Przedmiot to nie to samo co substancja
Chemia zajmuje się substancjami — czyli tym, z czego rzeczy są zrobione.
Łyżeczka to przedmiot. Srebro, z którego ją wykonano, to substancja. Szklanka to przedmiot, szkło to substancja. Z tej samej substancji można zrobić wiele różnych przedmiotów, a jeden przedmiot może być zrobiony z kilku substancji — długopis ma plastikową obudowę, metalową sprężynkę i tusz w środku.
Każdą substancję rozpoznajemy po jej cechach. Jedne widać od razu: barwa, zapach, czy jest ciałem stałym, cieczą czy gazem, w jakiej temperaturze topnieje albo wrze, czy rozpuszcza się w wodzie. Inne widać dopiero wtedy, gdy substancja z czymś zetknie — czy jest palna, czy reaguje z wodą, czy niszczy ją kwas.
Dwa rodzaje zmian
To rozróżnienie wraca w chemii przez cały rok, więc warto je opanować od razu.
Przemiana fizyczna — substancja pozostaje ta sama, zmienia się tylko jej postać. Lód topnieje i robi się woda, ale to nadal woda. Cukier rozpuszczony w herbacie zniknął z oczu, ale gdyby herbatę odparować, cukier by wrócił. Kreda rozkruszona na proszek dalej jest kredą.
Przemiana chemiczna (reakcja) — powstaje coś zupełnie nowego, o innych właściwościach. Drewno spalone w piecu zamienia się w popiół i gaz — nie da się z nich z powrotem zrobić drewna. Żelazo rdzewieje. Mleko kwaśnieje. Ciasto w piekarniku zmienia się w chleb.
Po czym poznać, że zaszła reakcja chemiczna? Zwykle po jednym z czterech znaków: zmienia się barwa, wydziela się gaz, pojawia się osad albo wyraźnie zmienia się temperatura.
Trzy „szufladki”: pierwiastek, związek, mieszanina
Każdą substancję można przyporządkować do jednej z trzech kategorii.
Pierwiastek składa się z jednego rodzaju atomów. Żelazo to same atomy żelaza. Tlen to same atomy tlenu. Pierwiastka nie da się rozłożyć na coś prostszego.
Związek chemiczny powstaje, gdy atomy różnych pierwiastków połączą się ze sobą trwale — i to zawsze w tych samych proporcjach. Woda to zawsze dwa atomy wodoru na jeden atom tlenu, niezależnie od tego, czy pochodzi z kranu, czy z lodowca. Związek ma zupełnie inne właściwości niż pierwiastki, z których powstał: sód to metal zapalający się w kontakcie z wodą, chlor to trujący gaz, a razem tworzą sól kuchenną.
Mieszanina powstaje, gdy substancje po prostu wymieszamy — bez żadnej reakcji. Każdy składnik zostaje sobą, a proporcje mogą być dowolne. Herbata może być słodsza albo mniej słodka i dalej jest herbatą.
Różnica między mieszaniną a związkiem to klasyczne pytanie na sprawdzianie:
| Cecha | Mieszanina | Związek chemiczny |
|---|---|---|
| Proporcje składników | dowolne | zawsze takie same |
| Jak powstaje | przez wymieszanie | przez reakcję chemiczną |
| Właściwości | takie jak składników | zupełnie nowe |
| Jak rozdzielić | sposobem fizycznym | tylko reakcją chemiczną |
Mieszaniny jednorodne i niejednorodne
Jednorodna — składników nie widać, wszystko wygląda na jedną substancję. Woda z solą, powietrze, mosiądz.
Niejednorodna — widać, że to więcej niż jedna substancja. Woda z piaskiem, olej z wodą, granit.
Mieszaninę rozdzielamy, wykorzystując to, czym jej składniki się różnią:
| Sposób | Na czym polega | Kiedy go użyć |
|---|---|---|
| Odstanie i zlanie | cięższy składnik opada na dno | woda z piaskiem |
| Sączenie (filtracja) | jedno przechodzi przez sączek, drugie nie | woda z kredą |
| Odparowanie | woda odparowuje, zostaje to, co było w niej rozpuszczone | sól z wody morskiej |
| Destylacja | składniki wrą w różnej temperaturze | rozdzielenie wody i alkoholu |
| Magnes | jeden składnik przyciąga magnes | opiłki żelaza z piasku |
Symbole pierwiastków, czyli chemiczne skróty
Zamiast pisać „żelazo”, chemicy piszą Fe. To skrót od łacińskiej nazwy pierwiastka — ferrum. Skróty wprowadzono ponad dwieście lat temu, żeby chemicy z różnych krajów mogli się rozumieć.
Zasada zapisu: pierwsza litera zawsze wielka, druga (jeśli jest) zawsze mała. Dlatego Co to kobalt, a CO to tlenek węgla — dwa różne zapisy o zupełnie innym znaczeniu.
Kilka skrótów, które nie przypominają polskich nazw, trzeba po prostu zapamiętać:
| Skrót | Pierwiastek | Skrót | Pierwiastek |
|---|---|---|---|
| Na | sód | Fe | żelazo |
| K | potas | Cu | miedź |
| N | azot | Ag | srebro |
| O | tlen | Au | złoto |
| C | węgiel | Pb | ołów |
| H | wodór | Sn | cyna |
Jak czytać wzór chemiczny
We wzorze liczby mają dwa różne miejsca i dwa różne znaczenia.
Mała cyfra na dole mówi, ile atomów danego pierwiastka jest w jednej cząsteczce. H₂O to cząsteczka złożona z dwóch atomów wodoru i jednego atomu tlenu.
Duża cyfra z przodu mówi, ile jest takich cząsteczek. 3 H₂O to trzy cząsteczki wody.
Uwaga na różnicę: 2 H to dwa osobne atomy wodoru, a H₂ to jedna cząsteczka złożona z dwóch połączonych atomów. To nie to samo.
Co jest napisane w kratce układu okresowego
W tabeli każdy pierwiastek ma swoją kratkę, a w niej cztery informacje: liczbę atomową, skrót, nazwę i masę atomową.
Liczba atomowa (oznaczana literą Z) to liczba protonów, czyli dodatnich cząstek w środku atomu. W atomie obojętnym jest tyle samo elektronów, ile protonów — więc ta jedna liczba mówi od razu o obu.
Masa atomowa po zaokrągleniu do liczby całkowitej daje liczbę masową (literę A). Mówi ona, ile razem jest protonów i neutronów.
Stąd trzy proste rachunki:
- protony = Z
- elektrony = Z
- neutrony = A − Z
Przykład. Glin: w kratce widzimy Z = 13 i masę 26,98, czyli A = 27. Zatem 13 protonów, 13 elektronów i 27 − 13 = 14 neutronów.
Wartościowość, czyli ile atom ma „rączek”
Wartościowość mówi, z iloma innymi atomami dany atom potrafi się połączyć.
Wyobraź sobie, że każdy atom ma pewną liczbę rączek do podania. Wodór ma jedną — zawsze łączy się tylko z jednym partnerem. Tlen ma dwie, azot trzy, węgiel cztery. Wszystkie rączki muszą zostać zajęte: żadna nie może zostać wolna.
Wartościowość zapisujemy cyfrą rzymską. Skąd ją wziąć? Najczęściej podpowiada ją numer kolumny w układzie okresowym:
| Kolumna | Przykładowe pierwiastki | Zwykła wartościowość | Przykładowy związek |
|---|---|---|---|
| 1 | sód, potas | I | Na₂O |
| 2 | magnez, wapń | II | CaO |
| 13 | glin | III | Al₂O₃ |
| 14 | węgiel | IV | CH₄ |
| 15 | azot | III | NH₃ |
| 16 | tlen, siarka | II | H₂O |
| 17 | chlor, fluor | I | HCl |
Niektóre pierwiastki mają zawsze tę samą wartościowość: wodór I, tlen II, sód i potas I, magnez i wapń II, glin III. Inne mają ich kilka — zależnie od tego, z czym się łączą. Żelazo bywa II- albo III-wartościowe, siarka II-, IV- albo VI-wartościowa, a azot w połączeniach z tlenem bywa nawet V-wartościowy. Dlatego w nazwie podaje się to w nawiasie: tlenek żelaza(II) to FeO, a tlenek żelaza(III) to Fe₂O₃.
Jak ułożyć wzór — metoda na krzyż
Zasada jest jedna: liczba rączek musi się zgadzać po obu stronach.
Najprościej zrobić to „na krzyż” — wartościowość jednego pierwiastka zapisujemy jako małą cyfrę przy drugim.
Przykład 1 — glin i tlen. Glin ma III, tlen ma II. Krzyżujemy: przy glinie piszemy 2, przy tlenie 3. Wychodzi Al₂O₃. Sprawdzamy: 2 × 3 = 6 i 3 × 2 = 6. Zgadza się.
Przykład 2 — wapń i tlen. Oba mają II. Po skrzyżowaniu wyszłoby Ca₂O₂, ale obie cyfry można skrócić przez 2. Zostaje CaO.
Przykład 3 — sód i siarka. Sód ma I, siarka II. Wychodzi Na₂S.
To samo działa w drugą stronę. We wzorze N₂O₅ jest pięć atomów tlenu po dwie rączki każdy, czyli 10 rączek. Rozdzielamy je na dwa atomy azotu — po pięć na każdy. Azot jest tu V-wartościowy, a związek nazywa się tlenkiem azotu(V).
Sprawdź się
- Do której szufladki trafią: powietrze, tlen, woda destylowana, mosiądz?
- Topnienie masła to przemiana fizyczna czy chemiczna? A smażenie jajka?
- Atom chloru ma Z = 17 i A = 35. Ile ma protonów, elektronów i neutronów?
- Ułóż wzór związku wapnia (II) z chlorem (I).
- Ile atomów wodoru jest w zapisie 2 H₂O?
Rozwiązania. (1) Pierwiastek: tlen. Związek: woda destylowana. Mieszaniny: powietrze i mosiądz (obie jednorodne). (2) Topnienie masła — fizyczna, masło pozostaje masłem. Smażenie jajka — chemiczna, białko zmienia się nieodwracalnie. (3) 17 protonów, 17 elektronów, 35 − 17 = 18 neutronów. (4) Wapń ma dwie rączki, chlor jedną, więc potrzeba dwóch atomów chloru: CaCl₂. (5) Cztery — dwie cząsteczki po dwa atomy wodoru.
Najważniejsze w sześciu zdaniach
- Pierwiastek to jeden rodzaj atomów, związek to atomy trwale połączone w stałych proporcjach, mieszanina to substancje tylko wymieszane.
- Mieszaninę rozdzielimy sposobem fizycznym, związek — tylko reakcją chemiczną.
- W przemianie fizycznej substancja zostaje ta sama, w chemicznej powstaje nowa.
- Skrót pierwiastka: pierwsza litera wielka, druga mała.
- We wzorze mała cyfra na dole liczy atomy, duża cyfra z przodu liczy cząsteczki.
- Wartościowość to liczba „rączek” atomu; układając wzór, dbamy o to, żeby po obu stronach było ich tyle samo.