Pomorski Wojewódzki Konkurs z Chemii - atom, promieniotwórczość i wiązania

1.Właściwości fizyczne i chemiczne substancji

Właściwości fizyczne bada się bez przemiany substancji w inną: stan skupienia, barwa, zapach, gęstość, temperatura topnienia i wrzenia, rozpuszczalność w wodzie, przewodnictwo prądu i ciepła, twardość. Właściwości chemiczne ujawniają się dopiero w reakcji, gdy powstaje nowa substancja: palność, rdzewienie żelaza, reakcja z kwasem. Np. cukier rozpuszcza się w wodzie (właściwość fizyczna), a silnie ogrzewany zwęgla się (właściwość chemiczna).

2.Piktogramy substancji niebezpiecznych

Piktogram to czarny symbol na białym tle w czerwonej ramce w kształcie rombu. Płomień - substancja łatwopalna; płomień nad okręgiem - utleniająca; wybuchająca bomba - wybuchowa; czaszka i skrzyżowane piszczele - toksyczna; ciecz kapiąca na dłoń i na metal - żrąca; wykrzyknik - szkodliwa lub drażniąca; martwe drzewo i ryba - niebezpieczna dla środowiska; butla - gaz pod ciśnieniem; sylwetka człowieka z gwiazdą na piersi - poważne zagrożenie dla zdrowia (np. rakotwórcza).

3.Gęstość substancji

Gęstość to masa jednostki objętości substancji: $d = \frac{m}{V}$. Przekształcenia: $m = d \cdot V$ oraz $V = \frac{m}{d}$. Jednostki: $\mathrm{g/cm^3}$, $\mathrm{kg/m^3}$, dla gazów często $\mathrm{g/dm^3}$; $1~\mathrm{g/cm^3} = 1000~\mathrm{kg/m^3}$. Woda ma gęstość około $1~\mathrm{g/cm^3}$: substancja o mniejszej gęstości (np. olej) pływa po wodzie, a o większej (np. żelazo) tonie.

4.Stany skupienia i dyfuzja

Substancja może być ciałem stałym, cieczą lub gazem. Przejścia: topnienie (ciało stałe w ciecz), krzepnięcie (ciecz w ciało stałe), parowanie (ciecz w gaz), skraplanie (gaz w ciecz), sublimacja (ciało stałe od razu w gaz, np. jod, suchy lód) i resublimacja (gaz od razu w ciało stałe, np. szron). Dyfuzja to samorzutne mieszanie się drobin substancji dzięki ich ruchowi, np. rozchodzenie się zapachu perfum. Najszybciej zachodzi w gazach i tym szybciej, im wyższa temperatura.

5.Mieszanina jednorodna i niejednorodna

Mieszanina to co najmniej dwie substancje zmieszane ze sobą; każda zachowuje swoje właściwości, a skład może być dowolny. W mieszaninie jednorodnej składników nie da się odróżnić gołym okiem ani pod zwykłym mikroskopem, np. roztwór soli w wodzie, powietrze, stop metali (mosiądz). W mieszaninie niejednorodnej składniki są rozróżnialne, np. piasek z wodą, woda z olejem, siarka z opiłkami żelaza, granit.

6.Rozdzielanie mieszanin niejednorodnych

Sedymentacja - opadanie cięższych cząstek na dno naczynia. Dekantacja - ostrożne zlewanie cieczy znad osadu. Sączenie (filtracja) - przepuszczanie mieszaniny przez sączek, który zatrzymuje nierozpuszczalne cząstki stałe (np. piasek z wody). Rozdzielacz - dla dwóch niemieszających się cieczy o różnej gęstości (woda i olej): dolną ciecz spuszcza się kranikiem. Magnes - oddziela substancje przyciągane przez magnes (opiłki żelaza od siarki).

7.Rozdzielanie mieszanin jednorodnych

Odparowanie rozpuszczalnika i krystalizacja - odzyskanie substancji stałej rozpuszczonej w cieczy (sól z wody morskiej). Destylacja - ogrzewanie mieszaniny ciekłej, skraplanie par w chłodnicy i zbieranie destylatu; wykorzystuje różnicę temperatur wrzenia składników (otrzymywanie wody destylowanej, rozdzielanie ropy naftowej na frakcje). Chromatografia - rozdzielanie barwników dzięki temu, że wędrują po bibule z różną szybkością.

8.Pierwiastek chemiczny a związek chemiczny

Pierwiastek chemiczny to zbiór atomów o tej samej liczbie atomowej $Z$ (tej samej liczbie protonów w jądrze), np. tlen, żelazo; nie da się go rozłożyć na prostsze substancje. Związek chemiczny powstaje w reakcji co najmniej dwóch pierwiastków, ma stały skład i nowe właściwości, np. woda, chlorek sodu. W odróżnieniu od mieszaniny związku nie rozdzielisz metodami fizycznymi - rozkłada się go tylko w reakcji chemicznej.

9.Metale i niemetale

Metale mają połysk metaliczny, dobrze przewodzą prąd i ciepło, są kowalne i ciągliwe; w temperaturze pokojowej są ciałami stałymi (wyjątek: rtęć - ciecz). Niemetale zwykle nie mają połysku, słabo przewodzą prąd i ciepło, w stanie stałym są kruche; mogą być gazami (tlen, azot, chlor), cieczą (brom) lub ciałami stałymi (siarka, węgiel, jod). Wyjątki: grafit (odmiana węgla) przewodzi prąd, a jod ma połysk.

10.Budowa atomu

Atom ma małe, dodatnio naładowane jądro i otaczające je elektrony. W jądrze są protony (ładunek $+1$, masa około $1~\mathrm{u}$) i neutrony (bez ładunku, masa około $1~\mathrm{u}$), razem nazywane nukleonami. Elektrony (ładunek $-1$) mają masę około 1840 razy mniejszą od masy protonu i znajdują się wokół jądra na powłokach elektronowych. Atom jest elektrycznie obojętny, bo ma tyle samo elektronów co protonów.

11.Liczba atomowa $Z$ i liczba masowa $A$

Liczba atomowa $Z$ to liczba protonów w jądrze (w atomie równa liczbie elektronów); wyznacza pierwiastek i jego miejsce w układzie okresowym. Liczba masowa $A$ to suma protonów i neutronów. Liczba neutronów: $N = A - Z$. Zapis nuklidu: $\ce{^{A}_{Z}E}$, np. $\ce{^{23}_{11}Na}$ oznacza atom o 11 protonach, 11 elektronach i 12 neutronach.

12.Izotopy

Izotopy to odmiany tego samego pierwiastka: ich atomy mają tę samą liczbę protonów (to samo $Z$), ale różną liczbę neutronów (różne $A$). Mają prawie takie same właściwości chemiczne, a różnią się masą. Izotopy wodoru: prot $\ce{^1_1H}$ (bez neutronu), deuter $\ce{^2_1H}$ (1 neutron) i tryt $\ce{^3_1H}$ (2 neutrony, promieniotwórczy). Izotopy węgla: $\ce{^{12}_6C}$, $\ce{^{13}_6C}$, $\ce{^{14}_6C}$.

13.Układ okresowy pierwiastków

Współczesny układ okresowy porządkuje pierwiastki według rosnącej liczby atomowej $Z$; właściwości pierwiastków powtarzają się okresowo (prawo okresowości). Pierwszą tablicę okresową ułożył Dmitrij Mendelejew w 1869 r. Pionowe kolumny to grupy (jest ich 18) - pierwiastki jednej grupy mają podobne właściwości. Poziome rzędy to okresy (jest ich 7). Z tablicy odczytasz symbol, nazwę, liczbę atomową i masę atomową pierwiastka.

14.Powłoki elektronowe i elektrony walencyjne

Elektrony zajmują powłoki oznaczane K, L, M, N. Numer okresu to liczba powłok elektronowych w atomie. Elektrony walencyjne to elektrony zewnętrznej powłoki - to one biorą udział w tworzeniu wiązań. W grupach 1 i 2 ich liczba równa się numerowi grupy, a w grupach 13-18 numerowi grupy minus 10 (wyjątek: hel ma 2). Np. siarka (3. okres, 16. grupa) ma 3 powłoki i 6 elektronów walencyjnych.

15.Zapisy $\ce{H}$, $\ce{2H}$, $\ce{H2}$ i $\ce{2H2}$

Cząsteczka to co najmniej dwa atomy połączone wiązaniem chemicznym. $\ce{H}$ - jeden atom wodoru; $\ce{2H}$ - dwa oddzielne atomy wodoru; $\ce{H2}$ - jedna cząsteczka wodoru zbudowana z dwóch atomów; $\ce{2H2}$ - dwie cząsteczki wodoru (razem 4 atomy). Indeks za symbolem mówi, ile atomów jest w cząsteczce, a współczynnik przed wzorem - ile jest atomów lub cząsteczek. Cząsteczki dwuatomowe tworzą m.in. wodór, tlen, azot i chlor.

16.Masa atomowa i masa cząsteczkowa

Masy atomów wyraża się w unitach: $1~\mathrm{u}$ to $\frac{1}{12}$ masy atomu węgla-12, czyli około $1{,}66 \cdot 10^{-24}~\mathrm{g}$. Masę atomową odczytasz z układu okresowego (H - 1 u, C - 12 u, O - 16 u, S - 32 u). Masa cząsteczkowa to suma mas wszystkich atomów w cząsteczce: masę każdego atomu mnożysz przez jego indeks i dodajesz, np. $\ce{H2O}$: $2 \cdot 1~\mathrm{u} + 16~\mathrm{u} = 18~\mathrm{u}$. Indeks za nawiasem mnoży cały nawias: $\ce{Ca(OH)2}$ zawiera 2 atomy O i 2 atomy H.

17.Promieniotwórczość naturalna

Promieniotwórczość (radioaktywność) to samorzutny rozpad nietrwałych jąder atomowych połączony z wysyłaniem promieniowania. Zjawisko odkrył Henri Becquerel w 1896 r., badając sole uranu. W 1898 r. Maria Skłodowska-Curie i Piotr Curie odkryli dwa nowe pierwiastki promieniotwórcze: polon (nazwany na cześć Polski) i rad. Promieniotwórcze są m.in. uran, tor, rad, polon i radon.

18.Promieniowanie alfa ($\alpha$) i przemiana $\alpha$

Promieniowanie $\alpha$ to strumień jąder helu $\ce{^4_2He}$ (2 protony i 2 neutrony, ładunek $+2$). W przemianie $\alpha$ liczba masowa jądra maleje o 4, a liczba atomowa o 2, więc powstaje pierwiastek leżący 2 miejsca wcześniej w układzie okresowym: $\ce{^{238}_{92}U -> ^{234}_{90}Th + ^4_2He}$. Ma najmniejszą przenikliwość - zatrzymuje je kartka papieru lub naskórek.

19.Promieniowanie beta ($\beta^-$) i przemiana $\beta^-$

Promieniowanie $\beta^-$ to strumień elektronów $\ce{^{0}_{-1}e}$, które powstają w jądrze, gdy neutron zamienia się w proton. W przemianie $\beta^-$ liczba masowa się nie zmienia, a liczba atomowa rośnie o 1, więc powstaje pierwiastek leżący jedno miejsce dalej w układzie okresowym: $\ce{^{14}_6C -> ^{14}_7N + ^{0}_{-1}e}$. Przenikliwość jest większa niż $\alpha$ - zatrzymuje je kilkumilimetrowa blacha aluminiowa.

20.Promieniowanie gamma ($\gamma$)

Promieniowanie $\gamma$ to fala elektromagnetyczna o bardzo dużej energii, podobna do promieni rentgenowskich, ale zwykle bardziej przenikliwa. Nie ma ładunku ani masy, więc nie zmienia liczby atomowej ani masowej jądra - jądro pozbywa się nim nadmiaru energii, zwykle zaraz po przemianie $\alpha$ lub $\beta^-$. Ma największą przenikliwość: osłabia je dopiero gruba warstwa ołowiu lub betonu.

21.Promieniowanie $\alpha$, $\beta^-$ i $\gamma$ w polu elektrycznym

Między naładowanymi płytami promieniowanie $\alpha$ (dodatnie) odchyla się w stronę płyty ujemnej, a $\beta^-$ (ujemne) w stronę płyty dodatniej, i to silniej, bo elektrony są bardzo lekkie. Promieniowanie $\gamma$ nie ma ładunku, więc biegnie prosto. Tak doświadczalnie rozdzielono i rozpoznano trzy rodzaje promieniowania.

22.Szereg promieniotwórczy

Gdy jądro powstałe w rozpadzie też jest nietrwałe, rozpada się dalej. Powstaje łańcuch kolejnych przemian $\alpha$ i $\beta^-$ - szereg promieniotwórczy, zakończony trwałym izotopem. Szereg uranu zaczyna się od $\ce{^{238}_{92}U}$, przechodzi m.in. przez rad i radon, a kończy na trwałym ołowiu $\ce{^{206}_{82}Pb}$. Liczbę przemian ustalasz tak: spadek liczby masowej podzielony przez 4 daje liczbę przemian $\alpha$, a przemiany $\beta^-$ wyrównują potem liczbę atomową.

23.Sztuczne przemiany jądrowe

Jądra można przekształcać, bombardując je cząstkami ($\alpha$, protonami, neutronami). Pierwszą taką przemianę przeprowadził Ernest Rutherford w 1919 r.: $\ce{^{14}_7N + ^4_2He -> ^{17}_8O + ^1_1H}$. W 1934 r. Irena i Fryderyk Joliot-Curie otrzymali pierwszy sztuczny izotop promieniotwórczy: $\ce{^{27}_{13}Al + ^4_2He -> ^{30}_{15}P + ^1_0n}$. W każdej przemianie jądrowej suma liczb masowych i suma liczb atomowych po obu stronach równania są takie same.

24.Rozszczepienie i synteza jąder

Rozszczepienie: ciężkie jądro (np. uranu-235) po pochłonięciu neutronu rozpada się na dwa lżejsze jądra, uwalniając 2-3 neutrony i dużo energii. Nowe neutrony rozszczepiają kolejne jądra - to reakcja łańcuchowa, kontrolowana w reaktorach elektrowni jądrowych. Synteza jądrowa (fuzja) to łączenie lekkich jąder w cięższe, np. wodoru w hel we wnętrzu Słońca i innych gwiazd; ona także uwalnia ogromną energię.

25.Okres półtrwania (okres połowicznego rozpadu)

Okres półtrwania $T_{1/2}$ to czas, po którym rozpada się połowa jąder danego izotopu promieniotwórczego obecnych w próbce. Jest stały dla danego izotopu i nie zależy od temperatury, ciśnienia, masy próbki ani od tego, w jakim związku chemicznym jest pierwiastek. Wynosi od ułamków sekundy do miliardów lat, np. jod-131 - około 8 dni, węgiel-14 - około 5730 lat, uran-238 - około 4,5 mld lat.

26.Ile izotopu zostanie po czasie $t$?

Po każdym okresie półtrwania zostaje połowa poprzedniej ilości: po 1 okresie $\frac{1}{2}$, po 2 okresach $\frac{1}{4}$, po 3 okresach $\frac{1}{8}$ masy początkowej. Wzór: $m = m_0 \cdot \left(\frac{1}{2}\right)^{n}$, gdzie $n = \frac{t}{T_{1/2}}$ to liczba okresów półtrwania. Np. z $80~\mathrm{g}$ izotopu o $T_{1/2} = 2$ dni po 6 dniach ($n = 3$) zostanie $10~\mathrm{g}$. Na wykresie: oś pozioma - liczba okresów półtrwania, oś pionowa - procent pozostałego izotopu.

27.Datowanie izotopem węgla-14

Żywe organizmy stale pobierają węgiel z otoczenia, więc zawartość promieniotwórczego $\ce{^{14}C}$ jest w nich stała. Po śmierci organizmu $\ce{^{14}C}$ już nie przybywa i rozpada się z okresem półtrwania około 5730 lat. Mierząc, ile $\ce{^{14}C}$ zostało w kości, drewnie czy tkaninie, oblicza się, ile lat minęło od śmierci organizmu. Metoda nadaje się do szczątków sprzed najwyżej kilkudziesięciu tysięcy lat.

28.Zastosowania izotopów promieniotwórczych

Medycyna: leczenie nowotworów (radioterapia, np. kobaltem-60), badanie i leczenie tarczycy jodem-131, wyjaławianie (sterylizacja) narzędzi i opatrunków. Energetyka: uran-235 jako paliwo elektrowni jądrowych. Przemysł: defektoskopia, czyli wykrywanie pęknięć w spawach i odlewach, oraz czujki dymu. Nauka: ustalanie wieku znalezisk (węgiel-14) i skał (uran). Żywność: napromienianie niszczy drobnoustroje i wydłuża jej trwałość.

29.Zagrożenia i ochrona przed promieniowaniem

Promieniowanie jądrowe jest jonizujące: niszczy cząsteczki w komórkach, uszkadza DNA, może wywołać chorobę popromienną i nowotwory. Szczególnie groźne są źródła $\alpha$ wchłonięte z powietrzem lub pokarmem (np. radon), bo napromieniają tkanki od środka. Ochrona: jak najkrótszy czas przy źródle, jak największa odległość i osłony (papier lub odzież na $\alpha$, aluminium na $\beta^-$, ołów i beton na $\gamma$). Przed źródłem promieniowania ostrzega czarny znak koniczyny na żółtym tle.

30.Średnia masa atomowa

Większość pierwiastków to mieszaniny izotopów, więc masa atomowa w układzie okresowym jest średnią ważoną mas izotopów z uwzględnieniem ich procentowej zawartości w przyrodzie: $m_{at} = \frac{A_1 \cdot p_1 + A_2 \cdot p_2}{100\%}$ ($A$ - masy izotopów, $p$ - ich zawartość w procentach). Dlatego masa atomowa zwykle nie jest liczbą całkowitą i leży bliżej masy izotopu, którego jest więcej. Np. chlor: 75% $\ce{^{35}Cl}$ i 25% $\ce{^{37}Cl}$ daje $35{,}5~\mathrm{u}$.

31.Konfiguracja elektronowa - zapis powłokowy

Elektrony zapełniają powłoki od najbliższej jądra: K, L, M, N. Powłoka o numerze $n$ mieści najwyżej $2n^2$ elektronów (K - 2, L - 8, M - 18), ale na powłoce zewnętrznej jest najwyżej 8 elektronów. Dla pierwiastków o $Z$ od 1 do 20 zapisujesz liczbę elektronów na kolejnych powłokach, np. Na ($Z = 11$): $\mathrm{K^2\,L^8\,M^1}$; Cl ($Z = 17$): $\mathrm{K^2\,L^8\,M^7}$; Ca ($Z = 20$): $\mathrm{K^2\,L^8\,M^8\,N^2}$.

32.Konfiguracja elektronowa - zapis z podpowłokami

Powłoki dzielą się na podpowłoki: s mieści najwyżej 2 elektrony, a p - najwyżej 6 (są też d i f, ważne dla cięższych pierwiastków). Dla $Z \le 20$ podpowłoki zapełniają się w kolejności $\mathrm{1s,\ 2s,\ 2p,\ 3s,\ 3p,\ 4s}$; cyfra to numer powłoki, wykładnik - liczba elektronów. Np. O ($Z = 8$): $\mathrm{1s^2\,2s^2\,2p^4}$; Na ($Z = 11$): $\mathrm{1s^2\,2s^2\,2p^6\,3s^1}$; K ($Z = 19$): $\mathrm{1s^2\,2s^2\,2p^6\,3s^2\,3p^6\,4s^1}$.

33.Oktet, dublet i powstawanie jonów

Gazy szlachetne mają trwałą konfigurację: 8 elektronów na powłoce zewnętrznej (oktet), a hel 2 (dublet). Inne atomy dążą do niej, oddając, przyjmując lub uwspólniając elektrony. Metale oddają elektrony walencyjne i tworzą kationy (jony dodatnie): $\ce{Na -> Na+ + e-}$, $\ce{Mg -> Mg^2+ + 2e-}$. Niemetale przyjmują elektrony i tworzą aniony (jony ujemne): $\ce{Cl + e- -> Cl-}$, $\ce{O + 2e- -> O^2-}$. Jon $\ce{Na+}$ ma konfigurację neonu, a $\ce{Cl-}$ - argonu.

34.Elektroujemność

Elektroujemność to zdolność atomu do przyciągania elektronów tworzących wiązanie. W układzie okresowym rośnie w okresie od lewej do prawej, a w grupie od dołu do góry (gazów szlachetnych się nie uwzględnia). Najbardziej elektroujemny jest fluor (4,0), potem tlen (3,5); najmniej elektroujemne są metale grup 1 i 2, np. sód (0,9). Rodzaj wiązania zależy od różnicy elektroujemności $\Delta E$ łączących się atomów.

35.Wiązanie kowalencyjne niespolaryzowane

Wiązanie kowalencyjne powstaje, gdy dwa atomy niemetali uwspólniają parę (lub pary) elektronów walencyjnych. Gdy atomy mają jednakową lub prawie jednakową elektroujemność (umownie $\Delta E < 0{,}4$), wspólna para leży pośrodku między nimi - to wiązanie kowalencyjne niespolaryzowane (atomowe). Występuje w cząsteczkach pierwiastków: $\ce{H2}$, $\ce{Cl2}$, $\ce{O2}$, $\ce{N2}$. Substancje o takich cząsteczkach nie przewodzą prądu.

36.Wiązanie kowalencyjne spolaryzowane

Gdy łączą się atomy różnych niemetali o różnej elektroujemności (umownie $0{,}4 \le \Delta E < 1{,}7$), wspólna para elektronów jest przesunięta w stronę atomu bardziej elektroujemnego. Ten atom ma cząstkowy ładunek ujemny ($\delta^-$), a drugi - dodatni ($\delta^+$). Przykłady: $\ce{HCl}$, $\ce{H2O}$, $\ce{NH3}$, $\ce{H2S}$, $\ce{CO2}$. Cząsteczka wody jest dipolem, bo ma kształt kątowy i ładunki cząstkowe się nie znoszą.

37.Wiązanie jonowe

Wiązanie jonowe powstaje przy dużej różnicy elektroujemności (umownie $\Delta E \ge 1{,}7$), zwykle między metalem aktywnym a niemetalem. Metal oddaje elektrony, niemetal je przyjmuje, a powstałe kationy i aniony przyciągają się elektrostatycznie: $\ce{Na+}$ i $\ce{Cl-}$ w $\ce{NaCl}$, $\ce{Mg^2+}$ i $\ce{O^2-}$ w $\ce{MgO}$. Związki jonowe to krystaliczne ciała stałe o wysokiej temperaturze topnienia; przewodzą prąd po stopieniu i w roztworze wodnym, ale nie w stanie stałym.

38.Wzór elektronowy (kropkowy)

Wzór elektronowy pokazuje elektrony walencyjne jako kropki lub kreski: wspólna para stoi między atomami, a wolne pary (niebiorące udziału w wiązaniu) - przy atomie. Po uwspólnieniu każdy atom ma oktet, a wodór - dublet. W $\ce{H2O}$ tlen tworzy 2 pary wspólne z wodorami i ma 2 wolne pary; w $\ce{NH3}$ azot ma 3 pary wspólne i 1 wolną parę; w $\ce{HCl}$ chlor ma 1 parę wspólną i 3 wolne pary.

39.Wzór strukturalny i wiązania wielokrotne

Wzór strukturalny pokazuje tylko wiązania: każda kreska to jedna wspólna para elektronów, wolnych par się nie rysuje. Wiązanie pojedyncze to jedna wspólna para, podwójne - dwie, potrójne - trzy: $\ce{H-Cl}$, $\ce{H-O-H}$, $\ce{O=O}$, $\ce{O=C=O}$, $\ce{N#N}$. W metanie atom węgla łączy się 4 wiązaniami pojedynczymi z 4 atomami wodoru. Liczba kresek wychodzących od atomu równa się jego wartościowości.

40.Wartościowość i wzory tlenków

Wartościowość to liczba wiązań, którymi atom łączy się z innymi atomami; zapisuje się ją cyfrą rzymską. Wodór jest zawsze jednowartościowy, a tlen w tlenkach dwuwartościowy. Wzór tlenku układasz na krzyż: wartościowość pierwiastka staje się indeksem tlenu, wartościowość tlenu - indeksem pierwiastka, a indeksy skracasz, np. Al(III) i O(II) dają $\ce{Al2O3}$, C(IV) i O(II) dają $\ce{CO2}$. Nazwa: $\ce{Fe2O3}$ - tlenek żelaza(III), $\ce{SO2}$ - tlenek siarki(IV).