Γ Λυκείου Χημεία – Επανάληψη στο 1ο Κεφάλαιο – «Γενική Χημεία Γ Λυκείου» Κ. Καλαματιανός

Το βιβλίο-βοήθημα «Γενική Χημεία για την Γ΄ Λυκείου» περιλαμβάνει την θεωρία (αναλυτικά και συνοπτικά) αλλά και πληθώρα μεθοδολογικά λυμένων ασκήσεων ώστε να βοηθήσει τον υποψήφιο στην προετοιμασία για τις πανελλαδικές.

Σχήμα  20,5 x 29,2

Eξώφυλλο / Εσωτερικό : Τετραχρωμία

Σελίδες: 417

ΙSBN 978-960-93-2031-3

Το βιβλίο απευθύνεται κυρίως στο υποψήφιο για την τριτοβάθμια εκπαίδευση αλλά και σε όσους ενδιαφέρονται να καταλάβουν ή να θυμηθούν βασικές έννοιες στην Χημεία και περιλαμβάνει:

• Όλη την αντίστοιχη θεωρία του σχολικού βιβλίου ενότητα προς ενότητα. Η ύλη παρουσιάζεται αναλυτικά, χωρίς λογικά άλματα και σε μορφή συζήτησης (με παραδείγματα από την καθημερινή ζωή, με ερωτήσεις-απαντήσεις, επεξηγήσεις καθώς και με λυμένα παραδείγματα ασκήσεων). Στόχος είναι να μπορούν να προσεγγίσουν νοηματικά την ύλη με μεγαλύτερη ευκολία οι αναγνώστες
• Περισσότερα από 80 σχήματα/εικόνες έτσι ώστε να διευκολύνεται η κατανόηση, η σύνδεση και η αναπαράσταση των εννοιών που υπάρχουν στο κείμενο
• Την θεωρία των ενοτήτων παρουσιασμένη και με συνοπτικό τρόπο σε μία σελίδα σε μορφή διαγραμμάτων ροής (για την επανάληψη της ύλης κάθε ενότητας).
• Την ύλη προηγούμενων τάξεων που θεωρείται απαραίτητη για την κατανόηση των ενοτήτων (δίνεται με μορφή ενθέτου θεωρίας και με συνοπτικό τρόπο)
• Μεγάλο αριθμό μεθοδολογικά λυμένων ασκήσεων (400 λυμένες ασκήσεις βήμα-βήμα) ώστε να βοηθηθεί η εμπέδωση της ύλης κάθε ενότητας ή ομάδας συγγενών ενοτήτων  Συμπεριλαμβάνονται θέματα των πανελλαδικών εξετάσεων της τελευταίας δεκαετίας
• Λυμένες ασκήσεις – παραδείγματα στο τέλος κάθε ενότητας και η διασύνδεσή τους με αντίστοιχες ασκήσεις στο τέλος κάθε κεφαλαίου
• Πρότυπες και συνδυαστικές ασκήσεις

Το βιβλίο διατίθεται στα παρακάτω βιβλιοπωλεία (μεταξύ άλλων):   

Ιανός (Σταδίου 24, Αθήνα  –  Αριστοτέλους 7, Θεσ/νίκη), Κορφιάτης (Ιπποκράτους 6, Αθήνα), Ελευθερουδάκης,  Πατάκης, Σαββάλας-Βιβλιορυθμός (Ζωοδ. Πηγής 18 & Σόλωνος, Αθήνα), «Βιβλιοεπιλογή» Γ.Χ.  Αναστασάκης (Χαριλάου Τρικούπη 26, Αθήνα) , Βιβλιοχώρα (Χαριλάου Τρικούπη 49, Αθήνα).

 Λεπτομερής περιγραφή του βιβλίου και αποσπάσματα του δίνονται στον παρακάτω ιστότοπο όπου είναι δυνατό να αγορασθεί και σε ειδική προνομιακή τιμή με αντικαταβολή (περιορισμένος αριθμός βιβλίων).  Για τους τρόπους αγοράς του βιβλίου πατήστε εδώ.  Τα έξοδα αποστολής είναι δωρεάν εντός  Ελλάδας για απλό δέμα.

 https://sites.google.com/site/kalamatianosbooks/

Περιοδικός Πίνακας και Ενέργεια Ιοντισμού – Θεωρία

Η θεωρία στο άρθρο αυτό προέρχεται από την ενότητα 1.2.8 του βιβλίου  «Γενική Χημεία Γ΄ Λυκείου Θετικής Κατεύθυνσης» – Κ. Καλαματιανός.   Λεπτομερής παρουσίαση του βιβλίου, αποσπάσματά του και τρόποι αγοράς δίνονται στον ιστότοπο  https://sites.google.com/site/kalamatianosbooks.    

 Το βιβλίο διατίθετα στον παραπάνω ιστότοπο σε ειδική προνομιακή τιμή.

  

 Διατίθεται επίσης στα εξής  βιβλιοπωλεία (μεταξύ άλλων): Ιανός (Αθήνα – Θεσ/νικη), Κορφιάτης, Γρηγόρη, Ελευθερουδάκης,  Πατάκης,  Αναστασάκης, Βιβλιοχώρα.

  

  1.2.8              ΠΕΡΙΟΔΙΚΟΣ ΠΙΝΑΚΑΣ ΚΑΙ ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΙΟΝΤΙΣΜΟΥ

 Στην προηγούμενη ενότητα παρουσιάσαμε τον επιτυχημένο τρόπο με τον οποίο το κβαντομηχανικό πρότυπο για το άτομο ερμηνεύει την μεταβολή της ατομικής ακτίνας καθώς μετακινούμαστε σε μία περίοδο ή ομάδα του περιοδικού πίνακα.

Η χρησιμότητα και η αξία κάθε προτύπου (μοντέλου που έχει αναπτυχθεί από τον άνθρωπο στις φυσικές επιστήμες) είναι η ικανότητά του να ερμηνεύει πειραματικά δεδομένα. Στην ενότητα αυτή θα διαπιστώσουμε πώς το κβαντομηχανικό πρότυπο ερμηνεύει εξίσου καλά πειραματικά δεδομένα που αφορούν την μεταβολή στην ενέργεια ιοντισμού των ατόμων καθώς μετακινούμαστε σε μία ομάδα ή περίοδο του περιοδικού πίνακα.

Σκοπός σε αυτή την ενότητα είναι:

                                 i.      Να κατανοηθεί τι λέμε ενέργεια ιοντισμού και με ποιο τρόπο ένα άτομο αποβάλλει («χάνει») ηλεκτρόνια

                               ii.      Να παρουσιασθεί πώς ο περιοδικός πίνακας και η ηλεκτρονιακή δομή των στοιχείων (κβαντομηχανικό πρότυπο) μας επιτρέπουν να προβλέπουμε την μεταβολή της ενέργειας ιοντισμού κατά μήκος μίας περιόδου ή ομάδας του περιοδικού πίνακα

                              iii.      Να παρουσιασθεί η χρησιμότητα της ενέργειας ιοντισμού και η συσχέτισή της με φυσικές και χημικές ιδιότητες του ατόμου

Η απάντηση στον σκοπό (i) παραπάνω δίνεται από τον ορισμό:

Ενέργεια ιοντισμού (Ε_i)  ονομάζεται η ελάχιστη ενέργεια [1] που απαιτείται για την πλήρη απομάκρυνση ενός ηλεκτρονίου από ελεύθερο άτομο που βρίσκεται σε αέρια φάση και στην θεμελιώδη του κατάσταση.

 Ενέργεια πρώτου ιοντισμού (Ε_i1) ονομάζεται η ελάχιστη ενέργεια που απαιτείται για την πλήρη απομάκρυνση ενός ηλεκτρονίου από ελεύθερο άτομο που βρίσκεται σε αέρια φάση και στην θεμελιώδη κατάσταση.

Για παράδειγμα για το Na(g) η ενέργεια πρώτου ιοντισμού είναι η ενέργεια που χρειάζεται για την αντίδραση:

Na(g)    →   Na⁺(g) + e^–              Ε_i1 > 0

Αντίστοιχα για το Na(g) η ενέργεια δεύτερου ιοντισμού είναι η ενέργεια που χρειάζεται για την αντίδραση:

Na⁺(g)    →    Νa⁺²(g) + e^–          Ε_i2 > 0

Ως μονάδα μέτρησης για την ενέργεια ιοντισμού χρησιμοποιείται το kJ.mol^-1

Όπως φαίνεται και παραπάνω για την απομάκρυνση ενός ή περισσοτέρων ηλεκτρονίων από ένα άτομο πρέπει να δοθεί ενέργεια [2] στα ηλεκτρόνια του ατόμου ώστε να «εξουδετερωθούν» οι ελκτικές δυνάμεις του πυρήνα (οι παραπάνω αντιδράσεις είναι ενδόθερμες καθώς απορροφούν ενέργεια) [3].

Είναι επίσης λογικό να περιμένουμε ότι για τις διαδοχικές ενέργειες ιοντισμού ενός στοιχείου θα ισχύει ότι η ενέργεια που απαιτείται για την απομάκρυνση του πρώτου ηλεκτρονίου θα είναι μικρότερη από την ενέργεια που απαιτείται για την απομάκρυνση του δευτέρου η οποία με την σειρά της θα είναι μικρότερη από την ενέργεια που απαιτείται για την απομάκρυνση του n ηλεκτρονίου ή συνοπτικά  Ε_in >…> Ε_i2 > Ε_i1  καθώς είναι ευκολότερο να απομακρυνθεί ένα ηλεκτρόνιο από ουδέτερο άτομο από ότι από άτομα που έχουν διαδοχικά αυξανόμενο θετικό φορτίο.

Πειραματικά δεδομένα για τις ενέργειες ιοντισμού των στοιχείων της περιόδου 3 δίνονται στον Πίνακα 1-12.

Πίνακας 1‑12:  Διαδοχικές τιμές για τις ενέργειες ιοντισμού, E, για τα στοιχεία της περιόδου 3 του περιοδικού πίνακα (kJ/mol)

Στοιχείο	E1	E2	E3	E4	E5	E6	E7
Na	496	4560
Mg	738	1450	7730
Al	578	1820	2750	11600
Si	786	1580	3230	4360	16100
P	1012	1900	2910	4960	6270	22200
S	1000	2250	3360	4560	7010	8500	27100
Cl	1251	2300	3820	5160	6540	9460	11000
Ar	1521	2670	3930	5770	7240	8780	12000

 

Aπο τον Πίνακα 1-12 προκύπτει για τις διαδοχικές ενέργειες ιοντισμού Ε_i1, Ε_i2, Ε_i3…  για κάθε στοιχείο:

• Ε_i1  < Ε_i2 < Ε_i3… η ενέργεια που απαιτείται για την απομάκρυνση του πρώτου ηλεκτρονίου είναι μικρότερη από την ενέργεια που απαιτείται για την απομάκρυνση του δεύτερου ηλεκτρόνιου που με την σειρά της είναι μικρότερη από την ενέργεια που απαιτείται για την απομάκρυνση του τρίτου ηλεκτρονίου…
• Η ενέργεια ιοντισμού που απαιτείται για την απομάκρυνση ενός ηλεκτρονίου εσωτερικής στιβάδας (που είναι συμπληρωμένη με οκτώ ηλεκτρόνια) είναι πολύ μεγαλύτερη από την ενέργεια που απαιτείται για την απομάκρυνση ηλεκτρονίων της εξωτερικής στιβάδας.

 Για παράδειγμα ας εξετάσουμε το στοιχείο ₁₃Al που η ηλεκτρονιακή δομή του είναι: Ηλεκτρονιακή δομή ₁₃Al:  1s²2s²2p⁶3s²3p¹

Παρατηρούμε στον Πίνακα 1-13 παρακάτω ότι για την απομάκρυνση του εξωτερικού 3p ηλεκτρονίου και τον σχηματισμό του Al⁺ απαιτείται ενέργεια Ε_i1 = 578 kJ/mol. Για την απομάκρυνση του πρώτου 3s ηλεκτρονίου και τον σχηματισμό του Al⁺² απαιτείται ενέργεια Ε_i2 = 1820 kJ/mol ενώ για την απομάκρυνση του δεύτερου 3s ηλεκτρονίου και τον σχηματισμό του Al⁺³ απαιτείται ενέργεια Ε_i3 = 2750 kJ/mol. Για να απομακρυνθεί όμως το τέταρτο ηλεκτρόνιο από την εσωτερική στιβάδα n=2 (υποστιβάδα 2p) και να σχηματισθεί Al⁺⁴ απαιτείται να δοθεί μεγάλη ενέργεια στο άτομο και συγκεκριμένα Ε_i4 = 11600 kJ/mol.

Η μεγάλη αυτή αύξηση στην ενέργεια που απαιτείται για την απομάκρυνση του τέταρτου ηλεκτρονίου μπορεί να εξηγηθεί με τον παρακάτω τρόπο:

• Τα 2p ηλεκτρόνια βρίσκονται ποιο κοντά στον πυρήνα από τα 3s και 3p και έλκονται ισχυρότερα. Επομένως απαιτείται μεγαλύτερη ενέργεια ιοντισμού για την απομάκρυνσή τους
• Η απομάκρυνση ηλεκτρονίου από στιβάδα που είναι συμπληρωμένη με οκτάδα ηλεκτρονίων απαιτεί μεγάλη ενέργεια [4] καθώς η συμπληρωμένη στιβάδα έχει  μεγάλη ενεργειακή σταθερότητα (παρατηρείστε ότι η στιβάδα n=2 είναι συμπληρωμένη με οκτώ ηλεκτρόνια στο ₁₃Al)

 

Πίνακας 1‑13: Ιοντισμός του ατόμου του ₁₃Al και αντίστοιχες ενέργειες ιοντισμού (kJ/mol)

	ΙΟΝΤΙΣΜΟΣ ΤΟΥ 13Al
Στοιχείο	Al       →          Al+      →      Al+2        →       Al+3    →     Al+4
Ηλεκτρονιακή δομή	1s22s22p63s23p1	1s22s22p63s2	1s22s22p63s1	1s22s22p6	1s22s22p5
Ενέργεια που απαιτείται να δοθεί στο στοιχείο για την αποβολή ηλεκτρονίου (e–) (kJ/mol)	+578	+1820	+2750	+11600

Ήδη έχουμε παρουσιάσει και εξηγήσει παραπάνω γιατί στο ίδιο στοιχείο οι διαδοχικές ενέργειες ιοντισμού αυξάνουν.

Τι παρατηρούμε όμως όσο αφορά την ενέργεια ιοντισμού των στοιχείων καθώς μετακινούμαστε στον περιοδικό πίνακα και πώς ερμηνεύονται οι παρατηρήσεις με βάση την ηλεκτρονιακή δομή των ατόμων; (σκοπός ii στην ενότητα 1.2.8).

Για να εξηγήσουμε το γιατί η ενέργεια ιοντισμού διαφέρει από στοιχείο σε στοιχείο πρέπει να προσδιορίσουμε τις παραμέτρους που επιδρούν στην ελκτική δύναμη πυρήνα – ηλεκτρονίων εξωτερικής στιβάδας καθώς όσο μεγαλύτερη η ελκτική δύναμη τόσο μεγαλύτερη η απαιτούμενη ενέργεια ιοντισμού.

Οι παράγοντες αυτοί είναι:

• Η ατομική ακτίνα
•  Το δραστικό πυρηνικό φορτίο

 

Άσκηση – Παράδειγμα  #1-43    

H αντίδραση για την ενέργεια τρίτου ιοντισμού του Ti δίνεται από:

α)  Τi+3 (g) + e–   →    Ti+2 (g)	δ)  Τi (g)    →     Ti+3(g) + 3e–
β)  Τi+2 (g)   →     Ti+3 (g) + e–	ε)  Τi (s)          Ti(g) + e–
γ)  3 Τi (g)   →     3 Ti+(g) + 3e–

 Λύση:

H σωστή απάντηση είναι η (β). Ως ενέργεια τρίτου ιοντισμού ορίζεται η ενέργεια που απαιτείται για την πλήρη απομάκρυνση ενός ηλεκτρονίου από ένα χημικό είδος που βρίσκεται σε αέρια φάση και έχει ήδη «χάσει» δύο ηλεκτρόνια (στην συγκεκριμένη περίπτωση από το Τi⁺²).  Η μόνη αντίδραση που μπορεί να επιλεγεί από τις παραπάνω είναι η (β).

 

Mεταβολή της Ενέργειας Ιοντισμού κατά Μήκος μίας Ομάδας του Περιοδικού Πίνακα 

Καθώς μετακινούμαστε σε μία ομάδα του περιοδικού πίνακα από επάνω προς τα κάτω έχει παρατηρηθεί πειραματικά ότι η ενέργεια ιοντισμού ελαττώνεται. Για παράδειγμα για τις ενέργειες ιοντισμού των στοιχείων της ομάδας 1 παρατηρούμε ότι ισχύει: Li > Na > K > Rb > Cs (Σχήμα: 1-39α)

Δύο είναι γενικά οι παράμετροι σύμφωνα με το κβαντομηχανικό πρότυπο (ηλεκτρονιακή δομή των ατόμων) που καθορίζουν το πόσο ισχυρά έλκεται ένα ηλεκτρόνιο από τον πυρήνα του ατόμου  και παίζουν καθοριστικό ρόλο στην διαμόρφωση της τιμής της ενέργειας ιοντισμού: (θυμηθείτε ότι όσο μεγαλύτερες οι ελκτικές δυνάμεις πυρήνα – ηλεκτρονίου τόσο μεγαλύτερη η ενέργεια ιοντισμού): [5]

• Η ατομική ακτίνα η οποία αυξάνει καθώς μετακινούμαστε σε μία ομάδα του περιοδικού πίνακα από επάνω προς τα κάτω με αποτέλεσμα η έλξη πυρήνα – ηλεκτρονίων εξωτερικής στιβάδας να ελαττώνεται και επομένως η ενέργεια ιοντισμού να ελαττώνεται
•  Το δραστικό πυρηνικό φορτίο το οποίο ενεργεί στα ηλεκτρόνια της εξωτερικής στιβάδας και το οποίο παραμένει σταθερό στα στοιχεία της ίδιας ομάδας (δες επεξήγηση στην ενότητα «Μεταβολή της ατομικής ακτίνας κατά μήκος μίας ομάδας του περιοδικού πίνακα»  στην σελίδα 90)

   

   

Σχήμα 1-39:  α) Ενέργειες 1^ου ιοντισμού των στοιχείων της ομάδας 1 του περιοδικού πίνακα.  Παρατηρούμε ότι η ενέργεια ιοντισμού ελαττώνεται καθώς ο ατομικός αριθμός των στοιχείων αυξάνει (καθώς μετακινούμαστε στην ομάδα από επάνω προς τα κάτω)  β) Ενέργειες 1^ου ιοντισμού των στοιχείων των περιόδων 1 και 2 του περιοδικού πίνακα. Παρατηρούμε ότι οι ενέργειες ιοντισμού αυξάνουν καθώς μετακινούμαστε από αριστερά στα δεξιά στις περιόδους 1 και 2.

Επομένως με βάση τα παραπάνω:

Σε μία ομάδα του περιοδικού πίνακα η ενέργεια ιοντισμού αυξάνει καθώς μετακινούμαστε από κάτω προς τα επάνω.

  

[1] Το ασθενέστερα συνδεδεμένο με τον πυρήνα ηλεκτρόνιο απομακρύνεται πρώτα από το άτομο για τον λόγο αυτό ο ορισμός αναφέρεται στην ελάχιστη ενέργεια. To ασθενέστερα συνδεδεμένο με τον πυρήνα ηλεκτρόνιο(α) είναι το ηλεκτρόνιο(α) της εξωτερικής στιβάδας. Κατά τον ιοντισμό ατόμων πρώτα απομακρύνονται τα ηλεκτρόνια των υποστι-βάδων που έχουν τον μεγαλύτερο κύριο κβαντικό αριθμό (που βρίσκονται στο υψηλότερο ενεργειακό επίπεδο).

[2] Για να «χάσει» ένα άτομο ηλεκτρόνιο(α) πρέπει να του δοθεί ενέργεια όπως π.χ. ακτινοβολία συγκεκριμένης συχνό-τητας, θερμότητα κλπ…

[3] Ενδόθερμη αντίδραση ονομάζεται η αντίδραση στην οποία απορροφάται ενέργεια.

[4] Τα ευγενή αέρια έχουν συμπληρωμένη με 8 ηλεκτρόνια την εξωτερική τους στιβάδα. Σε κάθε περίοδο του περιοδικού πίνακα το αντίστοιχο ευγενές αέριο εμφανίζει την υψηλότερη ενέργεια.

[5] Θυμηθείτε ότι όσο μεγαλύτερες οι ελκτικές δυνάμεις πυρήνα – ηλεκτρονίου τόσο μεγαλύτερη η ενέργεια ιοντισμού.

Οι παράμετροι που επιδρούν στην ενέργεια ιοντισμού είναι: i) το δραστικό πυρηνικό φορτίο ii) η ατομική ακτίνα. Οι παράμετροι αυτοί καθορίζουν πόσο ισχυρά ένα ηλεκτρόνιο έλκεται από τον πυρήνα του ατόμου. Ειδικά σε στοιχεία που βρίσκονται στην ίδια ομάδα του περιοδικού πίνακα η κύρια παράμετρος είναι η ατομική ακτίνα καθώς το δραστικό πυρηνικό φορτίο παραμένει σχεδόν σταθερό.

---

 

Οξέα και Βάσεις: Ορισμοί, Χαρακτηριστικές Ιδιότητες – Θεωρία

Η θεωρία στο άρθρο αυτό προέρχεται από το βιβλίο «Γενική Χημεία Γ΄ Λυκείου Θετικής Κατεύθυνσης» – Κ. Καλαματιανός.  Λεπτομερής παρουσίαση του βιβλίου, αποσπάσματά του και τρόποι αγοράς δίνονται στον ιστότοπο  https://sites.google.com/site/kalamatianosbooks.                                                                                                                                                                                                                           Το βιβλίο διατίθετα στον παραπάνω ιστότοπο σε ειδική προνομιακή τιμή.

 

 Διατίθεται επίσης στα εξής  βιβλιοπωλεία (μεταξύ άλλων): Ιανός (Αθήνα – Θεσ/νικη), Κορφιάτης, Γρηγόρη, Ελευθερουδάκης,  Πατάκης,  Αναστασάκης, Βιβλιοχώρα.

Σκοπός σε αυτή την ενότητα του βιβλίου είναι να παρουσιασθεί:

• Μία σύντομη ιστορική αναδρομή για τα οξέα και τις βάσεις αλλά και η αρχική προσπάθεια κατηγοριοποίησης χημικών ουσιών ως οξέα ή βάσεις ανάλογα με τις χαρακτηριστικές ιδιότητές τους
• Ποιες ενώσεις είναι οξέα και ποιές βάσεις σύμφωνα με τον Arrhenius (θεωρία του Arrhenius)
• Ποιες ενώσεις είναι οξέα και ποιές βάσεις σύμφωνα με τους Bronstead-Lowry (θεωρία των Bronstead-Lowry)
• Ποιές ενώσεις είναι οξέα και ποιές βάσεις σύμφωνα με τον Lewis (Θεωρία του Lewis)

 

Όταν θα έχεις ολοκληρώσει την μελέτη αυτής της ενότητας θα πρέπει να:

• Γνωρίζεις τις χαρακτηριστικές ιδιότητες των οξέων και των βάσεων.
• Γνωρίζεις πώς ορίζεται μία χημική ένωση ως οξύ ή βάση σύμφωνα με την θεωρία του  Arrhenius, του Brönstead-Lowry και του Lewis
• Mπορείς να δώσεις παραδείγματα οξέος ή βάσης όπου η θεωρία του Arrhenius δεν είναι εφαρμόσιμη.
• Γνωρίζεις τις βασικές διαφορές ανάμεσα στις τρεις παραπάνω θεωρίες για τα οξέα και τις βάσεις.
• Eίσαι σε θέση εάν σου δοθεί ο τύπος ενός οξέος ή μίας βάσης να γράψεις τον τύπο των συζυγών τους.

Για απόσπασμα θεωρίας από το βιβλίο δες εδώ. Για την πλήρη θεωρία της ενότητας και τις σχετικές ασκήσεις  δες το βιβλίο «Γενική Χημεία Γ΄ Λυκείου Θετικής Κατεύθυνσης».

Χημεία Γ΄Λυκείου – Ατομικά Πρότυπα – Γραμμικά Φάσματα και το Ατομικό Πρότυπο του Bohr

 

Μέρος της θεωρίας στο άρθρο αυτό προέρχεται από το βιβλίο «Γενική Χημεία Γ΄ Λυκείου Θετικής Κατεύθυνσης» – Κ. Καλαματιανός.  Λεπτομερής παρουσίαση του βιβλίου, αποσπάσματά του και τρόποι αγοράς δίνονται στον ιστότοπο  https://sites.google.com/site/kalamatianosbooks.

Το βιβλίο διατίθετα στον παραπάνω ιστότοπο σε ειδική προνομιακή τιμή.  Διατίθεται επίσης στα εξής  βιβλιοπωλεία (μεταξύ άλλων): Ιανός (Αθήνα – Θεσ/νικη), Κορφιάτης, Γρηγόρη, Ελευθερουδάκης,  Πατάκης,  Αναστασάκης, Βιβλιοχώρα.

Εάν τα άτομα ή τα μόρια θερμανθούν σε κατάλληλα υψηλές θερμοκρασίες εκπέμπουν ακτινοβολία με χαρακτηριστικό μήκος κύματος  (το μήκος κύματος της ακτινοβολίας διαφέρει από άτομο σε άτομο ή από μόριο σε μόριο). Εάν η ακτινοβολία αυτή περάσει μέσα από πρίσμα διαχωρίζεται και δίνει μία σειρά από έγχρωμες γραμμές συγκεκριμένου μήκους κύματος που βρίσκονται επάνω σε ένα μαύρο φόντο. Το οπτικό αυτό φαινόμενο που προκύπτει κατά την ανάλυση μίας φωτεινής δέσμης στα επιμέρους συστατικά μήκη κύματος (ή χρώματά της) ονομάζεται φάσμα. Ειδικά στην περίπτωση που το φάσμα προέρχεται από την ανάλυση εκπεμπόμενης ακτινοβολίας ονομάζεται φάσμα εκπομπής η καλλίτερα γραμμικό φάσμα εκπομπής. 

 

Σχήμα 1: Συνεχές φάσμα, γραμμικό φάσμα εκπομπής, γραμμικό φάσμα απορρόφησης. Στο σχήμα παρουσιάζονται τρεις τύποι φασμάτων. Ένα γραμμικό φάσμα εκπομπής δημιουργείται από την ακτινοβολία που προέρχεται από τα άτομα θερμού αερίου όταν περάσει μέσα από πρίσμα. Ένα συνεχές φάσμα δημιουργείται όταν η ακτινοβολία που προέρχεται από ένα λαμπτήρα περάσει μέσα από πρίσμα. Ένα γραμμικό φάσμα απορρόφησης δημιουργείται όταν η ακτινοβολία που προέρχεται από ένα θερμό σώμα περάσει μέσα από ψυχρό αέριο και κατόπιν μέσα από πρίσμα.Σχήμα 2: Γραμμικά φάσματα εκπομπής των στοιχείων Na, Hg, Li, και Η. Παρατηρείται η μοναδικότητα του κάθε φάσματος.

 

Το γραμμικό φάσμα κάθε στοιχείου είναι μοναδικό (Σχήμα 2).  Αποτελεί κατά αναλογία ένα είδος «δακτυλικού αποτυπώματος» για το στοιχείο αυτό και χρησιμοποιείται για την χημική αναγνώρισή του. Για παράδειγμα, το 1868 το γραμμικό φάσμα εκπομπής του στοιχείου ηλίου (He) χρησιμοποιήθηκε για την αναγνώριση του στοιχείου αυτού στον δακτύλιο του ήλιου. Αργότερα το ήλιο (He) αναγνωρίσθηκε και στην ατμόσφαιρα της γης.

H επεξήγηση της μοναδικότητας των γραμμικών φασμάτων των στοιχείων, γνωστή από τον 17^ο αιώνα, ερμηνεύθηκε για πρώτη φορά από το ατομικό πρότυπο του N. Bohr (1913). Με βάση το ατομικό πρότυπο του Bohr «ενέργεια συγκεκριμένης συχνότητας για κάθε άτομο στοιχείου εκπέμπεται για να μεταπηδήσει ένα ηλεκτρόνιό του από ένα ψηλότερο σε ένα χαμηλότερο ενεργειακό επίπεδο (π.χ. από την τροχιά με n = 3 στην τροχιά με n =1)». Αυτό συμβαίνει γιατί διαφέρουν τα ενεργειακά τους επίπεδα ή απλά θα λέγαμε διαφέρουν οι αποστάσεις των ηλεκτρονιακών τροχιών τους από τον πυρήνα. Η διαφορά ενέργειας μεταξύ των ενεργειακών επιπέδων κάθε στοιχείου είναι μοναδική (δεν συναντάται σε άλλα στοιχεία). Έτσι το γραμμικό φάσμα εκπομπής (ή απορρόφησης) κάθε στοιχείου είναι μοναδικό αφού προκύπτει από την ακτινοβολία που προέρχεται από μεταπηδήσεις ηλεκτρονίων μεταξύ των ενεργειακών επιπέδων του που οι διαφορές ενέργειας τους είναι μοναδικές.

 

                                                  Σχήμα 2: Γραμμικά φάσματα εκπομπής των στοιχείων Na, Hg, Li, και Η. Παρατηρείται η μοναδικότητα του κάθε φάσματος.

 

 

 

 

Εισαγωγή στην Επιστήμη της Χημείας

 

 

H χημεία ως επιστήμη έχει ένα ευρύτατο αντικείμενο το οποίο διαρκώς εξελίσσεται και επεκτείνεται. Είναι επομένως δύσκολο να δοθεί ένας μοναδικός ορισμός για την επιστήμη αυτή και να μην κινδυνεύει να χαρακτηρισθεί ελλιπής.

Με τι ακριβώς ασχολείται η Χημεία και ποιος είναι ο ορισμός της;

 Είναι δύσκολο να δώσει κανείς ένα ορισμό για την Χημεία που να περιγράφει ικανοποιητικά και στο σύνολο της την επιστήμη αυτή. Οι κύριοι λόγοι είναι ότι έχει μεγάλο εύρος και ότι διαρκώς αναπτύσσεται και επεκτείνεται σε νέα πεδία.

Εάν επιχειρηθεί λοιπόν να δοθεί ένας απλός ορισμός θα ήταν ότι είναι η επιστήμη που ασχολείται με τις χημικές ουσίες, την δομή και τις ιδιότητές τους καθώς και με τις μεταβολές τους .

 Η χημεία, όπως και οι άλλες φυσικές επιστήμες, προσπαθεί να δώσει απαντήσεις για τον φυσικό κόσμο που μας περιβάλλει. Πρακτικά, αποτελούμαστε αλλά και περιστοιχιζόμαστε από τα άτομα των χημικών στοιχείων και από εκατομμύρια ενώσεις τους. 

Ποιες ερωτήσεις σχετικά με τις χημικές αυτές ουσίες προσπαθεί να απαντήσει  η χημεία;

•  Κάποιες από τις ερωτήσεις που προσπαθεί να απαντήσει είναι για παράδειγμα, γιατί ορισμένα άτομα ενώνονται  μεταξύ τους ή με άλλα άτομα;  Για παράδειγμα στο Σχήμα 1 παρουσιάζεται φωτογραφία αντίδρασης του Na με το Η2Ο όπου σχηματίζεται ΝaOH και H2, δηλαδή το Na ενώνεται με το O από το H2O και τα άτομα Η μεταξύ τους.
•    Ποιες είναι οι ιδιότητες  μίας  χημικής ένωσης;
• Πώς μπορεί να προβλεφθεί το σχήμα ενός μορίου (ή διάταξη των ατόμων του στο χώρο);
• Πώς μπορεί να παρασκευασθεί μία χημική ένωση;
• Γιατί μερικές χημικές αντιδράσεις πραγματοποιούνται γρήγορα ενώ άλλες με πολύ αργό ρυθμό; Για παράδειγμα η αντίδραση του Na με το H2O πραγματοποιείται ταχύτατα και εκλύεται θερμότητα ( Σχήμα 1 ).
• Κατά την διάρκεια μίας χημικής αντίδρασης μετατρέπονται τα αντιδρώντα πλήρως σε προϊόντα ή μόνο κατά ένα ποσοστό;
• Πώς μπορεί να προσδιορισθεί η σύσταση μίας άγνωστης χημικής ουσίας;

Σχήμα 1: Το Νa αντιδρά με το νερό και σχηματίζεται NaOH και υδρογόνο

 

Οπως προκύπτει από τα παραπάνω η χημεία ασχολείται με τον φυσικό κόσμο, με την ύλη ποιο συγκεκριμένα, αλλά και με τα άτομα από τα οποία αποτελείται.

Η χημεία ασχολείται επομένως με τον μικρόκοσμο ή με τον μακρόκοσμο;

Η χημεία όπως όλες οι φυσικές επιστήμες μελετά την φύση και ποιο συγκεκριμένα την ύλη. Επομένως ασχολείται με τον μακρόκοσμο. Για να προσδιορίσει όμως τα χαρακτηριστικά και τις ιδιότητες της ύλης  χρειάζεται να μελετήσει τις ιδιότητες των ατόμων και των υποατομικών σωματιδίων καθώς και των μορίων από τα οποία αποτελείται. Επομένως ασχολείται και με τον μικρόκοσμο. Για παράδειγμα η τρύπα του όζοντος μπορεί να χαρακτηρισθεί ως μακροσκοπικό φαινόμενο. Εχει αποτυπωθεί σε δορυφορικές φωτογραφίες/αναπαραστήσεις  ως οι περιοχές με χαμηλές συγκεντρώσεις όζοντος στην στρατόσφαιρα (η λέξη τρύπα δεν χρησιμοποιείται από τους επιστήμονες κυριολεκτικά αλλά ως μεταφορά για να υποδηλωθεί η ελάττωση της συγκέντρωσης του όζοντος κάτω απο τα ιστορικά όρια των 220 Dobson units – στις κατάλληλα επεξεργασμένες αναπαραστήσεις οι περιοχές αυτές που έχουν χαμηλή συγκέντρωση όζοντος σύμφωνα με τις μετρήσεις αναπαραστώνται με μπλέ-μώβ χρώμα (Σχήμα 2)).  Η χημεία δεν εξετάζει όμως το φαινόμενο της τρύπας του όζοντος μόνο μακροσκοπικά δηλαδή με το να μετρήσει συγκεντρώσεις του όζοντος  και να τις αποτυπώσει στο χαρτί αλλά  προσπαθεί να κατανοήσει και να ερμηνεύσει το μηχανισμό, τις αντιδράσεις και τις χημικές ουσίες που συμμετέχουν στην δημιουργία του (Σχήμα 3).  Εξετάζει επομένως το φαινόμενο και σε επίπεδο μικρόκοσμου.

Σχήμα 2: Επάνω: Η τρύπα του όζοντος όπως αναπαρίσταται με βάση τις συγκεντρώσεις του στην στρατόσφαιρα στις 17-09-1997    Κάτω: Η τρύπα του όζοντος όπως αναπαρίσταται με βάση τις συγκεντρώσεις του στην στρατόσφαιρα στις 26-09-2009

 

 

 

 

Σχήμα 3:  Προτεινόμενος μηχανισμός αντιδράσεων για την εξήγηση του φαινομένου της δημιουργίας της τρύπας του όζοντος

 

 

Πριν να εξετάσουμε από χημικής πλευράς την ύλη είναι απαραίτητο να γνωρίζουμε από τι αποτελείται. Είναι γνωστό εδώ και χιλιάδες χρόνια, ότι μερικές ουσίες μπορούν να διασπασθούν σε απλούστερες με θέρμανση ή χημική επεξεργασία έως ένα ορισμένο σημείο όπου μετά είναι αδιαίρετες με χημικά και φυσικά μέσα. Οι αδιαίρετες αυτές ουσίες ονομάζονται στοιχεία η καλλίτερα άτομα των στοιχείων.

Η ιδέα του ατόμου ως του μικρότερου αδιαίρετου σωματιδίου της ύλης είναι γνωστή από την αρχαιότητα και είχε προταθεί από τον Δημόκριτο (460-370 π.Χ.) (η λέξη άτομο προέρχεται από

 

Δημόκριτος (460-370 π.Χ.)

 το στερητικό –α και το τέμνω και σημαίνει κάτι που δεν μπορεί να διαιρεθεί επιπλέον). Σύμφωνα με τον Δημόκριτο «η ύλη συντίθεται από αδιαίρετα σωματίδια τα άτομα τα οποία ενώνονται μεταξύ τους με διαφορετικούς συνδυασμούς σχηματίζοντας όλα τα υλικά σώματα που μας περιβάλλουν». Αν και η θεωρία του Δημόκριτου για το άτομο και την ύλη αποτελούν ακόμη και σήμερα θεμέλιο λίθο της επιστήμης, η αντίληψή μας για το άτομο έχει αλλάξει λόγω του έργου του Ε. Fermi. Σήμερα γνωρίζουμε ότι το άτομο είναι διαιρετό και μάλιστα ότι κατά την διάσπασή του εκλύονται τεράστια ποσά ενέργειας.

Η μελέτη των ιδιοτήτων των ατόμων των αερίων από τον J. Dalton τον 19 αι. άνοιξε τον δρόμο για την μελέτη του ατόμου στην σύγχρονη εποχή και την διατύπωση των σύγχρονων ατομικών προτύπων. Σύμφωνα με τον J. Dalton (1808) «κάθε χημικό στοιχείο αποτελείται από μικροσκοπικά αδιαίρετα, μη καταστρεφόμενα σωματίδια τα άτομα. Όλα τα άτομα του ίδιου στοιχείου είναι όμοια μεταξύ τους, έχουν το ίδιο ατομικό βάρος και άλλες κοινές ιδιότητες»

                                                                                                                           

Ακολούθησαν τα ατομικά πρότυπα του J. J. Thomson (1897), του Rutherford (1911) και του Ν. Bohr (1913) τα οποία συνέβαλαν σημαντικά στην προσπάθεια περιγραφής του ατόμου και στην

 σημερινή αντίληψη για το άτομο (κβαντομηχανικό πρότυπο).

Το 1926 προτάθηκε το κβαντομηχανικό πρότυπο του ατόμου το οποίο και έγινε τελικά αποδεκτό από όλους ως το πληρέστερο πρότυπο. Στην δεκαετία 1920-1930 επιτεύχθηκε η μέτρηση της μάζας και ο προσδιορισμός του μεγέθους αρκετών ατόμων των γνωστών έως τότε στοιχείων. Έως το 1970 αναπτύχθηκαν νέες τεχνικές που επέτρεψαν πλεόν την απεικόνιση μεμονωμένων ατόμων. Μία από αυτές είναι η Μικροσκοπική  Σάρωση Σήραγγας με την οποία  στο Σχήμα 4 έχει απεικονισθεί ένα άτομο κοβαλτίου (Co) επάνω σε μία χάλκινη επιφάνεια (περισσότερες πληροφορίες στην δημοσίευση του NIST).

 

Σχήμα 4: Απεικόνιση ατόμου Co επάνω σε χάλκινη επιφάνεια με την τεχνική της Μικροσκοπικής Σάρωσης Σήραγγας

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Χημεία Γ΄ Λυκείου: Λυμένες Ασκήσεις σχετικές με το Κβαντομηχανικό Πρότυπο του Ατόμου και με την Δόμηση Πολυηλεκτρονικών Ατόμων

Oι ασκήσεις προέρχονται από το βιβλίo-βοήθημα «Γενική Χημεία για την Γ΄ Λυκείου Θετ. Κατεύθυνσης»  του Κ. Καλαματιανού.  Λεπτομερής παρουσίαση του βιβλίου και αποσπάσματά του δίνονται στον ιστότοπο:  https://sites.google.com/site/kalamatianosbooks/

Χημεία Γ΄Λυκείου: Μεθοδολογία και Ασκήσεις σχετικές με ακτινοβολία και άτομο καθώς και με το ατομικό πρότυπο του Bohr

Η μεθοδολογία και οι ασκήσεις προέρχονται από το βιβλίo-βοήθημα «Γενική Χημεία για την Γ΄ Λυκείου Θετ. Κατεύθυνσης»  του Κ. Καλαματιανού. Λεπτομερής παρουσίαση του βιβλίου και αποσπάσματά του δίνονται στον ιστότοπο:  https://sites.google.com/site/kalamatianosbooks/

Το βιβλίο διατίθετα στον παραπάνω ιστότοπο σε ειδική προνομιακή τιμή.  Διατίθεται επίσης στα εξής  βιβλιοπωλεία (μεταξύ άλλων): Ιανός (Αθήνα – Θεσ/νικη), Κορφιάτης, Γρηγόρη, Ελευθερουδάκης,  Πατάκης,  Αναστασάκης, Βιβλιοχώρα

  

Βιβλίο "Γενική Χημεία για την Γ΄Λυκείου Θετ. Κατεύθυνσης"

 

Μεθοδολογία #1: 

Ασκήσεις σχετικές με την απορρόφηση ή εκπομπή ακτινοβολίας από το άτομο – Ασκήσεις σχετικές με το ατομικό πρότυπο του Bohr 

 

Στην περίπτωση που για μία ακτινοβολία μας ζητείται μία από τις παραμέτρους Ε (ενέργεια), ν (συχνότητα), λ (μήκος κύματος) ενώ μας δίνονται οι υπόλοιπες ακολουθούμε την Μέθοδο Α:

Μέθοδος A 

 Βήμα Ι : Γράφουμε τα δεδομένα και τα ζητούμενα της άσκησης

Βήμα ΙI:  Γράφουμε την σχέση(εις) που συνδέει τα δεδομένα και τα ζητούμενα

 Συνήθως στην περίπτωση αυτή είναι η:

• Ε = h.ν  (Σχέση [1.3])
• και η: c = ν.λ  (Σχέση [1.2]) 

 Βήμα ΙII: Προσδιορίζουμε τις άγνωστες παραμέτρους στις σχέσεις στο Βήμα Ι και αντικαθιστούμε κατάλληλα με γνωστές παραμέτρους ώστε να προκύψει μία σχέση με μία και μοναδική άγνωστη παράμετρο την ζητούμενη παράμετρο (λύνουμε το σύστημα των δύο εξισώσεων (σχέσεων) ως προς την άγνωστη παράμετρο)   

 Βήμα ΙV: Αντικαθιστούμε στην σχέση στο Βήμα ΙΙΙ  τις τιμές που δίνονται από την άσκηση για τις γνωστές παραμέτρους και υπολογίζουμε την ζητούμενη παράμετρο.

 Δες Άσκηση – Παράδειγμα: 1-1 και 1-2

Στην περίπτωση που μας ζητούνται οι παράμετροι ν (συχνότητα), λ (μήκος κύματος),  Ε(ενέργεια) ακτινοβολίας που εκπέμπεται ή απορροφάται κατά την μεταπήδηση ενός ηλεκτρονίου του ατόμου του υδρογόνου από μία ενεργειακή στάθμη (n_i) σε μία άλλη ενεργειακή στάθμη (n_f) ακολουθούμε την Μέθοδο Β:

 Μέθοδος Β

 Βήμα Ι : Γράφουμε τα δεδομένα και τα ζητούμενα της άσκησης

Βήμα ΙI:  Γράφουμε την σχέση(εις) που συνδέει τα δεδομένα και τα ζητούμενα

• Συνήθως στην περίπτωση αυτή είναι η:

  ν = |E_f – E_i | /  h    = | – (2,18 . 10^-18 / h) . (1/n_f² – 1/n_i²)|    (Σχέση [1.6])

 Βήμα ΙII: Αντικαθιστούμε τις τιμές για τις ενεργειακές στάθμες (n_i) και (n_f) που είναι γνωστές στην σχέση στο Βήμα ΙΙ  και υπολογίζουμε την συχνότητα της ακτινοβολίας (ν)

 Βήμα ΙV: Υπολογίζουμε την ενέργεια (Ε) και το μήκος κύματος (λ) της ακτινοβολίας χρησιμοποιώντας τις σχέσεις [1.3] και [1.2] αντίστοιχα.

 Δες Άσκηση – Παράδειγμα: 1-4

 

Άσκηση – Παράδειγμα  #1-1  

Ακτινοβολία έχει ενέργεια 5,0 . 10^-19 J. Ποιο είναι το μήκος κύματος της ακτινοβολίας σε nm; (Δίνεται ότι h.c = 1,982 . 10^-25 J.m  = 2,0 . 10^-25 J.m )

 

Λύση:

Ακολουθούμε την Μεθοδολογία #1 και την Μέθοδο Α

BHMA	ΕΝΕΡΓΕΙΑ	ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑ	ΣΗΜΕΙΩΣΗ
I	Γράφουμε τα δεδομένα και τα ζητούμενα	ΔΕΔΟΜΕΝΑ             Ε = 5,0 . 10-19 J           1 nm = 10-9 m        h.c  = 2,0 . 10-25 J.m ΖΗΤΟΥΜΕΝΑ λ = ;  (nm)
II	Γράφουμε την σχέση (εις) που συνδέουν τα δεδομένα & ζητούμενα	Ε = h.ν  (1)                           (Σχέση [1.3]) c = ν.λ  και  ν = c/λ  (2)          (Σχέση [1.2])	Παρατηρούμε ότι έχουμε 2 εξισώσεις με 2 αγνώστους. Οι άγνωστοι είναι το ν και το λ (δίνονται με έντονη γραφή)
III	Λύνουμε το σύστημα των δύο εξισώσεων ως προς την ζητούμενη παράμετρο	Εάν όπου ν στην (1) αντικαταστήσουμε την (2):Ε = h.ν  = h.(c/λ) Þ E . λ =h.c Þ  λ = h.c / E  (3)	Στην (3) έχουμε άγνωστο μόνο το λ
IV	Αντικαθιστούμε στην σχέση στο Βήμα ΙΙΙ τις τιμές που δίνονται από την άσκηση και υπολογίζουμε την ζητούμενη παράμετρο	λ = h.c / E  = 2,0 . 10-25 J.m / 5,0 . 10-19 J = 4,0 . 10-7 m = 400 nm

Όμοιες ασκήσεις: 2, 98, 100, 105, 108

 

 

Άσκηση – Παράδειγμα  #1-2   

Ακτινοβολία έχει μήκος κύματος 660 nm. Ποια είναι η ενέργειά της σε Joule (Δίνεται ότι h.c = 1,982 . 10^-25 J.m = 2,0 . 10^-25 J.m );

 

Λύση:

Ακολουθούμε την Μεθοδολογία #1 και την Μέθοδο Α

 

BHMA	ΕΝΕΡΓΕΙΑ	ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑ	ΣΗΜΕΙΩΣΗ
I	Γράφουμε τα δεδομένα και τα ζητούμενα	ΔΕΔΟΜΕΝΑ  λ = 660 nm = 6,6 . 10-7 m1 nm = 10-9 mh.c  = 2,0 . 10-25 J.m ΖΗΤΟΥΜΕΝΑ E = ;  (J)	Γράφουμε τα δεδομένα της άσκησης.Αφού η ενέργεια μας ζητείται σε Joule μετατρέπουμε τα nm σε m σε αυτό το σημείο γνωρίζοντας ότι:1 nm = 10-9 m
II	Γράφουμε την σχέση- (εις) που συνδέουν τα δεδομένα & ζητούμενα	Ε = h.ν  (1)                          (Σχέση [1.3]) c = ν.λ  και  ν = c/λ  (2)         (Σχέση [1.2])	Παρατηρούμε ότι έχουμε 2 εξισώσεις με 2 αγνώστους και επομένως μπορούμε να λύσουμε το σύστημα των 2 εξισώσεων. Οι άγνωστοι είναι το E και το v (δίνονται με έντονη γραφή). Aφου ζητείται το Ε λύνουμε την (2) ως προς ν και αντικαθι-στούμε στην (1).
III	Λύνουμε το σύστημα των δύο εξισώσεων ως προς την ζητούμενη παράμετρο	Εάν όπου ν στην (1) αντικαταστήσουμε την (2):Ε = h.ν  = h.(c/λ)  (3)	Στην (3) έχουμε άγνωστο μόνο το Ε
IV	Αντικαθιστούμε στην σχέση στο Βήμα ΙΙΙ τις τιμές που δίνονται από την άσκηση και υπολογίζουμε την ζη-τούμενη παράμετρο	Ε = h.ν = h.(c/λ) = 2,0 . 10-25 J.m / 6,6 . 10-7 m ==3,0 . 10-19 J

Όμοιες ασκήσεις: 99, 103, 104, 106, 107