Podstawy Obliczeń Chemicznych.pdf

Podstawy Obliczeń Chemicznych

Z korektą z dnia 08.10.2009

Autor rozdziału: Stanisław Konieczny

Rozdział 1. Podstawowe pojęcia chemiczne

1.1. Jednostki miar

1.1.1. Układ SI

1.1.2. Inne jednostki miar

1.1.3. Przeliczanie jednostek

1.1.4. Cyfry znaczące oraz zasady zaokrąglania liczb

1.2. Wzory związków chemicznych

1.2.1. Struktury Lewisa

1.2.2. Wzory związków jonowych

1.2.3. Wzory związków kowalencyjnych

1.2.4. Ładunek formalny – kryterium prawdopodobieństwa struktur Lewisa

1.3. Mol, masa atomowa, masa cząsteczkowa i masa molowa

1.3.1. Definicja mola

1.3.2. Masa atomowa oraz masa molowa pierwiastków

1.3.3. Masa cząsteczkowa oraz masa molowa cząsteczek

1.1. Jednostki miar

Jednostka miary jest umownie przyjętą i wyznaczoną z dostateczną dokładnością

wartością danej wielkości, która służy do porównania ze sobą innych wartości tej samej

wielkości. Jednostki miar są ustalone arbitralnie – zwyczajowo lub w wyniku porozumień

międzynarodowych. Zbiór jednostek miar wielkości mierzalnych nosi nazwę układu

jednostek miar .

W rozdziale niniejszym oprócz podstawowych jednostek układu SI omówione zostaną

jedynie te jednostki, które stosuje się w skrypcie oraz w trakcie kursu chemii ogólnej

i nieorganicznej. Definicje wszystkich jednostek można znaleźć w większości podręczników

fizyki.

1.1.1. Układ SI

Obowiązującym obecnie w Polsce (od 1966 roku) układem jednostek jest

Międzynarodowy Układ Jednostek Miar – dalej nazywany w skrócie układem SI (z franc.

S ystème I nternational d'Unites). Układ ten definiuje siedem wielkości podstawowych wraz

z ich jednostkami. Symbole jednostek wielkości podstawowych są obowiązkowe, piszemy je

literami prostymi. Przy podawaniu wymiarów wszystkich jednostek nie należy ich odmieniać

przez przypadki ani modyfikować w żaden inny sposób. Nie są one również skrótami, a więc

nie należy za nimi stawiać kropki, chyba że kończy ona zdanie. W układzie SI zaleca się

również (ale zalecenia nie są obowiązkowe), aby symbole dla wielkości podstawowych

i pochodnych pisać pismem pochyłym (zalecane symbole dla wielkości podstawowych

podano poniżej w nawiasie bezpośrednio za ich nazwami).

• Długość (l, x, r, itp ) , której jednostką podstawową jest metr (m) . Metr jest obecnie

zdefiniowany następująco: jest to długość drogi przebytej w próżni przez światło

w czasie 1/299792458 s.

• Masa (m) , której jednostką podstawową jest kilogram (kg) . Kilogram jest to masa

wzorca wykonanego ze stopu platyny z irydem, przechowywanego

w Międzynarodowym Biurze Miar w Sèvres.

• Czas (t) , mierzony w s ekundach (s) . Sekunda jest to czas równy 9192631770

okresom promieniowania odpowiadającego przejściu między dwoma nadsubtelnymi

poziomami (F = 3 i F = 4) stanu podstawowego ( 2 S 1/2 ) atomu cezu 133 Cs.

• Temperatura (T) mierzona jest w kelwinach (K) . Kelwin jest zdefiniowany jako

1/273,16 część temperatury termodynamicznej punktu potrójnego wody.

• liczność (ilość) materii (n) , mierzona jest w molach (mol) . Mol jest to liczność

materii układu zawierającego liczbę cząstek równą liczbie atomów zawartych w masie

0,012 kg 12 C – przy stosowaniu mola koniecznie należy określić rodzaj indywiduów

chemicznych, których w danym momencie określenie mola dotyczy. Tymi

indywiduami mogą być tylko atomy, cząsteczki, jony, elektrony oraz inne cząstki lub

określone zespoły takich cząstek. Pojęcie mola stosuję się również do fotonów.

• jednostką podstawową natężenia prądu (I lub i) jest amper (A) . Amper jest to prąd

elektryczny niezmieniający się, który płynąc w dwóch równoległych prostoliniowych,

nieskończenie długich przewodach o przekroju kołowym znikomo małym,

umieszczonych w próżni w odległości 1 metra od siebie, wywołałby między tymi

przewodami siłę 2·10 -7 niutona na każdy metr długości.

• jednostką podstawową światłości (I v ) jest kandela (cd) . Kandela jest to światłość

źródła emitującego w określonym kierunku promieniowanie monochromatyczne

o częstotliwości 540·10 12 herców i o natężeniu promieniowania w tym kierunku

równym 1/683 wata na steradian.

Podane wyżej definicje obowiązują na podstawie rozporządzenia Rady Ministrów z dnia 30

listopada 2006 r. (Dz.U.06.225.1638).

Twórcy układu SI zdefiniowali również klasę jednostek uzupełniających. Były to dwie

jednostki o charakterze matematycznym: jednostka miary łukowej kąta – radian ( rad ) oraz

jednostka miary kąta bryłowego – steradian ( sr ). W 1995 roku decyzją XX Konferencji

Generalnej Miar i Wag klasa jednostek uzupełniających została połączona z jednostkami

pochodnymi.

Jednostkami pochodnymi są jednostki wszystkich innych wielkości fizycznych

i chemicznych (oraz od 1995 roku – radian i steradian). Niektóre z nich mają swoje własne

nazwy i oznaczenia, na przykład jednostkę ciśnienia obowiązującą w układzie SI nazywamy

paskalem Pa . Jest również wiele jednostek, które nie mają własnych nazw, np. jednostkę

przyspieszenia zapisujemy jako kombinację jednostek podstawowych m/s 2 .

Oprócz jednostek podstawowych i pochodnych w fizyce i chemii używa się również

jednostek wtórnych, które są wielokrotnościami lub podwielokrotnościami jednostek

podstawowych lub pochodnych. Jednostki wtórne tworzy się przez dodanie do nazwy

jednostki podstawowej (pochodnej) odpowiedniego przedrostka, powiązanego z przypisanym

do niego mnożnikiem. Wszystkie używane mnożniki są dowolnymi potęgami liczby 10, ale

zaleca się by stosować wykładniki potęg podzielne przez 3. Wyjątkiem w zasadzie tworzenia

jednostek wtórnych jest kilo gram, dla którego podstawą tworzenia nazw jednostek wtórnych

jest gram. Jest to niewątpliwa niekonsekwencja autorów układu SI, ale wynika ona z uznania

za nadrzędną zasady stosowania jednego przedrostka zwielokrotniającego – w związku z tym

1000 kg zapisuje się nie jako 1 kkg, a wyjątkowo jako 1 Mg (megagram) .

Listę przedrostków i odpowiadających im mnożników zamieszczono w Tabeli 1.1.

Tabel a 1.1. Przedrostki służące do tworzenia jednostek wtórnych układu S I

Przedrostek Symbol* Mnożnik

Jotta Y 10 24

Zeta Z 10 21

Eksa E 10 18

Peta P 10 15

Tera T 10 12

giga G 10 9

mega M 10 6

kilo k 10 3

hekto h 10 2

deka da 10 1

decy d 10 −1

centy c 10 −2

mili m 10 −3

mikro μ 10 −6

nano n 10 −9

piko p 10 −12

femto f 10 −15

atto a 10 −18

zepto z 10 –21

jokto y 10 –24

*Symbole przedrostków zwielokrotniających począwszy od 10 6 pisze się dużymi literami.

1.1.2. Inne jednostki miar

Oprócz jednostek układu SI w literaturze spotykamy się z jednostkami należącymi do

innych układów. Umiejętność czytania i przeliczania danych zapisanych przy pomocy

rozmaitych jednostek jest umiejętnością dość istotną. Wybrane jednostki układów innych niż

układ SI zamieszczono w Tabeli 1.2.

Tabela 1.2. Wybrane wielkości fizyczne i chemiczne i ich jednostki w układach innych niż

układ SI.

Wielkość

jednostka (układ)

symbol

jednostki

przeliczenia

Długość

angstrem

cal (inch)

stopa (foot)

jard (yard)

mila morska (angielska)

in.,"

ft.

yd.

n.mile

1 Å = 10 −10 m

1 in. = 0,0254 m

1 ft. = 0,304800 m

1 yd. = 0,91440 m

1 n.mile = 1853,18 m

Czas

minuta

godzina

doba

rok

min

1 min = 60 s

1 h = 3600 s

1 d = 86400s

1 a = 31 556925,975 s

masa

karat metryczny

cetnar

kwintal

tona

uncja (handlowa)

funt (handlowy)

uncja (aptekarska)

funt (aptekarski)

cetnar

oz.av.

lb.av.

oz.ap.

lb.ap.

1 ct = 0,0002 kg

1 cetnar = 50 kg

1 q = 100 kg

1 t = 1000kg

1 oz.av. = 0,028350 kg

1 lb.av. = 0,453592 kg

1 oz.ap. = 0,031103 kg

1 lb.ap. = 0,37324 kg

pole

(powierzchnia)

hektar

akr (acre)

1 a = 100 m 2

1 ha = 10000 m 2

1 akr = 4046,9 m 2

objętość

(pojemność)

mililitr

litr

pint (angielska)

pint (amerykańska)

l, L

pt.

U.S.pt.

1 ml = 1 cm 3 = 0,000001 m 3

1 l = 1 dm 3 = 0,001 m 3

1 pt. = 0,5682 l = 0,0005682 m 3

1 U.S.pt. = 0,4732 l

= 0,0004732 m 3

1 Imp.gal. = 4,546 l = 0,004546 m 3

1 U.S.gal. = 3,7853 l

= 0,0037853 m 3

1 U.S.bbl = 158,99 l = 0,15899 m 3

galon (angielski)

galon (amerykański)

Imp.gal.

U.S.gal.

beczka (amerykańska – dot.

ropy naftowej)

U.S.bbl

Gęstość

(masa

właściwa)

Kilogram na decymetr

sześcienny

kilogram na litr

gram na centymetr

sześcienny

gram na mililitr

kg/dm 3

1 kg/dm 3 = 0,001 kg/m 3 = 1 g/cm 3

= 1 t/m 3

1 kg/l = 1 kg/dm 3 = 0,001 kg/m 3

1 g/cm 3 = 1 kg/dm 3 = 1000 g/dm 3

= 0,001 kg/m 3 = 1 t/m 3

1 g/ml = 1 g/cm 3

kg/l

g/cm 3

g/ml

ciśnienie

Paskal (niuton na metr

kwadratowy)

tor, milimetr słupa rtęci

Pa, N/m 2

1 Pa = 1 N/m 2 = 0,000009869 atm

= 0,007501 mmHg

= 0,0000101972 at

1 Tr = 1 mm Hg = 133,32 N/m 2

Tr,

mm Hg

atmosfera techniczna

(kilogram-siła na centymetr

kwadratowy)

atmosfera normalna

(atmosfera fizyczna)

bar

(kG/cm 2 )

= 0,001316 atm = 0,001360 at

1kG/cm 2 = 1 at = 98066,5 N/m 2

= 735,559 mm Hg = 735,559 Tr

atm

1 atm = 101325 N/m 2

= 760 mm Hg = 1,03323 at

1 bar = 100000 N/m 2 = 1,01972 at

= 0,9869 atm = 750,062 mm Hg

bar

prędkość

liniowa

metr na sekundę

kilometr na godzinę

węzeł

mila na godzinę

m/s

km/h

n.mile/h

m.p.hr.

m./hr.

1 m/s = 3,6 km/h

1 km/h = 0,2778 m/s

1 n.mile/h = 1,853 km/h

1 m./hr. = 1,6093 km/h

temperatura

Kelvin

stopień Celsjusza

stopień Fahrenheita

K, deg

o C, deg

o F

T K = t C + 273,15

t C = T K – 273,16

tF = 9/5t C + 32

= 9/5T K – 459,67

1.1.3. Przeliczanie jednostek

Mimo rekomendowania podstawowych jednostek układu SI dla definiowania wartości

wielkości fizycznych istnieje cały szereg jednostek pochodnych i wtórnych (patrz rozdz.

1.1.2). Stosowanie ich jest wynikiem tradycji w niektórych dziedzinach nauki i techniki (np.:

o C, L, g, cm 3 ,..itd) bądź stosowaniem innych niż metryczny układów jednostek (np.

jednostki angielskie). Jeśli informacja podana jest w jednostkach innych niż wymagane,

wówczas przeliczamy je na jednostki wymagane stosując procedury przedstawione przed

kolejnymi przykładami.

Przeliczanie jednostek wiąże się z wyznaczeniem odpowiedniego przelicznika, który

możemy zapisać słownie w sposób następujący:

przelicznik =

jednostki

wymagane

1.1

jednostki

podane

Przy wyznaczaniu przelicznika koniecznie należy wykorzystać analizę wymiarową.

Jeśli uda nam się znaleźć właściwą postać przelicznika, wówczas wzór do przeliczania

będzie miał następującą postać:

informacja wymagana = i nformacja podana × przelicznik 1.2

Przeliczanie jednostek jest możliwe w dwóch kierunkach, np.: dla jednostek nm i m

możliwe są dwa przeliczniki – nanometry na metry lub odwrotnie:

przelicznik nanometrów na metry –

[m]

[nm]

lub:

przelicznik metrów na nanometry –

10 9

[nm]

[m]

Jednostka na którą przeliczamy znajduje się zawsze w liczniku wyrażenia. Do obliczeń

wybieramy ten przelicznik, który daje nam bezpośrednio jednostkę wymaganą w danym

problemie. W przelicznikach zaleca się stosowanie dodatnich wykładników potęg, czyli nie

należy zapisać przelicznika metrów na nanometry w taki sposób:

przelicznik metrów na nanometry –

[nm]

−

[m]

chociaż ten przelicznik pozwoli również otrzymać prawidłowy wynik.

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: