząc żelazo, jeden z pierwiastków chemicznych, i dwutlenek węgla.

Gdy substancja chemiczna ulega przemianie w wyniku jej oddziaływania z inną substancją lub z energią, mówi się, że zaszła reakcja chemiczna. Reakcja chemiczna jest więc pojęciem związanym z „reakcją” substancji, gdy wchodzi ona w bliski kontakt z inną, czy to w postaci mieszaniny, czy roztworu; poddanie jej działaniu jakiejś formy energii, lub obu tych czynników. Skutkuje to pewną wymianą energii pomiędzy składnikami reakcji, jak również ze środowiskiem układu, którym mogą być zaprojektowane naczynia – często szklane naczynia laboratoryjne.

Reakcje chemiczne mogą prowadzić do tworzenia lub dysocjacji cząsteczek, to znaczy do rozpadu cząsteczek w celu utworzenia dwóch lub więcej cząsteczek lub do rearanżacji atomów wewnątrz lub w poprzek cząsteczek. Reakcje chemiczne zazwyczaj wiążą się z tworzeniem lub zrywaniem wiązań chemicznych. Utlenianie, redukcja, dysocjacja, neutralizacja kwasowo-zasadowa i rearanżacja molekularna to niektóre z powszechnie stosowanych rodzajów reakcji chemicznych.

Reakcja chemiczna może być symbolicznie przedstawiona za pomocą równania chemicznego. Podczas gdy w niejądrowej reakcji chemicznej liczba i rodzaj atomów po obu stronach równania są równe, w przypadku reakcji jądrowej dotyczy to tylko cząstek jądrowych, takich jak protony i neutrony.

Sekwencja kroków, w których reorganizacja wiązań chemicznych może zachodzić w trakcie reakcji chemicznej, nazywana jest jej mechanizmem. Można sobie wyobrazić, że reakcja chemiczna przebiega w wielu etapach, z których każdy może mieć inną szybkość. Można zatem przewidzieć, że w trakcie reakcji może powstać wiele produktów pośrednich o różnej stabilności. Mechanizmy reakcji są proponowane w celu wyjaśnienia kinetyki i względnego składu produktów reakcji. Wielu chemików fizycznych specjalizuje się w badaniu i proponowaniu mechanizmów różnych reakcji chemicznych. Kilka reguł empirycznych, takich jak reguły Woodwarda-Hoffmanna, często przydaje się podczas proponowania mechanizmu dla reakcji chemicznej.

Zgodnie ze złotą księgą IUPAC reakcja chemiczna to „proces, którego wynikiem jest wzajemna konwersja gatunków chemicznych”. Zgodnie z tym, reakcja chemiczna może być reakcją elementarną lub reakcją stopniową. Dodatkowym zastrzeżeniem jest to, że definicja ta obejmuje przypadki, w których wzajemna konwersja konformerów jest obserwowalna doświadczalnie. Takie wykrywalne reakcje chemiczne zwykle dotyczą zbiorów jednostek molekularnych, jak wskazuje ta definicja, ale często koncepcyjnie wygodnie jest używać tego terminu również do zmian dotyczących pojedynczych jednostek molekularnych (tj. „mikroskopowych zdarzeń chemicznych”).

Jony i sole

Struktura sieci krystalicznej chlorku potasu (KCl), soli, która powstaje w wyniku przyciągania się kationów K+ i anionów Cl-. Zwróć uwagę, jak całkowity ładunek związku jonowego wynosi zero.

Jon to naładowany gatunek, atom lub cząsteczka, który stracił lub zyskał jeden lub więcej elektronów. Gdy atom traci elektron, a zatem ma więcej protonów niż elektronów, atom jest dodatnio naładowanym jonem lub kationem. Kiedy atom zyskuje elektron i w związku z tym ma więcej elektronów niż protonów, jest ujemnie naładowanym jonem lub anionem. Kationy i aniony mogą tworzyć siatkę krystaliczną soli obojętnych, takich jak jony Na+ i Cl- tworzące chlorek sodu, czyli NaCl. Przykładami jonów wieloatomowych, które nie ulegają rozszczepieniu podczas reakcji kwasowo-zasadowych są wodorotlenek (OH-) i fosforan (PO43-).

Plazma składa się z materii gazowej, która została całkowicie zjonizowana, zwykle przez wysoką temperaturę.

Kwaśność i zasadowość

Bromowodór występuje w fazie gazowej jako cząsteczka dwuatomowa

Substancja może być często klasyfikowana jako kwas lub zasada. Istnieje kilka różnych teorii, które wyjaśniają zachowanie kwasów i zasad. Najprostszą jest teoria Arrheniusa, która mówi, że kwas to substancja, która wytwarza jony hydroniowe, gdy jest rozpuszczona w wodzie, a zasada to taka, która wytwarza jony wodorotlenkowe, gdy jest rozpuszczona w wodzie. Zgodnie z teorią kwasowo-zasadową Brønsteda-Lowry’ego, kwasy to substancje, które w reakcji chemicznej przekazują dodatni jon wodorowy innej substancji, a zasada to substancja, która otrzymuje ten jon wodorowy.

Trzecia popularna teoria to teoria kwasowo-zasadowa Lewisa, która opiera się na tworzeniu nowych wiązań chemicznych. Teoria Lewisa wyjaśnia, że kwas to substancja, która jest w stanie przyjąć parę elektronów od innej substancji w procesie tworzenia wiązania, natomiast zasada to substancja, która może dostarczyć parę elektronów do utworzenia nowego wiązania. Zgodnie z tą teorią, kluczowymi elementami podlegającymi wymianie są ładunki. Istnieje kilka innych sposobów, w jaki substancja może być sklasyfikowana jako kwas lub zasada, co jest widoczne w historii tego pojęcia.

Siła kwasu jest powszechnie mierzona za pomocą dwóch metod. Jedną z nich, opartą na definicji kwasowości Arrheniusa, jest pomiar pH, który jest miarą stężenia jonów hydroniowych w roztworze, wyrażoną w ujemnej skali logarytmicznej. Tak więc, roztwory o niskim pH mają wysokie stężenie jonów hydroniowych i można powiedzieć, że są bardziej kwaśne. Inną miarą, opartą na definicji Brønsteda-Lowry’ego, jest stała dysocjacji kwasu (Ka), która mierzy względną zdolność substancji do działania jako kwas zgodnie z definicją kwasu Brønsteda-Lowry’ego. Oznacza to, że substancje o wyższej wartości Ka są bardziej skłonne do oddawania jonów wodorowych w reakcjach chemicznych niż te o niższych wartościach Ka.

Redoks

Reakcje redoks (redukcja-utlenianie) obejmują wszystkie reakcje chemiczne, w których atomy mają zmieniony stan utlenienia poprzez albo zyskanie elektronów (redukcja) albo utratę elektronów (utlenianie). Substancje, które mają zdolność utleniania innych substancji są określane jako utleniacze i znane są jako czynniki utleniające, utleniacze lub utleniacze. Utleniacz usuwa elektrony z innej substancji. Podobnie, substancje, które mają zdolność redukowania innych substancji są nazywane reduktorami i znane są jako reduktory, reduktanty lub reduktory.

Reduktant przenosi elektrony na inną substancję i w ten sposób sam jest utleniany. A ponieważ „oddaje” elektrony, jest również nazywany dawcą elektronów. Utlenianie i redukcja właściwie odnoszą się do zmiany liczby utleniania – rzeczywiste przeniesienie elektronów może nigdy nie nastąpić. Dlatego utlenianie jest lepiej zdefiniowane jako wzrost liczby utleniania, a redukcja jako spadek liczby utleniania.

Równowaga

Chociaż pojęcie równowagi jest szeroko stosowane w różnych naukach, w kontekście chemii pojawia się ono zawsze wtedy, gdy możliwych jest kilka różnych stanów składu chemicznego, jak na przykład w mieszaninie kilku związków chemicznych, które mogą reagować ze sobą, lub gdy substancja może występować w więcej niż jednym rodzaju fazy.

Układ substancji chemicznych w stanie równowagi, mimo że ma niezmienny skład, najczęściej nie jest statyczny; cząsteczki substancji nadal reagują ze sobą, co daje początek równowadze dynamicznej. Tak więc pojęcie to opisuje stan, w którym parametry takie jak skład chemiczny pozostają niezmienione w czasie.

Prawa chemiczne

Reakcje chemiczne rządzą się pewnymi prawami, które stały się fundamentalnymi pojęciami w chemii. Niektóre z nich to: