Üldkeemia konspekt (1)

kreekakeelsest sõnast  (khemeia): kunst muuta ‘tavalisi’ metalle väärismetallideks või nende sulamiteks
Tõenäoliselt tulenes kreeka khemeia omakorda egiptusekeelsest sõnast ham (algselt kham) või hemi: “Egiptus” või “must”.Keemia - teadus ainetest ja nende muundumise seaduspärasustest. Ümbritseva maailma aineline aspekt. Keemilised reaktsioonid on ainete sellist laadi muundumised, kus tekivad või lagunevad aatomitevahelised keemilised sidemed, kusjuures aatomite liik (keemiline element) ei muutu; aatomites toimuvad muutused välistes elektronkihtides.mittemeteoriitne raud vähemalt 2100 a. e.m.a..esimesed vaskesemed enne 9 tuh. a. e.m.a Egiptuses kasutati paljusid keemil. muundumisi: keraamika , kääritamine (2500.a. paiku e. Kr. valmistati nelja õllesorti), värvid, kulla eraldamine jm. Egiptlased tundsid kulla metallurgiat (Nuubia kullapahtlad), hõbeda saamist (sulamist pliiga ), vaske ja pronksi (sulam Sn-ga), rauda (ja karastamisprotsessi - ?), pliid (pärast Fe), elavhõbedat: amalgaame, keraamikakunsti, sh. glasuuriga katmist, klaasi (Egiptuse ja Hiina varased tsivil.-d, Kreeka V saj.): liiva sulatamine taimse tuhaga (Egiptuses ka soodalademed); ka värviline klaas, rasv + taimetuhk  seep (Plinius), kangaste värvimist (kõigepealt Kaug-Idas): mineraalsed, taimsed ja loomsed värvid ALKEEMIA 5-16(17) saj. usk filosoofilise kivi maagilisse jõusse. alkeemiku isiksusomaduste mõju- transformatsioon (psühholoogiline külg). “müstiliste olluste” - pikaaealisuse eliksiiri, universaalse lahusti jms.otsingud, mitteväärismetallidest kulla saamine. egiptuse, kreeka, araabia, hiina alkeemia.Terviklik keskaegne kultuurinähtus, mitte vähe ja veidralt arenenud keemia.tähtis oli hoopis see, et alkeemik elaks läbi jumaliku loomishetke, arendaks endas jumalikke jooni.Seos kaasaegse keemiaga: avastati ja võeti kasutusele mitmeid lihtaineid ja ühendeid: P4, Zn, NH3, happed (H2SO4, HCl, HNO3 ), orgaanil . ained (etanool, atsetoon , dietüüleeter jt.). arendati laborisisustust ja eksperimenditehnikat: kolvid , retordid, vee- ja liivavannid, kuumutusahjud (atanor). võeti kasutusele destilleerimine, sublimatsioon , pikaajal. Kuumutamine . KEEMIAVALDKONDI ÜHENDAV PERIOOD 16-19saj. Sel perioodil loodi eeltingimised keemia kui teaduse tekkeks. Teadusliku keemia alused: Robert Boyle (1627-1691) Galileo Galilei (1564-1642) - “esimene päristeadlane”
Tähtis etapp keemia kui teaduse arengus oli E. Stahl´i loodud flogistoniteooria periood. Kuigi see teooria osutus vääraks, seostatakse teadusliku keemia teket sageli just flogistoniteooria loomisega . 4 etappi (põimuvad-kattuvad): Iatrokeemia etapp: “ meditsiiniline keemia” Paracelsus (1493- 1541 ) Tehnilise keemia suund: keemiatehnika ja meditsiin, metallurgia , klaas ja keraamika (fajanss ja portselan ), destilleerimisprotsess, pürotehnika, värvimistehnoloogia täiustamine jm. ‘Pneumaatilise keemia’ etapp: gaasid. Robert Boyle (1627-1691) Joseph Black (1728-1799) Alus ‘pneumaatilisele keemiale’: J.B. van Helmont (1577- 1644 ) võttis kasutusele termini gaas (gaz, gas) ja uuris CO2 (gas silvestre, “metsagaas”): happed + lubjakivi, käärimine, põlemine. Töid meditsiinist, iatrokeemiast, pürotehnikast. ) Flogistoniteooria etapp Flogiston (G.Stahl’I järgi) - kõigi põlevate (oksüdeeruvate) ainete komponent , mis põlemisel eraldub. Flogistoniteooria (FT) loojaks oli kuulus saksa arst Georg Ernst (Ernestus) Stahl (1659- 1734 ). Silmapaistvamad esindajad Henry Cavendish (1731-1810) H² Carl Wilhelm Scheele ( 1742 -1786)O² M.Lomonossov-massi säilivuse seadus keemilistes reaktsioonides Flogistonivastase teooria etapp XVIII saj. keemia seoses Lavoisier ’ töödega Antoine Laurent Lavoisier (1743 - 1794) hapniku tegelik roll põlemis- ja oksüdatsioonireaktsioonides (1777): lihtainete (väävli, fosfori, metallide kuumutamine suletud nõudes (koos kaalumisega) - uus tõlgendus (katseid tehtud ka varem). Toetus Scheele ja Priestle katsetele (O2). keemil. elemendi mõiste täpsustus “aine säilivuse seaduse” eksperimentaalne tõestus flogistoniteooria vastane võitlus (alates u. 1774, eriti alates 1783) tööd kalorimeetria alal keemianomenklatuuri loomine jm. KVANTITATIIVSETE SEADUSTE PERIOOD 1800 … 1860 koguselised suhted, kvantitatiivsed vahekorrad - keemiateaduse alus seotud aatom - ja molekulmassidega, molekulivalemitega, keemil. võrranditega Joseph Louis Proust ( 1754 - 1826 ) John Dalton (1766- 1844 ) Joseph Louis Gay- Lussac (1778-1850) Amadeo Avogadro (1776- 1856 )Kordsete suhete seadus(Dalton): Ku kaks keemilist elementi moodustavad teineteisega mitu ühendit, siis ühe ja sama massiga seotud teise elemendi massid (nendes erinevates ühendites) suhtuvad nagu lihtsad täisarvud. Ruumalaliste suhete seadus(Gay-Lussac) Püsivatel tingimustel suhtuvad reageerivate gaaside ruumalad üksteisesse ja reaktsioonis tekkivate gaaside ruumalad nagu lihtsad täisarvud. Avogadro seadus:Samal rõhul ja temp. sisaldavad erinevate gaaside ruumalad ühesuguse arvu molekule. KAASAEGSE KEEMIA PERIOOD 1860 … seniajani Suurimad üldistused ja saavutused valdkondades:Elementide klassifikatsioon ja perioodilisusseadus (D. Mendelejev jt.) Orgaaniliste ühendite struktuuriteooria (Kekulé, Wurtz, Liebig , Butlerov, Pauling jpt.) Füüsikaline keemia: elektrokeemia , lahuste teooria, keemiline termodünaamika ( Gibbs , van´t Hoff , Ostwald, Arrhenius , Nernst jpt.) Aatomi ehituse teooria; aine süvastruktuur (I. ja P. Curie, F.Soddy, E.Ruther- ford , N. Bohr, E.Schrödinger jpt.) Tohutud edusammud sünteeskeemia valdkonnas Füüsikalised uurimismeetodid (raadiospektroskoopia, massispektroskoopia, röntgenstruktuuranalüüs, elektronmikroskoopia eritehnikad, neutronaktivatsioonanalüüs jpt.) Keemiatööstus (eriti väetised, plastid , ravimid, metallid) Joseph Louis PROUST(1754-1826) Prantsuse keemik , varasest lapse-põlvest seotud farmaatsiaga (isal apteek ); hiljem apteegi juhataja.- Keemiaprofessor Madriidis (1791-1808)- Alates 1816 - Pariisi TA liege Põhisaavutused: kvantitatiivsed ekspe-rimendid, mis viisid (hiljem) kordsete suhete seaduse formuleerimisele.- näitas, et ained ei reageeri üksteisega mistahes vahekorras (nagu arvas Berthollet ) John DALTON(1766-1844) Ingl. keemik ja füüsik, paljude akad. organi-satsioonide liige. Autodidakt; uuris paljusid alasid (sh. füsioloogiat: daltonism ).Atomistlik-molekulaarse teooria üks rajajaid .Põhisaavutused:- kordsete suhete seadus- mitmete gaasiseaduste avastamine- koostas esimese tabeli tähtsamate elementide suhtel . aatommasside kohta (vesinikühiku alusel)- määras elementide kvantitat. suhteid erinevates ainetes (sageli ebaõiged - - vee valem HO) “Keemilise filosoofia uus süsteem”(1808-1827) - kuulus ja oluline raamat Joseph Louis GAY-LUSSAC(1778-1850)Prantsuse keemik ja füüsik, Pariisi TA liige ja president . Põhitööd: gaasiseadused näitas esimesena, et happed ei pea tingimata sisaldama vesinikku. tuvastas analoogia Cl ja I vahel, uuris joodiühendeid ja HF eraldas vaba boori B2O3-st (koostöös, 1808), sõltumatult Davy ’st sai Na,K elektrolüüsil, uuris Na, K, Ca, Ba peroksiide HCN, HHal ja H2S koostis ja analoogia; C2N2 (ditsüaani) saamine esimesena: soolade lahustuvuskõverad vees mahtanalüüsi meetodite arendamine tööstuskeemilised rakendused Amadeo AVOGADRO(1776-1856) Itaalia füüsik ja keemik (autodidakt),hariduselt jurist, üks atomistlik molekulaarse teooria rajajaid. Põhitööd: molekulaarteooria alused (1811) Avogadro seadus (1811) molekulmasside arvutamine; määras esimesena õigesti O, C, N, Cl jt. elementide aatommassid määras paljude teiste ainete (H2O, H2, O2, N2, NH3, NOx, Cl2 jt.) molekulide täpse atomaarkoostise.Paljud tema tööd leidsid tunnustuse alles Karlsruhe kongressil (1860).Humphry DAVY(1778 – 1829) Inglise keemik ja füüsik, Londoni Kuningliku Seltsi liige ( 1803 -st, president 1820-27). Uuris elektrivoolu toimet keemil. ühenditesse, üks elektrokeemia rajajaid.- Avastas ja eraldas (1807-08) elektrolüütiliselt Na, K, Mg, Ca, Ba, Sr (osaliselt amalgaamide kujul). Üks element boori avastajaid. Tõestas (1810), et kloor on element.- N2O: koostis ja valuvaigistav toime.- Esitas (sõltumatult Dulong´ist, 1815) hapete vesinikteooria.- Konstrueeris ohutu kaevanduslambi “Davy lamp”, 1815).- Avastas Pt ja Pd katalüütilise toime, sai esimesena Pt-musta. Jöns Jacob BERZELIUS ( 1779 - 1848) Rootsi keemik ja mineraloog, XIX saj. keemiateaduse erudeeritumaid ja autoriteetsemaid esindajaid. Rootsi Kuningliku TA liige (president 1810-18). Tegeles oma aja üldkeemia kõigi probleemidega. Kontrollis ja tõestas (1810-1816) nii koostise püsivuse kui kordsete suhete seadust anorg . oksiidide ja orgaanil. ühendite suhtes:- Määras (1807-18) 45 keemilise elemendi aatommassi . Võttis esimesena kasutusele (1814) keemil. elementide sümboolika (väheste eranditega säilinud tänapäevani) ja ühendite valemid (1817-1830). Tegeles orgaanil. ühendite elementkoostise süstemaatil. määramisega, uuris mineraale . Avastas elemendid Ce, Se, Th. Võttis kasutusele terminid: allotroopia , isomeeria , katalüüs. AATOMI EHITUS XIX saj. lõpus esimesed kindlad andmed:aatom on liitosake : (välis-) fotoefekt (H.Hertz, 1887-1888) röntgenikiired (C.Röntgen, 1895 ) radioaktiivsus (H. Becquerel , I. ja P. Curie 1896- 1898 ). Nendega seoses elektroni avastamine. Esimene aatomimudel (J.J. Thomson , 1903):Aatomi posit. laeng on ühtl. jaotunud kogu ruumalas (kera   10-10 m), kus teatud kindlatel kaugustel paiknevad elektronid. Eksperiment ei kinnitanud seda mudelit. aatomi planetaarne mudel ( Rutherford , 1911):peaaegu kogu aat. mass koondunud väga väikesesse (10-15m) posit. laetud tuuma. Rutherfordi planetaarne aatomimudel- selgitas -osakeste hajumisnähtusi- ei selgitanud aatomi stabiilsust ega aatomispektrite katkendlikkust (joonspektrid) Bohr: vesinikusarnane (üheelektroniline) aatom.3 postulaati:I Elektron võib liikuda ümber tuuma vaid statsionaarsetel ringorbiitidel II Statsionaarsetel orbiitidel liikudes elektron energiat ei kiirga III Elektron kiirgab või neelab energiat ainult üleminekul ühelt statsionaarselt orbiidilt teisele. AATOMITUUM Prooton ja neutron : nukleonid A( massiarv )=Z(prootonite arv)+N(neutronite arv) isotoobid : ühesugune tuumalaeng (sama element) erinev massiarv.isobaarid:ühesuguse massiarvuga erinevad keemilised elemendid kihilise ehituse teooria- prootonid ja neutronid “vahelduvate kihtidena”(kontsentrilised sfäärid) - neid seovad ülitugevad jõud (tugev interaktsioon , mõjuraadius u. 10-15m) Tuumajõud on väga palju tugevamad kui elektronidevahelise mõju jõud- seetõttu jäävad taval. keemil. reaktsioonides tuumad muutumatuks. Tuumade ehitust saab muuta ( tuumareaktsioonid ) nende pommitamisel väga kõrge energiaga osakestega (prootonid, neutronid, -osakesed, teised tuumad jne.).Tuumade kihilise ehituse teooria järgi sõltub tuumade püsivus (stabiilsus) märgatavalt Z/N suhtest:stabiilsemad on tuumad, kus vastavad nukleonide kihid on täielikult täitunud - maagilised tuumad. Massidefekt - Aatomi mass peaks võrduma stabiilsete komponentosakeste (elektronid, prootonid, neutronid) massiga. Tegelikult esineb kõigi elementide puhul ‘puudujääk’ ( 1%) Massidefekti moodustab energiana eraldunud massi osa.E=mc²(energia ja massi ekvivalentsuse seadus- Einstein )Mia suurem on atud tuuma moodustumise massidefekt, seda stabiilsem on tuum. Elementaarosake -on struktuuriga või struktuurita mikroosake, mis võtab kõigist nüüdisajal tuntud füüsikalistest protsessidest osa jagamatu tervikuna .Kvarkmudel-EO käsitlus, mille kohaselt hadronid(struktuuriga osakesed) koosnevad kvarkidest Radioaktiivsus keemil. elementide aatomituumade iseeneslik lagunemine . H.Becquerel (1896) alfakiirgus - kiirgub alfaosake(prootonite arv väheneb 2võrra)(He-tuumad) beetakiirgus – eraldub elektron(prootonite arv väheneb 1 võrra)(elektronid)gammakiirgus –lühilaineline elektromagnetkiirgus .Radioaktiivlagunemine allub eksponentseadusele. Poolestusaeg- keskmine aeg, mis kulub aatomite arvu kahekordseks vähenemiseks-see on sõltumatu radioakt. aatomite algkogusest; α-lagunemine-isel. Raskematele tuumadele β-lagunemine-võib eralduda elektrin(N>Z) või positron(N0  saab kiirandada vaid võimalikke reaktsioone. Lahuste liigid: Lahuste klassifikatsiooni võimalused: *osakeste suuruse alusel (tõelised ja kolloidlahused jt.). * agregaatoleku alusel (gaasilised, vedelad, tahked lahused ; faasid võivad ka erineda : gaas metallis jt. tahkistes,vedelik tahkes jne.). *küllastumisastme alusel (küllastumata, küllastunud, üleküllastunud). Lahustumise määra isloomustab konsentratsioon. Kolloidlahused: Iseloomulikb heterogeensus : dispergeeritud faasil (kolloidosakestel) ja dispersioonikeskkonnal on erinevad omadused. Kolloidosake - väga väike (ei sadestu või sadestub väga aeglaselt), küllaltki suur (dispersioonikeskkonna molekulidega võrreldes), mass 104 - 106 aatommassi ühikut (orienteeruvalt). Kolloidlahused on pikaajaliselt stabiilsed. (Tydalli efekt) Liigitus peam. kolloidosakese ja dispersioonikeskkonna agregaatoleku või vastastiktoime alusel. Liigitus agregaatoleku järgi: aerosoolid (tahke,vedel gaasis), soolid(dispersiooniKK vedel), vahud(gaas vedelikus ), dispKK tahke(vahtplasi, pimss). Lüofoobsed kolloidid : dispergeerunud osakesed nõrgas vastastoimes lahustiga, seetõttu suhteliselt ebapüsivad. Saadakse kondenseerumismeetodil(keem reakts ) ja dispergeerimismeetod ( saavutatakse vajalik peenestusaste mehaanilisel peenestamisel või elektrikaares vedelikus) Lüofiilsed kolloidid: osakesed tugevas vastastoimes dispersiooniKK-ga Adsorptsioon: aineosakeste kogunemine faasi sisemusest faaside piirpinnale, Protsessi eksotermilisuse tõttu väheneb adsorbeerunud aine hulk temperatuuri tõusmisel ja suureneb temperatuuri alanemisel. Iseeneslik protsess, kaasneb energia eraldumine. Neil protsessidel suur tähtsus: ainete puhastamisel, heterogeenses katalüüsis, kromatograafias, sõjanduses(gaasitorbik). Lahustumise seaduspärasused:1)gaaside korral: a)sõltuvus rõhust: gaasi lahustuvus vedelikus on võrdeline tema osarõhuga lahuse kohal, seega Mia kõrgem gaasi rõhk vedeliku kohal, seda rohkem ka selles vedelikus lahustub. Org. lahustites lahustavad gaasid sageli suuremal määral kui vees. b)gaasi lahustuvus temp tõustes vähenb c) Elektrolüüdi lisamisel lahustile gaaside lahustuvus selles väheneb. 2)vedelike lahustumine vedelikes: tõuseb temp tõustes, halb lah org lahustites N:benseen 3)tahkete ainete lahustuvus vedelikes: kõik ained on üksteises lauhustuvad, ainult lahustumise määr võib erineda. Mitteelektrolüütide lahused: Ideaallahus: vastastiktoime ühe- ja eriliigil. Osakeste vahel ühesugune (intermolekulaarsed jõud lahuses samad, mis puhtas aineski ei põhjusta soojuse teket ega ruumala muutust). Lõpmata lahja lahus: lahustunud aine osakesed on üksteisest nii kaugel, et nende vahel. vastasmõju puudub. Raoult’I seadus (1882- 1886 ) komponendi aururõhk vedela lahuse kohal on võrdne vastava puhta komponendi aururõhu ja tema kontsentratsiooni korrutisega lahuses. Ebullioskoopilisel nähtusel on praktiline tähtsus: see võimaldab määrata lahustunud aine molekulmassi. Molekulmassi määramise krüoskoopiline meetod on (taval.) täpsem ja usaldusväärsem kui ebullioskoopiline. Osmoos: - aine iseeneslik kandumine läbi poolläbilaskva membraani, mis eraldab kaht erineva kontsentratsiooniga lahust. Elektrolüütiline dissotsiatsioon : lahustunud aine molekulide täielik või osaline lagunemine katioonideks ja anioonideks. Elektrolüüdid: ühendid, milles aatomid on seotud ioonil. või tugevalt polaarse keemil. sidemega. Elektrolüüdid jagatakse 1) sümmeetrilisteks ja ebasümmeetrilisteks. Otswaldi lahjendusseadus: lahuse lahjendamisel suurenb elektrolüüdi dissotsionatsiooniaste. Aktiivsus: lahuses olevate ioonide efektiivse konts. Iseloomustaja sõltumata kõrvalekalde põhjusest (formaalne suurus). Ühesuguse laenguarvuga ioone moodustavate elektrolüütide korral on ühesuguse ioontugevusega lahjendatud lahustel ka ühesugune aktiivsustegur. Lahustuvuskorrutis : Rasklahustuv sade on tasakaalus vastava küllastunud lahusega. Massitoimeseaduse kohaselt: K= a+ a-: at . (K - tasakaalukonstant , a - aktiivsused). Rasklahustuva elektrolüüdi küllastunud lahuses on tema ioonide kontsentratsioonide korrutis kindlal temperatuuril jääv suurus, mida nimetatakse lahustuvuskorrutiseks (K1). Happelised ja aluselised omadused: Lavoisier (1778) seostas happelisust hapnikusisaldusega. Liebig ( 1837 ) : hapete vesinikteooria ( vesinik asendatav metalliga). Arrhenius (1887) : elektrol . dissots. teooria, mille järgi happed ja alused dissotsieeruvad lahuses vastavateks ioonideks. Brnstedi-Lowry üldistatud prootoniteooria (1923): molekuli või iooni happelised omadused seisnevad võimes loovutada prootoneid teisele osakesele. Lewis : happelis-aluselised reaktsioonid on vastasmõju liik, milles aluse molekuli vaba elektronipaar ühineb happe molekuliga , tekitades kovalentse sideme. Vee dissotsiatsioon ja pH: Vesi on vähesel määral dissotsieerunud ioonideks : 2H2O H3O+ + HO- VD on tugevalt endotermiline. Happelisust-aluselisust ebamugav väljendada arvu 10 astmetena. Lahuse pH: selles lahuses sisalduvate vesinikioonide aktiivsuse negatiivne kümnendlogaritm. (0-7happeline, 7-14 aluseline). Ioonireaktsioonid lahustes: anorg. reaktsioonid (peaaegu eranditult) ioonireaktsioonid org. keemias palju vähem ioonireaktsioonide (lõpuni) kulgemiseks peab nihkuma keemil. tasakaal produktide tekke suunas. Ioonireaktsioonide lõpuni kulgemise (mittepööratavuse) tingimused: Tekib vähelahustuv sade, Tekib lenduv ühend, Kompleksiooni moodustumine, Vähedissotsieeruva ühendi teke Redoksreaktsioonid: elementide oksüd.-aste muutub reakts käigus: üks oksüdeerub, teine redutseerub (elektronkanne). Redoksreaktsioonide (RR) liigitus: Molekulide (ioonide) vahelised, Molekulisisesed, Disproportsioneerumisreaktsioonid. Elektrokeemilised protsessid: Elektrolüüs - lagunemine el-voolu toimel. Metallide suhtelist aktiivsust üksteise suhtes väljendab standardpotentsiaal- suhtel. suurus. Standardpotentsiaalide kasvu rida - METALLIDE PINGERIDA . aktiivsem metall oksüdeerub, passiivsem redutseerub. Korrosioon: - vabade elektronide osavõtul toimuv reaktsioon , milles metall reageerib elektrolüüdilahusega (oksüdeerub, korrodeerub - aktiivsem metall).