Issuu

Др СЛАВОЉУБ ЂУКИЋ

РАДИВОЈ НИКОЛАЈЕВИЋ мр МИЛЕНА ШУРЈАНОВИЋ

ОПШТА ХЕМИЈА ЗА I РАЗРЕД СРЕДЊЕ ШКОЛЕ за гимназије друштвено-језичког смера, за четворогодишње стручне школе у подручјима рада: шумарство и обрада дрвета, машинство и обрада метала, геодезија и грађевинарство, саобраћај, трговина, туризам и угоститељство, уметност и јавно информисање, текстилство и кожарство, геологија и рударство, електротехника, личне услуге, пољопривреда, производња и прерада хране (образовни профил техничар пољопривредне технике) и за трогодишње стручне школе у подручјима рада личне услуге, графичарство и здравство (образовни профил фармацеутски оператер)

ЗАВОД ЗА УЏБЕНИКЕ БЕОГРАД

Рецензенти др Иштван Жиграи др Ранђел Михајловић мр Никола Стојанац Вера Муждека Мирјана Константиновић Снежана Мишковић Уредник Гордана Илић Одговорни уредник др Татјана Костић Главни уредник Стефан Пауновић За издавача Стефан Пауновић, в.д. директора Просветни савет Републике Србије одобрио је употребу овог уџбеника својим решењем број 601-04-51/119 од 11. априла 1991. године. CIP - Каталогизација у публикацији Библиотека Матице српске, Нови Сад 37.016:54(075.3) ЂУКИЋ, Славољуб, 1938Општа хемија : за I разред средње школе : за гимназије друштвено-језичког смера, за четворогодишње стручне школе у подручјима рада: шумарство и обрада дрвета, машинство и обрада метала, геодезија и грађевинарство, саобраћај, трговина, туризам и угоститељство, уметност и јавно информисање, текстилство и кожарство, геологија и рударство, електротехника, личне услуге, пољопривреда, производња и прерада хране (образовни профил техничар пољопривредне технике) и за трогодишње стручне школе у подручјима рада личне услуге, графичарство и здравство (образовни профил фармацеутски оператер) / Славољуб Ђукић, Радивој Николајевић, Милена Шурјановић. - 26. доштампано изд. - Београд : Завод за уџбенике, 2024 (Београд : Бирограф). - 135 стр. : илустр. ; 27 cm Тираж 2.300. ISBN 978-86-17-20976-4 1. Николајевић, Радивој, 1936-2010 2. Шурјановић, Милена, 1931-2024 COBISS.SR-ID 148017929

ISBN 978-86-17-20976-4 © Завод за уџбенике, Београд (1991–2024) Ово дело не сме се умножавати, фотокопирати и на било који други начин репродуковати, ни у целини ни у деловима, без писменог одобрења издавача.

САДРЖАЈ

ПРЕДГОВОР .......................................................................................................5 I. ОСНОВНИ ХЕМИЈСКИ ПОЈМОВИ И ЗАКОНИТОСТИ ...................... 7 Материја и супстанца ....................................................................................... 7 Смеше ................................................................................................................ 8 Хемијски елементи ........................................................................................... 9 Основни хемијски закони ................................................................................10 Хемијска једињења...........................................................................................13 Хемијски знаци, формуле и једначине ...........................................................14 Релативна атомска и молекулска маса ............................................................18 Мол и моларна маса .........................................................................................20 Моларна запремина гаса ..................................................................................22 Основи хемијског рачунања ............................................................................24

II. СТРУКТУРА СУПСТАНЦИ .........................................................................29 Структура атома................................................................................................29 Енергетски нивои електрона у атому........................................................33 Енергетски поднивои .................................................................................34 Атомске орбитале .......................................................................................34 Електронске конфигурације.......................................................................38 Периодичност промене структуре атома и својстава елемената у периодном систему........................................................................................40 Хемијска веза ....................................................................................................47 Ковалентна веза ..........................................................................................48 Електронегативност....................................................................................52 Поларност молекула ...................................................................................53 Међумолекулска дејства.............................................................................56 Афинитет према електрону........................................................................58 Енергија јонизације ....................................................................................59 Јонска веза ...................................................................................................60 Својства једињења са јонском и ковалентном везом .................................... 62 Кристална структура супстанци .....................................................................63

III. ХЕМИЈСКЕ РЕАКЦИЈЕ .............................................................................67 Кретање честица као услов за хемијски процес ............................................67 Класификација хемијских реакција ................................................................67 Енергетске промене при хемијским реакцијама............................................69 Брзина хемијске реакције ................................................................................75 Утицај катализатора на брзину реакције........................................................80 Хемијска равнотежа .........................................................................................82 Чиниоци који утичу на хемијску равнотежу ............................................85 Ле Шатељеов принцип ...............................................................................87

IV. РАСТВОРИ ......................................................................................................89 Дисперзни системи...........................................................................................89 Растварање чврстих супстанци у води ...........................................................90 Квантитативни састав раствора ......................................................................92 Раствори електролита ......................................................................................95 Киселине и базе ................................................................................................96 Арениjусова теорија киселина и база .......................................................96 Протолитичка теорија киселина и база ....................................................98 Константа дисоцијације ...........................................................................100 Јонски производ воде ...............................................................................101 Водонични експонент (pH) ......................................................................102 Индикатори киселости и базности ..........................................................104 Пуферски системи ....................................................................................105 Амфотерност .............................................................................................107 Хидролиза ..................................................................................................108

V. ОКСИДО-РЕДУКЦИОНИ ПРОЦЕСИ ..................................................... 111 Појам оксидо-редукционих процеса ............................................................ 111 Састављање једначина оксидо-редукционих реакција ............................... 113 Метода оксидационих бројева....................................................................... 114 Јонско-електронска метода ............................................................................ 115 Електрохемијски низ метала .........................................................................120 Хемијски извори електричне струје .............................................................122 Секундарни извори струје .............................................................................124 Електролиза.....................................................................................................126 Корозија ...........................................................................................................128

VI. РЕГИСТАР ПОЈМОВА И ИМЕНА..........................................................131

ПРЕДГОВОР Хемију сте учили у седмом и осмом разреду основне школе. Ове школске године проширићете своја знања и научићете доста нових, занимљивих садржаја. Упознаћете у елементарном облику одабране наставне садржаје из опште хемије, и то: основне хемијске појмове и законе, структуру супстанци, хемијске реакције, растворе и оксидо-редукционе процесе. Градиво је одабрано тако да вам обезбеђује знање из хемије неопходно за разумевање одређених појава у природи и пружa теоријску основу за даље изучавање хемије. Код методичке обраде наставног градива настојали смо да тумачења заснујемо на најновијим достигнућима савремене науке. У неким случајевима (нпр. код разматрања структуре супстанци) било је неопходно користити доста сложене научне појмове, за чије је разумевање потребно познавање математике и физике. Хемија је експериментална наука, што значи да је изучавање хемије нераздвојно повезано са извођењем огледа. Где год је то било могуће, огледи су постављени проблемски, тј. представљају мала истраживања. Експериментално добијени подаци треба да олакшају разумевање изучаване појаве и омогуће самостално закључивање и уопштавање. Препоручујемо вам да пажљиво пратите ток огледа, како бисте уочили што више појединости. Своја запажања забележите у лабораторијски дневник, уз помоћ наставника објасните суштину изучаване појаве и самостално закључујте. У уџбенику постоје две групе огледа. Прву групу чине демонстрациони огледи, које ће вам на часу извести наставник. У другу групу спадају огледи предвиђени за групни лабораторијски рад. Ове огледе, означене звездицом (*), изводићете самостално или заједно са својим друговима, онако како то наставник одреди. На крају наставних јединица или ширих целина, дат је већи број питања и задатака за вежбу, разноврсних по садржини и форми, као и по сложености. Они треба да вам помогну у утврђивању и продубљивању градива које сте изучавали на часу. Питања и задаци су наведени по редоследу који одговара редоследу теоријског градива обрађеног у уџбенику. Да бисте добили повратну информацију о успешности свога рада, у тексту су дата решења сложенијих, претежно рачунских задатака. Желимо вам много успеха у раду!

Аутори

ОСНОВНИ ХЕМИЈСКИ . ПОЈМОВИ И ЗАКОНИТОСТИ МАТЕРИЈА И СУПСТАНЦА

Све што нас окружује и постоји независно од наше воље и сазнања назива се заједничким именом материја. Материја је, дакле, сав објективни* свет: ваздух, вода, земља, биљке, животиње, планете и звезде. Материја се не може уништити нити створити ни из чега, већ само може да прелази из једног облика у други. Материја у целини, као и свака њена честица, налази се у непрекидном кретању. Под кретањем материје подразумевају се све промене у природи, од промене положаја тела у простору, температуре, облика или агрегатног стања тела, па све до најсложенијих промена, какве су, на пример, хемијски процеси у живим организмима. Материја и кретање се налазе у дијалектичком јединству, што значи да нема материје без кретања нити кретања без материје. Познато је више облика кретања материје: механичко, топлотно, светлосно, хемијско итд. У природи се стално одвијају процеси преласка једних облика кретања материје у друге. Тако, на пример, при трењу два комада дрвета долази до претварања механичког кретања у топлотно, при загревању белог фосфора на ваздуху топлотно кретање се претвара у хемијско итд. Материја се јавља у природи у два основна облика: као супстанца и као физичко поље. Супстанца је облик постојања материје. Састоји се од веома ситних честица – атома. Атоми су сложене грађе. У њихов састав улазе протони, неутрони и електрони, који имају сопствену масу, или масу мировања. Укупна маса атома једнака је збиру маса наведених елементарних честица. Према најновијим проценама, данас је познато око 17 милиона различитих супстанци. Од толиког броја супстанци, око 100 хиљада има практичну примену. Неке супстанце налазе се у природи, док се друге производе вештачким путем. Свака супстанца има карактеристична својства по којима се разликује од других супстанци, на пример: боју, мирис, густину, температуру топљења, температуру кључања итд. Наведена својства супстанци, која се одређују помоћу наших чула или инструмената, називају се физичка својства. Хемијска својства супстанци испољавају се при њиховим реакцијама са другим супстанцама. Основни задатак хемије је изучавање супстанци – њихове структуре, својстава, као и промена које доводе до претварања једних супстанци у друге. Физичко поље је други облик постојања материје. Манифестује се силама којима тела делују једно на друго без непосредног додира. Тако се, на пример, Земља и Месец узајамно привлаче посредством својих гравитационих поља, два магнета се привлаче или одбијају посредством магнетних поља итд. Маса мировања физичких поља равна је нули. Физичка поља као облик постојања материје нису непосредни предмет изучавања хемије, већ се њима бави физика.

* Латински: objectivus – који стварно постоји; стваран

ОСНОВНИ ХЕМИЈСКИ ПОЈМОВИ И ЗАКОНИТОСТИ

СМЕШЕ У хемији се под појмом супстанце најчешће подразумевају чисте супстанце, тј. супстанце које имају исти хемијски састав и иста својства у свим својим деловима. Чисте супстанце се деле на хемијске елементе и хемијска једињења. У природи се веома ретко могу наћи веће количине чистих супстанци (нпр. комади бакра, наслаге камене соли, зрнца злата). Много чешће се срећу смеше две или више супстанци. Наведимо један пример. Ако разгледамо парче камена гранита помоћу увеличавајућег стакла, запазићемо да се оно састоји од белих, жућкастих и светлосивих, сјајних зрнаца. Значи да гранит није чиста супстанца, већ представља смешу три различите супстанце које нису хемијски сједињене. Пошто се супстанце најчешће могу мешати у било ком односу, састав смеша је обично произвољан. Свака супстанца у смеши задржава своја карактеристична својства, стога састојке смеше можемо одвојити једноставним физичким поступцима, не мењајући при томе њихову хемијску природу. Тако, на пример, при мешању праха гвожђа и сумпора настаје смеша сивожуте боје, у којој обе супстанце задржавају својства која су имале и пре мешања. Гвожђе се из ове смеше може одвојити магнетом, а сумпор растварањем у угљеник(IV)-сулфиду. За растављање смеша још се користе следећи поступци: декантација (одливање), цеђење, фракциона дестилација, кристализација итд. Ако супстанце тако добро измешамо да смеша у сваком делићу запремине има иста својства, добићемо хомогену (истородну) смешу. Примери таквих смеша су раствори, неке легуре и гасне смеше (нпр. ваздух). Напред поменута смеша гвожђа и сумпора спада у хетерогене (разнородне) смеше, пошто честице ових супстанци нису равномерно расподељене по читавој маси, те смеша нема иста својства у свим деловима. У хетерогене смеше такође спадају: млеко (састоји се од течности у којој пливају микроскопски ситне капљице млечне масти) и дим (састоји се од веома ситних честица чађи помешаних са гасовима који настају при сагоревању). Справљање смеша уједначеног састава је веома важна индустријска операција, која се доста примењује при производњи пластичних маса, гуме, графичких боја, средстава за прање, у прехрамбеној индустрији итд.

? 8

1. Шта је материја?

Питања и задаци

2. Објасните значење појмова супстанца и физичко поље. 3. Како се деле чисте супстанце? 4. Наведите неколико смеша које су вам познате из свакодневног живота. 5. У датом скупу чистих супстанци и смеша подвуците чисте супстанце: шећер, ваздух, бакар, раствор кухињске соли, бензин, гранит, сумпор, азот, млеко, морска вода. 6. Које од наведених смеша спадају у хомогене, а које у хетерогене смеше: водени раствор алкохола, мутна речна вода, ваздух, малтер, млеко, зашећерени чај, дим локомотиве?

ОСНОВНИ ХЕМИЈСКИ ПОЈМОВИ И ЗАКОНИТОСТИ

ХЕМИЈСКИ ЕЛЕМЕНТИ Знамо да се све супстанце састоје од веома ситних честица – атома. Супстанце изграђене од истоврсних атома, који имају исто позитивно наелектрисање језгра, називају се хемијски елементи. Подсетимо се да су протони носиоци позитивног наелектрисања језгра. Број протона одређује се на основу атомског броја елемента (Z): Z = N(p).

(1)

По договору, узима се да је наелектрисање протона изражено условним јединицама +1. Тако је, на пример, атомски број натријума Z = 11. То значи да сви атоми овог елемента садрже у језгру по 11 протона, односно да је наелектрисање језгра +11. До сада је откривено 118 хемијских елемената – 90 је нађено у природи, а 28 је добијено вештачки. Eлементи који се срећу у природи у периодном систему се налазе између водоника (Z =1) и урана (Z = 92) с изузетком технецијума (Z = 43) и прометијума (Z = 61). Од релативно малог броја елемената (92) изграђен је веома велик број хемијских једињења (око 12 милиона). Најопштија класификација хемијских елемената је на метале, неметале и металоиде. Хемијски елементи (осим племенитих гасова) се не налазе у облику слободних атома, већ имају сложенију структуру. Тако се гасовити неметали (нпр. водоник, кисеоник, азот и хлор) јављају у облику двоатомних молекула. Бели фосфор се јавља у облику четвороатомних молекула, а сумпор у облику осмоатомних молекула. Метали су такође сложене грађе. У њиховим кристалним решеткама атоми су међусобно повезани металном везом. Из дефиниције хемијског елемента следи да сви атоми одређеног елемента имају у језгру исти број протона, једнак његовом атомском броју. Међутим, број неутрона у језгрима атома истог елемента није увек исти. Атоми истог хемијског елемента који у језгру садрже исти број протона а различит број неутрона, услед чега се разликују по својој маси, називају се изотопи. Пошто имају исти атомски број, изотопи истог хемијског елемента заузимају у периодном систему исто место*. Изотопи се карактеришу масеним бројем (А), који је једнак збиру броја протона и неутрона у атомском језгру: A = N(p) + N(n).

(2)

Изотопи се обележавају тако што се испред хемијског знака елемента пише масени број као горњи индекс, а атомски број као доњи индекс. На пример: 40 20 Са

42 20 Са

43 20 Са

N(p) – број протона у језгру атома датог елемента

* Грчки: izos – исти, topos – место

ОСНОВНИ ХЕМИЈСКИ ПОЈМОВИ И ЗАКОНИТОСТИ Већина хемијских елемената јавља се у природи у облику два или више стабилних изотопа. Постоје и елементи који се састоје само од једне врсте атома (нпр. натријум, флуор и фосфор). Данас је утврђен изотопни састав свих природних елемената. Касније ћемо видети да релативне атомске масе елемената представљају просечне (средње) вредности, израчунате на основу количинских удела свих изотопа датог елемента у природној смеши. Хемијска својства изотопа истог елемента су готово идентична. Уколико разлике постоје, оне су толико мале да се могу занемарити. Изузеци су изотопи водоника који се веома разликују по својој маси, услед чега су им и својства доста различита.

ОСНОВНИ ХЕМИЈСКИ ЗАКОНИ Закони сваке природне науке, па и хемије, представљају одраз закона објективног света у свести људи. Природа је објективна и постојала је милијардама година пре појаве човека на Земљи. Стога и закони по којима се појаве у њој одигравају такође објективно постоје и не зависе од воље и утицаја човека. Он открива и изучава законе природе, неке од њих користи у интересу друштва, али на њих не може утицати нити их мењати. Свака природна наука изучава одређени скуп појава у природи: физика – физичке појаве, хемија – хемијске промене супстанци, а биологија – процесе који се одвијају у биљним и животињским организмима. У основи, постоје две врсте закона природе: специфични (посебни) закони који обухватају релативно уски круг појава. Тако се нпр. закони термохемије (види стр. 69–74) односе само на енергетске промене при хемијским реакцијама. Општи закони природе су такви закони којима се потчињавају све појаве у природи, те важе у свим гранама природних наука. Такав је нпр. закон одржања масе и енергије. Због великог значаја закона природе у хемији, неопходно је да на почетку изучавања ове науке у средњој школи размотримо неколико основних хемијских закона којима се тумаче квантитативни* односи супстанци при хемијским * Латински: quantitas – количина, множина реакцијама, и то: закон о одржању масе, закон сталних масених односа, закон умножених масених односа, закон сталних запреминских односа и Aвoгадров закон. Добро познавање ових закона олакшаће вам разумевање наставног градива и његову примену код решавања стехиометријских задатака. Закон о одржању масе гласи: Укупна маса супстанци које ступају у хемијску реакцију једнака је укупној маси производа реакције. Према савременим схватањима, укупна маса супстанце једнака је збиру мâсa свих атома од којих је она изграђена. Из закона о одржању масе следи да при хемијским реакцијама не може нестати нити настати ниједан нови атом, већ се они само повезују у другим комбинацијама градећи нове супстанце. Закон о одржању масе има велики практични значај у хемији, пошто се на њему заснивају методе квантитативне анализе супстанци. Привидна одступања

ОСНОВНИ ХЕМИЈСКИ ПОЈМОВИ И ЗАКОНИТОСТИ од овог закона обично указују на погрешке при извођењу експерименталних поступака. Он такође омогућује контролу тока технолошких процеса и састављање материјалног биланса производње. Закон о одржању масе открили су независно један од другог руски природњак М. В. Ломоносов 1756. и француски хемичар А. Л. Лавоазје 1773. године, који је у хемијску лабораторију први увео вагу за мерење масе супстанци. Закон сталних масених односа (закон сталности састава хемијских једињења) – односи се на сједињавање хемијских елемената, а може се формулисати овако: Елементи се једине у тачно одређеним и (сталним) масеним односима када граде једно исто једињење. Елементарни састав једињења је сталан, без обзира на који је начин и из којих супстанци оно добијено. Овај закон тумачи се атомско-молекулском грађом супстанци. Тако се нпр. гвожђе и сумпор једине у масеном односу 7 : 4 када граде гвожђе(II)-сулфид, FeS. Из формуле овог једињења се види да су атоми Fe и S повезани у брojчаном односу 1 : 1. То практично значи да се у 7 g гвожђа налази исти број атома Fe као и атома S у 4 g сумпора. Из тога следи да је однос маса атома Fe и атома S такође 7 : 4, тј. да атом Fe има скоро два пута већу масу од атома S, што се лако може проверити поређењем релативних атомских маса ова два елемента. Елементарни састав једињења експериментално се одређује поступцима хемијске анализе (тј. разлагања датог једињења на елементе) и поступцима хемијске синтезе (тј. добијања једињења из елемената). Закон сталних масених односа открио је 1799. године француски хемичар Жозеф Пруст. Открићем овог закона први пут се појавила могућност научног разграничења појмова једињења и смеша. Закон умножених масених односа гласи: Када два елемента граде два или више хемијских једињења, онда се масе једног елемента које се једине са истом масом другог елемента, међусобно односе као мали цели бројеви. Тако нпр. угљеник и кисеоник граде два једињења: угљеник(II)-оксид, CO и угљеник (IV)-оксид, CO2*. Односи мâсa угљеника и кисеоника у овим једињењима су следећи: угљеник(II)-оксид, CO: угљеник(IV)-оксид, CO2:

m (C) : m (O) = 6 : 8, m (C) : m (O) = 6 : 16,

* Уколико неки хемијски елемент у својим једињењима има променљиву валенцу, она се означава римским бројем у загради иза назива елемента. Значи, угљеник је у наведеним оксидима двовалентан и четворовалентан.

односно 6 : 1 × 8 односно 6 : 2 × 8.

Видимо да масе кисеоника које се једине са истом масом угљеника (6 mg, 6 g, 6 kg …) међусобно стоје у односу 8 : 16, односно после дељења са осам 1 : 2. Закон умножених масених односа открио је 1803. године енглески хемичар Џон Далтон. Наведени закони сједињавања хемијских елемената послужили су Далтону као основа за постављање прве научне атомске теорије (види стр. 29). Једињења сталног (стехиометријског) састава називају се далтониди у част Џона Далтона, чија је атомска теорија играла важну улогу у тумачењу закона сталних и умножених масених односа. У далтониде спадају: сва једињења у гасовитом стању, вода, неорганске соли и органска једињења. Међутим,

Слика I-1. Џон Далтон (1766 –1844)

ОСНОВНИ ХЕМИЈСКИ ПОЈМОВИ И ЗАКОНИТОСТИ позната су и једињења променљивог (нестехиометријског) састава за која не важе закони сталних и умножених масених односа. Та једињења називају се бертолиди према француском хемичару Клоду Бертолеу (1748–1822), који је још почетком XIX века тврдио да се хемијски елементи једине у произвољним, променљивим масеним односима, који зависе од тога колика је количина елемената узета за реакцију. У бертолиде спадају: оксиди, сулфиди и карбиди неких метала и друга једињења. Постојање бертолида тумачи се неправилним распоредом атома у кристалним решеткама (види стр. 63), те се могу појавити празнине (дефекти) које нису попуњене атомима. Тако нпр. кристална решетка титан-карбида, ТiC може да садржи 40 % атома угљеника мање од теоријски израчунате вредности. То значи да однос између броја атома титана и угљеника није 1 : 1, већ се креће од 1 : 0,6 до 1 : 1, зависно од услова синтезе. Значи, молекулска формула титан-карбида није стална, већ варира од TiC0,6 дo TiC.

Слика I-2. Амедео Авогадро (1776 –1855) * Грчки: hipotesis – претпоставка

Закон сталних запреминских односа. – Хемијске реакције се често одигравају и између елемената у гасовитом стању. Француски физичар и хемичар Геј-Лисак (1778–1850) је између 1805. и 1808. године изучавао више оваквих реакција. На основу резултата својих истраживања поставио је закон сталних запреминских односа који гласи: Запремине гасова који ступају у хемијску реакцију (при сталној температури и притиску) односе се једна према другој, као и према запремини насталих гасовитих производа реакције, као мали цели бројеви. Тако се нпр. једна запремина хлора једини са једном запремином водоника градећи две запремине хлороводоника (запремински односи су 1 : 1 : 2); три запремине водоника једине се са једном запремином азота, дајући две запремине амонијака, NH3 (запремински односи су 3 : 1 : 2) итд. У време открића закона сталних запреминских односа у науци је владало мишљење, засновано на Далтоновој атомској теорији, да су гасовити елементи изграђени од атома. Међутим, са становишта атомске грађе гасовитих елемената није се могао објаснити Геј-Лисаков закон. Тако би нпр. при реакцији једне запремине атома хлора са једном запремином атома водоника морала настати једна запремина хлороводоника, док у стварности настају две запремине. За добијање две запремине хлороводоника било би неопходно да се свака честица хлора и водоника при реакцији подели на два дела, што би значило да су атоми дељиви. То је, међутим, било у супротности са Далтоновом атомском теоријом. Да би објаснио ово неслагање између теорије и експеримента, италијански физичар Амедео Авогадро је 1811. године поставио хипотезу* према којој су најситније честице гасова молекули, а не атоми. Авогадрова хипотеза гласи: У једнаким запреминама различитих гасова на истој температури и притиску налази се једнак број молекула. Авогадро је такође сматрао да су молекули гасовитих елемената (кисеоника, водоника, азота, хлора и других) изграђени од два атома. Авогадрова хипотеза није била прихваћена од Џ. Далтона и његових следбеника. Тек после Авогадрове смрти она је извучена из заборава и доказана многим експериментима, тако да данас представља закон који се зове Авогадров закон.

ОСНОВНИ ХЕМИЈСКИ ПОЈМОВИ И ЗАКОНИТОСТИ

Питања и задаци

1. Дефинишите појам хемијског елемента. 2. Шта су изотопи?

3. Одреди број протона и неутрона у језгру изотопа литијума 37Li.

4. Дефинишите законе хемијског сједињавања елемената, и то: Прустов, Далтонов и Геј-Лисаков закон.

5. Да ли се гасовити хемијски елементи јављају у виду атома или молекула? 6. Водоник и кисеоник се једине у воду у масеном односу 1 : 8. Колико ће грама воде настати при сједињавању 2 g водоника и 22 g кисеоника? Да ли ће неки од елемената остати несједињен? (Одговор: настаће 18 g воде, док ће 6 g кисеоника остати несједињено). 7. Азот и кисеоник граде пет оксида. При настанку једног од тих оксида елементи се једине у запреминском односу 2 : 5, градећи две запремине оксида азота. Утврдите колико је кубних дециметара азота потребно за реакцију са 15 dm3 кисеоника. Колико је кубних дециметара оксида азота при томе настало? (Одговор: потребно је 6 dm3 азота, а настаје 6 dm3 оксида азота).

ХЕМИЈСКА ЈЕДИЊЕЊА Смеша гвожђа и сумпора може стајати на собној температури дуже времена а да не дође до хемијске реакције. Међутим, ако ову смешу загрејемо, гвожђе и сумпор бурно реагују градећи гвожђе(II)-сулфид. Описану реакцију прегледно приказујемо овако: гвожђе + сумпор → гвожђе(II)-сулфид. Настало једињење има карактеристична својства, различита од својстава елемената од којих је настало. Аналогни примери смеша, чије компоненте под обичним условима не реагују, док при загревању или паљењу граде хемијска једињења, су смеше следећих елемената: живе и сумпора, кисеоника и водоника итд. Најчешће су за сједињавање елемената потребни посебни реакциони услови, који су утолико снажнији уколико су елементи слабије реактивни. Хемијска једињења се не могу разложити на простије супстанце једноставним физичким поступцима као смеше, већ су за то потребни посебни услови. Тако се, на пример, натријум-хлорид може разложити на елементе од којих је изграђен под утицајем једносмерне електричне струје: натријум-хлорид → натријум + хлор. Натријум је метал сребрнастобеле боје, а хлор жутозелени гас. Значи да се ови елементи битно разликују од натријум-хлорида (кристалне супстанце беле боје) у чији састав улазе.

ОСНОВНИ ХЕМИЈСКИ ПОЈМОВИ И ЗАКОНИТОСТИ На основу изложеног, следи да су хемијска једињења супстанце настале сједињавањем хемијских елемената, као и супстанце које се хемијским путем могу разложити на две или више простијих супстанци. Свако хемијско једињење има карактеристична својства, различита од својстава елемената од којих је настало. У томе је основна разлика једињења и смеша, у којима супстанце задржавају своја карактеристична својства. Поред тога, масени односи елемената у једињењима су тачно одређени и стални, а у смешама произвољни. Молекули хемијских једињења, као носиоци њихових хемијских својстава, изграђени су од различитих атома који су међусобно повезани у тачно одређеним бројчаним односима. Тако је у молекулу хлороводоника однос броја атома хлора и водоника 1 : 1, у молекулу воде однос броја атома водоника и кисеоника је 2 : 1 итд. Постоје и једињења која немају молекулску, већ јонску структуру (нпр. многе соли и метални оксиди). О структури супстанце детаљније ћемо говорити у другом поглављу.

ХЕМИЈСКИ ЗНАЦИ, ФОРМУЛЕ И ЈЕДНАЧИНЕ Слика I-3. Хемијско писмо разумеју ученици целог света

У хемији се користи посебан језик, разумљив свим хемичарима света, без обзира којим језиком они говоре. Основу тог језика чине хемијски знаци (који представљају његову „азбуку”), формуле („речи”) и једначине („реченице”).

Хемијски Српски

Руски Грчки Немачки Мађарски Италијански

ОСНОВНИ ХЕМИЈСКИ ПОЈМОВИ И ЗАКОНИТОСТИ Хемијски знаци (симболи) служе за означавање хемијских елемената. Симболе које данас користимо увео је у хемију шведски научник Ј. Ј. Берцелиус почетком ХIХ века. За хемијски знак елемента узето је прво (велико) слово његовог назива на латинском језику. У случају када називи више елемената почињу истим словом, додаје се још једно мало слово из његовог имена. Тако се, на пример, водоник на латинском зове Hуdrogenium па се обележава са Н, а жива – Hydrargirum и обележава се са Hg. У табели 1 наведено је још неколико примера хемијских знакова елемената.

Слика I-4. Ј. Ј. Берцелиус (1779 –1848)

Табела 1. Називи и хемијски знаци неких елемената Хемијски елемент

Латински назив

Чита се

Хемијски знак

азот

Nitrogenium

нитрогенијум

бакар

Cuprum

купрум

гвожђе

Ferrum

ферум

злато

Aurum

аурум

калај

Stannum

станум

кисеоник

Oxygenium

оксигенијум

сумпор

Sulphur

сулфур

угљеник

Carboneum

карбонеум

фосфор

Phosphorus

фосфорус

Сваки симбол означава одређени елемент, као и један његов атом. Ако желимо да прикажемо више атома неког елемента, испред његовог хемијског знака стављамо одговарајући арапски број (тзв. коефицијент). Тако, на пример, 4 Fe означава четири атома гвожђа, 2 Мg – два атома магнезијума итд. Хемијске формуле служе за означавање молекула хемијских елемената или једињења. Хемијске формуле елемената приказују број истоврсних атома који чине молекул елемента. Да бисмо написали формулу неког елемента, треба написати његов хемијски знак, а с доње десне стране ставити одговарајући број (тзв. индекс), који означава број атома тог елемента везаних у молекулу. Тако се, на пример, молекул кисеоника који се састоји од два атома кисеоника обележава са О2, молекул озона са О3, молекул белог фосфора са Р4, а молекул сумпора са S8.

ОСНОВНИ ХЕМИЈСКИ ПОЈМОВИ И ЗАКОНИТОСТИ Хемијске формуле једињења приказују врсту и број атома који чине молекул датог једињења. Да бисмо написали формулу једињења, морамо знати колико атома сваког појединог елемента улази у састав његовог молекула. Тако, на пример, у састав молекула сумпор(IV)-оксида улази један атом сумпора и два атома кисеоника. Напишимо један поред другог симболе сумпора и кисеоника, а с њихове доње десне стране ставимо одговарајуће индексе (када је индекс 1, он се не пише). Тако добијамо хемијску формулу сумпор(IV)-оксида – SО2. Свака хемијска формула означава одређени елемент или једињење, као и један његов молекул. Тако, на пример, формула Cl2 означава хлор и један молекул хлора, формула NH3 – амонијак и један молекул амонијака итд. Ако желимо да прикажемо више молекула неке супстанце, тада испред њене формуле стављамо одговарајући коефицијент. Ако су у питању чврсте супстанце које немају молекулску него јонску или атомску структуру, њихове формуле не приказују молекуле (којих у кристалним решеткама и нема), већ тзв. формулске јединке. То су замишљене јединке тих супстанци, чије формуле приказују најмањи могућ бројчани однос између везаних атома, на пример: NaCl, Al2O3, SiO2 итд. Ми ћемо, ради поједностављења, формулске јединке такође називати молекулима у ширем смислу. Хемијске једначине служе за представљање хемијских реакција симболима и формулама. Свака једначина приказује супстанце које ступају у реакцију (тзв. реактанте) и супстанце које настају као производ те реакције. Код састављања хемијских једначина на левој страни се пишу симболи, односно формуле реактаната, а на десној – симболи, односно формуле производа реакције. Између леве и десне стране једначине ставља се стрелица која означава смер реакције. Према закону о одржању масе (који важи за све хемијске реакције), укупна маса супстанци се при реакцији не мења. То значи да се током хемијских реакција атоми не могу уништити, нити се могу створити нови. Да би се изједначио број атома с леве и десне стране једначине, испред симбола, односно формула супстанци, стављају се одговарајући коефицијенти. Касније, код изучавања топлотних ефеката хемијских реакција, видећемо да се оне одигравају и у складу са законом о одржању енергије. Прикажимо поступак састављања једначине хемијске реакције на примеру реакције између чврстог натријум-нитрата и концентроване сумпорне киселине: натријум-нитрат + сумпорна киселина → натријум-сулфат + азотна киселина. Заменимо називе супстанци њиховим хемијским формулама: NaNO3 + H2SO4 → Na2SO4 + HNO3. Видимо да се с леве стране једначине налази један атом натријума (у молекулу NaNO3), а с десне стране два атома (у молекулу Na2SO4). Значи, број атома Nа на левој страни једначине треба удвостручити стављањем испред формуле NaNO3 коефицијента 2:

ОСНОВНИ ХЕМИЈСКИ ПОЈМОВИ И ЗАКОНИТОСТИ 2 NaNO3 + H2SO4 → Nа2SO4 + HNO3. Пошто смо изједначили број атома натријума, то треба учинити и са атомима осталих елемената. С леве стране једначине налазе се два атома азота (у два молекула NaNO3), а с десне стране један атом (у молекулу HNO3). Значи, број атома азота на десној страни треба удвостручити стављањем коефицијента 2 испред формуле HNO3: 2 NaNO3 + H2SO4 → Nа2SO4 + 2 HNO3. Да бисмо проверили исправност решења, пребројаћемо атоме Na, N, O, H и S с обе стране једначине. Пошто је број атома исти, једначина је исправно написана.

Питања и задаци 1. Које супстанце називамо хемијским једињењима? 2. По чему се хемијска једињења разликују од смеша? 3. У датом скупу хемијских елемената и једињења подвуците једињења: азот, шећер, жива(II)-оксид, алкохол, креч, кисеоник, кухињска со, угљеник(IV)-оксид, плави камен, гвожђе, вода, кречњак, хлор, амонијак, сумпор(IV)-оксид, хелијум, сирћетна киселина.

4. Напишите хемијске знаке следећих елемената: азота, бакра, јода, калаја, олова и хрома. 5. Објасните квалитативно и квантитативно значење симбола и формула. 6. Каква је разлика између израза: 3 Н и 3 Н2; 5 Cl и 5 Cl2? 7. Прикажите хемијским знацима и формулама: а) два молекула угљеник(IV)-оксида, б) пет атома сребра, в) три молекула амонијака, г) молекул сумпора, д) две формулске јединке калцијум-флуорида. 8. Напишите једначине следећих хемијских реакција: а) бакар(II)-сулфат + натријум-хидроксид → бакар(II)-хидроксид + натријум-сулфат, б) баријум-хлорид + сумпорна киселина → баријум-сулфат + хлороводонична киселина, в) гвожђе(II)-сулфид + хлороводонична киселина → гвожђе(II)-хлорид + сумпор-водоник. 9. Одредите испуштене коефицијенте у следећим хемијским једначинама: а) Na2СO3 +

б) АlСl3 +

в)

НСl →

NаСl + Н2O + СO2,

NaOH → Аl(ОН)3 +

NaCl + H2SO4 → Na2SO4 +

NaСl,

НCl.

ОСНОВНИ ХЕМИЈСКИ ПОЈМОВИ И ЗАКОНИТОСТИ

РЕЛАТИВНА АТОМСКА И МОЛЕКУЛСКА МАСА

* Просечне масе атома израчунавају се на основу количинских удела изотопа датог елемента у природној смеши, као и њихових маса. ** Латински: unicatio – уједначавање, изједначавање

Релативна атомска маса. Атоми су изванредно малих димензија, те се њихове масе не могу непосредно измерити ни најосетљивијом вагом. За одређивање масе атома користе се посредни, веома сложени поступци. Утврђено је да просечна маса* атома водоника износи 1,674 · 10–27 kg, односно 0,000 000 000 000 000 000 000 000 001674 kg. Просечна маса атома кисеоника је 2,65 · 10–26 kg, а атома урана (најтежег елемента у природи) 3,95 · 10–25 kg. Са овако малим бројевима доста је непрактично рачунати, стога је договорено да се масе атома изражавају у односу на масу неке сличне, погодно одабране честице. Као јединица за упоређивање узета је 1/12 масе угљениковог изотопа С-12 (тј. 126 C ), која је названа унифицирана** атомска јединица масе (u): u = 1,6605 · 10–27 kg.

(3)

Дељењем масе атома (mа) унифицираном атомском јединицом масе добија се релативна атомска маса елемента (Аr): .

(4)

Према томе, релативна атомска маса елемента је број који показује колико је пута маса његовог атома већа од унифициране атомске јединице масе.



Пример 1 Израчунајмо релативну атомску масу водоника. Рекли смо да је просечна маса атома водоника mа(Н) = 1,674 · 10–27 kg. Уврштавањем бројчаних вредности mа(Н) и u у једначину (4) добијамо: . Одговор: Релативна атомска маса водоника је 1,008. Као што се из примера 1 види, релативне атомске масе такође представљају просечне (средње) вредности, пошто се добијају дељењем просечних маса атома са u. Уколико је познат изотопни састав елемената, његова просечна релативна маса се израчунава на начин објашњен у примеру 2.



Пример 2 Природни хлор се састоји од 75,77 % изотопа Cl-35 (тј. 35 ) и 24,23 % 17C1 изотопа Cl-37 (тј. 37 ). Израчунајмо просечну релативну атомску масу хлора. C1 17

ОСНОВНИ ХЕМИЈСКИ ПОЈМОВИ И ЗАКОНИТОСТИ Просечна релативна атомска маса израчунава се на следећи начин: количински удели изотопа помноже се њиховим релативним атомским масама (које су приближно једнаке масеним бројевима изотопа). Добијени производи се саберу и поделе са 100. Према томе,

35,5.

Одговор: Просечна релативна атомска маса хлора приближно је једнака

Напомињемо да ћемо у даљем тексту уџбеника изоставити реч „просечна” испред појма „релативна атомска маса”, пошто је такво поједностављење уобичајено у хемијској литератури. Релативна молекулска маса супстанце (Мr) је број који показује колико је пута маса њеног молекула већа од унифициране атомске јединице масе. Релативна молекулска маса израчунава се тако што се саберу релативне атомске масе елемената који чине дати молекул, узимајући при томе у обзир и број атома сваког појединог елемента у формули супстанце (пример 3). Пример 3



Израчунајмо релативну молекулску масу азот(V)-оксида, N2O5. Из формуле азот(V)-оксида се види да његов молекул чине два атома азота и пет атома кисеоника. Према томе, релативну молекулску масу N2O5 израчунаћемо сабирањем релативних маса два атома азота и пет атома кисеоника:

Одговор: Релативна молекулска маса азот(V)-оксида је 108,02. Уколико супстанца има јонску или атомску структуру, њена релативна молекулска маса се односи на формулску јединку, а не на молекул (види стр. 16).

ОСНОВНИ ХЕМИЈСКИ ПОЈМОВИ И ЗАКОНИТОСТИ

МОЛ И МОЛАРНА МАСА

* Трилион је 10 . 18

За изражавање броја честица у узорцима супстанци са којима експериментишемо, у хемији се користи посебна физичка величина која се назива количина (множина) супстанце. Знак за количину супстанце је n, а SI-јединица mol. Mol је количина супстанце која садржи онолико честица (атома, молекула или јона) колико има атома у 12 g угљениковог изотопа С-12. У 12 g угљениковог изотопа С-12 налази се 6,02 · 1023 атома угљеника (тј. 602 000 трилиона* атома). Значи, један mol било које чисте супстанце садржи 6,02 · 1023 честица. На пример: 1 mol гвожђа садржи 6,02 · 1023 атома Fe, 1 mol молекула амонијака садржи 6,02 · 1023 молекула NН3, 1 mol хлоридних јона садржи 6,02 · 1023 јона Cl–. Као илустрацију величине броја 6,02 · 1023 наведимо следећи пример: ако бисмо једним молом зрна грашка напунили сандуке запремине 1 m3 и поређали их једно поред другог, настао би ред дуг 565 km. Број 6,02 · 1023 има мерну јединицу mol–1 и назива се Авогадрова константа, NА: NА = 6,02 · 1023 mоl–1,

односно

Овај број одабран је из практичних разлога, пошто се прецизно може одредити експериментално и веома је погодан за стехиометријска израчунавања. Наиме, ако релативну атомску или релативну молекулску масу неке супстанце изразимо у грамима и супстанцу измеримо на ваги, у добијеном узорку налазиће се управо 6,02 · 1023 честица (атома, молекула или јона). Моларна маса. Моларна маса је физичка величина која се дефинише као однос масе и количине супстанце: М – моларна маса супстанце m – маса супстанце n – количина супстанце

(5)

SI-јединица моларне масе је kg/mol, али се у хемији обично користи децимална јединица g/mol. Моларна маса супстанце израчунава се множењем бројчане вредности њене релативне атомске (односно релативне молекулске масе) мерном јединицом kg/mol (односно g/mol, што је у хемији најчешћи случај): Аr – релативна атомска маса Мr – релативна молекулска маса

М = Аr · g/mol,

(6)

М = Мr · g/mol,

(7)

односно

Први израз односи се на атоме, а други на молекуле.

ОСНОВНИ ХЕМИЈСКИ ПОЈМОВИ И ЗАКОНИТОСТИ



Пример 4

Израчунајмо моларну масу азот(V)-оксида. Утврдили смо да је релативна молекулска маса N2O5 108,02 (пример 3). Према изразу (7) моларна маса азот(V)-оксида биће једнака: М(N2O5) = Мr(N2O5) · g/mol = 108,02 g/mol. Одговор: Моларна маса азот(V)-оксида је 108,02 g/mol. Да видимо како се израз (5) користи за прерачунавање масе и количине супстанце.



Пример 5

За реакцију су потребна 0,2 мола бакар(II)-оксида. Колико те супстанце треба одмерити на ваги? М(СuО) = 79,55 g/mol n = 0,2 mol m=? Из израза овај израз добијамо:

следи: m = n · М. Уврштавањем бројчаних вредности у

m(CuO) = 0,2 mol · 79,55 g/mol = 15,9 g. Одговор: На ваги треба одмерити 15,9 g бакар(II)-оксида.



Пример 6

Колико се молова воде налази у 100 g те супстанце? m(Н2О) = 100 g М(Н2О) = 18,0 g/mol n=? Из израза израз добијамо:

следи:

Уношењем бројчаних вредности у овај

Одговор: у 100 g воде налази се 5,55 молова Н2О.

ОСНОВНИ ХЕМИЈСКИ ПОЈМОВИ И ЗАКОНИТОСТИ

МОЛАРНА ЗАПРЕМИНА ГАСА Моларна запремина гаса (Vm) дефинише се као однос запремине гаса (V) и његове количине (n): .

(8)

SI-јединица моларне запремине је m3/mol, али се у пракси чешће користи децимална јединица dm3/mоl. Моларна запремина гасова је физичка величина која зависи од температуре и притиска. Стога се обично изражава при нормалним условима, скраћено н.у. (0 °С, 101,3 kРа). У табeли 2 приказане су моларне запремине идеалног гаса на сталном притиску (101,3 kРа) и различитим температурама. Подсећамо вас да је појам идеалног гаса уведен у циљу лакшег проучавања гасног стања. То је гас између чијих молекула не делују привлачне силе, а укупна запремина молекула је занемарљиво мала у односу на запремину гаса. Ниједан реални гас нема описана идеална својства, али им се може приближити на ниским притисцима и високим температурама (тј. при високом разређењу). Табела 2. Моларне запремине идеалног гаса на различитим температурама t (°C)

Vm (dm3/mol)

22,4

22,8

23,2

23,6

24,1

24,5

24,9

26,5

28,6

100

30,6

Као што се из табеле 2 види, моларна запремина идеалног гаса при нормалним условима је 22,4 dm3/mol. Порастом температуре моларна запремина идеалног гаса расте. Моларне запремине реалних гасова су приближно једнаке 22,4 dm3/mol.



Пример 7 Израчунајмо колико се молова кисеоника налази у челичној боци запремине 10 dm3, на температури од 15 °С и притиску од 101,3 kРа. V = 10 dm3 t = 15 °С р = 101,3 kРа n(О2) = ?

ОСНОВНИ ХЕМИЈСКИ ПОЈМОВИ И ЗАКОНИТОСТИ Из једначине (8) следи: 15 °С наћи ћемо у табели 2:

Моларну запремину кисеоника на Vm = 23,6 dm3/mol.

Уношењем бројчаних вредности у горњи израз добијамо:

Одговор: Челична боца садржи 0,42 мола кисеоника.

Питања и задаци

1. Дефинишите појам релативне атомске масе.

2. Израчунајте релативну атомску масу азота, ако је маса његовог атома 2,3259 · 10–26 kg. (Одговор: Аr = 14,01)

3. На основу вредности релативних атомских маса датих у табели периодног система на почетку књиге, израчунајте масе атома следећих елемената: а) флуора,

б) фосфора,

в) јода.

Добијени резултат изразите у грамима. (Одговор: а) 3,15 · 10–23 g; б) 5,14 · 10–23 g; в) 2,11 · 10–22 g). 4. Да ли има више атома у 1 g сребра или у 1 g злата? Образложите одговор. (Одговор: у 1 g сребра) 5. Литијум се у природи налази у облику два изотопа: Li-6 и Li-7. Количински удео Li-6 у природној смеши је 6 %, а Li-7,94 %. Израчунајте релативну атомску масу литијума. (Одговор: 6,94) 6. Израчунајте релативне молекулске масе следећих супстанци: а) сумпора, S8,

(Одговор: а) 256,48;

б) метана, СН4, б) 16,04;

в) амонијум-хлорида, NH4Сl.

в) 53,49)

7. Дефинишите појам мола. 8. Израчунајте моларне масе следећих једињења: а) KMnО4,

б) НNО3,

(Одговор: а) 158,04 g/mol;

в) (NH4)2СО3.

б) 63,01 g/mol;

в) 96,09 g/mol)

9. Израчунајте количину атома Мg у 150 g чистог магнезијума. (Одговор: 6,17 молова) 10. Израчунајте количину алуминијума и број атома Аl у узорку овог метала масе 0,27 g. (Одговор: 0,01 mol; 6,02 · 1021) 11. Узорак метана садржи 3,2 мола СН4. Израчунајте масу тог узорка. (Одговор: 51,33 g) 12. Израчунајте коју запремину заузима 1 kg водоника при нормалним условима: (Одговор: 11,1 m3) 13. Израчунајте количину молекула N2 у 50 сm3 чистог азота ако је моларна запремина гаса 22,4 dm3/mol. (Одговор: 2,23 · 10–3 mol)

ОСНОВНИ ХЕМИЈСКИ ПОЈМОВИ И ЗАКОНИТОСТИ

ОСНОВИ ХЕМИЈСКОГ РАЧУНАЊА

* Грчки: stoicheion – елемент + metrio – мерење, у дословном преводу „мерење елемената”

Грана хемије која изучава количинске, масене и запреминске односе супстанци при хемијским реакцијама зове се стехиометрија∗. Стехиометријска израчунавања имају велики значај у хемијским лабораторијама и индустрији. Тако се израчунавају масе или запремине супстанци које су неопходне за добијање одређене масе производа реакције. Израчунавања су потребна и код синтезе нових једињења, код добијања елемената из њихових једињења итд. Од више типова стехиометријских задатака ми ћемо упознати два основна типа, и то: израчунавање количинских и масених односа супстанци при хемијским реакцијама. Претходно ћемо размотрити поступак израчунавања масених удела елемената у једињењима, пошто је то основа многих стехиометријских рачунања. Израчунавање масених удела елемената у једињењима. На основу хемијске формуле једињења може се израчунати масени удео сваког појединог елемента у једињењу, тј. његов процентни састав. За израчунавање се користи формула:

ω (E, J) – масени удео елемента Е у једињењу Ј i – број атома елемента Е у молекулу једињења Ј Аr (Е) – релативна атомска маса елемента Е Mr (Ј) – релативна молекулска маса једињења Ј



(9)

Пример 8 Израчунајмо масени удео гвожђа и кисеоника у руди хематит, Fe2О3. Израчунајмо најпре масени удео гвожђа у хематиту полазећи од следећих података: Ar (Fe) = 55,85 i (Fe) = 2 Mr (Fe2O3) = 159,7 2 .Ar (Fe) ________ 2 . 55,85 ω(Fe, Fe2O3) = _________ = = 0,699. Mr (Fe2O3) 159,7 Масени удео се обично изражава у процентима. Како је масени удео се прерачунава у проценте тако што се множи са 100 %: ω(Fe, Fe2O3) = 0,699 . 100 % = 66, 9 %.

ОСНОВНИ ХЕМИЈСКИ ПОЈМОВИ И ЗАКОНИТОСТИ На аналоган начин израчунаћемо и масени удео кисеоника у хематиту, узимајући у обзир да је:

. Масени удео кисеоника можемо израчунати и на други начин, применом следећег правила: збир масених удела свих елемената у једињењу износи 1 (односно 100 %). У складу с наведеним правилом ω(Fе, Fе2О3) + ω(О, Fе2О3) = 1. Уврстимо у овај израз масени удео гвожђа: 0,699 + ω(О, Fе2О3) = 1. Одавде је: ω(О, Fе2О3) = 1 – 0,699 = 0,301 = 30,1 %. Одговор: Масени удео гвожђа у хематиту је 69,9 %, а кисеоника 30,1 %. Задаци овог типа могу се решавати и помоћу пропорције. Прикажимо тај поступак на примеру израчунавања масеног удела гвожђа у хематиту. Моларна маса Fе2О3 је 159,7 g/mol, а гвожђа 55,85 g/mol. Маса једног мола Fe2О3 је 159,7 g (једначина 5). Пошто је у 1 молу Fe2О3 везано 2 мола Fe, израчунајмо уз помоћ једначине (5) масу 2 мола гвожђа: m(Fe) = n · M (Fe) = 2 mol · 55,85 g/mol = 111,7 g. Према томе, у 159,7 g Fe2О3 везано је 111,7 g Fe. Пошто је проценат део од стотине, маса гвожђа у 100 g Fe2О3 представљаће процентни садржај тог елемента у хематиту: у 159,7 g Fe2О3 везано је 111,7 g Fe у 100 g Fe2О3 везано је х g Fe _______________________________ = 69,9 g

тј.

69,9 %.

Израчунавање количинских односа супстанци при хемијским реакцијама. Хемијске једначине приказују супстанце које ступају у реакцију и супстанце које при реакцији настају, као и њихове квантитативне односе. Прикажимо на једном примеру како се на основу хемијске једначине израчунавају количински односи супстанци при реакцији.

ОСНОВНИ ХЕМИЈСКИ ПОЈМОВИ И ЗАКОНИТОСТИ



Пример 9 Израчунајмо колико је молова алуминијума потребно за реакцију са 0,5 молова јода у алуминијум-јодиду. Напишимо једначину реакције између јода и алуминијума: 3 I2 + 2 Al → 2 AlI3. Из једначине реакције се види да 3 молекула јода реагују са 2 атома алуминијума и граде 2 молекула алуминијум-јодида. Како је број честица (атома, молекула или јона) пропорционалан њиховим количинама, можемо закључити да 3 мола јода реагују са 2 мола алуминијума и граде 2 мола алуминијум-јодида: 3 I2 3 mol

2 Al

→

2 mol

2 AlI3 2 mol.

Количину алуминијума која је потребна за реакцију са 0,5 молова јода израчунамо из следеће пропорције: 3 мола I2 реагује са 2 мола Аl 0,5 молова I2 реагује са х молова Аl _________________________________

Одговор: За реакцију са 0,5 молова јода потребно је 0,33 мола алуминијума. Израчунавање масених односа супстанци при хемијским реакцијама објаснићемо на једном примеру:



Пример 10 Хемијски чисто гвожђе се лабораторијски понекад добија редукцијом чистог гвожђe(III)-оксида, Fe2О3, помоћу водоника. Израчунајмо колико је грама Fe2О3 потребно за добијање 50 g гвожђа. Напишимо најпре једначину ове реакције: Fe2О3 + 3 Н2 → 2 Fе + 3 Н2О. Подвуцимо симболе (односно формуле) супстанци о којима је у задатку реч. Испод њих напишимо количине супстанци које следе из једначине реакције, као и одговарајуће вредности моларних маса:

ОСНОВНИ ХЕМИЈСКИ ПОЈМОВИ И ЗАКОНИТОСТИ Fe2О3 + 3 Н2 → 2 Fе + 3 Н2О ______ _____ 1 mol 2 mol 157,9 g/mol

55,85 g/mol.

Израчунајмо помоћу изpаза (5) масе 1 мола Fе2О3 и 2 мола Fе: m (Fe2O3) = M (Fe2O3) · n = 159,7 g/mol · 1 mol = 159,7 g. m (Fe) = M (Fe) · n = 55,85 g/mol · 2 mol = 111,7 g. Према томе, из 1 мола Fe2O3 (чија је маса 159,7 g) добија се 2 мола Fe (односно 111,7 g). Масу Fe2O3 која је потребна за добијање 50 g гвожђа израчунаћемо из следеће пропорције: из 159,7 g Fe2O3 добија се 111,7 g Fе из х g Fe2O3 добија се 50 g Fе _________________________________

Одговор: За добијање 50 g гвожђа потребно је редуковати 71,5 g гвожђе(III)-оксида.

Питања и задаци 1. Израчунајте масене уделе: а) сумпора и кисеоника у сумпор(IV)-оксиду, SO2,

б) азота и водоника у амонијаку, NН3, в) водоника и кисеоника у води, Н2О.

(Одговор: а) 50,05 % сумпора и 49,95 % кисеоника; б) 82,25 % азота и 17,75 % водоника; в) 11,19 % водоника и 88,81 % кисеоника) 2. Израчунајте масени удео магнезијума у следећим минералима: а) магнезиту, MgCO3,

б) доломиту, MgCO3 · CaCO3,

в) карналиту, MgCl2 · KCl · 6 H2O.

(Одговор: а) 29,23 %; б) 13,18 %; в) 8,75 %).

3. Калцијум-хлорид, CaCl2 је веома хигроскопна супстанца која се у хемијским лабораторијама користи за сушење. Узорак влажног калцијум-хлорида масе 0,15 g растворен је у води и хлоридни јони исталожени помоћу pаствора који садржи 0,34 g сребро-нитрата, АgNО3. Израчунајте масени удео воде у узорку СаСl2 и изразите га у процентима. (Одговор: 26 %)

ОСНОВНИ ХЕМИЈСКИ ПОЈМОВИ И ЗАКОНИТОСТИ

4. Израчунајте колико је молова натријума потребно за реакцију са 0,5 молова молекула хлора у натријум-хлорид. (Одговор: 1 mol) 5. Израчунајте колико милимолова водоника настаје при реакцији 0,1 мола натријума са водом према једначини:

(Одговор: 50 mmol)

2 Nа + 2 Н2О → 2 NаОН + Н2.

6. Колико се молова АgCl може добити дејством хлороводoничне киселине на раствор који садржи 34 g АgNO3? (Одговор: 0,2 мола) 7. Израчунајте колико се грама кисеоника може добити при термичком разлагању 0,25 молова жива(II)-оксида према једначини:

(Одговор: 4 g)

2 НgО → 2 Нg + О2.

8. Израчунајте колико грама магнезијум-оксида, MgО, настаје при сагоревању 12 g магнезијума на ваздуху. (Одговор: 19,9 g) 9. Хлороводоник, НCl, индустријски се обично добија непосредним сједињавањем водоника и хлора. Колико је килограма водоника и хлора потребно за добијање 1 000 kg хлороводоника? (Одговор: 27,65 kg водоника и 972,35 kg хлора) 10. Калцијум-оксид (негашени креч), СаО, индустријски се добија жарењем кречњака, СаСО3 : СаСО3 → СаО + СО2. Израчунајте колико се килограма негашеног креча може добити из 1 t кречњака који садржи 10 % примеса. (Одговор: 504,3 kg) 11. Реакција сједињавања азота и кисеоника у азот(V)-оксид може се представити следећом хемијском једначином:

? 28

2 N2 + 5 О2 → 2 N2О5. Израчунајте следеће односе између азота и кисеоника: а) количинске, б) масене (одговор изразите у виду најмањих целих бројева), в) запреминске. Одговор: а) 2 : 5, б) 7 : 20, в) 2 : 5

IIIIII

СТРУКТУРА СТРУКТУРА . .СТРУКТУРА СУПСТАНЦИ СУПСТАНЦИ . СУПСТАНЦИ СТРУКТУРА СТРУКТУРА АТОМА АТОМА СТРУКТУРА АТОМА

ИдејаИдеја о атомистичкој о атомистичкој грађиграђи материје материје родила родила се у се старој у старој Грчкој Грчкој пре 2пре 5002 500 година. година. Грчки Грчки филозофи филозофи су сматрали су сматрали да седа сва сетела сва тела састоје састоје од изванредно од изванредно ситних, ситних, Идејачестица о атомистичкој грађи материје учење родила се уразрадио старојје Грчкој пре 2филозоф 500 недељивих недељивих честица атома*. атома*. Атомистичко Атомистичко учење разрадио грчки је грчки филозоф година. Грчки су сматрали се сва теланепробојне састоје од изванредно ситних, * Грчки: * Грчки: atomos atomos – недељив – недељив Демокрит, Демокрит, којифилозофи који је атоме је атоме замишљао замишљао каода ситне, као ситне, непробојне честице. честице. Много Много касније, касније, недељивих честица атома*. Атомистичко учење разрадио јеу грчки филозоф почетком почетком ХIХ ХIХ века,века, енглески енглески научник научник Џон Џон Далтон Далтон је увео је увео у хемију хемију појам појам атома, атома, Демокрит, је атоме замишљао као ситне, непробојне честице. Много касније, * Грчки: atomos – недељив како како би објаснио бикоји објаснио законе законе о сједињавању о сједињавању хемијских хемијских елемената. елемената. почетком века, енглески научник Џон Далтон је увео у да хемију појам атома, СвеХIХ до Свекраја до краја ХIХ ХIХ века века у науци у науци је владало је владало мишљење мишљење судаатоми су атоми просте, просте, како би објаснио законе сједињавању хемијских елемената.докази недељиве недељиве честице. честице. ТадаоТада су сесупојавили се појавили експериментални експериментални докази о сложеној о сложеној Све атома: до утврђена крајаутврђена ХIХјевека науци јекатодних владало мишљење да су атоми просте, грађиграђи атома: природа је уприрода катодних зрака, зрака, откривена откривена појава појава природне природне недељиве честице.и Тада се појавилидоказано експериментални докази о сложеној радиоактивности радиоактивности експериментално и су експериментално доказано постојање постојање атомског атомског језгра. језгра. грађи атома: је први природа катодних зрака, откривена појава природне Убрзо Убрзо су створени су утврђена створени и први и модели модели атома атома помоћу помоћу којих којих су научници су научници настојали настојали да да радиоактивности и експериментално доказано постојање језгра. објасне објасне резултате резултате добијене добијене изучавањем изучавањем њихове њихове структуре. структуре. Такоатомског Тако је Џ.јеЏ.Џ.Томсон Џ. Томсон Убрзо су створени и први атома помоћу којих су научници давећи представио представио атоматом као позитивно као модели позитивно наелектрисану наелектрисану лоптицу лоптицу у коју у коју је настојали усађен је усађен већи објасне резултате изучавањем структуре. Џ.1Џ. Томсон број број електрона електрона (подобијене његовом (по његовом мишљењу мишљењу уњихове атому у атому водоника водоника ихТако има их је 1има 000). 000). представио атом као лоптицу у коју је налази усађен већи Испитивања Испитивања супозитивно показала су показала данаелектрисану седау се самом у самом средишту средишту атома атома налази сићушно, сићушно, број електрона (по његовомјезгро мишљењу у атому водоника их сакупљена има 1 000). позитивно позитивно наелектрисано наелектрисано језгро (nuсleus), (nuсleus), у коме у коме је сакупљена је скороскоро читава читава Испитивања су даелектрицитет. се у самом средишту атома налази сићушно, масамаса атома, атома, као икао позитивни и показала позитивни електрицитет. Полупречник Полупречник атомског атомског језгра језгра је око је око позитивно језгро (nuсleus), у коме јејесакупљена читава 10 000 10 пута 000 наелектрисано пута мањимањи од полупречника од полупречника атома. атома. Језгро Језгро је сложене сложене грађеграђе –скоро састављено – састављено маса атома, као и позитивни је одјепротона од протона и неутрона. и неутрона.електрицитет. Полупречник атомског језгра је око 10 000 У пута одоко полупречника атома. Језгро је сложене грађе – састављено простору Умањи простору око атомског атомског језгра језгра крећу крећу се електрони, се електрони, који који чинечине тзв. тзв. је оделектронски протона иомотач неутрона. електронски омотач атома. атома. КакоКако је језгро је језгро изванредно изванредно ситно ситно у односу у односу на на У простору језгра крећу се електрони, који чине тзв. запремину запремину атома, атома, уоко сваком у атомског сваком атому атому постоји постоји значајан значајан празан празан простор. простор. КадаКада би би електронски омотач атома. Како је ситно удругог, односу на се атоми се атоми могли могли толико толико сабити сабити да језгра да језгро језгра дођуизванредно дођу једноједно поред поред другог, добијена добијена Слика Слика II-1. Демокрит II-1. Демокрит запремину атома, сваком атому постоји значајан празан простор. Када би „супстанца” „супстанца” би имала биу имала огромну огромну густину густину – коцкица – коцкица атомских атомских језгара језгара запремине запремине (460–370. (460–370. год. пре год.н.пре е.) н. е.) се атоми могли сабити да језгра дођу једно поред другог, добијена Слика II-1. Демокрит 1 cm 13 била cm3 била би тешка битолико тешка милион милион тона.тона. „супстанца” би имала огромну густину – коцкица атомских језгара запремине (460–370. год. пре н. е.) Структуру Структуру атомског атомског језгра језгра изучава изучава физика, физика, док хемичаре док хемичаре занима занима грађаграђа 3 1 cmелектронског била би тешка милион тона. електронског омотача. омотача. Моделима Моделима атома, атома, о којима о којима ћемоћемо говорити говорити касније, касније, Структуру језгра изучава физика, занима грађа објашњава објашњава се грађа сеатомског грађа електронског електронског омотача. омотача. Пре Пре но док што но хемичаре што пређемо пређемо на изучавање на изучавање електронског омотача. Моделима о којима говорити касније, ових ових модела, модела, треба треба детаљније детаљније да сеатома, даупознамо се упознамо са елементарним саћемо елементарним честицама честицама објашњава сенеутроном грађа електронског омотача. Пре но што пређемо на изучавање – протоном, – протоном, неутроном и електроном. и електроном. ових модела, треба детаљније се упознамо елементарним честицама Протон Протон (означава (означава се симболом седасимболом p) јеp)позитивно је са позитивно наелектрисана наелектрисана честица честица –која протоном, неутроном имогућу електроном. која поседује поседује најмању најмању могућу количину количину позитивног позитивног електрицитета електрицитета једнаку једнаку -19 -19 (означава се симболом p) је позитивно наелектрисана честица 1,6 ·1,6 10Протон · 10 кулона. кулона. МасаМаса протона протона је приближно је приближно једнака једнака унифицираној унифицираној атомској атомској која јединици поседује најмању могућу количину позитивног јединици масемасе (u), a(u), по aдоговору по договору се означава се означава са +1. са +1. електрицитета једнаку -19 1,6 · 10Рекли кулона. Маса протона је приближно једнака унифицираној атомској Рекли смо да смо једа број је број протона протона у језгру у језгру једнак једнак атомском атомском бројуброју елемената, елемената, Z Z јединици (види (види стр.масе 9). стр. (u), 9). a по договору се означава са +1. Рекли смо да је број протона у језгру једнак атомском броју елемената, Z (види стр. 9).

29 II 29

СТРУКТУРА СТРУКТУРА СУПСТАНЦИ СУПСТАНЦИ СТРУКТУРА СУПСТАНЦИ

Неутрон Неутрон (n) (n) је електрично је електрично неутрална неутрална честица честица чијачија је маса је маса приближно приближно једнака једнака маси маси протона. протона. БројБрој неутрона неутрона у језгру у језгру атома атома одређеног одређеног изотопа изотопа израчунава израчунава Неутрон је електрично неутрална честица чија је маса приближно се тако се тако што што се од се масеног од(n) масеног броја броја одузме одузме његов његов атомски атомски број: број: једнака маси протона. Број неутрона у језгру атома одређеног изотопа израчунава се тако што се од масеног бројаNодузме атомски број: (n) N= (n)Ањегов =– АZ.– Z. (10)(10)

* Латински: * Латински: stationarius stationarius – сталан, – сталан, постојан постојан * Латински: stationarius – сталан, постојан

Nнаелектрисана (n) = А – Z. честица (10) Електрон Електрон (е) (е) је негативно је негативно наелектрисана честица којакоја носи носи најмању најмању могућу могућу количину количину негативног негативног електрицитета, електрицитета, једнаку једнаку наелектрисању наелектрисању протона, протона, Електрон (е) Договорено је негативно наелектрисана честица која носи најмању алиали супротног супротног знака. знака. Договорено је дајесе да код се код тумачења тумачења структуре структуре атома, атома, хемијске хемијске могућу количину негативног електрицитета, једнаку наелектрисању протона, везе, везе, појава појава у растворима, у растворима, редокс-реакција редокс-реакција и др,. и др,. наелектрисање наелектрисање електрона електрона узме узме супротног знака. Договорено је да се код тумачења структуре атома, хемијске каоали као јединично, јединично, елементарно елементарно наелектрисање наелектрисање и означи и означи са –1. са –1. везе, појава уелектрона растворима, и др,. Маса Маса електрона је око је око 1редокс-реакција 836 1 836 пута пута мања мања од масе од наелектрисање масе протона. протона. електрона узме каоАтоми јединично, наелектрисање ијер означи –1. од истог Атоми су електрично суелементарно електрично неутралне неутралне честице честице јер су изграђени сусаизграђени од истог броја броја електрона је око 1 836 пута мања од масе протона. протона протона и Маса електрона. и електрона. Атоми су науке електрично неутралне честице јер изграђени од истог броја Развојем Развојем науке и стицањем и стицањем нових нових сазнања сазнања о структури осуструктури атома, атома, мењали мењали протона и електрона. су се су исеусавршавали и усавршавали постојећи постојећи атомски атомски модели. модели. Један Један од најважнијих од најважнијих модела модела Развојем науке и стицањем нових сазнања обио структури атома, мењали атома, атома, који који је много је много допринео допринео развоју развоју атомистике, атомистике, био је Боров је Боров планетарни планетарни су се инастао усавршавали постојећи атомски модели. Један одобјаснити најважнијих модела модел, модел, настао 1913. 1913. године. године. Према Према овом овом моделу, моделу, којикоји ћемо ћемо објаснити на примеру на примеру атома, који јеелектрони много допринео развоју атомистике, био је Боров планетарни атома атома водоника, водоника, електрони круже круже око око језгра језгра по тачно по тачно одређеним одређеним путањама, путањама, каокао модел, 1913. године. Према овом који(стационарне)* ћемо објаснити на примеру планете планете оконастао око Сунца. Сунца. ОвеОве путање путање називају називају се моделу, дозвољене се дозвољене (стационарне)* путање. путање. атома водоника, електрони круже око језгра поатом тачно одређеним путањама, Када Када електрони електрони круже круже по дозвољеним по дозвољеним путањама, путањама, атом је потпуно је потпуно стабилан. стабилан. као планете око Сунца. Ове путање називају се дозвољене (стационарне)* путање. Када електрони круже по дозвољеним путањама, атом је потпуно стабилан.

Слика Слика II-3.II-3. Дозвољене Дозвољене путање путање у атому у атому водоника водоника Слика II-3. Дозвољене путање узбивања атому водоника Слика Слика II-4. II-4. Схематски Схематски приказ приказ збивања у атому у атому водоника водоника припри апсорпцији апсорпцији и емисији и емисији кваната кваната Слика II-4. зрачења Схематски приказ зрачења (десно) (десно)збивања у атому водоника при апсорпцији и емисији кваната зрачења (десно)

На На слици слици II-3II-3 приказане приказане су три су три дозвољене дозвољене путање путање у атому у атому водоника, водоника, са са електроном електроном на првој на првој путањи. путањи. На слици II-3 приказане суодтри дозвољене путање уодатому водоника, са тј. тј. од од Енергија Енергија електронâ електронâ зависи зависи од њихове њихове удаљености удаљености од језгра, језгра, електрономпутање. на путање. првојНајнижу путањи. полупречника полупречника Најнижу енергију енергију имаима електрон електрон којикоји се креће се креће по путањи по путањи тј. од Енергија електронâ зависи од удаљености од језгра, најближој најближој језгру. језгру. Електрони Електрони који који круже круже по њихове другој, по другој, трећој, трећој, илиили некој некој удаљенијој удаљенијој полупречника путање. Најнижу енергију има електрон који се креће по путањи путањи, путањи, имају имају све све већу већу енергију. енергију. Слика Слика II-2.II-2. Нилс Нилс БорБор (1885–1962) (1885–1962) најближој језгру. Електрони који круже по другој, трећој, или некој удаљенијој путањи, имају све већу енергију. Слика II-2. Нилс Бор (1885–1962)

30 30II II 30

СТРУКТУРА СТРУКТУРА СУПСТАНЦИ СУПСТАНЦИ СТРУКТУРА СУПСТАНЦИ

Уколико Уколико једини једини електрон електрон у атому у атому водоника водоника кружи кружи по првој по првој путањи, путањи, атом атом се налази се налази у енергетски у енергетски најстабилнијем, најстабилнијем, основном основном (непобуђеном) (непобуђеном) стању. стању. Уколико јединиатомâ електрон у атому водоника кружиони поони првој путањи, атом ПриПри излагању излагању атомâ електромагнетном електромагнетном зрачењу, зрачењу, апсорбују апсорбују (упијају) (упијају) се налази у енергетски најстабилнијем, основном (непобуђеном) стању. тачно тачно одређене, одређене, недељиве недељиве количине количине енергије, енергије, тзв.тзв. кванте. кванте. Енергија Енергија кванта кванта (Е) (Е) При излагању електромагнетном зрачењу, пропорционална пропорционална је фреквенцији јеатомâ фреквенцији зрачења зрачења (υ),(υ), чита чита се ни: се они ни: апсорбују (упијају) тачно одређене, недељиве количине енергије, тзв. кванте. Енергија кванта (Е) пропорционална је фреквенцији зрачења Е =Еh(υ), =· υhчита · υ се ни: (11)(11)

Е за =сеhсавлађивање · υсавлађивање (11) Апсорбована Апсорбована енергија енергија троши троши се за привлачних привлачних сила сила језгра језгра и и електрон електрон скоковито скоковито прелази прелази са ниже са ниже путање путање на путању на путању удаљенију удаљенију од језгра. од језгра. Апсорбована енергија троши се за атом савлађивање привлачних силабогатије језгра и Апсорбовањем Апсорбовањем кванта кванта енергије енергије атом доспева доспева у енергетски у енергетски богатије електрон скоковито са веома ниже путање на путању од језгра.деодео побуђено побуђено стање. стање. Топрелази То стање стање је је веома нестабилно нестабилно и траје и удаљенију траје стомилионити стомилионити Апсорбовањем кванта енергије доспевавраћа увраћа енергетски секунде. секунде. После После тог тог времена времена електрон електрон сеатом скоковито се скоковито на неку на неку одбогатије путања од путања побуђено стање. То је веома нестабилно и траје стомилионити део ближих ближих језгру, језгру, којакоја имастање има нижу нижу енергију. енергију. Разлику Разлику у енергији у енергији између између дведве дозвољене дозвољене секунде. После тог времена електрон се кваната скоковито враћа на неку од(слика путања путање путање атом атом емитује емитује (отпушта) (отпушта) у виду у виду кваната светлости светлости – фотона – фотона (слика II-4). II-4). ближихСвака језгру, која има нижу енергију. Разлику узрачи енергији између две дозвољене Свака врста врста атома атома после после побуђивања побуђивања зрачи фотоне фотоне тачно тачно одређене одређене путање атом емитује (отпушта) у виду кваната светлости –зафотона (слика II-4). енергије енергије (односно (односно таласне таласне дужине), дужине), карактеристичне карактеристичне за дату дату атомску атомску врсту. врсту. То То Свака врста следећим атома после побуђивања зрачи фотоне тачно одређене се може се може проверити проверити следећим огледом. огледом. енергије (односно таласне дужине), карактеристичне за дату атомску врсту. То Оглед 1*1* се Оглед може проверити следећим огледом.

h – hПланкова – Планкова константа константа h – Планкова константа

Насути Насути на сахатно на сахатно стакло стакло мало мало концентроване концентроване хлороводоничне хлороводоничне киселине. киселине. * Огледи * Огледи обележени обележени звездицом звездицом Оглед 1* Заронити Заронити у киселину у киселину платинску платинску жицу жицу илиили мину мину графитне графитне оловке, оловке, а затим а затим је је реализују реализују се групним се групним радом радом Насути на сахатно стакло мало концентроване хлороводоничне киселине. унети унети у безбојни у безбојни деодео пламена пламена гасне гасне грејалице. грејалице. * Огледи обележени звездицом ученика. ученика. Заронити у киселину платинску жицусеили мину графитне оловке, а описани затим је Уколико Уколико се пламен пламен обоји, обоји, понављати понављати описани реализују се групним радом унети у безбојни деопламен пламена гаснебезбојан. грејалице. поступак поступак свесве докдок пламен не постане не постане безбојан. ученика. Уколико сеплатинску пламен обоји, понављати описани Очишћену Очишћену платинску жицу жицу заронити заронити у 10 у% 10 ра% рапоступак све док пламен неLiСl, створ створ литијум-хлорида, литијум-хлорида, LiСl, апостане затим а затим јебезбојан. поново је поново уне-унеОчишћену платинску жицу заронити уII-5.). 10II-5.). %Како рати утипламен у пламен гасне гасне грејалице грејалице (слика (слика Како створ литијум-хлорида, LiСl, а затим је поново унеиспитивана испитивана со боји со боји пламен? пламен? ти уОчистити пламен гасне грејалице (слика II-5.). Очистити платинску платинску жицу жицу прањем прањем у концену Како концениспитивана со боји пламен? трованој трованој хлороводоничној хлороводоничној киселини киселини и жарењем и жарењем

Очистити платинску жицу унатријумконцени поновити и поновити оглед оглед са 10 са % 10растворима %прањем растворима натријумтрованој хлороводоничној киселиниВаСl и ВаСl жарењем . Свако . Свако -хлорида -хлорида NаСl NаСl и баријум-хлорида и баријум-хлорида 2 2 и поновити оглед са 10 % растворима натријумиспитивање испитивање бојења бојења пламена пламена треба треба извести извести са са -хлорида NаСl и баријум-хлорида ВаСl2. Свако чистом чистом платинском платинском жицом. жицом. испитивање бојења пламена треба извести са Забележити Забележити запажања запажања у лабораторијски у лабораторијски дневник дневник Слика II-5.II-5. Извођење огледа бојења Слика Извођење огледа бојења чистом платинском жицом. и објаснити и објаснити посматрану посматрану појаву. појаву. пламена пламена Забележити запажања у лабораторијски дневник Слика II-5. Извођење огледа бојења исоли објаснити посматрану појаву. метала ПриПри уношењу уношењу раствора раствора соли алкалних алкалних и земноалкалних и земноалкалних метала у пламен, у пламен, пламена

најпре најпре испари испари вода, вода, а затим а затим се соли се соли топетопе и испаравају. и испаравају. У парама У парама се поред се поред јонајона При раствора соли алкалних земноалкалних метала у пламен, налазе налазе и слободни иуношењу слободни атоми атоми метала, метала, који који се усепламену у ипламену побуђују побуђују апсорпцијом апсорпцијом тачно тачно најпре испари вода, аенергије. затимПобуђени се Побуђени соли топе и испаравају. У парама се поред одређених одређених кванта кванта енергије. атоми атоми припри повратку повратку електрона електрона на путање на јона путање налазе и слободни атоми метала, који сезрачење у пламену побуђују апсорпцијом боје, ниже ниже енергије енергије емитују емитују светлосно светлосно зрачење одређене одређене таласне таласне дужине дужине и тачно и боје, одређених квантазаенергије. Побуђени атоми при електрона на кармин путање карактеристичне карактеристичне дати за дати метал. метал. Тако Тако литијум литијум и његове иповратку његове соли соли бојебоје пламен пламен кармин ниже енергије емитују зрачење црвено, црвено, натријум натријум жуто, жуто, асветлосно баријум а баријум зелено. зелено. одређене таласне дужине и боје, карактеристичне за дати метал. литијум иу његове соли боје пламен кармин Борова Борова теорија теорија дала дала је добре јеТако добре резултате резултате тумачењу у тумачењу структуре структуре атома атома водоводоцрвено, натријум жуто, асложенијих баријуматома, зелено. ника. ника. Међутим, Међутим, код код сложенијих атома, којикоји садрже садрже више више електрона, електрона, нијеније било било Борова теорија дала је добре резултате уимала тумачењу структуре атома водослагања слагања теорије теорије и експеримента. и експеримента. Ова Ова теорија теорија имала је ијенеке и неке друге друге недостатке, недостатке, ника. Међутим, код сложенијих атома, који садрже више електрона, није било слагања теорије и експеримента. Ова теорија имала је и неке друге недостатке,

II II31 31 II

СТРУКТУРА СТРУКТУРА СУПСТАНЦИ СУПСТАНЦИ СТРУКТУРА СУПСТАНЦИ

cтога cтога је Боров је Боров модел модел атома атома замењен замењен бољим бољим и савршенијим и савршенијим таласно-механичким таласно-механичким моделом, моделом, којикоји је настао је настао између између 1924. 1924. и 1927. и 1927. године. године. Његова Његова основна основна разлика разлика од од cтога је Боров модел атома замењен бољим и савршенијим таласно-механичким Боровог Боровог модела модела је у је томе у томе што што је Бор је Бор за описивање за описивање кретања кретања електрона електрона у атому у атому Развој модела атома моделом, који је настао између 1924.који и 1927. године. Његова основна разлика од Леукип Леукип користио користио законе законе класичне класичне механике, механике, који се односе се односе на кретање на кретање макротела макротела модела јемасе уу томе штонаје масу Бормасу заатома, описивање кретања електрона уТаквим атому Демокрит Демокрит (тј. Боровог (тј. телатела велике велике масе односу у односу на атома, нпр.нпр. зрно зрно прашине). прашине). Таквим (300(300 год.Леукип год. п. н.п.е.) н. е.) приступом користио законе класичне механике, који сеодредити односе наположај кретање макротела приступом било било је могуће је могуће у сваком у сваком тренутку тренутку одредити положај електрона електрона Демокрит (тј. тела око велике масе језгра. у односу на масуутврђено атома, нпр. прашине). Таквим у простору у простору око атомског атомског језгра. Међутим, Међутим, утврђено је да језрно се да закони се закони кретања кретања (300 год. п. н. е.) приступом било је честица могуће у сваком тренутку одредити положај електрона микрочестица микрочестица (тј. (тј. честица изванредно изванредно мале мале масе, масе, какав какав је ијеелектрон) и електрон) битно битно уразликују простору атомског језгра. Међутим, утврђено је да се закони кретања Далтон Далтон разликују од закона одоко закона класичне класичне механике. механике. микрочестица (тј.електрона честица изванредно мале масе, какав је и електрон) битно (1808) (1808) Законе Законе кретања кретања електрона у атому у атому изучава изучава таласна таласна (квантна) (квантна) механика. механика. Далтон То разликују од најзначајнијих закона класичнетеорија механике. То је једна је једна од од најзначајнијих теорија савремене савремене физике физике којакоја се заснива се заснива на на (1808) Законе кретања електрона у атому изучава таласна (квантна) следећим следећим основним основним поставкама: поставкама: таласном таласном карактеру карактеру кретања кретања електрона електрона имеханика. прини принТо је неодређености. једна од најзначајнијих теорија савремене физике која се заснива на ципу ципу неодређености. Toмсон Toмсон следећим основним поставкама: таласном карактеру кретања електрона и принЕкспериментално Експериментално је доказано је доказано да електрони, да електрони, аналогно аналогно фотонима, фотонима, имају имају (1900) (1900) ципу неодређености. дуалистичку дуалистичку (двојну) (двојну) природу, природу, тј. понашају тј. понашају се и се као и као честице честице и као и као таласи. таласи. То То Toмсон Експериментално је доказано да електрони, аналогно фотонима, имају значи значи да кретање да кретање електрона електрона око око језгра језгра треба треба схватити схватити и као и као таласни таласни процес процес коме коме (1900) дуалистичку (двојну) природу, тј. понашају се и као честице и као таласи. То одговарају одговарају одређене одређене таласне таласне дужине. дужине. значи да кретање електрона око језгра и као таласни процес коме Радерфорд Радерфорд Принцип Принцип неодређености неодређености каже каже да треба се да због сесхватити због таласног таласног карактера карактера кретања кретања одговарају одређене таласне дужине. (1910) (1910) електрона електрона не може не може истовремено истовремено одредити одредити њихов њихов тачан тачан положај положај у простору у простору Радерфорд око око Принцип неодређености каже да таласног карактера језгра језгра и брзина, и брзина, као као штошто је тоје случај то случај са се макротелима. са због макротелима. Уколико Уколико се тачније се кретања тачније (1910) електрона неелектрона, може истовремено њихов тачан положај простору положај положај електрона, утолико утолико се одредити његова се његова брзина брзина може може измерити измерити саумањом са мањом одреди одреди око језгра брзина, као што случај са макротелима. Уколико сеодустало тачније тачношћу тачношћу и обрнуто. ии обрнуто. Стога Стога се усејеталасно-механичком утоталасно-механичком моделу моделу атома атома одустало БорБор положај електрона, утолико се његова измерити са мањом одреди од Боровог од Боровог схватања схватања да једаположај је положај електрона електрона у односу убрзина односу наможе атомско на атомско језгро језгро тачно тачно (1913) (1913) тачношћу исталан. обрнуто. Стога се у утврђених таласно-механичком моделу атома одустало одређен одређен и сталан. и Уместо Уместо прецизно прецизно утврђених кружних кружних путања путања електрона, електрона, у у Бор од Боровог схватања даизрачунава је положај електрона налажења у односу наелектрона атомско језгро тачно квантној квантној механици механици се израчунава се вероватноћа вероватноћа налажења електрона у проу про(1913) одређен иатомског сталан. Уместо стору стору око око атомског језгра. језгра. прецизно утврђених кружних путања електрона, у квантној механици се израчунава вероватноћа налажења електрона у проПросторна Просторна расподела расподела електрона електрона у атому у атому сликовито сликовито се се представља представља Зомерфелд Зомерфелд стору око атомског језгра. помоћу помоћу тзв. тзв. електронског електронског облака, облака, који који треба треба замислити замислити као као облак облак негативног негативног (1920) (1920) Просторна расподела електрона у електронског атому сликовито Зомерфелд електрицитета електрицитета око око атомског атомског језгра. језгра. Густина Густина електронског облака облака насецртежу напредставља цртежу се се помоћу тзв. електронског облака, који треба замислити као облак негативног (1920) приказује приказује густином густином тачкица тачкица (слика (слика II-6). II-6). електрицитета Густина електронског на цртежу се КаоКао штошто се око на се атомског слици на слици II-6језгра. II-6 види, види, електронски електронски облак облак уоблака атому у атому водоника водоника приказује густином тачкица (слика II-6). је лоптастог је лоптастог облика. облика. Он Он нема нема оштре оштре границе границе и није и није свуда свуда истеисте густине: густине: у у Као што се вероватноће на слициналажења II-6 види, електронски облак уоблака атому водоника подручјима подручјима велике велике вероватноће налажења електрона, електрона, густина густина облака (сликовито (сликовито Хајзенберг Хајзенберг је лоптастог облика. Он нема оштре границе и подручјима није свуда исте густине: у представљена представљена густином густином тачкица) тачкица) је велика, је велика, док док је у је подручјима у мале мале вероватноће вероватноће Шредингер Шредингер подручјима велике вероватноће налажења електрона, густина облака (сликовито густина густина облака облака мала. мала. Хајзенберг (1926) (1926) представљена густином тачкица) јеталасно-механичком велика, док је у подручјима мале вероватноће Из Из изложеног изложеног следи следи да према да према таласно-механичком моделу моделу атома атома елекелекШредингер густина облака мала. трони трони осцилују осцилују (трепере) (трепере) у простору у простору око око атомског атомског језгра, језгра, формирајући формирајући облак облак (1926) Из изложеног следи да према таласно-механичком моделу атома елекнегативног негативног електрицитета. електрицитета. трони осцилују (трепере) у простору око атомског језгра, формирајући облак негативног електрицитета.

Развој Развој модела модела атома атома

Слика Слика II-6.II-6. Електронски Електронски облак облак у у атому атому водоника водоника Слика II-6. Електронски облак у атому водоника Слика Слика II-7. II-7. Боров Боров (лево) (лево) и и таласно-механички таласно-механички модел модел атома атома Слика II-7.(десно) Боров (лево) и водоника водоника (десно) таласно-механички модел атома водоника (десно)

32 32II II 32

СТРУКТУРА СТРУКТУРА СУПСТАНЦИ СУПСТАНЦИ СТРУКТУРА СУПСТАНЦИ

Да Да бисмо бисмо јасније јасније уочили уочили разлике разлике између између двадва размотрена размотрена модела модела атома, атома, прикажимо прикажимо један један поред поред другог другог Боров Боров и таласно-механички и таласно-механички модел модел атома атома Да (слика бисмо јасније водоника водоника (слика II-7). II-7).уочили разлике између два размотрена модела атома, прикажимо један поред Боров и таласно-механички модел атомау у На На слици слици II-7 II-7 се види седругог види да да према према Боровом Боровом моделу моделу једини једини електрон електрон водоника (слика II-7). непобуђеном непобуђеном атому атому водоника водоника кружи кружи окооко језгра језгра на на сталној, сталној, тачно тачно одређеној одређеној На слици се која види да 53 према Боровом моделу једини електрон у удаљености удаљености од језгра, одII-7 језгра, која износи износи рm.* 53 рm.* непобуђеном атому водоника кружи око атома, језгра на електрон сталној, тачно одређеној Према Према таласно-механичком таласно-механичком моделу моделу атома, електрон је „разливен” је „разливен” у проу про-* 1 рm рm (пикометар) = 10=–1210m–12 m * 1 (пикометар) удаљености од језгра, која износи 53 рm.* стору стору и формира и формира електронски електронски облак облак различите различите густине, густине, којакоја одговара одговара вероверо–12 Према таласно-механичком моделу атома, електрон је „разливен” у проватноћи ватноћи налажења налажења електрона. електрона. Највећа Највећа вероватноћа вероватноћа налажења налажења електрона електрона у у* 1 рm (пикометар) = 10 m стору и формира електронски облак различите густине, која одговара вероатому атому водоника водоника је на је 53 на рm 53 рm од језгра, од језгра, што што одговара одговара полупречнику полупречнику прве прве Борове Борове ватноћи налажења електрона. Највећа вероватноћа налажења електрона у дозвољене дозвољене путање. путање. атому водоника је на 53 рm од језгра, што одговара полупречнику прве Борове Електронски Електронски облак облак може може се добити се добити следећим следећим мисаоним мисаоним огледом: огледом: претпретдозвољене путање. поставимо поставимо да поседујемо да поседујемо брзу, брзу, веома веома осетљиву, осетљиву, камеру камеру којакоја може може да снима да снима Електронски облак може се водоника добити следећим мисаоним огледом: претположај положај електрона електрона око око језгра језгра атома атома водоника у изванредно у изванредно кратким кратким временским временским поставимо да поседујемо брзу, веома осетљиву, камеру која може да снима интервалима. интервалима. Када Када бисмо бисмо све све добијене добијене негативе негативе ставили ставили један један преко преко другог, другог, положај око језгра атома водоника у изванредно настао настао биелектрона електронски би електронски облак облак приказан приказан на слици на слици II-6.II-6. кратким временским интервалима. Када бисмо све добијене негативе ставили један преко другог, Треба Треба нагласити нагласити да просторна да просторна расподела расподела електрона електрона у атому, у атому, сликовито сликовито настао би електронски облак приказан на слици II-6. приказана приказана електронским електронским облаком, облаком, нијеније утврђена утврђена непосредним непосредним посматрањем посматрањем Треба да просторна расподела електрона у атому, сликовито атома, атома, већвећ на нагласити основу на основу сложених сложених математичких математичких прорачуна. прорачуна. приказана електронским облаком, није утврђена непосредним посматрањем Модел Модел атома атома који који поред поред корпускуларне корпускуларне (честичне) (честичне) природе природе електрона електрона атома, већ основу математичких прорачуна. узима узима у обзир унаобзир и његова исложених његова таласна таласна својства, својства, назива назива се таласно-механички се таласно-механички Модел атома који поред корпускуларне (честичне) природе електрона модел. модел. узима у обзир и његова таласна својства, назива се таласно-механички модел.

ЕНЕРГЕТСКИ ЕНЕРГЕТСКИ НИВОИ НИВОИ ЕЛЕКТРОНА ЕЛЕКТРОНА У АТОМУ У АТОМУ ЕНЕРГЕТСКИ НИВОИ ЕЛЕКТРОНА У АТОМУ

Енергије Енергије електрона електрона у атому у атому су квантиране, су квантиране, тј. тј. имају имају тачно тачно одређене одређене вредности вредности којекоје се мењају се мењају а неа постепено. не постепено. Зависно Зависно од енергије од енергије којукоју скоковито, скоковито, Енергије електрона у атому на су тзв. квантиране, тј. имају тачно поседују, поседују, електрони електрони су распоређени су распоређени на тзв. енергетским енергетским нивоима. нивоима. Ти одређене нивои Ти нивои се се вредности које се а непредстављају постепено. Зависно одкоје енергије коју мењају скоковито, на енергетском на енергетском дијаграму дијаграму сликовито сликовито представљају линијама линијама које су различито су различито Е Е поседују, електрони распоређени на разлици тзв. енергетским нивоима. Ти нивои се удаљене удаљене једна једна од друге одсудруге сразмерно сразмерно разлици у енергији у енергији између између квантних квантних стања стања 3. ниво 3. ниво (М–слој) (М–слој) на енергетском дијаграму Е3 Е3 електрона електрона (слика (слика II-8). II-8). сликовито представљају линијама које су различито n=3n=3 Е удаљене једна оденергетски друге сразмерно разлици усеенергији између квантних стања Најнижи Најнижи енергетски ниво ниво обележава обележава са се nса=n1, = други, 1, други, виши виши ниво ниво са са 3. ниво (М–слој) (слика n=3 nелектрона = n2 =итд. 2 итд. Слово Слово nII-8). означава n означава главни главни квантни квантни бројброј који који карактерише карактерише енергију енергију Е3 2. ниво 2. ниво (L–слој) (L–слој) Е Е n=2n=2 2 2 Најнижи енергетски ниво обележава се са n = 1, други, виши ниво са електрона електрона и његову и његову удаљеност удаљеност од језгра. од језгра. n = 2 итд. Слово n означава главни квантни број који енергију 2. ниво (L–слој) За непобуђене За непобуђене атоме атоме свих свих познатих познатих елемената елемената n има nкарактерише има целобројне целобројне вредности вредности Е n=2 2 електрона и његову удаљеност од језгра. од 1оддо1 7. до 7. За непобуђене атоме свих познатих елемената nенергије има целобројне Свакој Свакој вредности вредности n одговара n одговара одређени одређени ниво ниво енергије електрона електрона ивредности одређена и одређена од 1 до 7. просечна просечна удаљеност удаљеност електрона електрона од језгра. од језгра. АкоАко је nје=n1,= електрон 1, електрон имаима најнижу најнижу Свакој вредности n првом одговара одређени ниво енергије електрона и одређена енергију енергију (тј. (тј. налази налази се на се на првом енергетском енергетском нивоу) нивоу) и осцилује и осцилује најближе најближе језгру. језгру. просечна удаљеност електрона од језгра. Ако је nелектрона = 1, електрон најнижу Већим Већим вредностима вредностима n одговарају n одговарају већевеће енергије енергије електрона и већа иима већа просечна просечна енергију (тј.одналази се на првом енергетском нивоу) и осцилује најближе језгру. 1. ниво (K–слој) (K–слој) удаљеност удаљеност језгра. од језгра. Е1 Е1 1. ниво n=1n=1 Већим Енергетски вредностима nнивои одговарају веће енергије електронаслојеви и слојеви већаили просечна Енергетски нивои се понекад се понекад називају називају и електронски и електронски или љуске љуске 1.II-8. ниво (K–слој) удаљеност одсловима језгра. II-8. Схематски Схематски приказ приказ три три Е1Слика и означавају и означавају словима К, L, К,M, L, N, M, O, N, P, O,Q. P, Тако Q. Тако се први се први енергетски енергетски ниво ниво (n =(n1)= 1)Слика n=1 Енергетски нивои се понекад називају и електронски слојеви или љуске првапрва енергетска енергетска нивоа нивоа атома атома назива назива К-слој, К-слој, други други енергетски енергетски ниво ниво (n =(n2)=L-слој 2) L-слој итд.итд. и означавају словима К, L, M, N, O, P, Q. Тако се први енергетски ниво (n = 1) Слика II-8. Схематски приказ три прва енергетска нивоа атома назива К-слој, други енергетски ниво (n = 2) L-слој итд.

II II33 33 II

СТРУКТУРА СТРУКТУРА СУПСТАНЦИ СУПСТАНЦИ СТРУКТУРА СУПСТАНЦИ

Максималан Максималан бројброј електрона електрона на нижим на нижим енергетским енергетским нивоима нивоима (до (до n =n4)= 4) израчунава израчунава се по се формули: по формули: Максималан број електрона на нижим енергетским нивоима (до n = 4) n – nглавни – главни квантни квантни бројброј N (е) N= (е)2n =2.2n2. (12)(12) израчунава се по формули: 2 У складу У складу са формулом са формулом (12)(12) на првом на првом нивоу нивоу (n =(n1)= може 1) може се се n – главни квантни број N (е) =енергетском 2nенергетском . (12) налазити налазити највише највише 2 · 122 ·=122 =електрона, 2 електрона, на другом на другом нивоу нивоу (n =(n2)=највише 2) највише 2 · 222 ·=282 = 8 Уитд. складу електрона електрона итд. са формулом (12) на првом енергетском нивоу (n = 1) може се налазити највише 2 · 12 = 2 електрона, на другом нивоу (n = 2) највише 2 · 22 = 8 електрона итд.

Е Е M M n=3n=3 Е n=3 M L L n=2n=2 L

n=2

ЕНЕРГЕТСКИ ЕНЕРГЕТСКИ ПОДНИВОИ ПОДНИВОИ

d p s

d ЕНЕРГЕТСКИ ПОДНИВОИ p Експериментално Експериментално је утврђено је утврђено да се да електрони се електрони истог истог енергетског енергетског нивоа нивоа d s (сем (сем првог) првог) мало мало разликују разликују по својој по својој енергији. енергији. Кажемо Кажемо да се да енергетски се енергетски нивои нивои са са p Експериментално је два утврђено давише се електрони истог енергетског нивоа вредностима вредностима n > n 1 > „цепају” 1 „цепају” на на два или или више поднивоа поднивоа који који имају имају веома веома сличне сличне p s p (сем првог) мало разликују по својој енергији. Кажемо да се енергетски нивои са енергије. енергије. s s вредностима n > 1 „цепају” на два или више поднивоа који имају веома сличне БројБрој енергетских енергетских поднивоа поднивоа једнак једнак је вредности је вредности главног главног квантног квантног броја. броја. p енергије. Ако Ако је, на је, пример, на пример, n = n 3, = дати 3, дати енергетски енергетски ниво ниво садржи садржи три три поднивоа. поднивоа. s

Број енергетских поднивоа једнак јеенергетског вредности главног квантног броја. Енергетски Енергетски поднивои поднивои унутар унутар одређеног одређеног енергетског нивоа нивоа обележавају обележавају се се Ако је, на пример, n = 3, дати енергетски ниво садржи три поднивоа. малим малим словима словима s, p,s,d,p,f,d,. .f,. .(слика . . (слика II-9). II-9). одређеног енергетског нивоа обележавају КаоЕнергетски Као штошто се на се поднивои слици на слици II-9унутар II-9 види, види, на првом на првом енергетском енергетском нивоу нивоу налази налази се се се малим словима s, p, d, f, . . . (слика II-9). само само један, један, s-подниво. s-подниво. Други Други енергетски енергетски ниво ниво имаима двадва поднивоа поднивоа (s и(sp), и трећи p), трећи Каотри што се на(s,слици види, на првом енергетском нивоу налази се K K n=1n=1 s s ниво ниво имаима три поднивоа поднивоа p(s,и pd)иII-9 итд. d) итд. само један, s-подниво. Други енергетски ниво има два поднивоа (s и p), трећи n=1 приказ Слика Слика II-9. Схематски Схематски приказ три три KII-9. s ниво има три поднивоа (s, p и d) итд.

првапрва енергетска енергетска нивоа нивоа и одговарајућих и одговарајућих Слика II-9. Схематски приказ поднивоа поднивоа електрона електрона у атому у атомутри прва енергетска нивоа и одговарајућих поднивоа електрона у атому

АТОМСКЕ АТОМСКЕ ОРБИТАЛЕ ОРБИТАЛЕ АТОМСКЕ ОРБИТАЛЕ

Енергетски Енергетски поднивои поднивои се састоје се састоје од одређеног од одређеног броја броја орбитала, орбитала, којима којима се се може може приписати приписати следећи следећи физички физички смисао: смисао: орбитала орбитала је област је област простора простора окооко Енергетски поднивои се састоје од одређеног броја орбитала, којима се атомског атомског језгра језгра у којој у којој је вероватноћа је вероватноћа налажења налажења електрона електрона највећа. највећа. може приписати следећи физички смисао: орбитала је област простора Орбитале Орбитале се обележавају се обележавају словима словима s, p,s,d,p,f,d,. .f,. .зависно . . зависно од тога од тога на ком на ком сеоко се атомског језгра у којој је вероватноћа налажења електрона највећа. енергетском енергетском поднивоу поднивоу налазе. налазе. Тако Тако се орбитале се орбитале на s-поднивоима на s-поднивоима означавају означавају каокао Орбитале се обележавају словима s, итд. p, d, f, . Да . . зависно од тога на ком ком се s-орбитале, s-орбитале, на р-поднивоима на р-поднивоима каокао р-орбитале р-орбитале итд. Да би се би истакло се истакло на ком на се се енергетском поднивоу налазе. Тако се орбитале на s-поднивоима означавају као енергетском енергетском нивоу нивоу налази налази одређена одређена орбитала, орбитала, испред испред симбола симбола орбитале орбитале ставља ставља s-орбитале, на р-поднивоима као р-орбитале Да би се истакло се се вредност се вредност главног главног квантног квантног броја. броја. Тако Тако се, се, на итд. пример, на пример, s-орбитала s-орбитала на на првом на ком првом енергетском нивоу налази одређена орбитала, испред симбола орбитале ставља енергетском енергетском нивоу нивоу означава означава са 1s, са на 1s, другом на другом енергетском енергетском нивоу нивоу са 2s, са на 2s, трећем на трећем се вредност главног квантног енергетском енергетском нивоу нивоу са 3s саитд. 3s итд. броја. Тако се, на пример, s-орбитала на првом енергетском нивоу означава са 1s, на другомнаенергетском нивоу са 2s, на трећем КодКод тумачења тумачења распореда распореда електрона електрона на енергетским енергетским поднивоима поднивоима и и енергетском нивоу са 3s итд. одговарајућим одговарајућим орбиталама, орбиталама, треба треба познавати познавати једно једно посебно посебно својство својство електрона електрона у у тумачења распореда електрона на енергетским поднивоима и атому, атому, којеКод које се назива се назива спин. спин. одговарајућим орбиталама, треба познавати једно посебно својство електрона у Спин Спин електрона електрона се веома се веома упрошћено упрошћено може може представити представити каокао обртање обртање атому, које се назива спин. електрона електрона окооко сопствене сопствене осе.осе. Могућа Могућа су два су два смера смера обртања обртања електрона: електрона: у смеру у смеру Спин електрона упрошћено кретања кретања казаљке казаљке на сату на сату и усе исупротном увеома супротном смеру. смеру. може представити као обртање електрона око сопствене осе. су два смера обртања електрона: У једној У једној орбитали орбитали могу могу сеМогућа налазити се налазити највише највише два два електрона електрона и тои усуптосмеру супкретања казаљке на сату и у супротном смеру. ротних ротних спинова. спинова. У једној орбитали могу се налазити највише два електрона и то супротних спинова.

34 34II II 34

СТРУКТУРА СТРУКТУРА СУПСТАНЦИ СУПСТАНЦИ СТРУКТУРА СУПСТАНЦИ

ОвоОво правило правило назива назива се Паулијев се Паулијев принцип принцип искључења искључења (забране). (забране). Орбитала Орбитала се схематски се схематски приказује приказује квадратићем квадратићем испод испод којег којег се ставља се ставља Ово правило назива сеуПаулијев принцип искључења (забране). симбол симбол орбитале. орбитале. Електроне Електроне орбиталама у орбиталама представљамо представљамо стрелицама, стрелицама, а оријена оријенОрбитала се схематски приказује квадратићем испод којег се ставља тацију тацију спина спина електрона електрона – смером – смером стрелице, стрелице, на пример: на пример: симбол орбитале. Електроне у орбиталама представљамо стрелицама, а оријентацију спина електрона – смером стрелице, на пример:

↑↑ ↑

↑↓ ↑↓ ↑↓

2s 2s 2s 2s 2s 2s празна празна орбитала орбитала полупопуњена полупопуњена орбитала орбитала попуњена попуњена орбитала орбитала 2s 2s 2s (садржи (садржи неспарени неспарени електрон) електрон)(садржи (садржи електронски електронски пар)пар) празна орбитала полупопуњена орбитала попуњена орбитала Распоред Распоред орбитала орбитала на поднивоима на поднивоима три три прва прва енергетска енергетска нивоа нивоа приказан приказан је (садржи неспарени електрон) (садржи електронски пар)је на слици на слици II-10. II-10. Распоред орбитала поднивоима прва енергетска нивоа је Са Са слике слике II-10 II-10 се види сенавиди да се да на се сваком натри сваком s-поднивоу s-поднивоу налази налази по приказан једна по једна s-орs-орна слици II-10. битала; битала; р-поднивои р-поднивои садрже садрже по три по три р-орбитале, р-орбитале, а d-поднивои а d-поднивои по пет по пет d-орбитала. d-орбитала. Е Е Са слике се види даКвантномеханички сеКвантномеханички на сваком s-поднивоу налази по једна 3d 3d d d Облик Облик s иII-10 sр-орбитала. и р-орбитала. прорачуни прорачуни показују показују да s-орs-орда s-ор18е 18е M M битала; р-поднивои садрже по(слика триII-11). р-орбитале, а d-поднивои по пет d-орбитала. битале битале имају имају облик облик лопте лопте (слика II-11). 3p 3p p p Е d 3d Облик s иоблику р-орбитала. Квантномеханички прорачуни показују да односно s-орs s По По свом свом облику р-орбитале р-орбитале подсећају подсећају на на гимнастичко гимнастичко ђуле, ђуле, односно 3s 3s 18е M p битале имају обликобртањем лопте (слика II-11). 3p на тело на тело добијено добијено обртањем бројке бројке 8 око 8 око уздужне уздужне осе.осе. На На сваком сваком р-поднивоу р-поднивоу p p 2p 2p s 8е 8е По свом р-орбитале подсећају на гимнастичко односно L L 3s налазе налазе се по се три по облику три енергетски енергетски еквивалентне еквивалентне р-орбитале, р-орбитале, којекоје се простиру сеђуле, простиру уздуж уздуж s s на добијенокоординатног обртањем бројке 8 око осе. На заклапају свакомугао р-поднивоу осатело оса правоуглог правоуглог координатног система, система, тј. уздужне међу тј. међу собом собом заклапају угао од од 90°.90°. 2s 2s p 2p L 8е налазе се по се триса Обележавају Обележавају сеенергетски рса , ррух,ирру zи(cлика реквивалентне (cлика II-12). II-12).р-орбитале, које се простиру уздуж s х z оса правоуглог координатног система, тј. међу угао од 90°. Облик Облик d-орбитала d-орбитала је нешто је нешто сложенији сложенији и нећемо исобом нећемо газаклапају разматрати. га разматрати. 2s Обележавају се са рх, ру и рz (cлика II-12). Облик d-орбитала је нешто сложенији иДанас нећемо га разматрати. Редослед Редослед попуњавања попуњавања орбитала. орбитала. Данас је позната је позната грађа грађа електронских електронских омотача омотача атома атома свих свих елемената. елемената. ПреПре но што но што почнемо почнемо њено њено изучавање, изучавање, треба треба да да Редослед попуњавања орбитала. Данас је одређује позната грађа електронских упознамо упознамо принцип принцип минимума минимума енергије, енергије, којикоји одређује редослед редослед попуњавања попуњавања 2е 2е K K s s 1s 1s омотача атома свих елемената. Пре но је што њено изучавање, треба да орбитала орбитала електронима: електронима: најстабилније најстабилније оно јепочнемо оно стање стање система система (атома, (атома, молекула молекула упознамо принцип минимума енергије, 2еII-10. Слика Слика Распоред Распоред орбитала орбитала илиили јона) јона) којекоје имаима најнижу најнижу енергију. енергију. који одређује редослед попуњавања K II-10. s 1s на енергетским поднивоима поднивоима три три орбитала електронима: је оно стањеу система (атома, молекула У складу У складу са овим са најстабилније овим принципом, принципом, електрони електрони атому у атому најпре најпре попуњавају попуњавају на енергетским II-10. Распоред орбитала прва прва енергетска енергетска нивоа нивоа илиорбитале јона)најниже које имаенергије, најнижу орбитале најниже енергије, паенергију. тек па тек онда онда онеоне са вишом са вишом енергијом. енергијом. Према Према томе, томе, у у Слика на енергетским поднивоима три У са складу са овим принципом, упо атому најпрекоји попуњавају атомима атомима више са више електрона електрона орбитале орбитале сеелектрони попуњавају се попуњавају редоследу по редоследу који одговара одговара прва енергетска нивоа орбитале најниже енергије, па тек онда оне са вишом енергијом. Према томе, у порасту порасту њихове њихове енергије енергије и то: и то: атомима са више електрона орбитале се попуњавају по редоследу који одговара порасту њихове енергије и то: 1s→2s→2p→3s→3p→4s→3d→4p→5s→4d→5p→6s→4f 1s→2s→2p→3s→3p→4s→3d→4p→5s→4d→5p→6s→4f итд.итд. 1s→2s→2p→3s→3p→4s→3d→4p→5s→4d→5p→6s→4f итд.

Слика Слика II-11. II-11. Облик Облик s-орбитале s-орбитале Слика II-11. Облик s-орбитале Слика Слика II-12. II-12. Облик Облик и и оријентација оријентација р-орбитала р-орбитала Слика II-12. Облик и оријентација р-орбитала

II II35 35 II

 

Слика II-13. Релативни односи енергије орбитала Слика II-13. Релативни односи енергије орбитала

Видимо да на вишим енергетским нивоима долази до одступања од очекиваног редоследа попуњавања орбитала. Тако се, на пример, 4s-орбитала Видимо да на вишим енергетским нивоима долази до одступања од попуњава пре 3d-орбитала пошто има нижу енергију. очекиваног редоследа попуњавања се, на пример, Релативни односи енергије орбитала. орбитала Тако у атомима са више4s-орбитала електрона попуњава 3d-орбитала пошто има нижу енергију. приказанипре су на слици II-13. Релативни енергије орбитала атомима са више електрона Размотримоодноси на једном примеру начин усхематског приказивања грађе приказани су на слициатома. II-13. електронског омотача Размотримо на једном примеру начин схематског приказивања грађе електронског омотача атома. Пример 11 Пример 11 схематски (помоћу квадратића и стрелица) грађу електронског Прикажимо омотача атома азота. Прикажимо схематски (помоћу и стрелица) У таблици периодног система квадратића налазимо да је атомскиграђу бројелектронског азота Z = 7. омотача Значи даатома атом азота. азота у језгру има 7 протона, а у омотачу 7 електрона. Ових 7 У таблици периодног налазимо да јетако атомски азота Zнивоу = 7. електрона распоређени су насистема енергетским нивоима да себрој на првом Значи атом азотааунајезгру има 7 протона, а у омотачу 7 електрона. Ових 7 налазида 2 електрона, другом 5 електрона. електрона распоређени су на енергетским да се на првом нивоу Прикажимо квадратићима орбиталенивоима првог и тако другог енергетског нивоа налази електрона, а нате другом 5 електрона. (1s, 2s и2 2р). Попунимо орбитале са 7 електрона, узимајући у обзир принцип Прикажимо орбитале првог и другог енергетског нивоа минимума енергијеквадратићима и правило да се у сваку орбиталу може сместити највише 2 (1s, 2s и 2р). Попунимо те спинова. орбитале са 7 електрона, узимајући у обзир принцип електрона и то супротних минимума енергије и правило да се упрво сваку орбиталу може највише 2 Применом наведених правила ћемо попунити 1sсместити и 2s-орбитале са по електрона и то супротних спинова. 2 електрона: Применом наведених правила прво ћемо попунити 1s и 2s-орбитале са по 2 електрона:

↑↓ ↑↓ 1s

↑↓ ↑↓ 2s

2px

2py

2pz

2pна 1s преостала 2s z два Три електрона могу2pсеx распоредити2pуy 2р-орбиталама начина: Три преостала електрона могу се распоредити у 2р-орбиталама на два начина:а) а)

Два електрона попуњавају 2рх-орбиталу, а трећи се смешта Два електрона у 2рпопуњавају -орбиталу. у 2рх-орбиталу, а трећи се смешта у 2ру-орбиталу.

↑↓ ↑↓ 1s

↑↓ ↑↓ 2s

↑↓ ↑↓ 2px

↑ ↑ 2py

2pz

1s б)

2px

2py

2pz

↑↓ ↑↓ 1s

↑↓ ↑↓ 2s

↑ ↑ 2px

↑ ↑ 2py

↑ ↑

2px

2py

2pz

б)

Све три 2р-орбитале се попуњавају са по једним Све три 2р-орбитале се електроном. попуњавају са по једним електроном.

2pz

Утврђено је да распоред електрона у атому азота приказан под б) одговара стварности. То је у складу са Хундовим правилом које гласи: Орбитале исте Утврђено да распоред са електрона у атому азота приказан под б)спинова, одговара енергије прво сејепопуњавају по једним електроном паралелних стварности. је у складу са Хундовим правилом које гласи: Орбитале исте па тек онда То долази до „спаривања” електрона у орбиталама. енергије се попуњавају са по једним електроном паралелнихструктуру спинова, Овопрво правило изражава тежњу атома да постигне електронску па тек онда долази до „спаривања” електрона у орбиталама. са максималним бројем неспарених електрона која је енергетски најповољнија. Ово правило изражавајетежњу да постигне електронску структуру У табели 3 приказана грађа атома електронских омотача непобуђених атома са максималним бројем неспарених електрона која је енергетски најповољнија. елемената прве три периоде. У табели 3 приказана је грађа електронских омотача непобуђених атома елемената прве три периоде. омотача непобуђених атома елемената прве три Табела 3. Грађа електронских периоде Табела 3. Грађа електронских омотача непобуђених атома елемената прве три периоде Периода Периода 1. 1.

2. 2.

3. 3.

Хемијски знак елеХемијски мента знак елемента Н

Атомски бр. елеАтомски мента бр.(Z) елемента 1 (Z)

1. ниво (К-слој) 1. ниво 1s (К-слој) 1s

Не Н

2 1

↑↓ ↑

Li Не

3 2

↑↓

↑

Be Li B Be

4 3 5 4

↑↓ ↑↓

↑↓ ↑

↑↓ ↑↓

↑

C B N C

6 5 7 6

↑↓ ↑↓

↑ ↑

↑

↑↓ ↑↓

↑ ↑

↑

O N F O

8 7 9 8

↑↓ ↑↓

↑↓ ↑

↑ ↑

↑↓ ↑↓

↑↓ ↑

↑ ↑

Ne F

10 9

↑↓ ↑↓

↑↓ ↑

Ne Na

10 11

↑↓

↑

Mg Na Al Mg

12 11 13 12

↑↓ ↑↓

↑↓ ↑

↑↓ ↑↓

↑

Si Al P Si

14 13 15 14

↑↓ ↑↓

↑ ↑

↑

↑↓ ↑↓

↑ ↑

↑

S P Cl S

16 15 17 16

↑↓ ↑↓

↑↓ ↑

↑ ↑

↑↓ ↑↓

↑↓ ↑

↑ ↑

Ar Cl

18 17

↑↓ ↑↓

↑↓ ↑

↑↓

↑

2. ниво (L-слој)

3. ниво (М-слој)

2. ниво (L-слој) 2s 2рх 2ру 2рz

3. ниво (М-слој) 3s 3рх 3ру 3рz

2рх 2ру 2рz

3рх 3ру 3рz

СТРУКТУРА СТРУКТУРА СУПСТАНЦИ СУПСТАНЦИ СТРУКТУРА СУПСТАНЦИ

ЕЛЕКТРОНСКЕ ЕЛЕКТРОНСКЕ КОНФИГУРАЦИЈЕ КОНФИГУРАЦИЈЕ ЕЛЕКТРОНСКЕ КОНФИГУРАЦИЈЕ

Грађа Грађа електронских електронских омотача омотача атома атома скраћено скраћено се се приказује приказује такотако штошто се напишу се напишу један један поред поред другог другог симболи симболи оних оних орбитала орбитала у атому у атому којекоје садрже садрже Грађа електронских омотача атома скраћено се приказује тако што електроне, електроне, и тои по то редоследу по редоследу растућих растућих енергија. енергија. БројБрој електрона електрона у орбиталама у орбиталама се напишу поред другог симболи онихизраз орбитала у се атому које садрже означава означава се као се један као десни десни горњи горњи индекс. индекс. Добијени Добијени израз назива назива електронска се електронска електроне, и то по редоследу растућих енергија. Број електрона у орбиталама конфигурација конфигурација атома атома датог датог елемента. елемента. Тако Тако је, нпр. је, нпр. електронска електронска конфигурација конфигурација означава се горњи индекс. Добијени назива се електронска 2 као 22 2десни 2 22 32 израз 3 1 11 11 1 атома атома азота азота 1s 2s 1s 2р 2sх 2р 2рху 2р 2руz 2р , или , или скраћено: скраћено: 1s 2s 1s 2р 2s 2р (види (види пример пример 11).11). Наведени Наведени z конфигурација атома датог елемента. Тако је, нпр. електронска конфигурација израз израз чита чита се овако: се овако: један-ес-два, један-ес-два, два-ес-два, два-ес-два, два-пе-три. два-пе-три. 2 2 1 1 атома азота 1s422s 2ру12рсу , или скраћено:конфигурације 1sконфигурације 2s22р3 (видинепобуђених пример 11). Наведени х z електронске У табели У табели приказане 42рприказане су електронске непобуђених атома атома израз чита се овако: један-ес-два, два-ес-два, два-пе-три. елемената елемената прве прве тритри периоде. периоде. У табели 4 приказане су електронске конфигурације непобуђених атома елемената прве три периоде. Табела Табела 4. Електронске 4. Електронске конфигурације конфигурације непобуђених непобуђених атома атома елемената елемената прве прве тритри периоде периоде Табела 4. Електронске конфигурације непобуђених атома елемената прве три периоде Хемијски знак Атомски Атомски Хемијски знак бројброј Електронска конфигурација Електронска конфигурација елемента елемента елемента елемента Хемијски знак Атомски број Електронска конфигурација елемента елемента

38 38II II 38

Н Н

1s1 1s1

Не Не Н

1s2 1s 1s21

Li Не Li

2 1 3 2

Be Be Li

22 2 1s22s 1s 1s22s 2s1

B Be B

4 3 5 4

C C B N N C

6 5 7 6

22 22 2 1s22s 1s 2s 1s22p 2s22p 2p1

O O N F O F

8 7 9 8

22 42 4 1s22s 1s 2s 1s22p 2s22p 2p3

Ne Ne F

10 10 9

22 62 6 1s22s 1s 2s 1s22p 2s22p 2p5

Na Na Ne

11 11 10

22 62 16 1 1s22s 1s 2s 2p 1s22p 2s23s 2p63s

Mg Mg Na

12 12 11

22 62 26 2 1s22s 1s 2s 2p 1s22p 2s23s 2p63s 3s1

Al Mg Al

13 13 12

22 62 26 12 1 1s22s 1s 2s 2p 3s 1s22p 2s23s 2p63p 3s23p

Si Si Al

14 14 13

22 62 26 22 2 1s22s 1s 2s 2p 3s 1s22p 2s23s 2p63p 3s23p 3p1

P Si P S S P

15 15 14

22 62 26 32 3 1s22s 1s 2s 2p 3s 1s22p 2s23s 2p63p 3s23p 3p2

16 16 15

22 62 26 42 4 1s22s 1s 2s 2p 3s 1s22p 2s23s 2p63p 3s23p 3p3

Cl Cl S

17 17 16

22 62 26 52 5 1s22s 1s 2s 2p 3s 1s22p 2s23s 2p63p 3s23p 3p4

Ar Ar Cl

18 18 17

22 62 26 62 6 1s22s 1s 2s 2p 3s 1s22p 2s23s 2p63p 3s23p 3p5

1s22s22p63s23p6

7 9

12 1 1s22s 1s 1s22s

22 12 1 1s22s 1s 2s 1s22p 2s22p

22 32 3 1s22s 1s 2s 1s22p 2s22p 2p2

22 52 5 1s22s 1s 2s 1s22p 2s22p 2p4

СТРУКТУРА СТРУКТУРА СУПСТАНЦИ СУПСТАНЦИ СТРУКТУРА СУПСТАНЦИ

Питања Питања ии задаци задаци 1. Набројте 1. Набројте елементарне елементарне честице честице и наведите и наведите њихово њихово наелектрисање наелектрисање и и Питања и задаци масу. масу. 1. елементарне честице и наведите њихово и 2. Набројте Одредите 2. Одредите бројброј протона, протона, неутрона неутрона и електрона и електрона у атомима у наелектрисање атомима следећих следећих масу. изотопа: изотопа: 2. Одредите број протона, неутрона и електрона у атомима следећих изотопа:39 39 а) 19 а)K,19K, а) 75 19K, 75 б) 33 б)As, 33As, 39

б) 238 33As, 238 в) в) 2 U. 2 U. 75

в) 2 U. 3. Које 3. Које су основне су основне поставке поставке Боровог Боровог модела модела атома? атома? 238

4. Објасните 4. Објасните суштину суштину основног основног и побуђеног и побуђеног стања стања атома. атома. 3. Које су основне поставке Боровог модела атома? 5. На 5. којим На којим се поставкама се поставкама заснива заснива квантна квантна механика? механика? 4. Објасните суштину основног и побуђеног стања атома. 6. Како 6. Како гласи гласи принцип принцип неодређености? неодређености? 5. На којим се поставкама заснива квантна механика? 7. Шта 7. Шта сликовито сликовито представља представља електронски електронски облак? облак? 6. Како гласи принцип неодређености? 8. У8.чему У чему је основна је основна разлика разлика између између Боровог Боровог и таласно-механичког и таласно-механичког модела модела 7. атома? Штаатома? сликовито представља електронски облак? 8. је основна разлика између Боровог и следећим таласно-механичког модела 9. У Одредите 9.чему Одредите максималан максималан бројброј електрона електрона на следећим на енергетским енергетским нивоима: нивоима: атома? а) другом, а) другом, 9. Одредите максималан број електрона на следећим енергетским нивоима: б) трећем, б) трећем, а) другом, в) четвртом. в) четвртом. б) трећем, 10. 10. Распоредите Распоредите на енергетском на енергетском дијаграму дијаграму електроне електроне атома атома сумпора. сумпора. в) четвртом. 11. 11. Какав Какав је физички је физички смисао смисао атомске атомске орбитале? орбитале? 10. Распоредите на енергетском дијаграму електроне атома сумпора. 12. 12. По чему По чему су сличне, су сличне, а поа чему по чему се разликују се разликују 1s, 1s, 2s и2s3s-орбитале? и 3s-орбитале? 11. Какав је физички смисао атомске орбитале? 13. 13. Колико Колико имаима орбитала орбитала на s, нар,s,dр,и df-поднивоима? и f-поднивоима? 12. По чему су сличне, а по чему се разликују 1s, 2s и 3s-орбитале? 14. 14. Прикажите Прикажите схематски схематски (помоћу (помоћу квадратића квадратића и стрелица) и стрелица) грађу грађу 13. електронских Колико има орбитала на s,атома р, следећих d иследећих f-поднивоима? електронских омотача омотача атома елемената: елемената: 14. Прикажите схематски (помоћу а) берилијума а) берилијума (Z =(Z4), = 4), квадратића и стрелица) грађу електронских омотача атома следећих елемената: б) неона б) неона (Z =(Z10), = 10), а) берилијума (Z = 4), в) силицијума в) силицијума (Z =(Z14). = 14). б) неона (Z = 10), 15. 15. Напишите Напишите електронске електронске конфигурације конфигурације атома атома следећих следећих елемената: елемената: в) силицијума (Z = 14). а) магнезијума а) магнезијума (Z =(Z12), = 12), 15. Напишите електронске конфигурације атома следећих елемената: б) фосфора б) фосфора (Z =(Z15), = 15), а) магнезијума (Z = 12), в) хлора в) хлора (Z =(Z17). = 17). б) фосфора (Z = 15), в) хлора (Z = 17).

II II39 39 II

бројевима у 7 хоризонталних редова (периода) и 9 вертикалних колона (група). Прва периода садржи 2 елемента, а друга и трећа по 8. Ове периоде СТРУКТУРА СТРУКТУРА СУПСТАНЦИ СУПСТАНЦИ називају се мале периоде. Четврта и пета периода садрже по 18, а шеста 32 ПЕРИОДИЧНОСТ ПРОМЕНЕ елемента. Оне ПЕРИОДИЧНОСТ се називају велике периоде.ПРОМЕНЕ Седма периода није завршена и за СТРУКТУРЕ СТРУКТУРЕ АТОМА АТОМА И СВОЈСТАВА И СВОЈСТАВА сада садржи 26 елемената. ЕЛЕМЕНАТА ЕЛЕМЕНАТА У ПЕРИОДНОМ У ПЕРИОДНОМ СИСТЕМУ СИСТЕМУ Елементи шесте периоде – лантаноиди (сродни са лантаном) и седме Периодни Периодни систем систем елемената елемената створио је руски је руски хемичар И. Д. Мендељејев И.прегледности Мендељејев периоде – актиноиди (сродни са створио актинијумом) сухемичар радиД.боље 1869. 1869. године. године. Данас Данас је познато је познато више више варијанти варијанти таблица таблица периодног периодног система. система. МиМи ћемо ћемо користити користити варијанту варијанту дугих дугих периода, периода, којакоја боље боље повезује повезује сродне сродне елементе, елементе, а а смештени у два реда испод таблице. оштрије оштрије раздваја раздваја елементе елементе различитих различитих својстава, својстава, те јетепрегледнија је прегледнија од варијанте од варијанте кратких кратких периода. периода. Првих седам група елемената у периодном систему подељено је на две Сваки Сваки елемент елемент у периодном у периодном систему систему представљен представљен је својим је својим атомским атомским бројем, бројем, хемијским хемијским и релативном исерелативном атомском атомском масом, масом, на пример: на пример: подгрупе (А и Б)знаком у знаком којима налазе сродни елементи. Осма група састоји се од 9 елемената подељених у три хоризонталне тријаде. У нултој групи налазе се 3 3 атомски атомски бројброј племенити (инертни) гасови. Li Li хемијски хемијски знакзнак 6.946.94 релативна релативна атомска атомска маса У хемији је уобичајен скраћени начинмаса означавања припадности елемената одређеним групама, односно подгрупама периодног система. Тако се, на пример, Елементи Елементи су су у периодном у периодном систему систему поређани поређани по по растућим растућим атомским атомским за елементе групе подгрупе Аредова каже да(периода) припадају за елементе VII бројевима бројевима у 7упрве хоризонталних 7 хоризонталних редова (периода) и 9иIА вертикалних 9групи, вертикалних колона колона (група). (група). групеПрваподгрупе Б дасадржи припадају групи итд. Прва периода периода садржи 2 елемента, 2VIIБ елемента, а друга а друга и трећа и трећа по по 8. Ове 8. Ове периоде периоде називају називају се мале се мале периоде. периоде. Четврта Четврта и пета и пета периода периода садрже садрже по по 18, 18, а шеста а шеста 32 ДаОнебисмо како се мењају хемијска својства елемената уи 32периелемента. елемента. Оне се називају сеутврдили називају велике велике периоде. периоде. Седма Седма периода периода нијеније завршена завршена заи за садасада садржи садржи 26 елемената. 26 елемената. одама, испитаћемо реактивност неких елемената III сапериоде (Na, иMg,седме и S) Елементи Елементи шесте шесте периоде периоде – лантаноиди – лантаноиди (сродни (сродни лантаном) са лантаном) и Pседме периоде периоде актиноиди – актиноиди са са актинијумом) актинијумом) су су ради ради боље боље прегледности прегледности према–кисеонику, као(сродни и(сродни карактер насталих оксида. Експериментално добијене смештени смештени у два у два редареда испод испод таблице. таблице. Првих Првих седам седам група група елемената елемената у периодном у периодном систему систему подељено подељено је на је две на две Слика II-14. Д. И. Мендељејев подгрупе податке сасродни становишта грађе електронских омотача подгрупе (Атеоријски и(АБ)и уБ)којима у ћемо којима сетумачити налазе се налазе сродни елементи. елементи. Осма Осма група група састоји састоји се од се од 9 елемената 9 елемената подељених подељених у три у три хоризонталне хоризонталне тријаде. тријаде. У нултој У нултој групи групи налазе налазе се се (1834–1907) испитиваних елемената. племенити племенити (инертни) (инертни) гасови. гасови. ЛИТИЈУМ ЛИТИЈУМ

У хемији У хемији је уобичајен је уобичајен скраћени скраћени начин начин означавања означавања припадности припадности елемената елемената одређеним одређеним групама, групама, односно односно подгрупама подгрупама периодног периодног система. система. Тако Тако се, на се,пример, на пример, за елементе за елементе прве прве групе групе подгрупе подгрупе А каже А каже да припадају да припадају IА групи, IА групи, за елементе за елементе VIIVII групе групе подгрупе подгрупе Б даБ припадају да припадају VIIБ VIIБ групи групи итд.итд. Да Да бисмо бисмо утврдили утврдили какокако се мењају се мењају хемијска хемијска својства својства елемената елемената у периу периодама, одама, испитаћемо испитаћемо реактивност реактивност неких неких елемената елемената III периоде III периоде (Na,(Na, Mg,Mg, P иPS)и S) према према кисеонику, кисеонику, каокао и карактер и карактер насталих насталих оксида. оксида. Експериментално Експериментално добијене добијене Слика Слика II-14. II-14. Д. И. Д.Мендељејев И. Мендељејев податке податке теоријски теоријски ћемо ћемо тумачити тумачити са становишта са становишта грађе грађе електронских електронских омотача омотача (1834–1907) (1834–1907) испитиваних испитиваних елемената. елемената.

40 II

40 40II II

ција оксида испитиваних елемената са водом и протумачити утврђене промене боје индикатора. Објаснити промене хемијских својстава елемената III периоде са становишта СТРУКТУРА СТРУКТУРА СУПСТАНЦИ СУПСТАНЦИ грађе електронских омотача њихових атома. Оглед Оглед 22 Узети Узети пинцетом пинцетом комад комад натријума натријума из из петролеума, петролеума, ставити ставити га на га на филтерфилтер-хартију, -хартију, одсећи одсећи комадић комадић величине величине зрна зрна пшенице пшенице и пренети и пренети га уга кашичицу у кашичицу за за сагоревање. сагоревање. Ставити Ставити заштитне заштитне наочаре. наочаре. ЗагреЗагревативати натријум натријум на на пламену пламену гасне гасне грејалице грејалице свесве докдок се не се не запали и сагори. Када Када се кашичица се кашичица 2 запали 2 и сагори. охлади, охлади, спрати спрати дестилованом дестилованом водом водом настали настали оксид оксид натријума натријума у чашу у чашу од 100 од 100 сm3сm . 3.

Метални натријум при јачем загревању на ваздуху сагорева жутим пламеном, градећи натријум-пероксид, Na O , који садржи и нешто натријум-оксида, Na2O:

Сагорети Сагорети на на ваздуху ваздуху комад комад траке траке магнезијума магнезијума дужине дужине 4–54–5 сm.сm. Настали Настали бели бели прах прах магнезијуммагнезијум3 -оксида -оксида пренети пренети у чашу у чашу од 100 од 100 сm3сm , додати , додати мало мало дестиловане дестиловане воде, воде, добро добро промешати промешати садржај садржај ча- ча2 и загревати 2 2га краће 2 време. ше ше и загревати га краће време.

6 Na + 2 О → Na O + 2 Na O.

Сагоревање Сагоревање црвеног црвеног фосфора фосфора и сумпора и сумпора извести извести непосредно непосредно у балонима у балонима од од 250250 сm3сm , у3,које у које је је насуто насуто мало мало дестиловане дестиловане воде воде (слика (слика II-15). II-15). Када Када елемент елемент сагори, сагори, извадити извадити кашичицу кашичицу са са Слика Слика II-15. II-15. Сагоревање Сагоревање фосфора фосфора дестилована дестилована водавода запушачем крозкроз којикоји је провучена. Зачепити ба- базапушачем је провучена. Зачепити и сумпора и сумпора у балону у балону лонлон другим другим запушачем запушачем и добро и добро га промућкати. га промућкати.

Натријум-пероксид са водом гради јаку базу – натријум-хидроксид: Na O + 2 Н O → 2 NaOН + Н O ,

Испитати Испитати растворе растворе добијене добијене реакцијом реакцијом оксида оксида натријума, натријума, магнезијума, магнезијума, фосфосфора фора и сумпора и сумпора са водом са 2водом помоћу метилоранжа. индикатор индикатор у базној у базној 2 помоћу 2 метилоранжа. 2Овај 2 Овај средини средини имаима жуту, жуту, ауа киселој у киселој средини средини црвену црвену боју.боју. Забележити Забележити запажања запажања у лабораторијски у лабораторијски дневник. дневник. Написати Написати једначине једначине реакреакцијација оксида оксида испитиваних испитиваних елемената елемената са са водом водом и протумачити и протумачити утврђене утврђене промене промене бојебоје индикатора. индикатора.

који боји индикатор метилоранж у жуто. Објаснити Објаснити промене промене хемијских хемијских својстава својстава елемената елемената III периоде III периоде са становишта са становишта Сагоревањем магнезијума нањихових ваздуху настаје магнезијум-оксид: грађе грађе електронских електронских омотача омотача њихових атома. атома.

Метални Метални натријум натријум припри јачем јачем загревању загревању на на ваздуху ваздуху сагорева сагорева жутим жутим пламеном, пламеном, градећи градећи натријум-пероксид, натријум-пероксид, Na2Na O2,2O који , који садржи садржи и нешто и нешто натријумнатријум2 2 -оксида, -оксида, Na2Na O: 2O:

2 Мg + O → 2 МgО.

6 Na6 + Na2 +О22 → О2 Na →2Na O2 2+O22 +Na22Na O. 2O.

При растварању магнезијум-оксида у води долази до следеће хемијске Натријум-пероксид Натријум-пероксид са водом са водом гради гради јакујаку базубазу – натријум-хидроксид: – натријум-хидроксид: реакције: O +O2 +Н2OН→ O 2→NaOН 2 NaOН + Н+OН, O , Na Na 2

којикоји бојибоји индикатор индикатор метилоранж метилоранж у жуто. у жуто. Сагоревањем Сагоревањем магнезијума магнезијума на ваздуху на ваздуху настаје настаје магнезијум-оксид: магнезијум-оксид:

МgО + Н2O → Мg(ОН)2.

2 Мg 2 Мg + O+2 → O2 2→МgО. 2 МgО. ПриПри растварању растварању магнезијум-оксида магнезијум-оксида у води у води долази долази до следеће до следеће хемијске хемијске реакције: реакције: МgО МgО + Н+2OН→ O Мg(ОН) → Мg(ОН) . 2. 2 2

IIII II4141 41

Руска поштанска марка издата поводом стогодишњице периодног система елемената Руска Руска поштанска поштанска марка марка издата издата поводом поводом стогодишњице стогодишњице периодног периодног система система елемената елемената

СТРУКТУРА СТРУКТУРА СУПСТАНЦИ СУПСТАНЦИ СТРУКТУРА СУПСТАНЦИ

Настали Настали магнезијум-хидроксид магнезијум-хидроксид је слабије је слабије растворљив растворљив у води у води од натријумод натријум-хидроксида -хидроксида и представља и представља знатно знатно слабију слабију базу. базу. БојиБоји метилоранж метилоранж у жуто. у жуто. Настали магнезијум-хидроксид је растворљив у води од оксиде натријумФосфор Фосфор и сумпор и сумпор припри сагоревању сагоревању наслабије ваздуху на ваздуху граде граде одговарајуће одговарајуће оксиде -хидроксида и представља слабију базу. метилоранж у жуто. и 10сумпор(IV)-оксид, изнатно сумпор(IV)-оксид, SО2SО :Боји : – фосфор(V)-оксид, – фосфор(V)-оксид, Р4ОР104О 2 Фосфор и сумпор при сагоревању на ваздуху граде одговарајуће оксиде – фосфор(V)-оксид, Р4О10 и4сумпор(IV)-оксид, Р 4+ Р5 +O5 → O Р→ОР ,ОSО, 2: 2

104

→. Р4О. 10, S4+РSO++2 5→ OO2 SО 2→ 2SО 2 S +киселине: O2киселине: → SО2. Настали Настали оксиди оксиди са водом са водом граде граде Настали са4→ водом граде киселине: Р4ОР104О +106оксиди +Н62ОН→ О Н43РО Н34РО фосфорна фосфорна (фосфатна) (фосфатна) киселина, киселина, 2 4 Р4SO О+ Н++O6Н→ НO2ОН Н РО4 фосфорна (фосфатна) киселина, SO →2→ SО Н423SО сумпораста (сулфитна) (сулфитна) киселина. киселина. 33 сумпораста 2 102 2 2 + Н2мењају O→ Н2SО сумпораста (сулфитна) киселина. SOкиселине ОбеОбе овеове киселине мењају боју метилоранжа метилоранжа у црвену. у црвену. 2 3боју оверезултата киселине мењају боју метилоранжа у црвену. На Обе На основу основу резултата изведених изведених огледа огледа можемо можемо закључити закључити да се дахемијска се хемијска својства својства елемената елемената III III периоде периоде правилно правилно мењају: мењају: на почетку на почетку периоде периоде налази налази На основу резултата изведених огледа можемо закључити данајјачу се хемијска се најизразитији се најизразитији метал метал – натријум, – натријум, чијичији оксид оксид са водом са водом гради гради најјачу базу. базу. својства елемената III периоде правилно мењају: на метална почетку периоде Следећи Следећи елемент елемент у периоди у периоди – магнезијум – магнезијум такође такође имаима метална својства, својства, алиналази али су су најизразитији метал –коднатријум, чији оксид са водом гради базу. онасе она слабије слабије изражена изражена негонего код натријума. натријума. Стога Стога његов његов оксид оксид са водом са најјачу водом гради гради елемент у периодикоја – магнезијум такође има метална својства, али су базуСледећи базу – магнезијум-хидроксид, – магнезијум-хидроксид, која је знатно је знатно слабија слабија од натријум-хидроксида. од натријум-хидроксида. она удесно, слабије него атомских кодатомских натријума. Стога његовсве оксид сасеводом гради Идући Идући удесно, уизражена смеру у смеру пораста пораста бројева бројева елемената, елемената, све више више смањује се смањује базуметални, – метални, магнезијум-хидроксид, која је знатно слабија од натријум-хидроксида. њихов њихов а расте а расте неметални неметални карактер. карактер. Тако Тако су фосфор су фосфор и сумпор и сумпор изразити изразити Идући удесно, уоксиди смеру пораста атомских бројева елемената, све више се смањује неметали, неметали, чијичији оксиди са водом са водом граде граде киселине. киселине. њихов метални, а објаснили расте неметални карактер. Тако су фосфор и сумпор изразити Да Да бисмо бисмо објаснили утврђене утврђене промене промене хемијских хемијских својстава својстава елемената елемената неметали, чији оксидиелектронске саелектронске водом граде киселине. њихових III периоде, III периоде, размотримо размотримо конфигурације конфигурације њихових атома, атома, којекоје ћемо ћемо Да бисмо објаснили утврђене хемијских својстава елемената приказати приказати у скраћеном у скраћеном облику облику (табела (табела 5). промене 5). III периоде, размотримо електронске конфигурације њихових атома, које ћемо приказати у скраћеном облику (табела 5). елемената Табела Табела 5. Електронске 5. Електронске конфигурације конфигурације атома атома елемената III периоде III периоде Табела 5. Електронске конфигурације атома елемената III периоде Хемијски Хемијски елемент елемент Хемијски натријум натријум елемент магнезијум магнезијум натријум алуминијум алуминијум магнезијум силицијум силицијум алуминијум фосфор фосфор силицијум сумпор сумпор фосфор хлор хлор сумпор аргон аргон хлор аргон

Атомски Атомски бројброј елемента елемента Атомски број 11 11 елемента 12 12 11 13 13 12 14 14 13 15 15 14 16 16 15 17 17 16 18 18 17 18

Електронска Електронска конфигурација конфигурација Електронска K L K3sL1 3s1 конфигурација K L K3sL2 3s2 K L 3s112 1 K L K3sL23р 3s 3р K L 3s222 2 K L K3sL23р 3s 3р K L 3s3223р13 K L K3sL23р 3s 3р K L2 3s4223р24 K L K3sL 3р 3s 3р K L 3s5223р35 K L K3sL23р 3s 3р K L2 3s6223р46 K L K3sL 3р 3s 3р K L 3s23р5 K L 3s23р6

Словом Словом К означавамо К означавамо конфигурацију конфигурацију 1s2,1sа2, словом а словом L конфигурацију L конфигурацију 2s22р 2s62.2р6. Словом К означавамо конфигурацију 1s2, а словом L конфигурацију 2 6 2s 2р .

42 42II II 42

СТРУКТУРА СТРУКТУРА СУПСТАНЦИ СУПСТАНЦИ СТРУКТУРА СУПСТАНЦИ

КаоКао штошто се из се табеле из табеле 5 види, 5 види, у атомима у атомима елемената елемената III периоде III периоде К-слој К-слој и и L-слој L-слој су попуњени су попуњени електронима, електронима, те се те попуњава се попуњава М-слој М-слој (тј. (тј. трећи трећи енергетски енергетски Као што се из табеле 5 види, у атомима елемената III периоде К-слој и ниво). ниво). L-слој Атом су попуњени електронима, те се попуњава М-слој (тј. трећи енергетски Атом првог првог елемента елемента у периоди у периоди – натријума, – натријума, имаима један један валентни валентни електрон електрон ниво). у 3s-орбитали. у 3s-орбитали. ПриПри хемијским хемијским реакцијама реакцијама атом атом натријума натријума лаколако отпушта отпушта овајовај Атом првог елемента у стабилну периоди –електронску натријума, има један валентни електрон електрон, електрон, при при чему чему постиже постиже стабилну електронску конфигурацију конфигурацију неона. неона. Како Како усе3s-орбитали. При хемијским реакцијама атом натријума лако усехемијском у хемијском погледу погледу метални метални карактер карактер елемената елемената огледа огледа у лакоћи уотпушта лакоћи с којом совај којом електрон, при чему постиже стабилну електронску конфигурацију неона.метал Како њихови њихови атоми атоми отпуштају отпуштају валентне валентне електроне, електроне, натријум натријум је најизразитији је најизразитији метал се хемијском у IIIуу периоди. III периоди.погледу метални карактер елемената огледа у лакоћи с којом њиховиАтом атоми отпуштају валентне натријум је најизразитији метал Атом магнезијума магнезијума садржи садржи у електроне, највишем у највишем енергетском енергетском нивоу нивоу 2 електрона 2 електрона у IIIкоја периоди. која теже теже отпушта. отпушта. Стога Стога су метална су метална својства својства магнезијума магнезијума слабије слабије изражена изражена Атом магнезијума садржи у највишем енергетском нивоу 2базу електрона негонего код код натријума. натријума. Оксид Оксид магнезијума магнезијума са водом са водом гради гради слабију слабију базу од оксида од оксида која теже отпушта. Стога су метална својства магнезијума слабије изражена натријума. натријума. него код натријума. Оксид магнезијума са–водом гради слабију базу Атом Атом трећег трећег елемента елемента у периоди у периоди алуминијума – алуминијума садржи садржи у од највишем у оксида највишем натријума. енергетском енергетском нивоу нивоу 3 електрона. 3 електрона. Метална Метална својства својства алуминијума алуминијума су још су још слабије слабије Атом трећег елемента у Тако периоди алуминијума садржи у највишему у изражена изражена него него кодкод магнезијума. магнезијума. Тако је његов је –његов оксид оксид практично практично нерастворљив нерастворљив енергетском нивоу који 3 електрона. Метална својства алуминијума су још слабије води, води, а хидроксид, а хидроксид, који се добија се добија посредним посредним путем, путем, имаима амфотерни* амфотерни* карактер. карактер. изражена него кодфосфора магнезијума. Тако јесадрже његов практично нерастворљив amphotéros amphotéros – с обе – с обе стране, стране, Атоми Атоми фосфора и сумпора и сумпора садрже у највишем уоксид највишем енергетском енергетском нивоу нивоу по 5упо 5* Грчки: * Грчки: води, а хидроксид, који сеОви добија посредним има амфотерни* карактер. двојак, двојак, двострук двострук односно односно 6 електрона. 6 електрона. Ови елементи елементи спадају спадају упутем, неметале, у неметале, пошто пошто имају имају изражену изражену Атомидафосфора и сумпора садржевезују у везују највишем енергетском нивоу по 5 * Грчки: amphotéros – с обе стране, способност способност при да при хемијским хемијским реакцијама реакцијама електроне електроне у највиши у највиши енергетски енергетски двојак, двострук односно 6Оксиди електрона. Ови елементи спадају укиселине. неметале, пошто имају изражену ниво. ниво. Оксиди ових ових елемената елемената са водом са водом граде граде киселине. способност да при хемијским реакцијама електроне у највиши Атом Атом најизразитијег најизразитијег неметала неметала у IIIувезују периоди III периоди – хлора – хлора садржи садржи уенергетски највишем у највишем ниво. Оксидинивоу ових елемената са водом граде киселине. енергетском енергетском нивоу 7 електрона. 7 електрона. До До октета октета електрона електрона недостаје недостаје му му само само 1 1 Атом најизразитијег неметала у III периоди – хлора садржи у прелазећи највишем електрон, електрон, који који он при он при хемијским хемијским реакцијама реакцијама са металима са металима лако лако везује везује прелазећи нивоу 7 електрона. До октета му само 1 уенергетском негативно у негативно наелектрисани наелектрисани јон.јон. Оксид Оксид хлора хлора –електрона Сl–2О Сl7 2са О7водом санедостаје водом гради гради перхлорну перхлорну електрон, који он, која при хемијским реакцијама са металима лако везује прелазећи киселину, киселину, НСlО НСlО , која је најјача је најјача позната позната киселина. киселина. 4 4 у негативно наелектрисани јон. Оксид –племенитог Сl2О7 са гаса водом гради перхлорну Највиши Највиши енергетски енергетски ниво ниво у атому у хлора атому племенитог гаса аргона аргона попуњен попуњен је је киселину, НСlО , која од је најјача познатастога киселина. максималним максималним бројем 8оделектрона, 8 електрона, стога овајовај елемент елемент не показује не показује никакву никакву 4 бројем Највиши енергетски ниво у атому племенитог гаса аргона попуњен је хемијску хемијску активност. активност. максималним бројем од 8промене електрона, стога овај елемент неелемената, показује никакву Описане Описане правилне правилне промене хемијских хемијских својстава својстава елемената, условљене условљене хемијску активност. постепеним постепеним порастом порастом броја броја електрона електрона у највишем у највишем енергетском енергетском нивоу нивоу атома, атома, Описане правилне промене хемијских својстава елемената, условљене постоје постоје и у иосталим у осталим периодама. периодама. Свака Свака наредна наредна периода периода почиње почиње елементом елементом чијичији постепеним порастом броја уенергетском највишем енергетском нивоу атома, атом атом имаима један један електрон електрон на новом, наелектрона новом, вишем вишем енергетском нивоу. нивоу. Према Према томе, томе, атоми атоми постоје и у осталим периодама. Свака наредна периода почиње елементом чији елемената елемената исте исте периоде периоде имају имају исти исти бројброј енергетских енергетских нивоа, нивоа, једнак једнак броју броју атом има један електрон на новом, вишем енергетском нивоу. Према томе, атоми периоде. периоде. Тако Тако атоми атоми елемената елемената прве прве периоде периоде имају имају један један енергетски енергетски ниво, ниво, атоми атоми елемената исте периоде имају исти број енергетских нивоа, једнак броју елемената елемената друге друге периоде периоде два, два, итд.итд. периоде. атоми елемената прве периоде имају један енергетски ниво, атоми СвеТако Све периоде периоде почињу почињу алкалним алкалним металом металом чији чији атоми атоми у највишем у највишем енеренерелемената друге периоде итд. гетском гетском нивоу нивоу имају имају подва, по један један електрон електрон у s-орбитали. у s-орбитали. Порастом Порастом атомских атомских Све периоде почињу алкалним металому чији атомиенергетском у енергетском највишем нивоу, енербројева бројева елемената, елемената, односно односно броја броја електрона електрона највишем у највишем нивоу, гетском нивоу имају по један у s-орбитали. Порастом атомских смањује смањује се њихов се њихов метални, метални, а расте аелектрон расте неметални неметални карактер. карактер. ПриПри крају крају периода периода бројева елемената, односно броја електрона уелементи). највишем енергетском нивоу, налазе налазе се се најизразитији најизразитији неметали неметали (халогени (халогени елементи). Све Све периоде периоде (осим (осим смањује сезавршавају њихов се метални, а расте неметални карактер. При крају периода седме) седме) завршавају хемијски се хемијски веома веома инертним** инертним** племенитим племенитим гасом, гасом, чијичији је је налазе сеенергетски најизразитији неметали (халогени елементи). (осим inertis inertis – непокретан, – непокретан, највиши највиши енергетски ниво ниво попуњен попуњен максималним максималним бројем бројем од Све 8оделектрона, 8 периоде електрона, тј. има тј. има** Латински; ** Латински; 6 лењ,лењ, тромтром седме) завршавају се62.np хемијски инертним** гасом, чији је конфигурацију конфигурацију ns2np ns Изузетак . Изузетак јевеома хелијум, је хелијум, чијичији је највиши јеплеменитим највиши (тј. (тј. први) први) енергетски енергетски највиши енергетски ниво попуњен максималним бројем од 8 електрона, тј. има ** Латински; inertis – непокретан, ниво ниво попуњен попуњен са 2саелектрона. 2 електрона. 2 6 лењ, тром конфигурацију ns npзакључити . Изузетак је хелијум, чији је највиши (тј. први) енергетски Можемо Можемо закључити да да се се својства својства елемената елемената у периодама у периодама правилно правилно ниво самењају 2 електрона. и периодично и попуњен периодично мењају са са порастом порастом њихових њихових атомских атомских бројева, бројева, пошто пошто се се Можемо закључити да се својства елемената у периодама правилно и периодично мењају са порастом њихових атомских бројева, пошто се

II II43 43 II

СТРУКТУРА СТРУКТУРА СУПСТАНЦИ СУПСТАНЦИ СТРУКТУРА СУПСТАНЦИ

периодично периодично мења мења бројброј електрона електрона у највишем у највишем енергетском енергетском нивоу. нивоу. ОваОва правилност правилност се изражава се изражава периодним периодним законом законом којикоји гласи: гласи: Својства Својства хемијских хемијских елемената елемената периодично мења број електрона у највишем енергетском нивоу. Ова правилност налазе налазе се усепериодичној у периодичној зависности зависности од њихових од њихових атомских атомских бројева. бројева. се изражава периодним законом којиелемената гласи: IА Својства хемијских елемената Испитајмо Испитајмо хемијска хемијска својства својства елемената IА и VIIА и VIIА групе групе периодног периодног налазе се у периодичној зависности од њихових атомских бројева. система система и утврдимо и утврдимо да ли да чланови ли чланови истеисте групе групе имају имају слична слична својства. својства. Испитајмо хемијска својства елемената IА и VIIА периодног Проучимо Проучимо најпре најпре хемијску хемијску активност активност представника представника IА групе IА групе групе периодног периодног система и утврдимо да ли чланови исте групе имају слична својства. система система (натријума (натријума и калијума) и калијума) припри реакцији реакцији са водом са водом (оглед (оглед 3). 3). Проучимо најпре хемијску активност представника IА групе периодног система (натријума Оглед Оглед 3 3 и калијума) при реакцији са водом (оглед 3). Пажња: Пажња: Натријумом Натријумом и калијумом треба треба веома веома опрезно опрезно руковати: руковати: метали метали Оглед 3 и калијумом се узимају се узимају пинцетом, пинцетом, а при а при раду раду се морају се морају носити носити заштитне заштитне наочаре. наочаре. Пажња: Натријумом и калијумом треба веома опрезно руковати: метали Треба Треба пазити пазити да да комадићи комадићи метала метала не не падну падну на на под, под, пошто пошто могу могу да да се узимају пинцетом, а при раду се морају носити заштитне наочаре. изазову изазову пожар. пожар. Избегавати Избегавати могућност могућност да да већи већи комади комади натријума натријума и и могу да Треба дођу пазити да комадићи метала нареагују под, пошто калијума калијума дођу у додир у додир са водом, са водом, јер јер сане њом са падну њом бурно бурно реагују (уз (уз пламен пламен изазову пожар. Избегавати могућност да већи комади натријума и илиили експлозију). експлозију). калијума дођу у додир јер са њом реагују (уз пламен 3 водом, до3 до половине половине водом водом ибурно додати и додати неколико неколико капи капи а) Напунити а) Напунити чашу чашу од 500 од 500 сmса сm или експлозију). индикатора индикатора фенолфталеина. фенолфталеина. Ставити Ставити заштитне заштитне наочаре. наочаре. Извадити Извадити пин-пиндо половине водом неколико и капи а) Напунити чашу од 500 цетом цетом комад комад натријума натријума из сm петролеума, из 3 петролеума, ставити ставити га ина гадодати на филтер-хартију филтер-хартију и индикатора фенолфталеина. Ставити заштитне наочаре. Извадити пинсувим сувим ножем ножем одсећи одсећи комадић комадић величине величине зрна зрна пшенице. пшенице. Убацити Убацити одсечени одсечени цетом из петролеума, ставити га плочом, на плочом, филтер-хартију и комадић комадић у комад чашу у чашу санатријума водом са водом и брзо и брзо је поклопити је поклопити стакленом стакленом а остатак а остатак сувим одсећи комадић величине зрна пшенице. Убацити одсечени вратити вратити у ножем петролеум. у петролеум. комадић у реакцију чашу са водом и са брзо поклопити стакленом плочом, Посматрати Посматрати реакцију натријума натријума водом, сајеводом, а запажања а запажања забележити забележити у алабоуостатак лабовратити удневник. петролеум. раторијски раторијски дневник.

Посматрати реакцију сакалијумом. водом, а запажања забележити у са лабоб) Извести б) Извести исти исти оглед оглед санатријума металним са металним калијумом. Пошто Пошто калијум калијум реагује реагује са раторијски дневник. водом водом енергичније енергичније од натријума, од натријума, припри раду раду треба треба бити бити јошјош опрезнији. опрезнији. Узети Узети б) Извести исти оглед сакомадић металним калијумом. Пошто калијум реагује са пинцетом пинцетом сасвим сасвим мали мали комадић метала, метала, подићи подићи крај крај стаклене стаклене плоче плоче којом којом водом енергичније од убацити натријума, при раду бити још опрезнији. је чаша је чаша поклопљена, поклопљена, убацити калијум калијум у воду у воду итреба одмах и одмах спустити спустити плочу. плочу.Узети пинцетом сасвим комадић метала,забележити подићи крај стаклене плоче којом Посматрати Посматрати реакцију реакцију умали чаши, у чаши, а запажања а запажања забележити у лабораторијски у лабораторијски је чаша поклопљена, убацити калијум у воду и одмах спустити плочу. дневник. дневник. Посматрати реакцију у чаши, а запажања забележити у лабораторијски дневник.

Натријум Натријум и калијум и калијум бурно бурно реагују реагују са водом са водом уз ослобађање уз ослобађање велике велике коликоличине чине топлоте: топлоте: Натријум и калијум бурно реагују са водом уз ослобађање велике количине топлоте: 2 Na2 + Na2 +H22OH→ O 2→NaOH 2 NaOH + H+2 H2 2 H→ O2→ → NaOH 2 K22+Na K2 ++ H222OH O KOH 22 KOH + H+2.+HH . 22 2 2 ПриПри реакцији реакцији се ослобађа се ослобађа водоник и настају базе, базе, којекоје се се 2 K +водоник 2H O →и 2настају KOH + одговарајуће H2.одговарајуће 2 доказују доказују помоћу помоћу индикатора индикатора фенолфталеина, фенолфталеина, којикоји је ујебазној у базној средини средини љубиљубиПри реакцији се ослобађа водоник и настају одговарајуће базе, које се частоцрвен. частоцрвен. доказују помоћу који је усабазној средини љубиКалијум Калијум је реактивнији је индикатора реактивнији од фенолфталеина, натријума: од натријума: припри реакцији реакцији водом са водом ослобађа ослобађа се се већачастоцрвен. већа количина количина топлоте топлоте којакоја доводи доводи до паљења до паљења издвојеног издвојеног водоника. водоника. Калијум од натријума: прислична реакцији са водом ослобађа се Утврђено Утврђено је је да јереактивнији алкални да алкални метали метали показују показују слична хемијска хемијска својства својства и при и при већа количина топлоте која доводи до паљења издвојеног водоника. реакцији реакцији са другим са другим супстанцама супстанцама (нпр. (нпр. кисеоником, кисеоником, водоником, водоником, халогеним халогеним еле-елеУтврђено ментима ментима итд.). итд.). је да алкални метали показују слична хемијска својства и при реакцији са другим супстанцама (нпр. водоником, халогеним Да Да бисмо бисмо објаснили објаснили сличности сличности у кисеоником, хемијском у хемијском понашању понашању алкалних алкалних ме-елемементима итд.). њихове тала, тала, размотримо размотримо њихове електронске електронске конфигурације, конфигурације, којекоје ћемо ћемо приказати приказати у у Да бисмо скраћеном скраћеном облику. облику.објаснили сличности у хемијском понашању алкалних метала, размотримо њихове електронске конфигурације, које ћемо приказати у скраћеном облику.

44 44II II 44

СТРУКТУРА СТРУКТУРА СУПСТАНЦИ СУПСТАНЦИ СТРУКТУРА СУПСТАНЦИ

Табела Табела 6. Електронске 6. Електронске конфигурације конфигурације атома атома алкалних алкалних метала метала

Атомски бројалкалних метала Атомски број Табела 6. Електронске конфигурације атома Електронска конфигурација Електронска конфигурација Хемијски елемент Хемијски елемент елемента елемента Атомски број 1 Електронска конфигурација Хемијски елемент литијум литијум 3 3 K 2sK1 2s елемента 1 1 натријум натријум литијум калијум калијум натријум рубидијум рубидијум калијум цезијум цезијум рубидијум

11 11 3 19 19 11 37 37 19 55 55 37

K L K3sL 3s K 2s1 K L KML4s M1 4s1 K L 3s1 K L KMLNM5sN1 5s1 K L M 4s1 K L KMLNMON6s O1 6s1 K L M N 5s1

Као Као штошто видимо, видимо, атоми атоми алкалних алкалних метала метала у највишем у највишем енергетском енергетском нивоу нивоу K L M N O 6s1 цезијум 55 садрже садрже по један по један електрон електрон у s-орбитали. у s-орбитали. Сличности Сличности алкалних алкалних метала метала условљене условљене Као штограђе видимо, атомиенергетског алкалних метала у највишем енергетском нивоу су сличношћу су сличношћу грађе највишег највишег енергетског нивоа нивоа њихових њихових атома. атома. Алкални Алкални метали метали садрже по један електрон у s-орбитали. Сличности алкалних метала условљене имају имају најизраженији најизраженији метални метални карактер карактер и реактивнији и реактивнији су од судругих од других метала. метала. То се То се су сличношћу грађе да највишег енергетског нивоа њихових атома. Алкални метали тумачи тумачи чињеницом чињеницом је давалентни је валентни s-електрон s-електрон слабије слабије везан везан за језгро за језгро од осталих од осталих имају најизраженији метални карактер и реактивнији су одудаљити других метала. електрона, електрона, те се тепри се при хемијским хемијским реакцијама реакцијама може може лаколако удаљити из атома. из атома.То се тумачиРеактивност чињеницом да је валентни s-електрон слабије везан за језгро одатомских осталих Реактивност алкалних алкалних метала метала расте расте са са порастом порастом њихових њихових атомских електрона, те се при хемијским реакцијама може лако удаљити из атома. бројева, бројева, тј. од тј. литијума од литијума ка цезијуму. ка цезијуму. ОваОва правилност правилност се може се може објаснити објаснити тиме тиме Реактивност алкалних расте са ниво порастом њихових атомских штошто сваки сваки наредни наредни елемент елемент имаметала има један један енергетски енергетски ниво више више од претходног, од претходног, те јете је бројева, тј. од литијума ка цезијуму. правилност може објаснити тиме валентни валентни s-електрон s-електрон све све удаљенији удаљенији од Ова језгра од језгра којекоје га све га се све слабије слабије привлачи. привлачи. Услед Услед што сваки наредни елемент има један енергетски ниво више од претходног, те је тогатога се овај се овај електрон електрон све све лакше лакше откида откида од атома. од атома. валентни s-електрон удаљенији од језгра које га све слабије привлачи. Услед Испитајмо, Испитајмо, насве на крају, крају, хемијску хемијску активност активност представника представника VIIА VIIА групе групе тога се овај електрон све лакше откида од атома. периодног периодног система система (хлора, (хлора, брома брома и јода) и јода) припри реакцији реакцији са металима. са металима. Испитајмо, на крају, хемијску активност представника VIIА групе Оглед Оглед 4 4(хлора, брома и јода) при реакцији са металима. периодног система Пажња: Пажња: Хлор Хлор је веома је веома отрован, отрован, стога стога се оглед се оглед мора мора изводити изводити искључиво искључиво Оглед 4 у дигестору у дигестору (капели) (капели) са добром са добром вентилацијом! вентилацијом! Пажња: Хлор је веома отрован, се оглед мора изводити искључиво а) Припремити а)стога Припремити апаратуру апаратуру за за добијање добијање хлора хлора у дигестору вентилацијом! конц.конц. HCl HCl(капели) са добром према према слици слици II-16. II-16. Ставити Ставити у балон у балон са равним са равним конц. HCl

KMnO KMnO 4 4 KMnO4

а) дном Припремити за добијање КМnО хлора , 4, дном окооко 2 g2апаратуру калијум-перманганата, g калијум-перманганата, КМnО 4 садокапавати равним према слици II-16. балондокапавати зачепити зачепити га ига изилевка изСтавити левка за одвајање зауодвајање , кидном око концентровану 2 g калијум-перманганата, КМnО у балон у балон концентровану хлороводоничну хлороводоничну ки4 зачепити га НСl. и из левка захлор одвајање докапавати селину, селину, НСl. Гасовити Гасовити хлор којикоји се се издваја, издваја, 3 ууводити балон хлороводоничну киуводити уконцентровану мензуру у мензуру од од 100 100 сm3сm , поклопљену , поклопљену селину, НСl. Гасовити хлор који се издваја, комадом комадом картона картона крозкроз којикоји је провучена је провучена од- од3 уводити у цев. мензуру сm , напуни поклопљену водна водна цев. Када Када се од мензура се 100 мензура напуни хлором, хлором, комадом картона кроз који је провучена поклопити поклопити је стакленом је стакленом плочицом, плочицом, а вишак а одвишак водна цев. Када усе20 напуни хлором, хлора хлора уводити уводити умензура 20 % % раствор раствор натријумнатријумпоклопити је стакленом плочицом, а вишак -хидроксида. -хидроксида. хлора уводити у 20 % Ужарити Ужарити танку танку бакарну бакарну жицу жицу ираствор унети и унети је унатријумје мензуру у мензуру са -хидроксида. хлором. са хлором. ШтаШта се догодило? се догодило?

Ужарити 3танку бакарну жицу и унети је у мензуру бромне бромне воде. воде. Убацити Убацити у епрувету у епрувету мало мало б) Насути б) Насути у епрувету у епрувету окооко 4 сm 4 3сm са хлором. Шта догодило? магнезијума магнезијума у праху, у праху, зачепити зачепити је ије добро и се добро промућкати. промућкати. ШтаШта потврђује потврђује б) нестанак Насути у боје епрувету око 4воде? сm3 бромне воде. Убацити у епрувету мало нестанак боје бромне бромне воде? магнезијума зачепити је зделици и добро промућкати. Штаиситњених потврђује в) Помешати в) Помешати у усувој упраху, сувој порцеланској порцеланској зделици једну једну кашичицу кашичицу иситњених нестанак боје бромне воде? кристала кристала јодајода са са једном једном кашичицом кашичицом алуминијума алуминијума у праху. у праху. У добијену У добијену в) смешу Помешати у сувој порцеланској зделици једну кашичицу иситњених смешу опрезно опрезно додати додати неколико неколико капи капи воде, воде, која која служи служи каокао катализатор. катализатор. кристала јодареакцију са једном кашичицом алуминијума у праху. дневник. У дневник. добијену Посматрати Посматрати реакцију и запажања и запажања забележити забележити у лабораторијски у лабораторијски смешу опрезно додати неколико капи воде, која служи као катализатор. Посматрати реакцију и запажања забележити у лабораторијски дневник.

II II45 45 II

Слика Слика II-16. II-16. Апаратура Апаратура за за лабораторијско лабораторијско добијање добијање хлора хлора Слика II-16. Апаратура за лабораторијско добијање хлора

СТРУКТУРА СТРУКТУРА СУПСТАНЦИ СУПСТАНЦИ СТРУКТУРА СУПСТАНЦИ

Халогени Халогени елементи елементи се енергично се енергично једине једине са металима, са металима, градећи градећи одговаодговарајуће рајуће соли: соли: Халогени елементи се енергично једине са металима, градећи одговарајуће соли: → CuCl Сu + СuCl+2 → Cl2CuCl 2 2 MgMg +СuBr++2 Br →22 MgBr MgBr → CuCl Cl 2 22

MgBr 2 Al2Mg +Al3++I2Br 3→2I2→ 2→AlI 2 3AlI23 Поред Поред сличности сличности у хемијском у хемијском понашању понашању према према металима, металима, халогени халогени еле-еле2реакцијама Alреакцијама + 3 I2 →са 2 AlI менти менти се слично се слично понашају понашају и при и при другим са3 другим супстанцама. супстанцама. Тако, Тако, на на сличности ухалогеноводонике хемијском понашању према металима, пример, пример, саПоред водоником са водоником граде граде халогеноводонике НF,НF, НСl, НСl, НВr НВr и НI. и НI. халогени елементи се слично понашају и при реакцијама са другим супстанцама. Тако, на Да Да бисмо бисмо објаснили објаснили сличности сличности у хемијском у хемијском понашању понашању халогених халогених пример, са водоником граде халогеноводонике НF, НСl, НВr и НI. елемената, елемената, размотримо размотримо електронске електронске конфигурације конфигурације њихових њихових атома атома (табела (табела 7). 7). Да бисмо објаснили сличности у хемијском понашању халогених елемената, размотримо електронскеатома конфигурације њихових атома (табела 7). Табела Табела 7. Електронске 7. Електронске конфигурације конфигурације атома халогених халогених елемената елемената Хемијски Атомски Хемијски бројбројатома халогених елемената Табела 7. ЕлектронскеАтомски конфигурације Електронске конфигурације Електронске конфигурације елемент елемента елемент елемента Хемијски Атомски број Електронске флуор флуор 9 9 K 2sK22р 2s52конфигурације 2р5 елемент елемента хлор хлор флуор бром бром хлор јод јод бром

17 17 9 35 35 17 53 53 35

K L K3sL23р 3s523р5 5 K 2s22р K L KML4s M24р 4s524р5 2 K L 3s 3р5 52 5 K L KMLNM5sN25р 5s 5р K L M 4s24р5

КаоКао што видимо, видимо, атоми атоми халогених халогених елемената елемената садрже 2у највишем K садрже L M Nу5sнајвишем 5р5 јод што 53 енергетском енергетском нивоу нивоу по 7поелектрона. 7 електрона. Како Како хемијска хемијска својства својства елемената елемената углавном углавном што видимо, халогених елемената садрже у валентних највишем зависе зависе одКао од броја броја електрона електрона у атоми највишем у највишем енергетском енергетском нивоу нивоу (тзв.(тзв. валентних енергетском нивоузакључити позакључити 7 електрона. хемијска својства елемената углавном електрона), електрона), можемо можемо да халогени да Како халогени елементи елементи имају имају слична слична хемијска хемијска зависе од броја електрона у највишем енергетском нивоу (тзв. валентних својства, својства, јер јер њихови њихови атоми атоми садрже садрже у највишем у највишем енергетском енергетском нивоу нивоу исти исти бројброј електрона), можемо закључити да халогени елементи имају слична хемијска електрона електрона (по (по 7). 7). Велика Велика хемијска хемијска активност активност халогених халогених елемената елемената тумачи тумачи се се својства, јерспособношћу њихови атоми садрже у да највишем нивоу исти број израженом израженом способношћу њихових њихових атома атома вежу да вежу у енергетском највиши у највиши енергетски енергетски ниво ниво електрона (по 7). Велика хемијска активност халогених елемената тумачи се по по један један електрон електрон којикоји им им недостаје недостаје до октета* до октета* (тј. (тј. до стабилне до стабилне електронске електронске Латински: Латински: okto okto – осам – осам израженом способношћу њихових атома да вежу у највиши енергетски ниво * * конфигурације конфигурације најближег најближег племенитог племенитог гаса). гаса). по Утврђено један електрон који им најреактивнији недостаје до октета* (тј. до стабилне електронске Утврђено је дајеједа флуор је флуор најреактивнији елемент елемент уопште, уопште, докдок реактивност реактивност * Латински: okto – осамосталих конфигурације најближег племенитог гаса). осталих халогених халогених елемената елемената опада опада са порастом са порастом њихових њихових атомских атомских бројева. бројева. То То Утврђено је дадајеса флуор најреактивнији елемент уопште, докелемената реактивност се тумачи се тумачи чињеницом чињеницом да порастом са порастом атомских атомских бројева бројева халогених халогених елемената осталих халогених елемената са порастом њихових атомских бројева. То расте расте бројброј енергетских енергетских нивоа, нивоа, а тиме аопада тиме и полупречници и полупречници њихових њихових атома. атома. Услед Услед тогатога се тумачи чињеницом да са порастом атомских бројева халогених елемената се смањује се смањује привлачно привлачно деловање деловање атомског атомског језгра, језгра, те атоми те атоми халогених халогених елемената елемената расте енергетских нивоа, авезују тиме иелектроне полупречници њихових атома. Услед тога идући идући од број флуора од флуора ка јоду ка јоду све све теже теже везују електроне у највиши у највиши енергетски енергетски ниво. ниво. се смањује привлачно деловање атомског језгра, те атоми халогених елемената Доказано Доказано је да је да и код и код елемената елемената осталих осталих група група периодног периодног система система идући одфункционална флуора ка јоду све теже везују електроне ухемијских највиши енергетски постоји постоји функционална зависност зависност између између њихових њихових хемијских својстава својстава и грађе иниво. грађе Доказано је да и код елемената осталих група периодног система електронских електронских омотача. омотача. Стога Стога можемо можемо закључити закључити да да елементи елементи исте исте групе групе постоји функционална зависност између њихових хемијских својстава иатоми грађе периодног периодног система система имају имају слична слична хемијска хемијска својства, својства, пошто пошто њихови њихови атоми електронских омотача. Стога можемо закључити да елементи исте групе садрже садрже у највишем у највишем енергетском енергетском нивоу нивоу исти исти бројброј електрона. електрона. периодног система имају слична хемијска својства, пошто њихови атоми У већини У већини случајева случајева бројброј валентних валентних електрона електрона одговара одговара броју броју групе. групе. садрже у највишем енергетском нивоу исти број електрона. Тако, Тако, на пример, на пример, атоми атоми елемената елемената прве прве групе групе периодног периодног система система садрже садрже У енергетском већини случајева број валентних електрона одговара броју групе. у највишем у највишем енергетском нивоу нивоу по 1по електрон; 1 електрон; атоми атоми елемената елемената друге друге групе групе – по– по Тако, пример, атоми елемената прве групе периодног система садрже 2 електрона 2 електрона итд.на итд. Према Према томе, томе, структура структура периодног периодног система система одражава одражава грађу грађу у највишем енергетском нивоу по 1 електрон; атоми елемената друге групе – по електронских електронских омотача омотача атома. атома. 2 електрона итд. Према томе, структура периодног система одражава грађу електронских омотача атома.

46 46II II 46

СТРУКТУРА СТРУКТУРА СУПСТАНЦИ СУПСТАНЦИ

СТРУКТУРА СУПСТАНЦИ

Питања Питања ии задаци задаци

1. Објасните 1. Објасните зашто зашто се са се порастом са порастом атомских атомских бројева бројева елемената елемената у у Питања иазадаци периодама периодама смањује смањује њихов њихов метални, метални, расте а расте неметални неметални карактер. карактер. 1. Како Објасните зашто се са порастом 2. 2. Како гласи гласи периодни периодни закон? закон? атомских бројева елемената у периодама смањује њихов метални, а расте неметални карактер. 3. Прикажите 3. Прикажите хемијским хемијским једначинама једначинама реакције реакције прва прва тритри елемента елемента треће треће 2. Како гласи периодни закон? периоде периоде (натријума, (натријума, магнезијума магнезијума и алуминијума) и алуминијума) са хлором. са хлором. 3. хемијским једначинама реакције прва три елемента треће 4. Прикажите Како 4. Како се тумачи се тумачи чињеница чињеница да елементи да елементи истеисте групе групе периодног периодног система система периоде (натријума, магнезијума и алуминијума) са хлором. хемијска својства? имају имају слична слична хемијска својства? 4. се тумачи да елементи истеконфигурације групе периодног система 5. Напишите у чињеница скраћеном облику електронске конфигурације атома 5. Како Напишите у скраћеном облику електронске атома хемијска својства? имају слична алкалних метала и одговорите се мења њихова реактивност алкалних метала и одговорите какокако се мења њихова реактивност са са 5. порастом Напишите у скраћеном облику електронске конфигурације атома порастом атомских бројева. атомских бројева. алкалних метала и одговорите какореакције се реакције мењакалијума њихова реактивност са са 6. Прикажите хемијским једначинама калијума и натријума 6. Прикажите хемијским једначинама и натријума са порастом атомских бројева. водом, и израчунајте запремину водоника (н.који у.) који се ослобађа водом, и израчунајте запремину водоника (н. у.) се ослобађа припри

6. реакцији Прикажите једначинама реакције калијума и натријума са реакцији 1калијума, g калијума, односно g натријума са водом. 1 gхемијским односно 1 g 1натријума са водом. 3 водом, и израчунајте запремину (н. у.) који се ослобађа при и 0,49 и 0,49 dm3dm ) 3водоника ) (Одговор: (Одговор: 0,290,29 dm3dm g калијума, односно 1 g натријума саслабо водом. 7. реакцији Зашто 7. Зашто су 1племенити су племенити гасови гасови хемијски хемијски веома веома слабо реактивни? реактивни? (Одговор: 0,29 dm3 и 0,49 dm3) 8. Утврдите 8. Утврдите у којој у којој се групи се групи и периоди и периоди налазе налазе елементи елементи чијичији атоми атоми имају имају 7. следеће Зашто суелектронске племенити гасови хемијски веома слабо реактивни? следеће електронске конфигурације: конфигурације:

8. Утврдите се263p групи 22 2p 2s623s 2p 3s32,3p3и , периоди налазе елементи чији атоми имају а) 1s а)2у2s 1sкојој следеће електронске конфигурације: 2 22 62 26 62 26 б) 1s б) 2s 1s 2p 2s 3s 2p 3p 3s 4s 3p ,4s2, а) 1s222s2222p5623s253p3, 2s .2p . в) 1s в) 2s 1s 2p б) 1s22s22p63s23p64s2, 9. Напишите 9. Напишите електронске електронске конфигурације конфигурације атома атома елемената елемената са атомским са атомским 2 5 2p26, в) 1s22s бројевима бројевима 26, 34. и3438и и38утврдите и утврдите у којој у којој се групи се групи и периоди и периоди овиови елементи елементи 9. налазе. Напишите налазе.електронске конфигурације атома елемената са атомским бројевима 26, 34 и 38 и утврдите у којој се групи и периоди ови елементи налазе.

ХЕМИЈСКА ХЕМИЈСКА ВЕЗА ВЕЗА ХЕМИЈСКА ВЕЗА

Од Од свих свих елемената, елемената, племенити племенити гасови гасови су хемијски су хемијски најслабије најслабије реактивни. реактивни. Стога Стога се све се све до 1962. до 1962. године године сматрало сматрало да не да могу не могу да граде да граде хемијска хемијска једињења. једињења. У У Одсесвих елемената, племенити гасови су хемијски најслабије природи природи једино се једино овиови елементи елементи налазе налазе у облику у облику слободних слободних атома. атома.реактивни. Стога се све дохемијска 1962. године сматрало да не могугасова да гасова граде хемијска једињења. У Велика Велика хемијска стабилност стабилност племенитих племенитих тумачи тумачи се специфичном се специфичном природи се једино ови елементи њихових налазе у облику слободних атома. електронском електронском конфигурацијом конфигурацијом њихових атома. атома. КаоКао штошто је познато, је познато, атоми атоми Великагасова хемијска стабилност племенитих гасова тумачи се специфичном племенитих племенитих гасова имају имају попуњен попуњен највиши највиши енергетски енергетски ниво ниво са максималним са максималним електронском њихових атома. Као што је познато, атоми бројем бројем од 8, ододносно 8,конфигурацијом односно 2 електрона 2 електрона (атом (атом хелијума). хелијума). племенитих гасова имају попуњен највиши енергетски ниво са налазе максималним Атоми Атоми осталих осталих елемената елемената се при се при обичним обичним условима условима не налазе не слободни, слободни, бројем од 8, односно 2 електрона (атомцелине хелијума). већвећ међусобно међусобно повезани повезани у сложеније у сложеније целине – најчешће – најчешће у молекуле у молекуле хемијских хемијских Атоми елемената се при обичним условима не налазе слободни, елемената елемената илиосталих или једињења. једињења. већ међусобно повезани у сложеније – најчешће у молекуле хемијских Силе Силе које које у молекулима у молекулима и другим ицелине другим системима системима држе држе атоме атоме на на окупу, окупу, елемената или називају називају се хемијске сеједињења. хемијске везе. везе. Силе које у хемијских молекулима иелемената другим системима држетиме атоме на окупу, Реактивност Реактивност хемијских елемената може може се објаснити се објаснити тиме што што њихови њихови називају се хемијске везе. попуњен атоми атоми немају немају електронима електронима попуњен највиши највиши енергетски енергетски ниво. ниво. ПриПри хемијским хемијским Реактивност хемијских елемената можеенергетски сеенергетски објаснити тиме што њихови реакцијама реакцијама ониони теже теже да постигну да постигну стабилну, стабилну, најповољнију најповољнију конфиконфиатоми немају електронима попуњен енергетски ниво. При хемијским гурацију гурацију племенитог племенитог гасагаса који који им им је највиши ујепериодном у периодном систему систему најближи. најближи. ПриПри томе томе реакцијама теже да постигну стабилну, енергетски најповољнију конфидолази долази до смањења доони смањења укупне укупне енергије енергије система. система. гурацију племенитог гаса који им је у периодном систему најближи. При томе долази до смањења укупне енергије система.

II II47 47 II

СТРУКТУРА СТРУКТУРА СУПСТАНЦИ СУПСТАНЦИ СТРУКТУРА СУПСТАНЦИ

Према Према овом, овом, нешто нешто поједностављеном поједностављеном моделу моделу хемијске хемијске везе, везе, атоми атоми могу могу постићи постићи стабилну стабилну електронску електронску конфигурацију конфигурацију племенитог племенитог гасагаса на два на два начина: начина: Према овом, нешто поједностављеном хемијске везе, атоми могу стварањем стварањем заједничких заједничких електронских електронских парова парова самоделу другим са другим атомима атомима (ковалентна (ковалентна постићи стабилну електронску конфигурацију племенитог гаса на два начина: веза) веза) и преласком и преласком електрона електрона са једног са једног атома атома на други на други (јонска (јонска веза). веза). стварањем заједничких електронских парова са другим атомима (ковалентна веза) и преласком електрона са једног атома на други (јонска веза).

КОВАЛЕНТНА КОВАЛЕНТНА ВЕЗА ВЕЗА КОВАЛЕНТНА ВЕЗА

Слика Слика II-17. II-17. Г. Њ. Г. Луис Њ. Луис (1875 (1875 –1946) –1946) Слика II-17. Г. Њ. Луис (1875 –1946)

Прву Прву савремену савремену теорију теорију ковалентне ковалентне везевезе даодао је амерички је амерички хемичaр хемичaр Г. Њ. Г. Њ. Луис Луис 1916. 1916. године. године. Према Према његовој његовој октетној октетној теорији, теорији, ковалентна ковалентна везавеза настаје настаје Прву савремену теорију ковалентне везе електронску даоелектронску је амерички хемичaр Г. Њ. каокао резултат резултат тежње тежње атома атома да постигну да постигну стабилну стабилну конфигурацију конфигурацију Луис 1916. године. Према његовој октетној теорији, ковалентна веза настаје најближег најближег племенитог племенитог гаса. гаса. До До успостављања успостављања таквих таквих конфигурација конфигурација долази долази као резултат тежње атома да постигну стабилну електронску конфигурацију удруживањем удруживањем неспарених неспарених електрона електрона из највишег из највишег енергетског енергетског нивоа нивоа атома атома у у најближегпарове племенитог гаса. До успостављања таквихдаконфигурација долази заједничке заједничке парове којикоји повезују повезују атоме. атоме. Треба Треба нагласити нагласити Луис да Луис нијеније правио правио удруживањем електрона из највишег енергетског нивоа атома у разлику разлику између између s инеспарених sp-орбитала, и p-орбитала, пошто пошто онеоне у то увреме то време нису нису биле биле познате. познате. заједничке парове којинеколико повезују атоме.Луисово Треба нагласити даковалентне Луис није везе правио Размотримо Размотримо на на неколико примера примера Луисово тумачење тумачење ковалентне везе разлику између s иразличитих p-орбитала, пошто оне у то време нису биле познате. између између истих истих илиили различитих атома атома неметала. неметала. Размотримо на неколико Луисово тумачење ковалентне везе Атом Атом водоника водоника садржи садржи у електронском у примера електронском омотачу омотачу један један електрон. електрон. Када Када између истих или различитих атома неметала. се два се два атома атома водоника водоника довољно довољно приближе приближе један један другоме, другоме, њихова њихова позитивно позитивно Атом језгра водоника садржи електронском један уелектрон. Када наелектрисана наелектрисана језгра привлаче привлаче обауоба електрона електрона и они и омотачу они се удружују се удружују заједнички у заједнички се два атома водоника довољно приближе један другоме, њихова позитивно електронски електронски парпар којикоји повезује повезује атоме. атоме. Како Како овајовај парпар подједнако подједнако припада припада и једном и једном наелектрисана језгра привлаче оба везана електрона они се устабилну заједнички и другом и другом атому, атому, оба оба атома атома водоника водоника везана у молекул уи молекул Н2удружују постижу Н2 постижу стабилну електронски пар који повезује атоме. Како овај пар подједнако припада и једном електронску електронску конфигурацију конфигурацију хелијума. хелијума. и другом атому, обасхематски атома водоника везана у молекул Н2 постижу стабилну Описани Описани процес процес схематски се може се може приказати приказати овако: овако: електронску конфигурацију хелијума. . . Описани процес схематски може Н Н+ . +Нсе. Н → →Нприказати :Н Н,: Н, овако: . спаривање спаривање електрона електрона електронски електронски пар пар Н + . Н → заједнички Н :заједнички Н, где где парпар тачкица тачкица између између атома атома симболизује симболизује заједнички заједнички електронски електронски пар.пар. Овакве Овакве спаривање електрона заједнички електронски пар формуле формуле зовузову се Луисове се Луисове (електронске) (електронске) формуле. формуле. АкоАко се тачкице се тачкице замене замене цртицртигде пар тачкица између атома симболизује цом,цом, добија добија се структурна се структурна формула: формула: Н–Н. Н–Н. заједнички електронски пар. Овакве формуле зову се Луисове (електронске) формуле. Ако се тачкице замене цртиНа На сличан сличан начин начин тумачи тумачи се образовање се образовање ковалентне ковалентне везе везе и између и између атома атома цом, добија структурна формула: Н–Н. неметала неметала V, VI V, се и VIVII и VII групе групе периодног периодног система, система, с тим с тим штошто се код се код приказивања приказивања Наатома сличан начин тумачи сесимбола образовање ковалентне везе и између атома сложенијих сложенијих атома тачкицама тачкицама окооко симбола елеменатa елеменатa означавају означавају само само валентни валентни неметала V, VI и VII групе периодног система, с тим што се код приказивања електрони. електрони. Електрони Електрони на на нижим нижим енергетским енергетским нивоима нивоима (који (који не не учествују учествују у у сложенијих атома тачкицама око симбола елеменатa означавају само валентни образовању образовању хемијске хемијске везе) везе) укључени укључени су усусимбол у симбол елемента елемента којикоји означава означава језгро језгро електрони. Електрони на настајање нижим молекула енергетским нивоима (који не учествују у атома. атома. Тако Тако се, се, на пример, на пример, настајање молекула Сl2 Сl може може објаснити објаснити овако: овако: атом атом 2 образовању хемијске везе) укључени су у симбол елемента који означава језгро хлора хлора садржи садржи у највишем у највишем енергетском енергетском нивоу нивоу 7 електрона. 7 електрона. ДваДва атома атома хлора хлора атома. Тако се, на пример, настајање молекула Сl2 може објаснити овако: атом повезују повезују се усемолекул у молекул Сl2 Сl преко преко заједничког заједничког електронског електронског пара, пара, којикоји настаје настаје 2 хлора садржи у једног највишем енергетском нивоу електрона. атома хлора удруживањем удруживањем по једног по неспареног неспареног електрона електрона из оба из7оба атома. атома. На На тајДва тај начин начин атоми атоми повезују се уу молекул молекул Сl2 Сl преко заједничког електронског пара, који настаје постижу постижу стабилну стабилну електронску електронску конфигурацију конфигурацију хлора хлора везани везани у молекул Сl 2 2 удруживањем по једног неспареног електрона из оба атома. На тај начин атоми аргона. аргона. стабилну електронску конфигурацију хлора везани ујемолекул Уобичајено Уобичајено да је да се усеСl структурним у2 постижу структурним формулама формулама изостављају изостављају слободни слободни аргона. електронски електронски парови, парови, такотако да је даструктурна је структурна формула формула молекула молекула хлора хлора Сl–Сl. Сl–Сl. Уобичајено је примера да примера се у структурним формулама изостављају слободни У оба У оба претходна претходна атоми атоми неметала неметала повезани повезани су усумолекул у молекул по- поелектронски парови, тако да је структурна формула молекула хлора Сl–Сl. средством средством једног једног заједничког заједничког електронског електронског пара пара (тј. (тј. једноструком једноструком ковалентном ковалентном УМеђутим, оба претходна примера атоми неметала повезани су три узаједничка молекул повезом). везом). Међутим, атоми атоми могу могу бити бити повезани повезани и помоћу и помоћу двадва илиили три заједничка средством једног електронског пара (тј. једноструком ковалентном електронска електронска пара, пара, тј.заједничког тј. двоструком двоструком илиили троструком троструком ковалентном ковалентном везом. везом. Такав Такав везом). Међутим, атомиазота. могу бити повезани и помоћу два или три заједничка случај случај јавља јавља се усемолекулу у молекулу азота. електронска пара, тј. двоструком или троструком ковалентном везом. Такав случај јавља се у молекулу азота.

48 48II II 48

СТРУКТУРА СТРУКТУРА СУПСТАНЦИ СУПСТАНЦИ СТРУКТУРА СУПСТАНЦИ

Двострука Двострука ковалетна ковалетна везавеза се успоставља се успоставља између између атома атома азота азота и кисеоника и кисеоника (на (на високој високој температури): температури): Двострука ковалетна веза се успоставља између атома азота кисеоника Настали Настали азот(II)-оксид, азот(II)-оксид, међутим, међутим, нијеније стабилан, стабилан, јер јер се на се азотовом на иазотовом атому атому (на високој температури): налази налази неспарени неспарени електрон, електрон, односно односно недостаје недостаје му још му још један један електрон електрон до попуне до попуне Настали азот(II)-оксид, нијепара стабилан, јер се на азотовом атому октета октета (узимајући (узимајући у обзир у обзир и два имеђутим, два заједничка заједничка пара електрона електрона између између атома атома азота азота и и налази неспарени електрон, односно недостаје му још један обезбеђује електрон доњеговим попуне кисеоника). кисеоника). Због Због тога тога се извесна се извесна стабилност стабилност азот(II)-оксида азот(II)-оксида обезбеђује његовим октета (узимајући у обзир и два заједничка пара електрона између атома азота идва хлађењем хлађењем на ниској на ниској температури, температури, припри чему чему долази долази до до узајамног узајамног спајања спајања два кисеоника). Због тога се извесна стабилност азот(II)-оксида обезбеђује његовим молекула молекула овог овог једињења једињења у димер у димер (N2O (N2),2Oтако ), тако што што неспарени неспарени електрони електрони са са 2 хлађењем наатома ниској температури, при чему долази до узајамног спајања два азотових азотових атома граде граде заједнички заједнички електронски електронски парпар између између азотових азотових атома атома преко преко молекула једињења у димер (N O ), тако што неспарени електрони са 2 2 којег којег се успоставља сеовог успоставља једнострука једнострука ковалентна ковалентна веза: веза: азотових атома граде заједнички електронски пар између атома Атом Атом азота азота у највишем у највишем енергетском енергетском нивоу нивоу имаима 5азотових електрона, 5 електрона, од преко од којих којих којег једнострука ковалентна веза: су су 3 се електрона 3 успоставља електрона неспарена. неспарена. ДваДва атома атома азота азота постижу постижу стабилну стабилну електронску електронску Атом азота унеона највишем енергетском нивоу имаелектронска 5 електронска електрона,пара, одпара, којих конфигурацију конфигурацију неона образовањем образовањем тритри заједничка заједничка којикоји су повезују 3 електрона неспарена. повезују атоме атоме у молекул у молекул N2: Два N2: атома азота постижу стабилну електронску конфигурацију неона три заједничка електронска пара, који Трострука Трострука везавеза у образовањем молекулу у молекулу азота азота је веома је веома јака,јака, стога стога је азот је азот при при обичним обичним : повезују атоме услабо молекул N 2 условима условима веома веома слабо реактиван. реактиван. Трострука веза у везом молекулу је веома стогаатоми је атоми азот при обичним Ковалентном Ковалентном везом често често сеазота повезују се повезују и различити ијака, различити неметала. неметала. Тако Тако условима слабо реактиван. се, се, на пример, на веома пример, настајање настајање молекула молекула хлороводоника хлороводоника из атома из атома хлора хлора и водоника и водоника Ковалентном везом често се повезују и различити атоми неметала. Тако схематски схематски приказује приказује овако: овако: се, на пример, молекула хлороводоника из што атома идаводоника Један Један однастајање недостатака од недостатака октетне октетне теорије теорије је тај је тај што нијеније ухлора стању у стању објасни да објасни схематски приказује овако: магнетна магнетна својства својства молекула молекула кисеоника: кисеоника: експериментално експериментално је доказано је доказано да магнет да магнет Један од кисеоник недостатака октетне теорије је тајизмеђу што није уњегових стању даполова. објасни привлачи привлачи течни течни кисеоник који који зaузима зaузима простор простор између његових полова. ОваОва магнетна својства кисеоника: експериментално је да магнет појава, појава, која која се назива семолекула називапарамагнетичност, парамагнетичност, својствена својствена је доказано само је само супстанцама супстанцама привлачи течни садрже кисеоник који зaузима простор измеђупрема његових полова. Ова којекоје у молекулу у молекулу садрже неспарене неспарене електроне. електроне. Међутим, Међутим, према Луисовој Луисовој схеми: схеми: појава, која назива парамагнетичност, својствена јепошто само супстанцама молекул молекул О2 не Осе би не требало би требало да поседује да поседује магнетна магнетна својства, својства, пошто нема нема неспарених неспарених 2 којеелектрона у молекулу садрже електроне. Међутим, према Луисовој схеми: електрона (тј. (тј. био био би дијамагнетичан). бинеспарене дијамагнетичан). OвоOво неслагање неслагање теорије теорије и експеримента и експеримента молекул не би требало дапомоћ поседује магнетна својства, поштоорбитала. нема неспарених 2 је отклоњено касније касније јеОотклоњено уз помоћ уз теорије теорије (методе) (методе) молекулских молекулских орбитала. електрона био биоктетне дијамагнетичан). Oво неслагање теорије У недостатке У(тј.недостатке октетне теорије теорије убраја убраја се исечињеница и чињеница да ипостоји даексперимента постоји велики велики касније је отклоњено уз помоћ (методе) молекулских орбитала. број број молекула молекула и јона и јона чија чија се структура сетеорије структура не може не може задовољавајуће задовољавајуће описати описати помоћу помоћу У недостатке октетне теорије убраја сенпр., ирастворљивост чињеница да постоји велики Луисових Луисових електронских електронских формула. формула. Тако Тако се, се, нпр., растворљивост јодајода у воденом у воденом бројраствору молекула и јона чија KI, се структура не може задовољавајуће описати помоћу раствору калијум-јодида, калијум-јодида, KI, знатно знатно повећава повећава у односу у односу на његову на његову растворљивост растворљивост Луисових електронских формула. Тако се, нпр., растворљивост – – у чистој у чистој води води захваљујући захваљујући стварању стварању тријодид тријодид јона, јона, I3– :I3–I2: +Iјода I+ → Iу– воденом → I3–. IАко . Ако 2 3 раствору калијум-јодида, KI, знатноелектронским повећава у односу на његову растворљивост прикажемо прикажемо реактанте реактанте Луисовим Луисовим електронским формулама, формулама, закључићемо закључићемо да да – утежња чистој води захваљујући стварању тријодид јона, I3– : I2 племенитог + Iплеменитог → I3–. гаса Акогаса тежња ка образовању ка образовању стабилних стабилних електронских електронских конфигурација конфигурација прикажемо реактанте Луисовим електронским формулама, закључићемо да – не омогућава не омогућава образовањe образовањe јонајона I3–, Iпошто , пошто ониони већвећ имају имају такву такву конфигурацију: конфигурацију: 3 тежња Квантно-механичко ка Квантно-механичко образовању стабилних електронских конфигурација племенитог гаса тумачење тумачење ковалентне ковалентне везе. везе. Постоје Постоје дведве квантноквантноне омогућава образовањe јона I3–, пошто они већвезе: имају такву конфигурацију: -механичке -механичке теорије теорије (или (или методе) методе) ковалентне ковалентне везе: теорија теорија валентне валентне везевезе и и Квантно-механичко тумачење ковалентне везе. Постоје квантнотеорија теорија молекулских молекулских орбитала. орбитала. У овом У овом уџбенику уџбенику упознаћемо упознаћемо у елементарном удве елементарном -механичке теорије (или везе. методе) ковалентне везе: ковалентна теорија валентне везе и облику облику теорију теорију валентне валентне везе. Према Према овојовој теорији, теорији, ковалентна везавеза између између теорија молекулских орбитала. У овом уџбенику упознаћемо у елементарном два два атома атома настаје настаје прекривањем прекривањем полупопуњених полупопуњених орбитала орбитала из из највишег највишег облику теорију валентне везе. Према овој теорији, ковалентна веза између енергетског енергетског нивоа нивоа атома. атома. два атома прекривањем полупопуњених орбитала изН ,највишег Да видимо Данастаје видимо какокако теорија теорија валентне валентне везевезе тумачи тумачи настајање настајање молекула молекула Сl Н22, иСlНСl. и НСl. 2 2 енергетског атома. Када Када сенивоа два се два атома атома водоника, водоника, којакоја имају имају по један по један електрон електрон у 1s-орбитали, у 1s-орбитали, Да видимо како теорија валентне везепрекривања тумачи настајање молекула Н2(слика , Сl2 II-18). и НСl. приближе приближе један један другом, другом, долази долази до до прекривања ових ових орбитала орбитала (слика II-18). се два атома водоника,супротних која имајуспинова, по спинова, један електрон у 1s-орбитали, АкоАко суКада електрони су електрони у орбиталама у орбиталама супротних приближавањем приближавањем језгара језгара приближе један другом, долази до прекривања ових система орбитала (слика II-18). атома атома постепено постепено се се смањује смањује потенцијална потенцијална енергија енергија система (који (који чине чине двадва Акоатома суводоника). електрони у Смањење орбиталама супротних спинова, приближавањем језгара атома водоника). Смањење енергије енергије система система условљено условљено је појавом је појавом привлачних привлачних атома постепено се смањује потенцијална енергија система (који чине два атома водоника). Смањење енергије система условљено је појавом привлачних

II II49 49 II

. . .

+ 1s

1s + Н+

+ 1s

+ Н 1s

Н→ →

Н2 Н2

Н Слика +Слика Н II-18. → Прекривање Н2 II-18. Прекривање 1s-орбитала 1s-орбитала два два атома атома водоника водоника Слика II-18. Прекривање 1s-орбитала два атома водоника

СТРУКТУРА СУПСТАНЦИ

Слика II-19. Схематски приказ образовања молекула Сl2

сила између језгара и електрона једног и другог атома. Када се језгра нађу на растојању од 74 пикометра, потенцијална енергија система ће бити минимална, пошто се привлачне и одбојне силе (условљене одбијањем електрона из једног и другог атома) уравнотежују и настаје стабилан молекул Н2. Уколико се растојање између језгара и даље смањује, преовладаће одбојне силе и неће доћи до образовања стабилног молекула. У молекулу Сl2 ковалентна веза између два атома хлора настаје прекривањем њихових полупопуњених 3рz-орбитала (види табелу 3). С обзиром да у формирању ковалентне везе учествују само неспарени електрони из највишег енергетског нивоа атома, код схематског приказивања настанка молекула Сl2 нећемо цртати све орбитале. Приказаћемо само полупопуњене 3рz-орбитале које прекривањем формирају ковалентну везу (слика II-19). Ковалентна веза између атома водоника и хлора у молекулу HCl образује се прекривањем 1s-орбитале атома водоника и 3рz-орбитале атома хлора, под условом да електрони у овим орбиталама имају супротне спинове.

+ σ 1s

Слика II-20. Схематски приказ образовања молекула НСl

py p y Слика II-21. Бочно прекривање ру-орбитале

3pz

→

НCl

Као што се види на сликама II-18, II-19 и II-20, једнострука ковалентна веза између атома настаје прекривањем одговарајућих орбитала уздуж осе која повезује атомска језгра. Таква веза назива се σ (сигма)-веза. Две ру или рх-орбитале не могу се прекривати уздуж осе која повезује атомска језгра, пошто се простиру нормално на ту осу. Ове орбитале образују везу тако што се прекривају бочно (слика II-21). Веза настала бочним прекривањем ру или рх орбитала назива се π (пи)-веза. π-веза је секундарна веза, која настаје након повезивања атома σ-везом. С обзиром на то да је бочно прекривање орбитала мање од прекривања орбитала уздуж осе која повезује атомска језгра, π-веза је слабија од σ-везе. Ако су два атома повезана двоструком или троструком везом, тада је само једна од тих веза σ-веза, док су остале π-везе. Размотримо тај случај на примеру молекула азота, N2. Раније смо утврдили да су у том молекулу атоми азота повезани троструком ковалентном везом. Атом азота у највишем енергетском нивоу има 3 неспарена електрона у 2р-орбиталама (види табелу 3). Када се два атома азота приближе један другом, најпре се прекривају њихове 2рz-орбитале и образују σ-везу. Затим долази до прекривања двеју 2ру и двеју 2рх-орбитала, при чему настају две додатне π-везе, које се означавају са πу и πх (на слици II-22 приказане су испрекиданим линијама).

СТРУКТУРА СУПСТАНЦИ

Слика II-22. Схематски приказ образовања молекула N2

→

N≡ N

Да бисмо експериментално доказали разлику у јачини σ и π-везе, начинићемо два гасовита органска једињења и испитати њихову хемијску активност при реакцији са бромом. Та једињења су: метан, СН4 и етен (етилен), С2Н4.

Оглед 5 а) Насути у суву епрувету 2 g смеше за развијање метана. Ова смеша добија се тако што се два масена дела уситњеног, безводног натријум-ацетата, СН3СООNа, помешају са једним масеним делом уситњеног натријум-хидроксида, NаОН. Учврстити напуњену епрувету косо за метални статив и затворити је запушачем кроз који је провучена стаклена цевчица на коју је навучено гумено црево. Опрезно загревати смешу. Када метан који се издваја истисне ваздух из апаратуре, уводити га у бромну воду 1–2 минута. На основу промене боје бромне воде утврдити да ли је дошло до реакције између метана и брома. б) Припремити апаратуру за добијање етена према слици II-23. У епрувету са бочним одводом насути око 2 сm3 концентроване сумпорне киселине Н2SО4, и додати мало кварцног песка који служи као катализатор.

кварцни песак

етанол конц, H2SO4

Капаљку провучену кроз запушач напунити етанолом, С2Н5ОН и затворити епрувету која је учвршћена за метални статив. Опрезно загревати епрувету. Испуштати кап по кап етанола у загрејану киселину, а настали етен уводити у бромну воду. Да ли се променила њена боја?

Слика II-23. Апаратура за лабораторијско добијање етена

бромна вода

Написати структурне формуле метана и етена и утврдити природу веза између угљеника и водоника у молекулима ових једињења. На основу разлике у јачини σ и π-везе, објаснити уочене промене боје бромне воде.

При увођењу метана у бромну воду не долази до хемијске реакције (бромна вода се не обезбојава). То доказује да су у молекулу метана све везе између угљеника и водоника једноструке – σ везе, које су толико јаке да их бром не може раскинути.

СТРУКТУРА СТРУКТУРА СУПСТАНЦИ СУПСТАНЦИ СТРУКТУРА СУПСТАНЦИ

Н Н | | Н Н –– Н –– С –– СН –– Н | || Н –– С –– Н Н Н | бромну За разлику За разлику од метана, од метана, етенетен обезбојава обезбојава бромну воду. воду. То потврђује То потврђује да једаетен је етен Нетeна знатно знатно реактивнији реактивнији од метана. од метана. У молекулу У молекулу етeна постоји постоји двострука двострука везавеза између између За разлику од метана, етен обезбојава То да је етен π-веза: π-веза: атома атома угљеника. угљеника. КаоКао што што смосмо рекли, рекли, једна једна од тих одбромну тих везавеза јеводу. σ,јеаσ, друга апотврђује друга знатно реактивнији од метана. У постоји двострука веза између Н молекулу Н Н етeна Н атома угљеника. Као што смо рекли, | | σједна σ | од| тих веза је σ, а друга π-веза: Н════С –– Н Н –– Н –– С С СН –– Н |π σ | π ––етен Сраскида ══ Ссе –– ПриПри деловању деловању брома брома наНна етен раскида слабија сеНслабија π-веза π-веза и долази и долази до до адиције* адиције* брома брома – између – између атомa атомa угљеника угљеника иπ брома и брома успостављају успостављају се једноструке се једноструке πелемената. -веза и долази до При деловању брома на орбитала етен раскида слабија additio additio – сабирање, – сабирање,σ-везе σ-везе прекривањем прекривањем одговарајућих одговарајућих орбитала у атомима у се атомима ових ових елемената. РеакРеак* Латински: * Латински: брома – између атомa угљеника и брома успостављају се једноструке додавање додавањецијаадиције* ција адиције адиције може може се приказати се приказати следећом следећом једначином: једначином: * Латински: additio – сабирање, σ-везе прекривањем одговарајућих орбитала у атомима ових елемената. Реакдодавање ција адиције може се приказати следећом једначином: Н Н Н Н Н Н Н Н | | | | | | | | Н════С –– НН Н –– Н –– Н –– С С С –– +Н Вr + 2 Вr →2 → Н –– Н –– С Н –– С –– С –– С Н Н | | | || | || Н –– С ══ С –– Н + Вr2 → Н –– С –– С –– Н Вr Вr Вr Вr | | диброметан диброметан Вr Вr диброметан

ЕЛЕКТРОНЕГАТИВНОСТ ЕЛЕКТРОНЕГАТИВНОСТ ЕЛЕКТРОНЕГАТИВНОСТ

За процену За процену карактера карактера везевезе између између атома атома везаних везаних у молекул, у молекул, користи користи се се посебна посебна емпиријска емпиријска величина величина којакоја се назива се назива електронегативност електронегативност елемента, елемента, процену карактера везеспособност између атома везаних у молекул, користи се χ (хи). χ (хи). ОваЗа Ова величина величина карактерише карактерише способност атома атома одређеног одређеног елемента елемента да да посебна емпиријска величина која се назива електронегативност елемента, у молекулу у молекулу привлачи привлачи заједничке заједничке електронске електронске парове парове са другим са другим атомима. атомима. χ (хи). Ова величина карактерише способност одређеног елемента да Електронегативност Електронегативност елемената елемената бројчано бројчано сеатома се изражава изражава коефицијентом коефицијентом уњихове молекулу привлачи заједничке парове саелектронегативности другим атомима. њихове електронегативности. електронегативности. Данас Данас је електронске познато је познато више више скала скала електронегативности Електронегативност елемената бројчано се изражава елемената. елемената. Највише Највише га користи га користи Пoлингова Пoлингова скала, скала, којакоја је приказана је приказана укоефицијентом табели у табели 8. 8. њихове електронегативности. Данас је познато више скала електронегативности елемената. Највише гаскала користи Пoлингова скала, којаелемената је елемената приказана у табели 8. Табела Табела 8. Пoлингова 8. Пoлингова скала електронегативности електронегативности неких неких H H

Табела 8. 2,1 Пoлингова скала електронегативности неких елемената 2,1 Li Li H 1,0 2,1 1,0 Na Na Li 0,9 0,9 1,0 K Na K 0,8 0,9 0,8 Rb Rb K 0,8 0,8 Cs Rb Cs 0,7 0,7 0,8 Cs 0,7

52 52II II 52

Be Be 1,5 1,5 Mg Mg Be 1,2 1,5 1,2 Ca Mg Ca 1,0 1,2 1,0 Sr Ca Sr 1,0 1,0 Ba Ba Sr 0,9 0,9 1,0 Ba 0,9

B B 2,0 2,0 Al Al B 1,5 1,5 2,0 Ga Ga Al 1,6 1,5 1,6 In Ga In 1,7 1,7 1,6 Tl Tl In 1,8 1,8 1,7 Tl 1,8

C C 2,5 2,5 Si Si C 1,8 1,8 2,5 Ge Ge Si 1,8 1,8 Sn Ge Sn 1,8 1,8 Pb Pb Sn 1,8 1,8 Pb 1,8

N N 3,0 3,0 P N P 2,1 2,1 3,0 As As P 2,0 2,0 2,1 Sb Sb As 1,9 1,9 2,0 Bi Sb Bi 1,9 1,9 Bi 1,9

O O 3,5 3,5 S O S 2,5 3,5 2,5 Se Se S 2,4 2,4 2,5 Te Se Te 2,1 2,1 2,4 Po Po Te 2,0 2,0 2,1 Po 2,0

F F 4,0 4,0 Cl Cl F 3,0 4,0 3,0 Br Br Cl 2,8 2,8 3,0 I Br I 2,5 2,5 2,8 At At I 2,2 2,2 2,5 At 2,2

СТРУКТУРА СТРУКТУРА СУПСТАНЦИ СУПСТАНЦИ СТРУКТУРА СУПСТАНЦИ

КаоКао штошто се из се табеле из табеле 8 види, 8 види, електронегативност електронегативност елемената елемената се налази се налази у периодичној у периодичној зависности зависности од од њихових њихових атомских атомских бројева. бројева. Тако Тако у периодама у периодама Као што се израсте табеле 8 види, електронегативност елемената сеНајелектроналази електронегативност електронегативност расте слева слева удесно, удесно, тј. од тј.метала од метала ка неметалима. ка неметалима. Најелектроу периодичној зависности одјењихових атомских бројева. Тако у периодама негативнији негативнији елемент елемент уопште уопште флуор, је флуор, чија чија је електронегативност је електронегативност 4,0.4,0. Затим Затим електронегативност расте слева удесно, тј. од метала ка неметалима. Најелектроследе: следе: кисеоник кисеоник (3,5), (3,5), азот азот и хлор и хлор (3,0). (3,0). Најмању Најмању електронегативност електронегативност имају имају негативнији елемент уопште је флуор, је електронегативност елементи елементи IА групе IА групе периодног периодног система система (тј.чија (тј. најизразитији најизразитији метали). метали). 4,0. Затим следе: Разлика кисеоник (3,5), азот и хлор (3,0). Најмању електронегативност имају Разлика у електронегативности у електронегативности везаних везаних атома атома служи служи каокао критеријум критеријум за за елементи IАкарактера групе периодног система (тј. најизразитији метали). процену процену карактера везе: везе: уколико уколико је тајеразлика та разлика већа, већа, заједнички заједнички електронски електронски парпар Разлика укаелектронегативности везаних служивеза као за је јаче је јаче померен померен електронегативнијем ка електронегативнијем атому атому и атома ковалентна и ковалентна веза јекритеријум поларнија. је поларнија. процену карактера везе: уколико је та разлика већа, заједнички електронски пар Електронегативност Електронегативност елемената елемената нијеније константна константна величина, величина, већвећ зависи зависи од од је јаче померен ка (између електронегативнијем атому ковалентна веза јеједноструком поларнија. више више фактора фактора (између осталог, осталог, и оди тога од тога да ли даису ли атоми су атоми повезани повезани једноструком Електронегативност елемената није константна величина, већ од илиили двоструком двоструком везом). везом). Стога Стога се Пoлингова се Пoлингова скала скала може може користити користити за зависи процењиза процењивише фактора (између осталог, иу од тогакада дакада ли атоми повезани једноструком вање вање карактера карактера везевезе само само у случају случају сусусу атоми атоми повезани повезани једноструком једноструком или двоструком везом). ковалентном ковалентном везом. везом. Стога се Пoлингова скала може користити за процењивање карактера везе само у случају када су атоми повезани једноструком ковалентном везом. Пример Пример 12 12

 

Пример 12у ком Утврдимо Утврдимо у ком је молекулу је молекулу везавеза поларнија поларнија – у –молекулу у молекулу НF НF илиили НСl.НСl. У табели У табели 8 налазимо 8 налазимо да је даелектронегативност је електронегативност водоника водоника 2,1,2,1, флуора флуора 4,0,4,0, Утврдимо а хлора а хлора 3,0.3,0. у ком је молекулу веза поларнија – у молекулу НF или НСl. У табели налазимо да је електронегативност 2,1, флуора 4,0, Разлика Разлика у 8електронегативности у електронегативности везаних везаних атома атома уводоника молекулу у молекулу НF НF износи: износи: а хлора 3,0. Разлика у електронегативности атома Δχ = Δχ4,0 = везаних 4,0 – 2,1 – 2,1 = 1,9, = 1,9, у молекулу НF износи: а у амолекулу у молекулу НСl: НСl:

Δχ = 4,0 – 2,1 = 1,9,

а у молекулу НСl:

Δχ = Δχ3,0 = 3,0 – 2,1 – 2,1 = 0,9. = 0,9.

Δχ 3,0 – 2,1 =НF 0,9. Одговор: Одговор: Ковалентна Ковалентна веза веза у=молекулу у молекулу НF је поларнија, је поларнија, пошто пошто је разлика је разлика у у електронегативности електронегативности везаних везаних атома атома већа. већа. Одговор: Ковалентна веза у молекулу НF је поларнија, пошто је разлика у електронегативности везаних атома већа.

ПОЛАРНОСТ ПОЛАРНОСТ МОЛЕКУЛА МОЛЕКУЛА ПОЛАРНОСТ МОЛЕКУЛА

АкоАко су су ковалентном ковалентном везом везом повезана повезана двадва истаиста атома, атома, којакоја имају имају истуисту електронегативност, електронегативност, заједнички заједнички електронски електронски парпар ће бити ће бити симетрично симетрично расподерасподеАко су ковалентном везом повезана двасе иста атома, ковалентна којаковалентна имају веза. исту љенљен између између атомских атомских језгара. језгара. ОваОва веза веза назива назива неполарна се неполарна веза. електронегативност, заједнички електронски пар ће бити симетрично расподеПошто Пошто се ни се ни у једном у једном делу делу молекула молекула не не јавља јавља вишак вишак позитивног, позитивног, односно односно љеннегативног измеђуелектрицитета, атомских језгара. Ова веза назива неполарна ковалентна веза. негативног електрицитета, такви такви молекули молекули се називају сесеназивају неполарни неполарни молекули. молекули. ПоштоАко сеАко ни у једном делу молекула не јавља вишак позитивног, односно су, су, пак,пак, ковалентном ковалентном везом везом повезани повезани атоми атоми различитих различитих елемената, елемената, негативног електрицитета, такви молекули се називају неполарни молекули. заједнички заједнички електронски електронски парови парови ће ће бити бити померени померени ка ка атому атому веће веће електроелектроАко су, пак, ковалентном везомдоповезани атоми различитих елемената, негативности. негативности. Услед Услед тогатога долази долази до асиметричне асиметричне расподеле расподеле негативног негативног заједнички електронски парови бити померени ка атому веће електроелектрицитета електрицитета у простору, у простору, па један па ће један део део молекула молекула постаје постаје наелектрисан наелектрисан делиделинегативности. Услед тога долази до асиметричне расподеле негативног мично мично негативно негативно (δ–)(δ–) – чита – чита се делта се делта минус, минус, а други а други – делимично – делимично позитивно позитивно електрицитета у назива простору, па поларна један ковалентна деоковалентна молекула постаје (δ+). (δ+). Таква Таква везавеза назива се поларна се веза, веза, а молекул а наелектрисан молекул у коме у коме седелиона се она * Грчки: * Грчки: di – di два – два + pólоs + pólоs – оса; – оса; мично негативно (δ–) – чита се делта минус, а други – делимично позитивно јавља јавља – поларни – поларни илиили диполни* диполни* молекул молекул (слика (слика II-24). II-24). или или у преводу у преводу „два „два пола” пола” (δ+). Таква веза назива се поларна ковалентна веза, а молекул у коме се она * Грчки: di – два + pólоs – оса; јавља – поларни или диполни* молекул (слика II-24). или у преводу „два пола”

II II53 53 II

СТРУКТУРА СТРУКТУРА СУПСТАНЦИ СУПСТАНЦИ СТРУКТУРА СУПСТАНЦИ

N22, иNСl и )Сl су2)типични су типични Двоатомски Двоатомски молекули молекули гасовитих гасовитих елемената елемената (нпр. (нпр. Н2, Н 2 2 неполарни неполарни молекули. молекули. КаоКао пример пример поларног поларног молекула молекула наведимо наведимо молекул молекул НСl,НСl, у у A AA A , N и Сl ) су типични Двоатомски молекули гасовитих елемената (нпр. Н коме коме електронегативнији електронегативнији атом атом хлора хлора јаче јаче привлачи привлачи заједнички заједнички електронски електронски пар пар 2 2 2 неполарна неполарни молекули. Као пример поларног молекула наведимо молекул НСl, ков. веза б– б– са водоником. са водоником. Због Због повећане повећане густине густине електронског електронског облака облака око око атома атома хлора, хлора, на нау A A б+ б+ коме атом хлора јаче привлачиазаједнички електронски пар њему њему се електронегативнији јавља се јавља делимично делимично негативно негативно наелектрисање, наелектрисање, наа атому на атому водоника водоника истоисто са водоником. Због повећане густине електронског облакаНСl око атома хлора, на поларна толико A A B Bб–поларна толико позитивно позитивно наелектрисање. наелектрисање. Према Према томе, томе, у молекулу у молекулу НСl не поклапају не поклапају б+ ков. ков. везавеза њему сепозитивног јавља делимично негативно наелектрисање, на атому водоника исто се центри се центри позитивног и негативног и негативног наелектрисања наелектрисања и он иа он представља представља поларни поларни A B поларна молекул. толико позитивно наелектрисање. Према томе, у молекулу НСl не поклапају молекул. Слика Слика II-24. II-24. Схематски Схематски приказ приказ ков. веза се центри позитивног и квантитативно негативног наелектрисања ивекторском он представља поларни Поларност Поларност молекула молекула квантитативно се изражава се изражава векторском величином величином неполарне неполарне и поларне и поларне која се зове се зове диполни диполни моменат моменат μ (ми): μ (ми): Слика II-24. Схематски ковалентне ковалентне везевезе приказ којамолекул. Поларност молекула квантитативно се изражава векторском величином неполарне и поларне ковалентне везе q – апсолутна q – апсолутна вредност вредност наелектрисања наелектрисања која се зове диполни моменат μ (ми): -19 електрона електрона (1,6(1,6 · 10-19 · 10 кулона) кулона) → →. . μ =μq = 1. q 1. (13)(13) апсолутна вредност наелектрисања 1 – растојање 1q – растојање између између центара центара неполарна неполарна ков. ков. везавеза

електрона (1,6 · 10-19 кулона) позитивног позитивног и негативног и негативног 1 – растојање између центара наелектрисања наелектрисања у молекулу у молекулу позитивног и негативног наелектрисања у молекулу

H H H

C C H H

H H H

→ . μ = q 1. (13) SI-јединица SI-јединица диполног диполног момента момента је кулонметар, је кулонметар, Сm.Сm. Што Што је разлика је разлика у електронегативности у електронегативности везаних везаних атома атома у молекулима у молекулима типа типа SI-јединица диполног момента јетј.кулонметар, Сm. АВАВ већа, већа, њихов њихов диполни диполни моменат моменат је већи, је већи, они тј. они су поларнији. су поларнији. Што јесуразлика у вишеатомни електронегативности везаних атома у молекулима типа Познати Познати су многи многи вишеатомни молекули молекули са са поларним поларним ковалентним ковалентним АВ већа, њихов диполни моменат је већи, тј. они су поларнији. везама, везама, којикоји су усуцелини у целини неполарни. неполарни. Такав Такав је, на је, пример, на пример, молекул молекул метана, метана, СН4СН , 4, Познати су многи вишеатомни молекули којикоји имаима облик облик правилног правилног тетраедра тетраедра (слика (слика II-25). II-25). са поларним ковалентним везама, који сусве у целини неполарни. је, молекулу на пример, молекул СН4, Мада Мада су се су се све четири четири С–НС–Н везевезе у Такав овом у овом молекулу поларне поларне (јер(јер јеметана, угљеник је угљеник који има облик правилног тетраедра (слика II-25). електронегативнији електронегативнији од водоника), од водоника), молекул молекул СН4СН је4 ујецелини у целини неполаран. неполаран. То То се се Мада су се све четири С–Нелектронских везе у овом молекулу поларне је угљеник тумачи тумачи симетричним симетричним размештањем размештањем електронских облака облака σ-веза σ-веза у простору у(јер простору окооко електронегативнији од водоника), молекул СН4 је упојединачних целини неполаран. Товеза се H H атома атома угљеника, угљеника, услед услед чега чега се ефекти се ефекти поларизације поларизације појединачних С–НС–Н веза тумачи симетричним размештањем електронских облака σ-веза у простору око поништавају. поништавају. H атома угљеника, услед чега се ефекти поларизације појединачних С–Н веза поништавају. Табела Табела 9. Диполни 9. Диполни моменти моменти молекула молекула халогеноводоника халогеноводоника

Слика II-25. Модел Слика II-25. Модел молекула H молекула метана метана Слика II-25. Модел молекула метана

Табела 9. Диполни моменти молекула халогеноводоника Разлика у електронегативности, моменaт, Разлика у електронегативности, Диполни Диполни моменaт, Молекул Молекул 30 Δχ Δχ μ · 10 μ ·3010 (Сm) (Сm) Разлика у електронегативности, Диполни моменaт, Молекул Δχ μ · 1030 (Сm) HF HF HClHCl HBrHF HBr HI HCl HI HBr HI

1,9 1,9 0,9 0,9 0,7 1,9 0,7 0,4 0,9 0,4 0,7 0,4

6,376,37 3,443,44 2,606,37 2,60 1,473,44 1,47 2,60 1,47

Постојање Постојање илиили одсуство одсуство диполног диполног момента момента молекула молекула може може да послужи да послужи каокао један један од од показатеља показатеља њихове њихове геометријске геометријске структуре. структуре. Тако, Тако, на на пример, пример, Постојање или одсуство диполног момента молекула може да послужи молекули молекули типа типа АВ2АВ могу могу бити бити линеарни линеарни и савијени и савијени (слика (слика II-26). II-26). 2 каоУколико један одје показатеља њихове геометријске структуре. Тако, на моменти пример, Уколико молекул је молекул АВ2АВ линеарне линеарне грађе грађе (слика (слика II-26а), II-26а), диполни диполни моменти 2 типа АВ могу бити линеарни исупротног савијени (слика II-26). везамолекули веза А–ВА–В као као векторских векторских величина величина су су супротног смера смера и међусобно и међусобно се се 2 Уколико јеје,молекул АВ2 линеарне грађе (слика II-26а), диполни моменти поништавају. поништавају. Тако Тако на је, пример, на пример, диполни диполни моменат моменат молекула молекула СО СО и СS и СS нула, нула, 2 2 2 2 везаони А–В каолинеарну векторских величина су супротног смера и међусобно се пошто пошто они имају имају линеарну структуру. структуру. поништавају. Тако је, на пример, диполни моменат молекула СО2 и СS2 нула, пошто они имају линеарну структуру.

54 54II II 54

СТРУКТУРА СТРУКТУРА СУПСТАНЦИ СУПСТАНЦИ СТРУКТУРА СУПСТАНЦИ

O =OC==CO= O S = SC==CS = S

}}

а) а)

O = C = Oμ =μ0 =S 0= C = S а) (слика (слика II-26б), II-26б), резултанта резултанта диполдиполУ случају У случају савијеног савијеног молекула молекула типа типа АВ2АВ 2 μ = 0 од нуле, B B A A B B нихних момената момената двеју двеју везавеза А–ВА–В је различита је различита од нуле, стога стога молекул молекул имаима одређени одређени У случају савијеног молекула типа АВ2 (слика II-26б), резултанта диполдиполни диполни моменат. моменат. Пример Пример је молекул је молекул сумпор(IV)-оксида. сумпор(IV)-оксида. B A B них момената двеју веза А–В је различита одOнуле, O стога молекул има одређени диполни моменат. Пример је молекул сумпор(IV)-оксида. S S μ >μ0 > 0 б) б) O O O S позитиван > 0 крај, Пошто Пошто диполни диполни молекули молекули имају имају позитиван и негативан и μнегативан крај, ониони се себ) A A O међусобно међусобно привлаче привлаче електростатичким електростатичким силама силама (тзв.(тзв. дипол-дипол дипол-дипол привлачење). привлачење). диполни молекули имају позитиван и негативан крај,јаче они севезе Иако Иако суПошто ове су ове силе силе релативно релативно слабе, слабе, онеоне ипак ипак доприносе доприносе успостављању успостављању јаче везе A међусобно привлаче електростатичким силама (тзв. дипол-дипол привлачење). између између молекула. молекула. Стога Стога супстанце супстанце изграђене изграђене од поларних од поларних молекула молекула имају имају више више Иако су ове силе релативно слабе,одоне доприносе успостављању јаче везе температуре температуре топљења топљења и кључања и кључања супстанци одипак супстанци чијичији су молекули су молекули неполарни. неполарни. B B B B измеђуВода молекула. Стога супстанце изграђене од поларних молекула имају више Вода је необично је необично важна важна супстанца, супстанца, чијичији су молекули су молекули изразито изразито поларни. поларни. температуре топљења и кључања од супстанци чији су молекули неполарни. Захваљујући Захваљујући великој великој поларности поларности својих својих молекула, молекула, водавода добро добро раствара раствара многе многе B B Вода јеинеобично важна супстанца, чији су молекули изразито поларни. чврсте, чврсте, течне течне гасовите и гасовите супстанце. супстанце. Слика Слика II-26. II-26. Усмереност Усмереност диполних диполних Захваљујући великој поларности својих вода добро раствара многе Утврдимо Утврдимо да ли да постоји ли постоји разлика разлика умолекула, електричној у електричној проводљивости проводљивости водених водених момената момената везавеза у молекулима у молекулима чврсте, течне и гасовите Усмереност типа АВ2АВ2диполних раствора раствора неполарних неполарних и поларних исупстанце. поларних супстанци. супстанци. У том У том циљу циљу испитаћемо испитаћемо електричну електричнуСлика II-26. типа Утврдимо да ли постоји разлика у(сахарозе), електричној проводљивости водених момената веза у молекулима Н1122,Ои11хлороводоника, , и хлороводоника, проводљивост проводљивост воденог воденог раствора раствора шећера шећера (сахарозе), С12Н С2212О типа АВ2 раствора неполарних и поларних супстанци. У том циљу испитаћемо електричну НСl, НСl, тј. хлороводоничне тј. хлороводоничне киселине. киселине. проводљивост воденог раствора шећера (сахарозе), С12Н22О11, и хлороводоника, Оглед Оглед 6 6 киселине. НСl, тј. хлороводоничне 3 а) Насути а) Насути у чашу у чашу од 100 од 100 сm3сm разблажени разблажени водени водени раствор раствор шећера. шећера. Поклопити Поклопити Оглед 6 чашу чашу пластичним пластичним поклопцем поклопцем крозкроз којикоји су провучене су провучене дведве угљене угљене електроде, електроде, а) Насути усучашу одпрекидача 100 сmи3 разблажени водени раствор шећера. Поклопити којекоје су преко преко прекидача сијалице и сијалице везане везане са извором са извором једносмерне једносмерне струје струје чашу пластичним кроз који су провучене две угљене електроде, – батеријом – батеријом од 9одVпоклопцем 9(слика V (слика II-27). II-27). које су преко прекидача везане са извором једносмерне струје Заронити Заронити електроде електроде у ираусијалице ра– батеријом од 9струју. V (слика II-27). створ створ и укључити и укључити струју. УтврУтвр-

Заронити у светли, радити дити да ли даелектроде сијалица ли сијалица светли, створ укључити струју. штошто јеииндикатор је индикатор да раствор даУтврраствор дити да електричну ли електричну сијалицаструју. светли, проводи проводи струју. што је индикатор да раствор б) Поновити б) Поновити оглед оглед са разбласа разблапроводи електричну струју. женим женим воденим воденим раствором раствором

б) Поновити оглед са разблахлороводоничне хлороводоничне киселине. киселине. женим воденим раствором Да ли Да овај ли овај раствор раствор проводи проводи хлороводоничне киселине. електричну електричну струју? струју? Да ли овај раствор проводи Објаснити Објаснити резултате резултате огледа, огледа, узимајући узимајући у обзир у обзир да да у воденим у воденим растворима растворима електричну струју? електролита електролита струју струју проводе проводе јони, јони, докдок се усе воденим у воденим растворима растворима неелектролита неелектролита

Објаснити резултате огледа, узимајући у молекула. обзир да у воденим растворима растворене растворене супстанце супстанце налазе налазе у облику у облику молекула. електролита струју проводе јони, док се у воденим растворима неелектролита растворене супстанце налазе у облику молекула. Водени Водени раствор раствор шећера, шећера, супстанце супстанце изграђене изграђене од неполарних од неполарних молекула, молекула, не не

проводи проводи струју струју (сијалица (сијалица не светли). не светли). То доказује То доказује да се дапри се при растварању растварању шећера шећера у у Водени раствор шећера, супстанце изграђене од неполарних молекула, не води води његови његови кристали кристали разграђују разграђују до молекула. до молекула. проводи струју (сијалица не светли).киселина Токиселина доказује да се при растварању шећера у Разблажена Разблажена хлороводонична хлороводонична добро добро проводи проводи електричну електричну струју, струју, води његови кристали разграђују до молекула. штошто доказује доказује да раствор да раствор садржи садржи слободне слободне јоне. јоне. ОниОни настају настају реакцијом реакцијом између између Разблажена хлороводонична поларних поларних молекула молекула хлороводоника хлороводоника икиселина воде: и воде:добро проводи електричну струју, што доказује да раствор садржи слободне јоне. Они настају реакцијом између + – НСlНСl + Н+2ОН→ ОН →3ОН+ 3+ОСl + .Сl–. 2 поларних молекула хлороводоника и воде: НСl + Н2О → Н3О+ + Сl–.

II II55 55 II

Слика II-27. Апаратура Слика II-27. Апаратура за испитивање електричне за испитивање електричне Слика II-27. Апаратура проводљивости раствора проводљивости раствора за испитивање електричне проводљивости раствора

од супстанци сличне молекулске масе чији су молекули неполарни. Ван дер Валсове силе расту са порастом масе молекула, односно укупног броја електрона. Стога супстанце веће молекулске масе имају више температуре топљења и кључања од супстанци мале молекулске масе. Слика II-28.СУПСТАНЦИ Ј. ван дер Валс СТРУКТУРА СТРУКТУРА СУПСТАНЦИ Ван дер Валсове силе делују на веома малим растојањима, када се молекули (1837–1923) скоро додирују. Порастом растојања између молекула привлачне силе нагло опадају. МЕЂУМОЛЕКУЛСКА МЕЂУМОЛЕКУЛСКА ДЕЈСТВА ДЕЈСТВА * Грчки: elektron + statоs – постављен, Водонична веза. Као увод у изучавање водоничне везе, размотрићемо стојећи, ВанВан дердер Валсове Валсове силе. силе. Експериментално Експериментално утврђено је утврђено да се да између се (слика између свих свих температуре кључања једињења елемената VIАјегрупе са водоником II-30). врста молекула молекула (како (како поларних поларних такотако и неполарних) и неполарних) јављају јављају међумолекулске међумолекулске непокретанврста Сасиле. слике II-30 се види дасу вода има ааномално*** високу температуру привлачне привлачне силе. Електростатичке* Електростатичке* природе, су природе, називају а називају се Ван се Ван дердер Валсове Валсове ** Латински: аssосiatiо – удруживање силе, силе, према према холандском научнику научнику ван Ј. ван дердер Валсу Валсу (слика (слика II-28.). кључања (100холандском °С) у односу наЈ.аналогна једињења (НII-28.). S, Н Sе и Н Те). Према 2 2 2 *** Грчки: аnómаlia – неправилност, КаоКао штошто смосмо рекли, рекли, кодкод поларних поларних молекула молекула (који (који поседују поседују трајни трајни диполни диполни својој долази молекулској маси вода привлачења. би требало даПоларни кључа на око –80се°Соријентишу (испрекидани моменат) долази до дипол-дипол до дипол-дипол привлачења. Поларни молекули молекули се оријентишу ненормалност моменат) један један према према другом својим својим супротно супротно наелектрисаним наелектрисаним крајевима, крајевима, формирајући формирајући део криве на другом слици II-31). уређену уређену структуру структуру са најнижом са најнижом енергијом енергијом (слика (слика II-29). II-29). Можемо закључити да између молекула воде делују знатно јаче привлачне Дипол-дипол Дипол-дипол привлачење привлачење изазива изазива асоцијацију** асоцијацију** молекула, молекула, стога стога суп-супстанце станце са са поларним молекулима имају имају више више температуре температуре топљења топљења и кључања иН кључања силе одполарним слабих Ванмолекулима дер Валсових сила које се јављају између молекула S, Н2Sе 2 од супстанци од супстанци сличне сличне молекулске молекулске масе масе чијичији су молекули су молекули неполарни. неполарни. и НВан Те. дер Оведер силеВалсове називају се расту водоничне везе.масемасе 2 Ван Валсове силе силе расту са порастом са порастом молекула, молекула, односно односно укупног укупног броја броја електрона. електрона. Стога Стога супстанце супстанце веће веће молекулске молекулске масе масе имају имају више температуре температуре Образовање водоничних веза између молекула Н2Овише δ– топљења топљења и кључања и кључања од супстанци од супстанци мале мале молекулске молекулске масе. масе. Слика II-28. Ј. ван дер дер ВалсВалс Слика II-28. Ј. ван тумачи се на следећи начин: два заједничка електронска пара ВанВан дердер Валсове Валсове силесиле делују делују на веома на веома малим малим растојањима, растојањима, кадакада се молекули се молекули (1837–1923) (1837–1923) скоро скоро додирују. додирују. Порастом растојања растојања између између молекула молекула привлачне привлачне силесиле нагло нагло опадају. опадају. у молекулу НПорастом О знатно су померена ка електронегативнијем 2 O Слика II-29. Могуће оријентације * Грчки: * Грчки: elektron elektron + statоs + statоs – постављен, – постављен, Водонична Водонична веза. веза. КаоКао увод увод у изучавање у изучавање водоничне водоничне везе, везе, размотрићемо размотрићемо атому кисеоника. Услед тога,елемената молекул воде представља по- (слика стојећи, стојећи, температуре температуре кључања кључања једињења једињења елемената VIАVIА групе групе са водоником са водоником (слика II-30). II-30). диполних молекула непокретан непокретан 10428’ Са Са слике слике II-30 II-30 се види се види да вода да вода имапозитивног има аномално*** аномално*** високу високу температуру температуру ларни молекул, са центром делимично наелек** Латински: ** Латински: аssосiatiо аssосiatiо – удруживање – удруживање кључања кључања (100(100 °С)°С) у односу у односу на аналогна на аналогна једињења једињења (Н S, (Н НS,Sе Н иSеНиHТе). Н Те). Према Према H трисања између атома водоника и центром делимично нега*** *** Грчки: Грчки: аnómаlia аnómаlia – неправилност, – неправилност, својој својој молекулској молекулској маси маси водавода би требало би требало да кључа да кључа на око на око –80–80 °С (испрекидани °С (испрекидани ненормалност ненормалност δ+ стварна температура деодео криве криве нанаелектрисања слици на слици II-31). II-31).између слободних електронских тивног 100 Можемо Можемо закључити закључити да између да између молекула молекула водеводе делују делују знатно знатно јачејаче привлачне привлачне кључања парова на атому кисеоника: силе силе од слабих од слабих ВанВан дердер Валсових Валсових сила сила којекоје се јављају се јављају између између молекула молекула Н S,ННS,Sе Н Sе и НиТе. Н Те. Ове Ове силе силе називају називају се водоничне се водоничне везе. везе. атоми водоника (које можемо Делимично позитивно наелектрисани Образовање Образовање водоничних водоничних везавеза између између молекула молекула Н ОН О сматрати као „огољене” протоне) изванредно су малих димензија иδ у омотачу δ тумачи тумачи се на сеследећи на следећи начин: начин: двадва заједничка заједничка електронска електронска пара пара у молекулу унемају молекулу Н ОНзнатно О знатно су померена су померена ка електронегативнијем ка електрона. Захваљујући томе, ониелектронегативнијем јако привлаче негативно наелектрисане O O Слика II-29. Могуће оријентације Слика II-29. Могуће оријентације атому атому кисеоника. кисеоника. Услед Услед тога, тога, молекул молекул водеводе представља представља по- подиполних молекула диполних молекула крајеве два суседна молекула воде и везују се за слободне електронске парове ларни ларни молекул, молекул, са центром са центром делимично делимично позитивног позитивног наелекнаелек0 H H Hатома, H трисања трисања између између атома атома водоника водоника и центром и центром делимично делимично неганега-водоникових на атомима кисеоника. Оваква веза, настала посредством δ δ стварна стварна температура температура тивног тивног наелектрисања наелектрисања између између слободних слободних електронских електронских назива се водонична веза. кључања кључања парова парова на атому на атому кисеоника: кисеоника: Делимично Делимично позитивно позитивно наелектрисани атоми атоми водоника (које (које можемо можемо У течној води постојенаелектрисани дуги ланци изграђени одводоника више молекула Н2О, као и –50 сматрати сматрати каокао „огољене” „огољене” протоне) протоне) изванредно изванредно су малих су малих димензија димензија и у иомотачу у омотачу сложеније структуре, у којиматоме, атом кисеоника за успостављање водоничних веза немају немају електрона. електрона. Захваљујући Захваљујући томе, ониони јакојако привлаче привлаче негативно негативно наелектрисане наелектрисане oчекивана темп. крајеве крајеве два суседна суседна молекула молекула воде и везују и оба везују се за се слободне за слободне електронске електронске парове парове са двадвасуседна молекула водеводе ангажује слободна електронска пара (слика II-31). кључања воде на атомима на атомима кисеоника. кисеоника. Оваква Оваква веза, веза, настала настала посредством посредством водоникових водоникових атома, атома, –100 На слици II-31 водоничне везе су приказане испрекиданим линијама. HO HS H Sе H Tе назива назива се водонична се водонична веза. веза. као О, као и од и У течној У течној води води постоје постоје дугидуги ланци изграђени изграђени од више од више молекула молекула Н О, Н Опстанак живих бића на ланци нашој планети у извесној мери зависи сложеније сложеније структуре, структуре, у којима у којима атом атом кисеоника кисеоника за успостављање за успостављање водоничних водоничних веза веза Сликаoчекивана II-30. Температуре кључања водоничних веза. Наиме, вода би на обичној температури била у гасовитом oчекивана темп.темп. са два са два суседна суседна молекула молекула водеводе ангажује ангажује обаоба слободна слободна електронска електронска парапара (слика (слика II-31). II-31). кључања кључања воде воде једињења елемената VIA групе са стању На слици На II-31 II-31 водоничне водоничне везеповезани везе су приказане су приказане испрекиданим испрекиданим да слици њени молекули нису водоничним везама.линијама. Толинијама. значи да на Опстанак Опстанак живих живих бића бића на на нашој нашој планети планети у извесној у извесној мери мери зависи зависи од од водоником Земљи невеза. би веза. било течне воде, која омогућује опстанак живих бића. Слика II-30. Температуре кључања Слика II-30. Температуре кључањаводоничних водоничних Наиме, Наиме, водавода би би на на обичној обичној температури температури била била у гасовитом у гасовитом температура кључања температура (◦С) кључања (◦С)

2 2

–

10428’ 10428’ +

температура кључања (◦С)

100 100

–50 –50

–100 –100 H2O H2O H2S H2S H2Sе H2Sе H2Tе H2Tе

једињења елемената VIAVIA групе са са стању једињења елемената групе стању да њени да њени молекули молекули нису нису повезани повезани водоничним водоничним везама. везама. То То значи значи да на да на водоником водоником Земљи Земљи не би не било би било течне течне воде, воде, којакоја омогућује омогућује опстанак опстанак живих живих бића. бића.

56 56II II

56 II

од дипол-дипол привлачења. Разлика је у томе што водоников атом, који је веома малих димензија, дубоко продире у електронски омотач других атома, те је привлачење знатно јаче од дипол-дипол привлачења. Водонична веза је знатно слабија од јонске и ковалентне везе, али је ипак довољно јака да изазовеСТРУКТУРА СТРУКТУРА СУПСТАНЦИ СУПСТАНЦИ асоцијацију (повезивање) молекула. Последица је знатно повишење температура топљења иУкључања таквих супстанци. У кристалима кристалима ледаледа сваки сваки молекул молекул водеводе повезан повезан је водоничним је водоничним везама везама

са четири са четири суседна суседна молекула. молекула. Због Због присуства присуства водоничних водоничних везавеза ледлед имаима веома веома растреситу растреситу структуру, структуру, те јетемање је мање густине густине и плива и плива по површини. по површини. Када Када би лед би лед имао имао већувећу густину густину од воде, од воде, тонуо тонуо би на би дно, на дно, штошто би довело би довело до потпуног до потпуног замрзавања замрзавања река, река, језера језера и мора и мора и угинућа и угинућа живих живих организама организама у води. у води. 1. Који сеВодонична електрони у се атому називају валентним електронима? Водонична везавеза успоставља се успоставља и између и између других других молекула молекула у којима у којима је је атом атом водоника водоника непосредно непосредно везан везан за атом за атом велике велике електронегативности електронегативности (нпр. (нпр. атом 2.флуора Прикажите Луисовим симболима образовање ковалентних веза између атом флуора илиили азота). азота). одговарајућих атома молекулима: Водонична Водонична веза веза је увеома је веома значајна значајна за живе за живе организме, организме, пошто пошто омогућава омогућава формирање формирање одређених одређених молекулских молекулских структура структура кодкод неких неких биолошки биолошки важних важних а) F2, б) NH3, в) НF. једињења једињења (нпр. (нпр. беланчевина беланчевина и нуклеинских и нуклеинских киселина). киселина). Можемо Можемо закључити закључити да се даводоничне сеобразовање водоничне везевезе по свом по свом карактеру карактеру не разликују не разликују 3. Како квантна механика тумачи ковалентне везе? од од дипол-дипол дипол-дипол привлачења. привлачења. Разлика Разлика је ујетоме у томе штошто водоников водоников атом, атом, којикоји је је 4.веома Прикажите схематски образовање молекула F2 и НF прекривањем веома малих малих димензија, димензија, дубоко дубоко продире продире у електронски у електронски омотач омотач других других атома, атома, орбитала. те је теодговарајућих привлачење је привлачење знатно знатно јачејаче од дипол-дипол од дипол-дипол привлачења. привлачења. Водонична Водонична везавеза је је знатно знатно слабија слабија од јонске од јонске и ковалентне и ковалентне везе, везе, алиали је ипак је ипак довољно довољно јакајака да изазове да изазове -веза? 5.асоцијацију Како настаје σ, а какомолекула. асоцијацију (повезивање) (повезивање) молекула. Последица Последица је знатно је знатно повишење повишење температура температура топљења топљења и кључања и кључања таквих таквих супстанци. супстанци. 6. Заокружите парове орбитала које прекривањем формирају σ-везу између

Питања и задаци

атома: Питања Питања ии задаци задаци б) р – р в) р – р г) s – s,електронима? д) рх – рх. а)сеsелектрони – релектрони 1. Који 1. Који се у атому у атому називају називају валентним валентним електронима? z’ z z’ у у’ симболима образовање ковалентних између 2. Прикажите 2. Прикажите Луисовим Луисовим симболима образовање ковалентних везавеза између 7. одговарајућих Дефинишите појам електронегативности елемената. одговарајућих атома у молекулима: атома у молекулима: , F б) , електронегативност NH б) NH , в) , НF. в) НF. 8. Какоа)сеFа)мења елемената у периодама односно 3. Како 3. Како квантна квантна механика механика тумачи тумачи образовање образовање ковалентне ковалентне везе? везе? групама периодног система? и НF прекривањем прекривањем 4. Прикажите 4. Прикажите схематски схематски образовање образовање молекула молекула F иFНF одговарајућих орбитала. орбитала. 9. одговарајућих Поређајте молекуле HF, HI, BrCl, HCl и HBr према порасту њихове 5. Како 5. Како настаје настаје σ, аσ,како а како π-веза? π-веза? поларности. 6. Заокружите 6. Заокружите парове парове орбитала орбитала којекоје прекривањем прекривањем формирају формирају σ-везу σ-везу између између 10.атома: Утврдите атома: који су од наведених молекула неполарни, а који поларни: s – s, д) рд)– рр –. р . а) sа) – sр – р б) рб)–рр – р в) рв)– рр – р г) s г) IВr. СО2, О2, NH3, НВr, Н2–, s, 7. Дефинишите 7. Дефинишите појам појам електронегативности електронегативности елемената. елемената. 11. Израчунајте диполни моменат молекула НСN,у периодама ако је растојање између 8. Како 8. Како се мења се мења електронегативност електронегативност елемената елемената у периодама односно односно групама групама периодног периодног система? система? центара позитивног и негативног наелектрисања у овом молекулу 9. Поређајте 9. Поређајте молекуле молекуле HF, HF, HI, BrCl, HI, BrCl, HClHCl и HBr и HBr према према порасту порасту њихове њихове 0,6поларности. · 10-11 m поларности. 10. 10. Утврдите Утврдите који су од су-30наведених од наведених молекула молекула неполарни, неполарни, а који а који поларни: поларни: (Одговор: 0,96који · 10 Сm) ,О,О NH, NH , НВr, , НВr, Н,Н IВr., IВr. СО СО 12. Израчунајте Објасните надиполни једном примеру начин образовања водоничне везе. 11. 11. Израчунајте диполни моменат моменат молекула молекула НСN, НСN, акоако је растојање је растојање између између центара центара позитивног позитивног и негативног и негативног наелектрисања наелектрисања у овом у овом молекулу молекулу 13. Које ће-једињење имати вишу температуру кључања: 0,6 0,6 · 10· 10m- m или NН3, в) Н2S или Н2О? а) НF или НСl, б)- РН (Одговор: (Одговор: 0,96 0,96 · 10·- 10Сm) Сm) 3 12. 12. Објасните Објасните на једном на једном примеру примеру начин начин образовања образовања водоничне водоничне везе. везе. Образложите одговор. 2

z’

zz’

z’

уу’

у’

2 3

хх

Слика Слика II-31. II-31. Водоничне Водоничне везевезе између између молекула молекула водеводе

13. 13. КојеКоје ће једињење ће једињење имати имати вишу вишу температуру температуру кључања: кључања: или или NН NН , , в) Н в) S Нили S или Н2О? Н2О? а) НF а) НF илиили НСl,НСl, б) РН б) 3РН 3 3 3 2 2 Образложите Образложите одговор. одговор.

II II57 57

II 57

множимо Авогадровом константом (6,02 · 1023 mol–1), добићемо моларни афинитет према електрону датог елемента, који изражавамо у kJ/mol. У табели 10 наведене су упоредне вредности афинитета према електрону СТРУКТУРА СТРУКТУРА СУПСТАНЦИ СУПСТАНЦИ халогених елемената. АФИНИТЕТ АФИНИТЕТ ПРЕМА ПРЕМА ЕЛЕКТРОНУ ЕЛЕКТРОНУ

Табела 10.но Афинитет премаизучавање електрону халогених елемената ПреПре но штошто почнемо почнемо изучавање јонске јонске везе, везе, треба треба да да упознамо упознамо двадва

важна важна својства својства хемијских хемијских елемената елемената – афинитет* – афинитет* према према електрону електрону и енергију и енергију

* Латински: * Латински: аffinitаs аffinitаs – сродност, – сродност, блискост блискост јонизације. јонизације. То су Топериодично су периодично променљива променљива својства својства елемената, елемената, којакоја карактеришу карактеришу

Моларни афинитет према електрону (kJ/ mol) * аЈ (атоџул) = 10 Ј флуор 9 0,55 331 Х (g)Х –(g) атом – атом елемента елемента у гасовитом у гасовитом Х (g) Х + (g) е + → е Х → (g). Х (g). стању стању хлор 17 0,58 349 негативни – негативни јон тог јон тог елемента елемента Х (g) Х –(g) Афинитет Афинитет према према електрону електрону одређује одређује се се посредним, посредним, доста доста сложеним сложеним бромЗбогЗбог 35експерименталних 0,54тешкоћа, поступцима. поступцима. великих великих експерименталних тешкоћа, поуздано поуздано су325 утврђени су утврђени афинитети афинитети према према електрону електрону само само мањег мањег броја броја елемената. елемената. јод договору, 53 вредности 0,49 према 295 По По договору, бројчане бројчане вредности афинитета афинитета према електрону електрону елемената, елемената, способност способност њихових њихових атома атома да везују да везују илиили отпуштају отпуштају електроне електроне припри образовању образовању јонске јонске везе. везе. Афинитет Афинитет према према електрону електрону (Еа)(Ејеа) енергија је енергија којакоја се ослобађа се ослобађа (или (или троши) троши) припри везивању везивању електрона електрона за неутрални за неутрални атом атом у гасовитом у гасовитом стању. стању. –18 Процес Процес везивања везивања електрона електрона за атом за атом неког неког елемента елемента може може се приказати се приказати следећом следећом једначином: једначином:

Хемијски елемент

Атомски број елемената

Афинитет према електрону (аЈ)* –

–

чијичији атоми атоми спонтано спонтано везују везују електроне електроне уз ослобађање уз ослобађање енергије, енергије, имају имају позитиван позитиван предзнак. предзнак. Највећи Највећи афинитет афинитет према према електрону електрону имају имају елементи елементи VIIА VIIА групе групе (халогени (халогени елементи) елементи) чијим чијим атомима атомима недостаје недостаје један један електрон електрон до стабилне до стабилне конфигурације конфигурације племенитог племенитог гаса. гаса. Стога Стога ониони лаколако везују везују електрон електрон у највиши у највиши енергетски енергетски ниво, ниво, припри чему чему се ослобађа се ослобађа највећа највећа енергија. енергија. АкоАко бројчану бројчану вредност вредност афинитета афинитета према према електрону електрону једног једног атома атома по- по23 –1 –1 множимо множимо Авогадровом Авогадровом константом константом (6,02 (6,02 · 10·2310 mol mol ), добићемо ), добићемо моларни моларни афиафинитет нитет према према електрону електрону датог датог елемента, елемента, којикоји изражавамо изражавамо у kJ/mol. у kJ/mol. У табели У табели 10 наведене 10 наведене су упоредне су упоредне вредности вредности афинитета афинитета према према електрону електрону халогених халогених елемената. елемената.

Код атома земноалкалних метала, на пример, процес везивања електрона није спонтан, већ треба утрошити енергију да би они везали електроне. Стога је договорено да њихов афинитет према електрону (одређен рачунским путем) буде негативан. Афинитет магнезијума према електрону је –0,11 аЈ. Афинитет према електрону елемената уелемената периодама обично расте са поТабела Табела 10. 10. Афинитет Афинитет према према електрону електрону халогених халогених елемената Моларни Моларни афинитет афинитет растом њиховихАтомски атомских бројева, јер сепрема сапрема смањењем полупречника атома Хемијски Хемијски Атомски бројброј Афинитет Афинитет према према електрону електрону елемент елемент елемената елемената електрону електрону (аЈ)* (аЈ)* (kJ/(kJ/ mol)mol) * аЈ*(атоџул) аЈ (атоџул) = 10= 10Ј Ј повећава привлачно деловање језгра на електроне. флуор флуор 9 9 0,550,55 331331 хлор хлор 17 17 0,58 349349 У групама периодног система0,58 највећи афинитет према електрону бром бром 35 35 0,540,54 325325 јод јод 53 0,49 295295 најчешће има елемент53 који се налази на0,49почетку групе. Са порастом атомских КодКод атома атома земноалкалних земноалкалних метала, метала, на пример, на пример, процес процес везивања везивања електрона електрона нијеније спонтан, спонтан, већвећ треба треба утрошити утрошити енергију енергију дањихових би да они би они везали везали електроне. Стога бројева елемената расту полупречници атома, а електроне. афинитетСтога према је договорено је договорено да њихов да њихов афинитет афинитет према према електрону електрону (одређен (одређен рачунским рачунским путем) путем) будебуде негативан. негативан. Афинитет Афинитет магнезијума магнезијума према према електрону електрону је –0,11 је –0,11 аЈ. аЈ. електрону се смањује. Афинитет Афинитет према према електрону електрону елемената елемената у периодама у периодама обично обично расте расте са поса по–18

–18

растом растом њихових њихових атомских атомских бројева, бројева, јер јер се са се смањењем са смањењем полупречника полупречника атома атома повећава повећава привлачно привлачно деловање деловање језгра језгра на електроне. на електроне. У У групама групама периодног периодног система система највећи највећи афинитет афинитет према према електрону електрону најчешће најчешће имаима елемент елемент којикоји се налази се налази на почетку на почетку групе. групе. Са Са порастом порастом атомских атомских бројева бројева елемената елемената расту расту полупречници полупречници њихових њихових атома, атома, а афинитет а афинитет према према електрону електрону се смањује. се смањује.

58 II

58 58II II

Li 0,86

Be 1,49

B 1,33

C 1,80

N 2,33

O 2,18

F 2,79

Ne 3,45

СТРУКТУРА СУПСТАНЦИ СУПСТАНЦИ Ar СТРУКТУРА Na 2,52 0,82 ЕНЕРГИЈА ЕНЕРГИЈА ЈОНИЗАЦИЈЕ ЈОНИЗАЦИЈЕ Kr K КаоКао штошто знамо, знамо, електрони електрони су чврсто су чврсто везани везани за језгро за језгро и неимогу не могу се спонтано се спонтано одвојити одвојити од атома, од атома, већвећ је зајето запотребан то потребан утрошак утрошак одређене одређене енергије. енергије. 2,24 0,69 Енергија Енергија којакоја је потребна је потребна за удаљавање за удаљавање електрона електрона из највишег из највишег енеренергетског гетског нивоа нивоа атома атома у гасовитом у гасовитом стању, стању, назива назива се енергија се енергија јонизације јонизације (Е ). Xe (Е ). RbПроцес Процес јонизације јонизације атома атома неког неког хемијског хемијског елемента елемента (Х) (Х) може може се приказати се приказати на следећи на следећи начин: начин: 1,94 0,67 Еi Еi Х (g) Х→ (g) Х→(g) Х + (g)е.+ е. Rn Cs КодКод атома атома са више са више електрона електрона познато познато је више је више енергија енергија јонизације: јонизације: прва, прва, 1,72 0,62 друга, друга, трећа трећа итд.итд. ОнеОне одговарају одговарају удаљавању удаљавању првог, првог, другог, другог, трећег трећег каокао и наредних и наредних i

електрона. електрона. Постепеним Постепеним удаљавањем удаљавањем електрона електрона из највишег из највишег енергетског енергетског нивоа нивоа ато-атома, ма, позитивно позитивно наелектрисано наелектрисано језгро језгро све све јачејаче привлачи привлачи преостале преостале електроне електроне у у насталим насталим катјонима катјонима Х+, Х+2+, ,ХХ2+3+, Х . 3+ . . .Стога . . Стога прва, прва, друга, друга, трећа трећа и наредне и наредне енергије енергије јонизације јонизације атома атома постепено постепено расту. расту. У табели У табели 11 11 наведене наведене су су прве прве енергије енергије јонизације јонизације алкалних алкалних метала метала (и водоника), (и водоника), племенитих племенитих гасова, гасова, каокао и елемената и елемената друге друге периоде. периоде.

Ако се бројчане вредности енергија јонизације, које се односе на један атом помноже Авогадровом константом, добијају се моларне енергије јонизације, којеПрве сеенергије изражавају у kJ/mоl.неких Табела Табела 11. 11. Прве енергије јонизације јонизације неких елемената елемената (изражене (изражене у аЈ)у аЈ) јониH Од H свих елемената, алкални метали имају најмање прве енергијеHe He 2,182,18 3,493,49 зације.Li LiТо значи да ониB најлакше отпуштају валентне електроне, тј. Neимају Be Be B C C N N O O F F Ne 0,860,86 1,491,49 1,331,33 1,801,80 2,332,33 2,182,18 2,792,79 3,453,45 најизраженији метални карактер. Ar Ar Na Na 2,522,52 0,820,82 Највеће вредности првих енергија јонизације имају племенити гасови. Kr Kr K K 2,242,24 0,690,69 То доказује јеXeза Rb Rb да они имају најстабилније електронске конфигурације, теXe 1,941,94 0,670,67 Rn Rn Cs Cs електрона из њихових атома потребан највећи утрошак енергије. удаљавање 1,721,72 0,620,62 Из табеле 11 се такође види даенергија прве енергије јонизације елемената исте АкоАко се бројчане се бројчане вредности вредности енергија јонизације, јонизације, којекоје се односе се односе на на је- један дан атом атом помноже помноже Авогадровом Авогадровом константом, константом, добијају добијају се се моларне моларне енергије енергије групе периодног система опадају са порастом њихових атомских бројева. То јонизације, јонизације, којекоје се изражавају се изражавају у kJ/mоl. у kJ/mоl. Од Од свих свих елемената, елемената, алкални алкални метали метали имају имају најмање најмање прве прве енергије енергије јонијонисезације. објашњава чињеницом данајлакше атом сваког наредног елемента уелектроне, групи има један зације. То То значи значи да да ониони најлакше отпуштају отпуштају валентне валентне електроне, тј. тј. имају имају најизраженији најизраженији метални метални карактер. карактер. Највеће Највеће вредности вредности првих првих енергија енергија јонизације јонизације имају имају племенити племенити гасови. гасови. То То доказује доказује да они да они имају имају најстабилније најстабилније електронске електронске конфигурације, конфигурације, те је те за је за удаљавање удаљавање електрона електрона из њихових из њихових атома атома потребан потребан највећи највећи утрошак утрошак енергије. енергије. Из Из табеле табеле 11 се 11 такође се такође види види да прве да прве енергије енергије јонизације јонизације елемената елемената истеисте групе групе периодног периодног система система опадају опадају са порастом са порастом њихових њихових атомских атомских бројева. бројева. То То се објашњава се објашњава чињеницом чињеницом да атом да атом сваког сваког наредног наредног елемента елемента у групи у групи имаима један један

IIII II5959 59

ЈОНСКА ВЕЗА Формирање јонске везе размотрићемо на примеру сједињавања изразитог метала – натријума са изразитим неметалом – хлором. Ако сениво растопљени натријум унесеелемента, у елемента, балон напуњен онелектрони сагорева енергетски енергетски ниво више више од атома од атома претходног претходног те су тевалентни су хлором, валентни електрони све жутим све удаљенији удаљенији од језгра од језгра којекоје их све их све слабије слабије привлачи. привлачи. пламеном, градећи белу кристалну супстанцу натријум-хлорид. При Од Од елемената елемената друге друге периоде периоде најмању најмању првупрву енергију енергију јонизације јонизације имаима ал- алреакцији се ослобађа топлотна енергија од 411 kЈелемената, по молу насталог натријумкални кални метал метал литијум. литијум. Порастом Порастом атомских атомских бројева бројева елемената, енергије енергије јонизације јонизације постепено постепено расту расту (мада (мада не сасвим правилно) правилно) до највеће до највеће вредности вредности којакоја одговара одговара -хлорида. То значи да сасвим јенепроизвод реакције стабилнији од полазних супстанци племенитом племенитом гасугасу неону. неону. То То се тумачи се тумачи на следећи на следећи начин: начин: порастом порастом атомских атомских (натријума и хлора), јер имарасте нижи садржај енергије. бројева бројева елемената елемената у периоди, у периоди, расте позитивно позитивно наелектрисање наелектрисање језгра, језгра, а смањују а смањују се полупречници се полупречници атома, атома, те језгро те језгро све све јаче јаче привлачи привлачи валентне валентне електроне, електроне, који који се се Описана реакција може се приказати следећом хемијском једначином:

СТРУКТУРА СТРУКТУРА СУПСТАНЦИ СУПСТАНЦИ

код код елемената елемената истеисте периоде периоде налазе налазе на истом на истом енергетском енергетском нивоу. нивоу. Сличне Сличне промене промене првих првих енергија енергија јонизације јонизације јављају јављају се исекод и код елемената елемената у осталим у осталим периодама. периодама.

2 Na (g) + Cl2 (g) → 2 NaCl (s)*.

* Види фусноту на стр. 71.

Да бисмо теоријскиЈОНСКА објаснили реакцију ЈОНСКА ВЕЗА ВЕЗА између натријума и хлора, подсетићемо се електронских конфигурација атома ових елемената (табела 4):

Формирање Формирање јонске јонске везевезе размотрићемо размотрићемо на примеру на примеру сједињавања сједињавања изразитог изразитог метала метала – натријума – натријума са изразитим са изразитим неметалом неметалом 2 2 6– хлором. 1 – хлором. Na се растопљени 1s унесе 2s у2pбалон 3sу балон АкоАко натријум натријум унесе напуњен напуњен хлором, хлором, он сагорева он сагорева 11се растопљени жутим жутим пламеном, пламеном, градећи градећи белубелу кристалну кристалну супстанцу супстанцу натријум-хлорид. натријум-хлорид. ПриПри 2 од 2 411 6од 2411 реакцији реакцији сеCl ослобађа се ослобађа топлотна топлотна енергија енергија kЈ5 по kЈ молу по молу насталог насталог натријумнатријум1s 2s 2p 3s 3p 17 -хлорида. -хлорида. То значи То значи да је дапроизвод је производ реакције реакције стабилнији стабилнији од полазних од полазних супстанци супстанци (натријума (натријума и хлора), и хлора), јер има јер има нижи нижи садржај садржај енергије. енергије. Када се атоми натријума и хлораследећом нађу заједно, у условима погодним Описана Описана реакција реакција може може се приказати се приказати следећом хемијском хемијском једначином: једначином:

за реакцију, атом натријума има→ малу јонизације) отпушта свој 2 Na2 (g) Na (који + (g)Cl+ (g) Cl (g) 2→NaCl 2енергију NaCl (s)*.(s)*. валентни електрон из 3s-орбитале. Отпуштени електрон прима атом хлора Да Да бисмо бисмо теоријски теоријски објаснили објаснили реакцију реакцију између између натријума натријума и хлора, и хлора, (који се одликује великимконфигурација афинитетом према електрону) у (табела полупопуњену подсетићемо подсетићемо се електронских се електронских конфигурација атома атома ових ових елемената елемената (табела 4): 4): 3р-орбиталу. Na Na 1s 2s 1s2p 2s 3s 2p 3s Отпуштањем једног електрона атом натријума прелази у позитивно Cl Cl 1s 2s 1s2p 2s 3s 2p3p 3s 3p + наелектрисани јон Nа , који у језгру садржи 11 протона, а у омотачу 10 елекКада Када се атоми се атоми натријума натријума и хлора и хлора нађунађу заједно, заједно, у условима у условима погодним погодним трона. Овај јоннатријума има стабилну електронску конфигурацију племенитог за реакцију, за реакцију, атоматом натријума (који (који има има малу малу енергију енергију јонизације) јонизације) отпушта отпушта својгаса свој валентни валентни електрон електрон из 3s-орбитале. из 3s-орбитале. Отпуштени Отпуштени електрон електрон прима прима атоматом хлора хлора неона. (који (који се одликује се одликује великим великим афинитетом афинитетом према према електрону) електрону) у полупопуњену у полупопуњену Примањем једног електрона од атома натријума, атом хлора прелази у 3р-орбиталу. 3р-орбиталу. Отпуштањем Отпуштањем једног једног електрона атом натријума натријума прелази прелази у апозитивно уу омотачу позитивно негативно наелектрисани јонелектрона Сl–, којиатом у језгру садржи 17 протона, 18 наелектрисани наелектрисани јон јон Nа Nа , који , који у језгру у језгру садржи садржи 11 протона, 11 протона, а у аомотачу у омотачу 10 елек10 елекелектрона. Овај јон имастабилну стабилну електронску конфигурацију аргона. трона. трона. ОвајОвај јон јон има има стабилну електронску електронску конфигурацију конфигурацију племенитог племенитог гасагаса

* Види * Види фусноту фусноту на стр. на стр. 71. 71.

неона. неона. – Na + једног Clелектрона Na+натријума, +натријума, Clатом Примањем Примањем једног електрона од атома од атома атом хлора хлора прелази прелази у у – негативно негативно наелектрисани наелектрисани јон јон Сl–,Сl који , који у језгру у језгру садржи садржи 17 протона, 17 протона, а у омотачу а у омотачу 18 18 1 јон 2 стабилну 5 електронску 6 конфигурацију 6 аргона. електрона. електрона. јон има аргона. 1s22s2Овај 2p63sОвај 1s2има 2sстабилну 2p63s23pелектронску [1s22s22pконфигурацију ][1s22s22p63s23p ] Na Na

+ +

Cl Cl

Ne++ + Cl– Ar Na+Na Cl–

2 62 16 2 62 26 52 2 62 2 62 26 62 1s22s 1s22p 2s 3s 2p 3s1 1s22s 1s22p 2s 3s 2p3p 3s 3p5 [1s2[1s 2s22p 2s ]2p [1s6]2[1s 2s22p 2s 3s 2p3p 3s ]3p6] Ne Ne Ar Ar

60 60II II

60 II

представља „џиновски молекул” изграђен од огромног броја јона Nа+ и Сl–. Јонски молекули NаСl постоје на високој температури – у парама кухињске соли. Типична јонска једињења граде елементи прве и друге групе периодног система (изразити метали) при реакцији са елементима шесте и седме групеСТРУКТУРА СТРУКТУРА СУПСТАНЦИ СУПСТАНЦИ (изразитим неметалима). Међутим, правило октета у овом случају не треба схватити као „тежњу“ атома елемената I иелектростатичким II групе периодногсилама система да(Кулоновим отпусте Јони Јони Nа Nа и Сlи Сl привлаче привлаче се јаким се јаким електростатичким силама (Кулоновим силама), силама), градећи градећи натријум-хлорид. натријум-хлорид. У насталом У насталом једињењу једињењу повезани повезани су супротно су супротно валентне електроне, односно атоманазива елемената VIвеза, и веза, VIIа једињења групе да уотпуштене наелектрисани наелектрисани јони, јони, па се па ова се ова везавеза назива јонска јонска а једињења којима у којима се се електроне вежу. Радиједињења. се заправо о енергетским ефектима: код образовања онаона јавља јавља јонска јонска једињења. Процес Процес преласка преласка електрона електрона са атома са атома натријума натријума на атом на атом хлора, хлора, схематски схематски јонске везе електростатичко привлачење између супротно наелектрисаних јона се може се може представити представити помоћу помоћу Луисових Луисових симбола симбола на следећи на следећи начин: начин: довољно јеСистем велико да премаши збирне и неутралан. афинитета Систем изграђен изграђен од јона од јона Nа Nа и ефекте Сlи Сl у целини уенергије целини је јонизације електрично је електрично неутралан. ОкоОко везаних везаних јонајона у свим у свим правцима правцима делују делују јакејаке електростатичне електростатичне привлачне привлачне силе, силе, према електрону. Другим речима, снижење енергијетоме, система условљено стога стога јонска јонска везавеза нијеније усмерене усмерене у простору. у простору. Захваљујући Захваљујући томе, сваки сваки од везаних од везаних електростатичким привлачењем јона јејона већесупротног од утрошене енергије за од јонизацију јона јона може може да привуче да привуче одређен одређен број број јона супротног знака знака (по (по 6). Сваки 6). Сваки тих од тих јонајона привлачи привлачи по 6појона 6 јона итд.итд. На тај На начин, тај начин, свисви јонијони Nа Nа и Сlи Сl међусобно међусобно се повезују се повезују атомâ метала, сУтим што се део ове енергије надокнађује у случају када јеу у јонски јонски кристал. кристал. њему У њему не постоје не постоје изоловани изоловани молекули молекули NаСl, NаСl, већвећ читав читав кристал кристал афинитет према електрону атомâ неметала позитиван (видиброја стр. 58 ијона 59). представља представља „џиновски „џиновски молекул” молекул” изграђен изграђен од од огромног огромног броја јона Nа Nа и Сl и .Сl . Јонски Јонски молекули молекули NаСl NаСl постоје постоје на високој на високој температури температури – у парама – у парама кухињске кухињске соли. соли. Према Л.јонска Паулингу, ако је граде разлика уелементи електронегативности везаних атома Типична Типична јонска једињења једињења граде елементи прве прве и друге и друге групе групе периодног периодног већасистема од 1,7, једињење има претежно јонски карактер. Уколико јешесте таиразлика мања система (изразити (изразити метали) метали) припри реакцији реакцији са елементима са елементима шесте седме и седме групе групе (изразитим (изразитим неметалима). неметалима). Међутим, Међутим, правило правило октета октета у овом у овом случају случају не не треба треба од 1,7, једињењу се приписује ковалентни карактер. схватити схватити каокао „тежњу“ „тежњу“ атома атома елемената елемената I и II I игрупе II групе периодног периодног система система да отпусте да отпусте Треба нагласитиодносно даодносно чиста (100 %)елемената јонска VIи чиста ковалентна валентне валентне електроне, електроне, атома атома елемената VI и VII и VII групе групе да отпуштене даједињења отпуштене електроне електроне вежу. вежу. Ради Ради се се заправо заправо о енергетским о енергетским ефектима: ефектима: кодкод образовања образовања представљају граничне случајеве, који сеизмеђу веома ретко срећу. Већина хемијских јонске јонске везевезе електростатичко електростатичко привлачење привлачење између супротно супротно наелектрисаних наелектрисаних јонајона једињења налази између овихзбирне крајњих случајева, са мањим или већим уделом довољно довољно јесевелико је велико да премаши да премаши збирне ефекте ефекте енергије енергије јонизације јонизације и афинитета и афинитета према према електрону. електрону. Другим Другим речима, речима, снижење снижење енергије енергије система система условљено условљено јонске везе. електростатичким електростатичким привлачењем привлачењем јонајона је веће је веће од утрошене од утрошене енергије енергије за јонизацију за јонизацију Степен јонског карактера (изражен у процентима) може израчунати атомâ атомâ метала, метала, с тим с тим штошто се део севезе део ове ове енергије енергије надокнађује надокнађује у случају усеслучају кадакада је је афинитет афинитет према према електрону електрону атомâ атомâ неметала неметала позитиван позитиван (види (види стр.стр. 58 и5859). и 59). на основу разлике у електронегативности везаних атома (табела 12). Према Према Л. Паулингу, Л. Паулингу, ако ако је разлика је разлика у електронегативности у електронегативности везаних везаних атома атома +

–

+ –

–

већавећа од 1,7, од 1,7, једињење једињење имаима претежно претежно јонски јонски карактер. карактер. Уколико Уколико је тајеразлика та разлика мања мања Табела 12. Зависност степена од 1,7, од 1,7, једињењу једињењу се приписује се приписује ковалентни ковалентни карактер. карактер. Разлика у електро0,8 1,0 %) 1,4 2,2 2,6 3,0 3,2 Треба Треба нагласити нагласити да 0,4 чиста да чиста (100(100 %) јонска јонска и 1,8 чиста и чиста ковалентна ковалентна једињења једињења јонског карактера негативности (Δχ) случајеве, представљају представљају граничне граничне случајеве, којикоји се веома се веома ретко ретко срећу. срећу. Већина Већина хемијских хемијских везе од разлике у једињења једињења се налази се налази између између ових ових крајњих крајњих случајева, случајева, са мањим са мањим илиили већим већим уделом уделом Степен јонског јонске јонске везе. везе. електронегативности 4 везе 15везе 22 39 55 70 може 82 89 92 Степен Степен јонског јонског карактера (изражен (изражен у процентима) у процентима) може се израчунати се израчунати карактера везе (%)карактера везаних атома на основу на основу разлике разлике у електронегативности у електронегативности везаних везаних атома атома (табела (табела 12).12).

Табела Табела 12. 12. Зависност Зависност степена степена

: :

Елементи друге групе периодног система (земноалкални метали) при јонског јонског карактера карактера везевезе од разлике од разлике у у образовању јонске везе предају атомима неметала два валентна електрона и тако Степен Степен јонског јонског електронегативности електронегативности 4 4 15 15 22 22 39 39 55 55 70 70 82 82 89 89 92 92 карактера карактера везевезе (%)(%)племенитог гаса. За везивање отпуштених електрона постижу конфигурацију везаних везаних атома атома – 2+ – потребна су два атома халогених елемената (или један атом кисеоника), на пример: . : Елементи Елементи друге друге групе групе периодног периодног система система (земноалкални (земноалкални метали) метали) приприМg: + 2 F → [:F:] [Mg] [:F:] Разлика Разлика у електроу електро0,4 0,40,8 0,81,0 1,01,4 1,41,8 1,82,2 2,22,6 2,63,0 3,03,2 3,2 негативности негативности (Δχ)(Δχ)

: : : : : : : : : :

: : : : : : : : : : : : : :

образовању образовању јонске јонске везевезе предају предају атомима атомима неметала неметала два два валентна валентна електрона електрона и тако и тако постижу постижу конфигурацију конфигурацију племенитог племенитог гаса. гаса. За За везивање везивање отпуштених отпуштених електрона електрона 2– Ca: +. O: → [Ca]– 2+ –[:O:] . Значи да атома су формуле насталих једињења MgF и СаО. 2+ 2+ – 2атом потребна потребна су два су два атома халогених халогених елемената елемената (или(или један један атом кисеоника), кисеоника), на пример: на пример:Мg:Мg: + 2 +F2: .→ F: [:F:] → [:F:] [Mg] [Mg] [:F:][:F:]– 2+ 2+ 2– 2– Ca:Ca: + O: + O: → [Ca] → [Ca] [:O:] [:O:] . .

Значи Значи да су даформуле су формуле насталих насталих једињења једињења MgF MgF и СаО. и СаО. 2 2

II II61 61

II 61

– алуминијум-хлорида је АlСl3.

СТРУКТУРА СТРУКТУРА СУПСТАНЦИ СУПСТАНЦИ

СВОЈСТВА ЈЕДИЊЕЊА СА ЈОНСКОМ И КОВАЛЕНТНОМ ВЕЗОМ

Елементи Елементи треће треће групе групе периодног периодног система система отпуштају отпуштају тритри валентна валентна елекелектрона трона припри образовању образовању јонске јонске везе. везе. За везивање За везивање ових ових електрона електрона потребна потребна су три су три Физичкаелемената, иелемената, хемијска једињења не зависе само од типа везе која атома атома халогених халогених на својства пример: на пример: : : : :

: : : :

. .

се успоставља између јона (односно атома), већ и од низа других фактора, на – – 3+ 3+ – – :Al + 3 +.Cl: 3 .Cl: → [:Cl:] → [:Cl:] [Al] [Al] [:Cl:] [:Cl:] пример од величине:Alјона или атома, броја веза, од јачине међумолекулских – привлачних сила, типа кристалне решетке итд. [:Cl:] [:Cl:] . –.Ипак, постоје и нека карактеристична својства пореакционе којима схеме се схеме једињења са формула јонском везом разликују од КаоКао штошто се се из из реакционе види, види, формула насталог насталог једињења једињења – алуминијум-хлорида –ковалентних алуминијум-хлорида је АlСl је АlСl . . једињења. 3 3 Својства јонских једињења. Због јаког електростатичког привлачења између супротно наелектрисаних јона, јонска једињења се при обичним условима СВОЈСТВА СВОЈСТВА ЈЕДИЊЕЊА ЈЕДИЊЕЊА САСА ЈОНСКОМ ЈОНСКОМ И КОВАЛЕНТНОМ И КОВАЛЕНТНОМ налазе у чврстом, кристалном ВЕЗОМ стању и имају високе температуре топљења и ВЕЗОМ кључања. Јони у кристалима не могу слободно да се крећу, већ само осцилују* Физичка и хемијска и положаја. хемијска својства својства једињења не зависе не зависе само само од стању типа од типа везе којакоја окоФизичка равнотежних Зато једињења јонска једињења у чврстом невезе проводе се успоставља се успоставља између између јонајона (односно (односно атома), атома), већвећ и оди низа од низа других других фактора, фактора, на на електричну струју. јонајона пример пример од од величине величине илиили атома, атома, броја броја веза, веза, од од јачине јачине међумолекулских међумолекулских * Латински: оscillаtiо – њихање, привлачних привлачних сила, сила, типа типа кристалне кристалне решетке решетке итд. Ипак, Ипак, постоје нека и нека караккаракЈонска једињења се обично доброитд. растварају у постоје води.и Њихови водени теристична својства својства по по којима којима се једињења се једињења са јонском са јонском везом везом разликују разликују од од треперење теристична раствори иједињења. растопи проводе електричну струју. Наиме, под дејством поларних ковалентних ковалентних једињења. ** Латински: dissосiаrе – раздвојити, молекула воде или топлотне енергије долази до дисоцијације** јонских једињења Својства Својства јонских јонских једињења. једињења. ЗбогЗбог јаког јаког електростатичког електростатичког привлачења привлачења раставитиизмеђу између супротно супротно наелектрисаних наелектрисаних јона, јона, јонска јонска једињења једињења се при се при обичним обичним условима условима јона. – кристали се разграђују и јони ослобађају привлачног деловања других налазе налазе у чврстом, у чврстом, кристалном кристалном стању стању и имају и имају високе високе температуре температуре топљења топљења и и УЈони новије утврђено да неке јонске на пример среброкључања. кључања. Јони у кристалима увреме кристалима не могу не је могу слободно слободно да се дасупстанце, крећу, се крећу, већвећ само само осцилују* осцилују* окооко равнотежних равнотежних положаја. положаја. Зато Зато јонска јонска једињења једињења у чврстом стању стању не проводе не проводе -јодид, АgI, добро проводе електричну енергију и уначврстом собној температури. Ова електричну електричну струју. струју. појава, названа јонска суперпроводљивост, у основи се Њихови тумачи дефектима * Латински: * Латински: оscillаtiо оscillаtiо – њихање, – њихање, Јонска Јонска једињења једињења се обично се обично добро добро растварају растварају у води. у води. Њихови водени водени треперење треперење раствори (грешкама) у унутрашњој структури кристала. раствори и растопи и растопи проводе проводе електричну електричну струју. струју. Наиме, Наиме, подпод дејством дејством поларних поларних ** Латински: ** Латински: dissосiаrе dissосiаrе – раздвојити, – раздвојити, молекула молекула воде воде илиили топлотне топлотне енергије енергије долази долази до дисоцијације** доКовалентна дисоцијације** јонских јонских једињења Својства ковалентних једињења. веза је једињења усмерена у раставити раставити – кристали – кристали се разграђују се разграђују и јони и јони ослобађају ослобађају привлачног привлачног деловања деловања других других јона. јона. простору, стога молекули ковалентних супстанци имају одређену геометријску У новије У новије време време утврђено утврђено је да је неке да неке јонске јонске супстанце, супстанце, на пример на пример сребросребро-јодид, -јодид, АgI,АgI, добро проводе проводе електричну енергију енергију собној на собној температури. температури. Ова структуру. Задобро разлику оделектричну ковалентних веза којеи на суи јаке, привлачне силе Ова између појава, појава, названа названа јонска јонска суперпроводљивост, суперпроводљивост, у основи у основи се тумачи се тумачи дефектима дефектима молекула суу унутрашњој релативноструктури слабе. Зато се ковалентне супстанце при обичним (грешкама) (грешкама) у унутрашњој структури кристала. кристала. условима налазе уковалентних гасовитом или течном стању, док чврсте ковалентне супстанце Својства Својства ковалентних једињења. једињења. Ковалентна Ковалентна веза веза је усмерена је усмерена у у простору, простору, стога стога молекули молекули ковалентних ковалентних супстанци супстанци имају имају одређену одређену геометријску геометријску лако сублимишу (тј. испаравају без топљења) и имају ниске температуре структуру. структуру. За разлику За разлику од ковалентних од ковалентних везавеза којекоје су јаке, су јаке, привлачне привлачне силесиле између између топљења кључања. Структурне јединице ковалентних кристала суобичним молекули, молекула молекула су ису релативно релативно слабе. слабе. ЗатоЗато се се ковалентне ковалентне супстанце супстанце припри обичним условима условима налазе налазе у гасовитом упривлачним гасовитом илиили течном течном стању, стању, докдок чврсте чврсте ковалентне ковалентне супстанце супстанце повезани слабим силама. лаколако сублимишу сублимишу (тј. (тј. испаравају испаравају без без топљења) топљења) и имају и имају ниске ниске температуре температуре Типичне ковалентне супстанце суковалентних слабо растворљиве усуводи. Изузеци топљења топљења и кључања. и кључања. Структурне Структурне јединице јединице ковалентних кристала кристала молекули, су молекули, су, на пример, НСlпривлачним и NН3, који се веома добро растварају у води. Међутим, ови повезани повезани слабим слабим привлачним силама. силама. Типичне Типичне ковалентне ковалентне супстанце супстанце су слабо растворљиве растворљиве у води. у води. Изузеци Изузеци гасови хемијски реагују са водом. су слабо , који , који се веома се веома добро добро растварају растварају у води. у води. Међутим, Међутим, овиови су, на су, пример, на пример, НСlНСl и NН и NН 3 3 За разлику од јонских, ковалентне супстанце у течном стању веома слабо гасови гасови хемијски хемијски реагују реагују са водом. са водом. За разлику Заелектричну разлику од јонских, од струју. јонских, ковалентне ковалентне супстанце супстанце у течном у течном стању стању веома веома слабо слабо проводе проводе проводе електричну електричну струју. струју.

62 62II II

62 II

Правилан геометријски облик кристала условљен је правилним распоредом структурних јединица у простору. Честице су у кристалима распоређене на тачно одређени начин који се периодично понавља у простору, образујући тзв. кристалну решетку. Структура кристала сликовито се представља помоћу јединичне (еле-СТРУКТУРА СТРУКТУРА СУПСТАНЦИ СУПСТАНЦИ ментарне) ћелије кристалне решетке. То је основна јединица кристала која КРИСТАЛНА КРИСТАЛНА СТРУКТУРА СТРУКТУРА СУПСТАНЦИ СУПСТАНЦИ садржи најмањи могућ број структурних јединица (атома, молекула или јона). Слагањем елементарних ћелија у простору уздуж три осе, може се изградити читав кристал. Супстанце Супстанце којекоје се налазе се налазе у чврстом у чврстом агрегатном агрегатном стању стању имају имају сталан сталан облик облик и запремину. и запремину. Изграђене Изграђене су од су атома, од атома, молекула молекула или или јона јона који који су густо су густо збијени збијени У зависности од врсте структурних јединица као и природе сила које их (паковани), (паковани), те су терастојања су растојања између између њихњих веома веома мала. мала. Већина Већина чистих чистих супстанци супстанци у у повезују, разликују се правилну четири основна типа кристалних решетки: молекулске, чврстом чврстом стању стању имаима правилну структуру структуру и геометријски и геометријски облик, облик, тј. јавља тј. јавља се усе виду у виду атомске, јонске и II-32). металне кристала кристала (слика (слика II-32).(слика II-33). Правилан Правилан геометријски геометријски облик облик кристала кристала условљен условљен је правилним је правилним распораспоредом редом структурних структурних јединица јединица у простору. у простору. Честице Честице су усукристалима у кристалима распоређене распоређене на тачно тачно одређени одређени начин којикоји се периодично се периодично понавља понавља у простору, у простору, образујући образујући a)накристалну молекулска б) начин атомска в) јонска г) метална тзв.тзв. кристалну решетку. решетку. Структура Структура кристала кристала сликовито сликовито се представља се представља помоћу помоћу јединичне јединичне (еле(елементарне) ментарне) ћелије ћелије кристалне кристалне решетке. решетке. То То је основна је основна јединица јединица кристала кристала којакоја садржи садржи најмањи најмањи могућ могућ бројброј структурних структурних јединица јединица (атома, (атома, молекула молекула илиили јона). јона). Слагањем Слагањем елементарних елементарних ћелија ћелија у простору у простору уздуж уздуж тритри осе,осе, може може се изградити се изградити читав читав кристал. кристал. У зависности У зависности од врсте од врсте структурних структурних јединица јединица каокао и природе и природе сила сила којекоје их их повезују, повезују, разликују разликују се четири се четири основна основна типа типа кристалних кристалних решетки: решетки: молекулске, молекулске,Слика II-32. Кристали кварца, атомске, атомске, јонске јонске и металне и металне (слика (слика II-33). II-33). камене соли и брушеног a) молекулска a) молекулскаб) атомска б) атомска

поларни молекул

атом

в) јонска в) јонска катјон

г) метална г) метална

анјон

електрон

катјон

дијаманта

Слика II-33. Схематски приказ основних типова кристалних решетки Слика Слика II-32. II-32. Кристали Кристали кварца, кварца,

Молекулске кристалне решетке граде ковалентни молекули хемијских камене камене солисоли и брушеног и брушеног дијаманта дијаманта елемената или једињења у чврстом стању (нпр. I2, Вr2, Р4, НСl, СО2, глукоза, катјон катјон поларни катјон Слика II-33. Схематски приказ Слика II-33. Схематски приказ сахарозаполарни итд.). У кристалимаатом ових супстанци структурне јединице сукатјон молекули, атом анјон анјон основних типова кристалних основних типова кристалних молекул молекул електрон електрон повезани слабим Ван дер Валсовим силама. Стога молекулски кристали имају решетки решетки малу механичку тврдоћу и ниску температуру топљења, односно велику испарМолекулске Молекулске кристалне кристалне решетке решетке граде граде ковалентни ковалентни молекули молекули хемијских хемијских љивост. Тако наједињења пример, хлороводоник –114 °С, а чврсти елемената елемената илисе, или једињења у чврстом учврсти чврстом стању стању (нпр. (нпр. I2, топи I2,2,ВrРна Вr , Р НСl, , НСl, СО СО , глукоза, , глукоза, 24 4 2 2 сахароза сахароза итд.). итд.). У кристалима У кристалима ових ових супстанци супстанци структурне структурне јединице јединице су молекули, су молекули, угљеник(IV)-оксид (суви лед) сублимише на –78 °С. На слици II-34 приказана је повезани повезани слабим слабим ВанВан дердер Валсовим Валсовим силама. силама. Стога Стога молекулски молекулски кристали кристали имају имају елементарна ћелија кристалне решетке јода. топљења, температуру температуру топљења, односно односно велику велику испариспармалу малу механичку механичку тврдоћу тврдоћу и ниску и ниску љивост. љивост. Тако Тако се, се, на пример, на пример, чврсти чврсти хлороводоник хлороводоник топи топи на –114 на –114 °С, °С, а чврсти а чврсти угљеник(IV)-оксид угљеник(IV)-оксид (суви (суви лед)лед) сублимише сублимише на –78 на –78 °С. °С. На слици На слици II-34 II-34 приказана приказана је је Атомске кристалне решетке. Структурне јединице ових решетки су елементарна елементарна ћелија ћелија кристалне кристалне решетке решетке јода. јода.

атоми, међусобно повезани јаким ковалентним везама. Примери атомских Атомске Атомске кристалне кристалне решетке. решетке. Структурне Структурне јединице јединице ових ових решетки решетки су су Слика II-34. Елементарна ћелија кристалних решетки су решетке дијаманта и графита (алотропских модиатоми, атоми, међусобно међусобно повезани повезани јаким јаким ковалентним ковалентним везама. везама. Примери Примери атомских атомских кристалне решетке јодаћелија фикација угљеника). Слика II-34. Елементарна Слика II-34. Елементарна ћелија кристалних кристалних решетки решетки су су решетке решетке дијаманта дијаманта и графита и графита (алотропских (алотропских модимодикристалне решетке јодајода кристалне решетке

фикација фикација угљеника). угљеника).

II II63 63

II 63

Паралелни слојеви у кристалној решетки графита повезани су слабим Ван дер Валсовим силама. Како су везе између слојева слабе, они под дејством релативно слабих спољашњих сила клизе један преко другог. На овом својству СТРУКТУРА СТРУКТУРА СУПСТАНЦИ СУПСТАНЦИграфита заснива се његова примена за израду оловака и као средство за подмазивање. У кристалној У кристалној решетки решетки дијаманта дијаманта сваки сваки атом атом угљеника угљеника повезан повезан је са је са четири четири суседна суседна атома атома угљеника, угљеника, тако тако да се да они се они налазе налазе на теменима на теменима замишљеног замишљеног Између слојева налазе седати слободни електрони. Захваљујући њима графит тетраедра, тетраедра, у чијем у чијем је средишту је средишту дати атом. атом. Сваки Сваки од од оваова четири четири угљеникова угљеникова атома атома лежи лежи у средишту у средишту другог другог тетраедра тетраедра итд.итд. Значи Значи да се даусекристалној у кристалној решетки решетки добро проводи електричну струју. дијаманта дијаманта бесконачно бесконачно понавља понавља тетраедарски тетраедарски распоред распоред атома атома угљеника угљеника у у Јонске кристалне решетке. Структурне јединице ових кристалних решетпростору, простору, тј. читав тј. читав кристал кристал представља представља џиновски џиновски молекул молекул изграђен изграђен од безброј од безброј атома атома (слика (слика II-35). II-35). Слика II-36. Део кристалне ки Ковалентне су јони, међусобно повезани јаким електростатичким привлачним силама. Ковалентне везевезе између између атома атома угљеника угљеника у кристалној у кристалној решетки решетки дијамандијаманта су та су веома веома јаке,јаке, па па се дијамант се дијамант одликује одликује великом великом тврдоћом тврдоћом (то (то је најтврнајтвррешетке графита Елементарна ћелија кристалне решетке натријум-хлорида је је(преко коцка, на ђи ђи природни природни минерал). минерал). Дијамант Дијамант имаима високу високу температуру температуру топљења топљења (преко 3 500 3чијим 500 °С),°С), велику хемијску хемијску отпорност отпорност и слабу и слабу електричну електричну проводљивост. проводљивост. Сва Сва севелику теменима налазе наизменично распоређени јони натријума ијачином хлора ова ова својства својства дијаманта дијаманта условљена условљена су његовом су његовом кристалном кристалном структуром структуром и јачином и Слика Слика II-35. II-35. ДеоДео кристалне кристалне веза(слика веза између између атома атома угљеника. угљеника. решетке решетке дијаманта дијаманта II-37). Слагањем оваквих замишљених коцкица у простору могао би се Кристалну Кристалну решетку решетку дијаманта дијаманта имају: имају: силицијум, силицијум, германијум, германијум, сивасива модимодиизградити читав натријум-хлорида, фикација фикација калаја, калаја, каокристал као и цинк-сулфид, и цинк-сулфид, ZnS.ZnS. који такође има облик коцке. Према У кристалној У кристалној решетки решетки графита графита атоми атоми угљеника угљеника су међусобно су међусобно повезани повезани томе, спољашњи обликпрстенове кристала одражава његову унутрашњу структуру. у планарне у планарне шесточлане шесточлане прстенове који који чине чине слојеве слојеве (слика (слика II-36). II-36). Сваки Сваки атом атом угљеника угљеника повезан повезан је са је три са три суседна суседна атома атома јаким јаким ковалентним ковалентним везама везама са којима са којима Кристалну решетку типа натријум-хлорида имају многа неорганска заклапа заклапа угао угао од 120°. од 120°. Паралелни Паралелни слојеви слојеви у кристалној у NaI, кристалној решетки решетки графита графита повезани повезани су слабим су слабим једињења, на пример: NaBr, MgOизмеђу и између CaО. ВанВан дердер Валсовим Валсовим силама. силама. Како Како су везе су везе слојева слојева слабе, слабе, ониони подпод дејством дејством релативно релативно слабих слабих спољашњих спољашњих сила сила клизе клизе један један преко преко другог. другог. На На овом овом својству Металне кристалне решетке и метална веза. Ове кристалне својству решетке графита графита заснива заснива се се његова његова примена примена за израду за израду оловака оловака и као и као средство средство за за изграђују атоми метала, који су на одређени начин распоређени у простору. подмазивање. подмазивање. Између Између слојева слојева налазе налазе се слободни се слободни електрони. електрони. Захваљујући Захваљујући њима њима графит графит Познато је неколико типова елементарних ћелија кристалне решетке метала. добро добро проводи проводи електричну електричну струју. струју. Јонске Јонске кристалне кристалне решетке. решетке. Структурне Структурне јединице јединице ових кристалних кристалних решетрешетТако, пример, кодповезани натријума она има облик коцке,овихнапривлачним чијим се теменима и Слика Слика II-36. II-36. ДеоДео кристалне кристалне ки ки су јони, су на јони, међусобно међусобно повезани јаким јаким електростатичким електростатичким привлачним силама. силама. решетке решетке графита графита Елементарна Елементарна ћелија ћелија кристалне кристалне решетке решетке натријум-хлорида натријум-хлорида је коцка, је коцка, на на средишту налази налазе по налазе један атом натријума (слика II-38). чијим чијим се теменима се теменима наизменично наизменично распоређени распоређени јонијони натријума натријума и хлора и хлора (слика (слика II-37). II-37). Слагањем Слагањем оваквих оваквих замишљених замишљених коцкица коцкица у простору у простору могао могао се би се Структурне јединице металних кристалних решетки повезане субиједном изградити изградити читав читав кристал кристал натријум-хлорида, натријум-хлорида, који који такође такође има има облик облик коцке. коцке. Према Према Na+ томе, посебном врстом везе која сеодражава зове метална веза.унутрашњу Разликује се од јонске и томе, спољашњи спољашњи облик облик кристала кристала одражава његову његову унутрашњу структуру. структуру. Кристалну Кристалну решетку решетку типа типа натријум-хлорида натријум-хлорида имају имају многа многа неорганска неорганска ковалентне везе. УNaBr, атомима метала једињења, на пример: на пример: NaBr, NaI,NaI, MgO MgO ивалентни CaО. и CaО. електрони су доста слабо везани Cl– једињења, Металне Металне кристалне кристалне решетке решетке и метална и метална веза. ОвеОве кристалне кристалне решетке решетке иизграђују лако се атоми откидају, прикојичему атоми прелазе увеза. позитивно наелектрисане јоне. изграђују атоми метала, метала, који су на су одређени на одређени начин начин распоређени распоређени у простору. у простору. Познато Познато је неколико је неколико типова типова елементарних ћелија ћелија кристалне кристалне решетке метала. електрони сеелементарних удружују и,облик слично неком гасу,решетке крећу семетала. великом Слика II-37. Елементарна ћелија Тако,Ослобођени Тако, на пример, на пример, кодкод натријума натријума онаона имаима облик коцке, коцке, на чијим на чијим се теменима се теменима и и средишту средишту налази налази по један по један атом атом натријума натријума (слика (слика II-38). II-38). брзином у међупросторима између атома и позитивних јона у кристалној кристалне решетке натријумСтруктурне Структурне јединице јединице металних металних кристалних кристалних решетки решетки повезане повезане су једном су једном решеткиврстом (види слику II-33г). суметална добили назив „електронски гас”. посебном врстом везе везе која која се зове сеСтога зове метална веза. веза. Разликује Разликује се од се од јонске јонске иПри и -хлорида Na Na посебном +

ковалентне везе. везе. У атомима У атомима метала метала валентни валентни електрони електрони су доста су доста слабо слабо везани везани Cl– Cl– ковалентне

и лако и лако се откидају, се откидају, припри чему чему атоми атоми прелазе прелазе у позитивно у позитивно наелектрисане наелектрисане јоне. јоне. Ослобођени Ослобођени електрони електрони се удружују се удружују и, слично и, слично неком неком гасу, гасу, крећу крећу се великом се великом Слика Слика II-37. II-37. Елементарна Елементарна ћелија ћелија брзином у међупросторима у међупросторима између између атома атома и позитивних и позитивних јонајона у кристалној у кристалној кристалне кристалне решетке решетке натријумнатријум- брзином решетки решетки (види (види слику слику II-33г). II-33г). Стога Стога су добили су добили назив назив „електронски „електронски гас”. гас”. ПриПри -хлорида -хлорида

64 II

64 64II II

2. Који елементи имају већи афинитет према електрону: а) флуор или јод, б) силицијум или хлор? Образложите одговор. 3. Који елементи имају најмање прве енергије јонизације? СТРУКТУРА СТРУКТУРА СУПСТАНЦИ СУПСТАНЦИ Образложите одговор. кретању, ови електрони електрони се сударају се сударају са позитивним са позитивним јонима јонима којикоји их их везују везују и и 4.кретању, Какоу ови сеелектрично мењају прве енергије јонизације елемената исте периоде? прелазе прелазе у електрично неутралне неутралне атоме. атоме. ОвиОви их отпуштају их отпуштају прелазећи прелазећи поново поново у у јонејоне итд.итд. Описани процес процес одвија одвија се огромном се огромном брзином. брзином. Стога, Стога, кадакада говоримо говоримо Како се теОписани промене тумаче? о структурним о структурним јединицама јединицама кристалне кристалне решетке решетке метала, метала, мислимо мислимо и наи атоме на атоме и и 5.позитивне На основу података уитабели 11, израчунајте првуметала. моларну позитивне јоне, јоне, пошто пошто сенаведених исеједни и једни и други други налазе налазе у кристалу у кристалу метала. Према Према томе, томе, слободни слободни електрони електрони којикоји су заједнички су заједнички за све за све атоме, чврсто чврсто их повезују их повезују и држе и држе енергију јонизације литијума. (Одговор: 518атоме, kЈ/mol) на окупу на окупу у кристалној у кристалној решетки решетки метала. метала. Слободни Слободни електрони електрони дајудају металима металима посебна посебна својства: својства: добру добру електричну електричну и и 6. Објасните начин образовања јонске везе на примеру реакције између топлотну топлотну проводљивост, проводљивост, метални метални сјај,сјај, ковност ковност и пластичност. и пластичност. Међутим, Међутим, постоје постоје калијума иметала брома. неканека својства својства метала (нпр. (нпр. доста доста мали мали специфични специфични топлотни топлотни капацитет) капацитет) којакоја се не се могу не могу објаснити објаснити теоријом теоријом електронског електронског гаса. гаса. Стога Стога је касније је касније разрађена разрађена 7.савременија Прикажите Луисовим симболима настајање следећих јонских једињења: савременија теорија теорија металне металне везе, везе, заснована заснована на на квантној квантној механици. механици. О тој О тој Слика Слика II-38. II-38. Елементарна Елементарна ћелија ћелија теорији теорији (тзв. теорији електронских трака), трака), у овом у овом уџбенику уџбенику нећемо нећемо говорити. говорити. LiBr,(тзв. MgO и теорији Na2S.електронских кристалне кристалне решетке решетке натријума натријума Захваљујући Захваљујући правилном правилном распореду распореду структурних структурних јединица јединица у кристалним у кристалним 8.решеткама На основу података наведених у табелама 8 и 12 геометријски израчунајте проценат решеткама метала, метала, њихови њихови кристали кристали имају имају правилан правилан геометријски облик. облик. То се То се може може утврдити утврдити посматрањем посматрањем углачане углачане површине површине метала метала подпод микроскопом. микроскопом. јонског карактера везе у молекулу НСl. (Одговор: око 19%) Питања ии задаци задаци 9. Објасните значењеПитања следећих појмова: а) структурна јединица, 1. Дефинишите 1. Дефинишите појам појам афинитета афинитета према према електрону. електрону. б)2.кристална решетка, в)афинитет елементарна ћелија. 2. Који Који елементи елементи имају имају већи већи афинитет према према електрону: електрону: а) флуор а) флуор илиили јод,јод, б) силицијум б) силицијум илиили хлор? хлор? 10.Образложите Зашто супстанце са молекулском кристалном решетком имају ниске Образложите одговор. одговор. јонизације? 3. Који 3. Који елементи елементи имају имају најмање најмање прве прве енергије енергије јонизације? температуре топљења? Образложите одговор. Образложите одговор. 4. Како се мењају прве енергије јонизације елемената периоде? 4. Како се прве енергије јонизације елемената истеисте периоде? 11.Како Како семењају тумачи висока температура топљења и велика тврдоћа Како сепромене те промене тумаче? се те тумаче? 5. На основу наведених у табели израчунајте прву моларну 5. На основу података наведених у табели 11, 11, израчунајте прву моларну супстанци саподатака атомском кристалном решетком? енергију јонизације литијума. (Одговор: kЈ/mol) енергију јонизације литијума. (Одговор: 518518 kЈ/mol) 12.Објасните Зашто јонска једињења имајујонске релативно високе температуре топљења 6. Објасните начин образовања јонске на примеру реакције између 6. начин образовања везевезе на примеру реакције између калијума и брома. калијума и брома. и кључања? 7. Прикажите Луисовим симболима настајање следећих јонских једињења: 7. Прикажите Луисовим симболима настајање следећих јонских једињења: S. S. MgO и Na LiBr,LiBr, MgO и Na 13. 8.Објасните начин формирања металне везе8 ии 8структуру металних 8. На основу На основу података података наведених наведених у табелама у табелама 12и израчунајте 12 израчунајте проценат проценат јонског јонског карактера карактера везевезе у молекулу у молекулу НСl.НСl. (Одговор: (Одговор: окооко 19%) 19%) кристалних решетки. 9. Објасните 9. Објасните значење значење следећих следећих појмова: појмова: а) структурна а) структурна јединица, јединица, б)основу кристална решетка, решетка, в) елементарна в) елементарна ћелија. ћелија. 14.б)Накристална типа кристалне решетке и природе сила које повезују њихове 10. 10. Зашто Зашто супстанце супстанце са молекулском са молекулском кристалном кристалном решетком решетком имају имају ниске ниске структурне јединице, процените које супстанце имају вишу температуру температуре температуре топљења? топљења? 11. 11. Како Како се тумачи се тумачи висока висока температура температура топљења топљења и велика и велика тврдоћа тврдоћа топљења: супстанци супстанци са атомском са атомском кристалном кристалном решетком? решетком? 12. 12. Зашто јонска јонска једињења једињења имају имају релативно релативно високе а)Зашто шећер или кухињска со, б) графит иливисоке јод,температуре в)температуре нафталинтопљења илитопљења цинк. и кључања? и кључања? 13.Образложите 13. Објасните Објасните начин начин формирања формирања металне металне везевезе и структуру и структуру металних металних одговор. кристалних кристалних решетки. решетки. 2

14. 14. На основу На основу типа типа кристалне кристалне решетке решетке и природе и природе сила сила којекоје повезују повезују њихове њихове структурне структурне јединице, јединице, процените процените којекоје супстанце супстанце имају имају вишу вишу температуру температуру топљења: топљења: а) шећер а) шећер илиили кухињска кухињска со, со, б) графит б) графит илиили јод,јод, в) нафталин в) нафталин илиили цинк. цинк. Образложите Образложите одговор. одговор.

II 65

II II65 65

III

ХЕМИЈСКE . РEAKЦИJE КРЕТАЊЕ ЧЕСТИЦА КАО УСЛОВ ЗА ХЕМИЈСКИ ПРОЦЕС

При хемијским реакцијама настају нове супстанце које се по свом хемијском саставу и својствима разликују од полазних супстанци (реактаната). Изучавање законитости протицања хемијских реакција један је од основних задатака хемије. Рекли смо да су све супстанце изграђене од атома који су повезани на различите начине. Већина супстанци у гасовитом стању састоји се од молекула. Они поседују релативно високу кинетичку енергију која им омогућава да се крећу великом брзином и међусобно сударају. Ако се у затвореном суду налазе гасовите супстанце које хемијски могу да реагују, процес у суду се тумачи на следећи начин: при сударима молекула реактаната раскидају се везе између атома, а ослобођени атоми се повезују у другим комбинацијама, градећи нове молекуле. Касније ћемо видети да судари између молекула реактаната нису увек успешни, тј. не доводе до реакције. Да би судар био успешан, молекули морају поседовати одређену енергију која се назива енергија активације. При сударима молекула могу непосредно настати реакциони производи, када говоримо о простом механизму реакције. Чешћи је случај да се најпре стварају међупроизводи, који низом узастопних трансформација граде крајње производе реакције.

КЛАСИФИКАЦИЈА ХЕМИЈСКИХ РЕАКЦИЈА Данас је познат огроман број хемијских реакција које имају различите карактеристике, те се класификују на различите начине. Као основа за класификацију може се нпр. узети: број полазних и крајњих супстанци, брзина реакција, њихови енергетски ефекти, ток итд. У овом поглављу упознаћемо савремену класификацију неорганских хемијских реакција, према којој се оне могу поделити на две велике групе зависно од тога да ли су праћене преласком електрона са једне честице на другу и променом оксидационих бројева елемената или не. Прва група реакција, које се зову оксидо-редукционе реакције, има велики значај у неким гранама хемије (нпр. у аналитичкој хемији), стога ћемо им посветити пето поглавље овог уџбеника. Свака од ових двеју основних група реакција дели се на три подгрупе и то: реакције анализе, синтезе и замене (или размене). Наведена класификација прегледно се може приказати овако:

III

ХЕМИЈСКE РЕАКЦИЈЕ

Тип хемијске реакције

Реакције праћене променом оксидационих бројева елемената (оксидо-редукционе реакције)

Реакције без промене оксидационих бројева елемената примери

Анализа Синтеза Замена (супституција) Размена

Анализа – хемијска реакција разлагања сложених супстанци на две или више нових, простијих супстанци. Заједничко обележје реакција анализе је да у њима учествује један реактант (који је увек неко једињење), а настају два, три или више производа реакције (елемената, једињења или њихових комбинација). Синтеза – хемијска реакција сједињавања две или више простијих супстанци у нову, сложенију супстанцу. Синтеза је по свом карактеру супротна анализи. Заједничко обележје реакција синтезе је да у њима учествује два или више реактаната (елемената, једињења или њихових комбинација) и најчешће настаје један реакциони производ (хемијско једињење). Замена (супституција) – хемијска реакција замене атома или атомских група у молекулима реактаната другим атомима или атомским групама. Заједничко обележје реакција замене је да је број реактаната једнак броју производа реакције и да у тим реакцијама долази до промене оксидационих бројева елемената, тј. оне спадају у оксидоредукције. Реакције замене се обично одвијају у воденим растворима, и по својој суштини представљају јонске реакције. Тако се нпр. реакција

може приказати у јонском облику:

Размена – хемијска реакција размене атома или атомских група између молекула реактаната. При реакцијама размене оксидациони бројеви елемената се не мењају, а број реактаната једнак је броју производа реакције.

III

ХЕМИЈСКE РЕАКЦИЈЕ Познат је велики број реакција између раствора електролита које се формално могу уврстити у размену, док по својој суштини спадају у јонске реакције. На пример:

односно При везивању супротно наелектрисаних јона који се налазе у растворима реактаната настају слабо дисосовани молекули (нпр. Н2О), или супстанце које се издвајају из раствора у виду талога (АgСl у претходном примеру) или гаса. Протолитичке реакције, које су праћене преласком протона са једног H+ молекула или јона на други нпр. HCl + Н2О Сl– + Н3О+ такође се формално могу уврстити у реакције размене, с обзиром да се састоје у размени протона, при чему не долази до промене оксидационих бројева елемената (види стр. 98–99). Треба напоменути да због огромног броја познатих хемијских реакција и њихове разноврсности није створена универзална класификација, којом би биле обухваћене све познате неорганске реакције.



ЕНЕРГЕТСКЕ ПРОМЕНЕ ПРИ ХЕМИЈСКИМ РЕАКЦИЈАМА Свака хемијска промена праћена је променом енергетског стања реакционог система. Од више облика енергије (нпр. светлосне, топлотне и електричне), у хемији се обично изучавају промене топлотне енергије система при хемијским реакцијама. Грана хемије која се бави овим проучавањима зове се термохемија∗. Практичан значај термохемије је веома велики, пошто се највећи део енергетских потреба човечанства подмирује енергијом добијеном при хемијским процесима сагоревања угља, нафте, дрвета итд. Зависно од топлотних ефеката, хемијске реакције се деле на егзотермне∗∗ и ендотермне∗∗∗. Прве су праћене ослобађањем, а друге везивањем топлотне енергије. Тако се, на пример, при реакцији између водоника и кисеоника ослобађа 241,8 kJ топлоте по молу настале водене паре. Поставља се питање одакле потиче ова топлота. Реактанти – водоник и кисеоник су пре ступања у реакцију поседовали одређену количину топлоте везане у облику хемијске енергије. Један део ове „ускладиштене” енергије се при реакцији ослободио у виду топлоте. Настали производ реакције (водена пара) такође поседује одређену енергију, која је мања од енергије реактаната за количину топлоте ослобођене при реакцији. Свака супстанца, сваки реакциони систем садржи одређену количину топлоте везане у облику хемијске енергије. Топлотни садржај супстанци назива се енталпија (Н).∗∗∗∗

III

* Грчки: thérmé – топлота ** Грчки: éxé – споља, изван + thérmé – топлота *** Грчки: éndon – унутра + thérmé – топлота **** Грчки: éntálpеin – грејати унутра

ХЕМИЈСКE РЕАКЦИЈЕ Апсолутна вредност енталпије система пре и после реакције није позната. Међутим, то није ни потребно, пошто је за изражавање топлотног ефекта хемијске реакције довољно познавати промену енталпије система, ΔrΗ, а не њене апсолутне вредности. Промена енталпије система при хемијској реакцији једнака је разлици енталпија производа реакције и реактаната: ΔrΗ = ΣΗпроизв. — ΣΗреакт.

(14)

Промена енталпије система, ΔrΗ, практично се одређује мерењем количине топлоте која се ослобађа или везује при реакцији у отвореном суду (тј. на сталном притиску). Топлотни ефекат хемијске реакције на сталном притиску Qp, једнак је промени енталпије реакционог система, ΔrΗ: Qp = ΔrΗ.

(15)

Промена енталпије система при хемијској реакцији назива се реакциона топлота (или енталпија реакције). Из изложеног следи да је то она количина топлоте која се ослобађа или везује при хемијској реакцији на сталном притиску. Реакциона топлота се изражава у џулима или килоџулима по молу неког од производа реакције, тј. представља моларну реакциону топлоту. Међутим, реч „моларна” се ради поједностављења најчешће изоставља. Топлотни ефекти хемијских реакција између гасовитих супстанци зависе од притиска, стога је договорено да се изражавају при стандардном притиску од 101,3 kРа. Реакциона топлота сведена на стандардни притисак означава се са Δ rΗ Θ. Како реакциона топлота зависи и од температуре, поред ознаке ΔrΗΘ треба ставити и температуру на којој се реакција изводи, на пример: ΔrΗΘ (298 К). С обзиром да су све вредности енталпија наведене у овом уџбенику прерачунате на температуру од 298 К (25 °С), нећемо уз сваку вредност ΔrΗΘ писати 298 К. Ради поједностављења, изоставићемо и симбол Θ. Пошто се при егзотермним реакцијама топлота ослобађа, производи реакције имају мању енталпију од реактаната: ΣΗпроизв. < ΣΗреакт.,

(16)

односно промена енталпије система је мања од нуле (слика ΙΙΙ-1). Зато се испред бројчане вредности топлотног ефекта егзотермних реакција ставља предзнак минус, на пример:

Н Н реакт.

Н2 (g) + 1/2 O2 (g) → Н2О (g);

ΔН<O

ΔrΗ = –241,8 kЈ/mоl.

Н произв.

реакциона коoрдината (показује смер реакције)

Слика ΙΙΙ-1. Промена енталпије система при егзотермној реакцији

При ендотермним реакцијама топлота се везује, па производи реакције имају већу енталпију од реактаната: (17) ΣΗпроизв. > ΣΗреакт. односно промена енталпије система је већа од нуле (слика ΙΙΙ-2).

III

ХЕМИЈСКE РЕАКЦИЈЕ Стога се испред бројчане вредности топлотног ефекта ендотермних реакција ставља предзнак плус, на пример:

Н Н произв.

1/2 N2 (g) + O2 (g) → NO2 (g);

ΔН>O

ΔrH = +33,9 kJ/mol.

Н реакт.

Хемијске једначине у којима су приказани и топлотни ефекти хемијских реакција, називају се термохемијске једначине. У овим једначинама мора се реакциона коoрдината навести агрегатно стање реактаната и производа реакције∗, пошто и од њега Слика III-2. Промена енталпије зависи топлотни ефекат реакције. система при ендотермној За експериментално одређивање топлотних ефеката хемијских реакција реакцији користи се апарат који се зове калориметар. Топлотни ефекти неких реакција (нпр. реакције неутрализације) приближно се могу одредити и у знатно једноставнијој апаратури (оглед 7). * Међународно су усвојени следећи

Оглед 7 Измерити на ваги суву ерленмајерову тиквицу од 250 сm3 са брушеним чепом. Забележити масу тиквице. Одмерити мензуром 100 сm3 раствора хлороводоничне киселине концентрације 1 mol/dm3 и сипати га у тиквицу. Затим одмерити 100 сm3 раствора натријум-хидроксида исте концентрације и насути га у чашу од 250 сm3. Сачекати неколико минута да се температуре раствора изједначе, а затим их измерити помоћу термометра. Пренети раствор NаОН из чаше у ерленмајерову тиквицу са раствором НСl. Зачепити тиквицу, кружним покретима измешати растворе и одредити температуру насталог производа реакције. При израчунавању количине топлоте, која се ослобађа током реакције између раствора НСl и NаОН, занемарићемо губитке топлоте у околну средину – сматраћемо да се ослобођена топлота у потпуности троши за загревање раствора и стакла ерленмајерове тиквице. Такође ћемо, ради поједностављења, уместо специфичног топлотног капацитета добијеног раствора узети топлотни капацитет чисте воде. Количина топлоте (Qp) која се ослобађа при реакцији између раствора НСl и NаОН израчунава се по формули:

Qp = mтикв. . сvст. . Δt + mраств. . сvраств. . Δt.

(18)

За реакцију смо узели по 0,1 mol НСl и NаОН, а настао је 0,1 mоl воде. Ако израчунату количину топлоте поделимо са количином настале воде (0,1 mоl), добићемо моларну топлоту реакције неутрализације (изражену у kЈ/mоl). Према једначини (15), количина топлоте која се ослобађа при реакцији неутрализације једнака је промени енталпије реакционог система. Пошто се ради о егзотермној реакцији, ΔrН ће имати негативни предзнак: ΔrН = – . . . kЈ/mol. Код процењивања тачности примењеног експерименталног поступка треба узети у обзир да је теоријска вредност топлоте неутрализације –57,3 kЈ/mol.

III

симболи за агрегатно стање супстанци: g – гасовито, s – чврсто, с – кристално, l – течно, аq – супстанце у воденом раствору. Ови симболи се стављају у заграду иза хемијског знака, односно формуле супстанце.

mтикв. – маса празне ерленмајерове тиквице, сvст. – специфични топлотни капацитет стакла (0,84 Ј/g К), Δt – разлика у температури раствора, mраств. – укупна маса раствора (узети да износи 200 g), cv – специфични топлотни раств. капацитет раствора (узети да износи 4,18 Ј/g К)

ХЕМИЈСКE РЕАКЦИЈЕ Реакција између раствора хлороводоничне киселине и натријум-хидроксида може се приказати следећом термохемијском једначином: H+ (aq) + OH– (aq) → H2O (l); ΔrH = –57,3 kJ / mol. Топлота (енталпија) настајања једињења, ΔfН је количина топлоте која се на стандардним условима (101,3 kРа, 25 °С) ослобађа или везује при настанку једног мола једињења из елемената (који се налазе у свом најстабилнијем облику). По договору, стандардна топлота настајања хемијских елемената (у њиховом најстабилнијем облику) једнака је нули. Избором погодних коефицијената у термохемијској једначини синтезе неког једињења из елемената, може се подесити да коефицијент производа реакције буде 1. У том случају реакциона топлота, ΔrН, једнака је топлоти настајања датог једињења елемената, ΔfН. На пример: 1/2 H2 (g) + 1/2 Cl2 (g) → HCl (g); ΔrH = –92,5 kJ/mol, ΔfH (HCl) = –92,5 kJ/mol У табели 13 наведене су топлоте настајања неких важнијих хемијских једињења: Табела 13. Топлоте настајања неких важнијих хемијских једињења Хемијско једињење

Топлота настајања, ΔfH (kJ/mol)

Al2O3 (s)

–1670,0

CH4 (g)

–74,8

CO (g)

–110,9

CO2 (g)

–393,5

CS2 (l)

+87,8

CaO (s)

–635,8

Fe2O3 (s)

–822,2

HCl (g)

–92,5

HI (g)

+25,9

H2O (g)

–241,8

H2S (g)

–20,1

H2O (l)

–285,8

MgO (s)

–602,5

NH3 (g)

–46,0

NO (g)

+90,5

NO2 (g)

+33,9

SO3 (g)

–395,8

SO2 (g)

III

–297,1

ХЕМИЈСКE РЕАКЦИЈЕ



Пример 13

Израчунајмо стандардну енталпију реакције сагоревања метана, која се може приказати следећом једначином: CH4 (g) + 2 O2 (g) → CO2 (g) + 2 H2O(l). Према једначини 14 енталпија реакције једнака је разлици енталпијâ производа реакције и реактаната. Пошто ове вредности нису познате, уместо њих се могу узети одговарајуће топлоте настајања једињења, па једначина 14 добија следећи облик: ΔrH = ΔΣf H произ. – ΔΣf H реакт..

(19)

У табeли 13 налазимо да су топлоте настајања једињења о којима је у задатку реч, следеће: Δf H (CH4)

= –74,8 kJ / mol

Δf H (CO2)

= –393,5 kJ / mol

Δf H (H2O(l)) = –285,8 kJ / mol. У складу са једначином 19 можемо написати: ΔrH = Δf H (CO2) + 2 Δf H (H2O (l)) – Δf H (CH4) – 2 Δf H (O2). Како је Δf H (O2) = 0, стандардна енталпија реакције биће једнака: ΔrH / kJ mol–1 = –393,5 + 2 (–285,8) – (74,8) = –890,3. ΔrH = –890,3 kJ/mol. Одговор: Стандардна енталпија реакције сагоpевања метана је –890,3 kЈ/mol.

III

ХЕМИЈСКE РЕАКЦИЈЕ

Питања и задаци 1. Због чега је кpетање честица неопходан услов хемијске реакције? 2. Утврдите ком типу припадају следеће хемијске реакције: а) (NH4)2Cr2O7 → Cr2O3 + N2 + 4 H2O, б) Ag+(aq) + Cl–(aq) в) MgO + H O 2

 AgCl(s),

 Mg(OH) . 2

3. Хемијска реакција је егзотермна када је: а) ΔrH > 0, б) ΔrH < 0, в) ΔrH = 0.

(Заокружите тачан одговор). 4. Прикажите графички промену енталпије код егзотермних и ендотермних реакција. 5. Дефинишите појам реакционе топлоте и топлоте настајања једињења. 6. Израчунајте стандардну енталпију реакције SO2(g) + 1/2 O2(g) → SO3(g). (Одговор: –98,7 kЈ/mol) 7. Израчунајте стандардну енталпију следеће хемијске реакције:

H2S(g) + 3/2 O2(g) → H2O(g) + SO2(g). (Одговор: ΔrH = –518,8 kЈ/mol) 8. Одредите топлоту настајања NО (g) на основу следеће термохемијске једначине:

1/2 N2 (g) + 1/2 O2 (g) →NO (g); ΔrH = +90,5 kJ / mol.

III

ХЕМИЈСКE РЕАКЦИЈЕ

БРЗИНА ХЕМИЈСКЕ РЕАКЦИЈЕ Поред топлотних ефеката, важно обележје хемијске реакције је њена брзина. Познавање брзине хемијске реакције, као и фактора који на њу утичу, има велики пpактични значај, јер нам помаже у изналажењу оптималних услова за вођење хемијских процеса у лабораторији и хемијској индустрији. Брзине хемијских реакција веома су различите. Тако се, на пример, просте реакције∗ између јона у воденом раствору, као и експлозивне реакције одигравају у делићу секунде, па их сматрамо тренутним. Неке реакције (нпр. оксидација гвожђа на влажном ваздуху) теку више часова или дана. Познате су и веома споре реакције, које трају врло дуго. Таква је, на пример, реакција

* Просте реакције су оне реакције које се одигравају у једном ступњу. ** Грчки: kinеtikós – покретан, који се покреће

која на собној или нешто повишеној температури траје бесконачно дуго. Међутим, ако се смеша водоника и кисеоника запали, гасови се једине уз експлозију у делићу секунде, градећи водену пару. Грана хемије која изучава брзину хемијских реакција, назива се хемијска кинетика.∗∗ Брзина хемијске реакције (ν) дефинише се као промена концентрације реактаната (или производа реакције) са временом: νΒ (чита се „ни-бе”) – стехиометријски

(20)

Из једначине 20 следи да је SI-јединица брзине реакције mol/dm3 · s. Брзина хемијске реакције може се изразити променом концентрације било које компоненте у реакционој смеши. У пракси се за експериментално праћење брзине реакције обично узима она компонента чија се концентрација најлакше може експериментално одредити (нпр. мерењем запремине издвојеног гаса, масе добијеног талога, рН-вредности раствора, промене интензитета обојености раствора помоћу специјалних апарата и др.). Пример 14



Изразимо брзину хемијске реакције А2 + В2 → 2 АВ променом концентрације реактанта А2 са временом. Према изразу (20) брзина реакције једнака је:

Пошто напредовањем реакције концентрација реактанта А2 опада, математички израз за брзину реакције имаће негативни предзнак. Међутим, стварна брзина реакције не може бити негативна, у шта ћемо се уверити из следећег примера:

III

коефицијент испред формуле компоненте B у једначини реакције (тј. оне компоненте помоћу које се изражава брзина реакције). Коефицијенти се морају узети у обзир, како се израчунате брзине исте реакције међусобно не би разликовале зависно од тога која је супстанца у реакционој смеши узета за израчунавање брзине. Стехиометријски коефицијенти испред формуле реактаната узимају се са негативним предзнаком, пошто напредовањем реакције концентрација реактаната опада, и обратно – стехиометријски коефицијенти испред формула производа реакције имаће позитивни предзнак, пошто напредовањем реакције концентрација производа реакције расте. Δс(В) – веома мала промена концентрације компоненте В у кратком временском интервалу Δt. Како је промена неке физичке величине (Δх) једнака разлици њене крајње и почетне вредности (х2 – х1), Δс = с2 – с1.

ХЕМИЈСКE РЕАКЦИЈЕ



Пример 15 Израчунајмо брзину хемијске реакције А2 + В2 → 2 АВ, ако је концентрација реактанта А2 15 секунди после почетка реакције износила 0,562 mol/dm3, а 17 секунди после почетка реакције 0,395 mol/dm3.

Брзина хемијске реакције зависи од више фактора. Најважнији су: природа реактаната, концентрација реактаната, температура, присуство катализатора и величина додирне површине реактаната. Утицај пpироде реактаната на брзину реакције проучићемо експерименталним путем на примеру реакције неких метала (калаја, цинка и магнезијума) са разблаженом хлороводоничном киселином.

Оглед 8* Насути у три епрувете по 3 сm3 хлороводоничне киселине концентрације 1 mol/dm3. Убацити у прву епрувету комадић калаја, у другу зрнце цинка приближно исте величине, а у трећу парче траке магнезијума. Посматрати реакције у епруветама и квалитативно проценити њихову брзину.

* Овај оглед, као и оглед 10, успешно се може извести у чашама на графоскопу.

Магнезијум најбрже реагује са хлороводоничном киселином; цинк реагује спорије, а калај најспорије. Различите брзине реакција испитиваних метала са НСl делимично се могу објаснити грађом електронских омотача њихових атома, као и различитим енергијама јонизације. Међутим, постоје и многа друга својства елемената

III

ХЕМИЈСКE РЕАКЦИЈЕ која одређују њихову реактивност, на пример: енергија потребна за разградњу кристалних решетки, енергија хидратације јона у воденом раствору итд. На основу резултата изведеног огледа може се закључити да природа реактаната утиче на њихову реактивност. Ипак, тешко је донети опште закључке о утицају природе реактаната на брзину реакције, на основу којих би се могла предвидети брзина одређене реакције. Обично су просте реакције између јона у воденом раствору, као и просте оксидо-редукционе реакције веома брзе. Сложене реакције, као и хетерогене реакције (које се одигравају између супстанци у различитим агрегатним стањима) су обично спорије. Утицај концентрације реактаната на брзину реакције испитаћемо на примеру реакције између раствора натријум-тиосулфата и сумпорне киселине: Na2S2O3(aq) + H2SO4(aq) → S(s) + Na2SO4(aq) + H2O(l) + SO2(g). Користићемо растворе натријум-тиосулфата различитих концентрација, и после додатка одређене запремине разблажене сумпорне киселине мерићемо време за које се раствор замути од издвојеног сумпора.

Оглед 9 Отпипетирати у три епрувете по 2,5 сm3 раствора сумпорне киселине концентрације 1 mol/dm3 и епрувете ставити у сталак. Узети још три епрувете и обележити их бројевима 1, 2 и 3. У епрувету бр. 1 отпипетирати 2,5 сm3 раствора натријум-тиосулфата концентрације 1 mol/dm3 и 5 сm3 дестиловане воде. У епрувету бр. 2 отпипетирати 5 сm3 раствора натријум-тиосулфата и 2,5 сm3 дестиловане воде. У епрувету бр. 3 отпипетирати 7,5 сm3 раствора натријум-тиосулфата. Добро промешати добијене растворе и ставити их у сталак. У раствор натријум-тиосулфата у епрувети бр. 1 брзо додати сумпорну киселину из једне епрувете. Зачепити епрувету, окренути је горе-доле и укључити штоперицу. У тренутку када се раствор замути од издвојеног сумпора, зауставити штоперицу и очитати време (Δt). На исти начин извести оглед и са растворима натријум-тиосулфата других концентрација и одредити време за које се раствори замуте. Добијене резултате унети у следећу табeлу: Запремина (сm3)

Број

епрувете полазног раствора

Концентрација

Време за које се раствор замути,

(mol/dm3)

Δt (s)

воде

добијеног раствора

раствора Nа2S2О3

2,5

5,0

7,5

0,33

5,0

2,5

7,5

0,66

7,5

–

7,5

1,00

Конструисати дијаграм зависности времена потребног да се раствор замути (Δt) од концентрације натријум-тиосулфата. На апсцису нанети концентрације раствора Nа2S2О3, а на ординату – време у секундама.

III

ХЕМИЈСКE РЕАКЦИЈЕ Као што се из резултата изведеног огледа види, повећањем концентрације раствора натријум-тиосулфата скраћује се време потребно да се раствор замути, односно брзина реакције расте. Утицај концентрације реактаната на брзину реакције може се објаснити теоријом судара. Према овој теорији, брзина хемијске реакције зависи од броја судара између честица реактаната (атома, молекула или јона) у јединици времена. Порастом концентрација реактаната расте број њихових честица у јединици запремине, а тиме и број судара, те је реакција бржа. Квантитативну зависност брзине хемијске реакције од концентрације реактаната открили су норвешки научници К. М. Гулдберг и П. Ваге 1867. године и формулисали у облику закона о дејству маса који гласи овако: Брзина хемијске реакције на одређеној температури управо је сразмерна производу концентрација реактаната. Узмимо као пример просту бимолекулску реакцију (тј. реакцију између два молекула А и В, који непосредно граде молекул С): Слика III-3a. К. М. Гулдберг (1836–1902)

А + В → С. Према закону о дејству маса, брзина реакције (ν) у одређеном тренутку њеног напредовања сразмерна је производу концентрација реактаната:

k – константа брзине реакције (одређује се експерименталним путем, а завиν = k [А] [В]. си од природе реактаната и температуре); Размотримо и реакцију приказану следећом општом једначином: [А] и [В] – концентрације реактаната А и В, изражене у mol/dm3. У хе2 А + В → С. мији се концентрације супстанци често представљају на овај начин, Да би до ове реакције дошло, морају се истовремено сударити два стављањем хемијског знака или формолекула А и један молекул В што се веома ретко дешава. У изразу за брзину муле супстанце у угласту заграду.

реакције концентрација реактанта А појављује се два пута: ν = k [А] [А] [В] = k [А]2 [В].

У општем случају, стехиометријски коефицијенти реактаната у једначини реакције појављују се у изразу за брзину реакције као експоненти којима се степенују концентрације одговарајућих компоненти. Прикажимо на крају и зависност брзине једне хетерогене реакције од концентрације реактаната. Узмимо као пример реакцију оксидације угљеника: С (s) + О2 (g) → СО2 (g).

Слика III-3б. П. Ваге (1833–1900)

У израз за брзину реакције, који се добија применом закона о дејству маса, улазе само оне компоненте чија се концентрација током реакције може мењати. То су гасовите супстанце и супстанце у раствору. Концентрације чврстих супстанци и чистих течности не улазе у израз за брзину реакције, јер су практично константне. Према томе: ν = k [О2].

III

ХЕМИЈСКE РЕАКЦИЈЕ Треба нагласити да закон о дејству маса може непосредно да се примени само на просте реакције, које теку у једном ступњу. Код сложених реакција, које се састоје од неколико ступњева (међуреакција) закон о дејству маса се може применити само на појединачне ступњеве, а не и на реакцију у целини. Утицај температуре на брзину реакције експериментално ћемо проучити на примеру реакције између раствора натријум-тиосулфата и сумпорне киселине. Концентрације свих узорака реактаната биће исте, док ће њихове температуре бити различите.

Оглед 10

Отпипетирати у три епрувете по 2 сm3 раствора сумпорне киселине (с = 1 mol/dm3), а у три епрувете по 2 сm3 раствора натријум-тиосулфата исте концентрације. Први оглед извести на собној температури, тако што се раствору натријум-тиосулфата у првој епрувети дода раствор сумпорне киселине. Зачепити епрувету, окренути је горе-доле и штоперицом одредити време од тренутка мешања раствора до појаве замућења. Извести исти оглед са реактантима који су загрејани у топлој води на 30 °С, односно 40 °С. Добијене резултате приказати у следећој табели: Број огледа

Температура раствора (°С)

Време за које се раствор замути, Δt (s)

Конструисати дијаграм зависности времена потребног да се раствор замути (Δt) од температуре реактаната. На апсцису нанети температуру раствора (у °С), а на ординату – време (у секундама) за које долази до замућења раствора од издвојеног сумпора.

Можемо закључити да се са порастом температуре реактаната скраћује време које је потребно да се раствори замуте, односно да брзина реакције расте. То се тумачи чињеницом да са порастом температуре расте средња брзина честица, а тиме и број судара у јединици времена, те је реакција бржа. Као што смо већ рекли, сваки судар између честица не доводи до реакције. Израчунато је, на пример, да се сваки молекул гаса судари са другим молекулима 1010 пута у секунди. Када би сваки судар био успешан, све хемијске реакције би биле тренутне, што није случај. Према томе, брзина хемијске реакције не зависи од укупног броја судара у јединици времена, већ од броја успешних судара. Успешни судари су само између оних честица које поседују одређену енергију – тзв. енергију активације. Како је та енергија знатно већа од средње енергије молекула, поседује је веома мали број честица у реакционом систему. Стога је само мали број судара успешан и доводи до реакције. Порастом температуре, тј. довођењем енергије реакционом систему, знатно се повећава број активираних честица које поседују енергију потребну за реакцију. Експериментално је утврђено да се са порастом температуре за 10 °С брзина реакције повећава 2–3 пута.

III

ХЕМИЈСКE РЕАКЦИЈЕ

УТИЦАЈ КАТАЛИЗАТОРА НА БРЗИНУ РЕАКЦИЈЕ

Оглед 11*

Насути у две епрувете по 3 сm3 8% раствора водоник-пероксида, Н2О2. Утврдити да ли се на собној температури запажа разлагање овог једињења, које се манифестује издвајањем мехурића кисеоника. Додати у једну епрувету наврх ножа манган(IV)-оксида, МnО2. Посматрати реакције у епруветама и квалитативно проценити у којој је епрувети разлагање водоник-пероксида брже. Написати једначину посматране реакције и објаснити улогу манган(IV)-оксида.

На собној температури разлагање водоник-пероксида је веома споро. Међутим, у присуству мале количине манган(IV)-оксида реакција разлагања Н2О2 је доста бурна: 2 H2О2(aq) → 2 H2O(l) + O2(g).

* Грчки: kаtаlysis – разграђивање

** Латински: inhibere – спречити, зауставити

Супстанце које у малим количинама мењају брзину хемијске реакције, а саме се при томе хемијски не мењају, називају се катализатори.* Промена брзине реакције под утицајем катализатора назива се катализа. Катализатори имају велики значај у хемијској индустрији, код производње низа једињења – сумпорне киселине, амонијака, азотне киселине итд. Поред тога, многобројне биохемијске реакције у живим организмима катализоване су ензимима или ферментима, тј. природним катализаторима. Познате су и супстанце које смањују брзину хемијске реакције. Такве супстанце називају се инхибитори**, а њихово деловање инхибиција или негативна катализа. У зависности од агрегатног стања компонената реакционог система и катализатора, разликујемо хомогене и хетерогене каталитичке реакције. Хомогене каталитичке реакције одвијају се у хомогеним системима, који се састоје од једне фазе – гасовите или течне. Тако, на пример, реакцију оксидације сумпор(IV)-оксида убрзава гасовити азот(II)-оксид: NO(g)

2 SО2(g) + O2(g) → 2 SO3(g). Ова реакција раније се користила за индустријско добијање сумпорне киселине поступком оловних комора. Механизам хомогене катализе тумачи се на следећи начин: катализатор се једини са једним од реактаната, градећи међупроизвод – нестабилно једињење које се лакше једини са другим реактантом. При томе настаје производ реакције, а катализатор се ослобађа. Узмимо, на пример, реакцију између супстанци А и В, које граде производ реакције С: K

A+B→C (К – катализатор). Механизам деловања катализатора може се представити следећим општим једначинама: А + К → АК АК + В → С + К.

III

(АК – међупроизвод)

ХЕМИЈСКE РЕАКЦИЈЕ Стварањем међупроизвода у који је уграђен катализатор, реакција се усмерава у другом правцу, тј. одвија се преко других међуреакција за које је потребна нижа енергија активације. Значи да катализатор снижава енергију активације хемијске реакције и тако је убрзава. Хетерогене каталитичке реакције збивају се у хетерогеним системима, који се састоје од две или више фаза. Код хетерогене катализе, катализатор је најчешће у чврстом, а реактанти у гасовитом или течном стању. Хетерогена катализа примењује се код индустријског добијања сумпорне киселине по контактном поступку – реакција оксидације SО2 у SО3 убрзава се чврстим катализаторима – ванадијум(V)-оксидом, V2О5 или гвожђе(III)-оксидом, Fе2О3. Код хетерогене катализе, на површини катализатора адсорбују се (везују) молекули гасовитих реактаната, градећи мономолекулски слој. Тиме се концентрација реактаната на површини катализатора знатно повећава, што условљава повећање брзине реакције. Како се реакције одигравају на површини чврстих катализатора, они морају бити добро иситњени и порозни и имати што већу површину, да би сваки молекул реактаната дошао с њом у додир. Сматра се да се између адсорбованих молекула реактаната и катализатора може успоставити и лабилна хемијска веза. Енергија активације таквих адсорпционих једињења је знатно нижа, те они међусобно лакше реагују. Последица тога је повећање брзине реакције. После реакције, настали реакциони производи испаравају са површине катализатора, ослобађајући површину катализатора за нове молекуле реактаната. Код хетерогене катализе катализатори су веома осетљиви на присуство малих количина страних супстанци, које се лако адсорбују на њиховој површини, спречавајући тако адсорпцију реактаната. Такве супстанце које смањују активност катализатора називају се каталитички отрови.

Питања и задаци

1. Како се дефинише брзина хемијске реакције? 2. Напишите општи израз за брзину хемијске реакције и објасните својим речима значење употребљених симбола. 3. Изразите брзину хемијске реакције N2 + 3 Н2 → 2 NН3 променом концентрације водоника са временом. 4. Израчунајте брзину хемијске реакције С + D → СD променом концентрације реакционог производа са временом. У једном тренутку његова концентрација износила је 0,506 mol/dm3, а 5 секунди после тога 0,512 mol/dm3. (Одговор: ν = 1,2 · 10–3 mol/dm3 · s) 5. Од којих фактора зависи брзина хемијске реакције? 6. Како гласи закон о дејству маса? Одговор илуструјте једним примером. 7. Изразите брзину реакције 2 НI (g) → Н2 (g) + I2 (g) применом закона о дејству маса. 8. Да ли ће реакција Ba2+(aq) + SO42– (aq) → BaSO4 (s) бити тренутна, брза или спора? 9. Хемијска реакција одвија се у четири ступња, од којих сваки има различиту брзину. Од којег ступња зависи укупна брзина реакције? 10. Како се дефинише успешни судар између молекула реактаната? 11. Шта су катализатори и чему служе? 12. Објасните механизам деловања катализатора код хомогене и хетерогене катализе.

III

ХЕМИЈСКE РЕАКЦИЈЕ

ХЕМИЈСКА РАВНОТЕЖА Највећи број хемијских реакција не одвија се само у једном смеру, нити реакције иду до краја, већ настали реакциони производи међусобно реагују градећи полазне супстанце. Наведимо један пример. Ако помешамо једнаке запремине угљеник(II)-оксида, СО и азот(IV)-оксида, NО2 и гасну смешу загрејемо на 200 °С, запазићемо да њена мркоцрвена боја (која потиче од NО2), постепено бледи, пошто СО и NО2 међусобно реагују градећи безбојне производе реакције – СО2 и NО. У једном тренутку светлосмеђа боја гасне смеше престаје да се мења и поред загревања реакционог система. То показује да се концентрације реактаната на датој температури више не мењају. Описани процес може се приказати следећом хемијском једначином: v1

CО(g) + NO2(g) → v CO2(g) + NO(g). 2

←

брз

ин

ре а

)

кци

је с

лева удесно

улево ) је с десна (v 2 акци ре а

стање динамичке равнотеже (v1 = v2 )

бр зи н

Слика III-4. Схематски приказ успостављања равнотеже у реакционом систему

брзина реакције (v)

Да бисмо објаснили промену боје гасне смеше, размотримо процесе који се одигравају у реакционом систему. На самом почетку реакције, када је концентрација реактаната највећа, брзина реакције између СО и NО2 (ν1) је највећа (закон о дејству маса). Брзина реакције у супротном смеру (ν2) равна је нули, пошто у систему још нема производа реакције. Напредовањем реакције смањује се концентрација реактаната, а расте концентрација производа реакције, те брзина ν1опада, а брзина ν2 расте. У једном тренутку изједначују се брзине ν1 и ν2 и у систему се успоставља динамичка равнотежа (слика III-4). Тај тренутак се може уочити по устаљењу светлосмеђе боје гасне смеше. Хемијске реакције које под истим условима истовремено теку у оба смера, називају се повратне (реверзибилне) реакције.

време Иако се након успостављања равнотеже концентрације реактаната и производа реакције више не мењају, реакције и даље теку у оба смера. Међутим, број насталих и разграђених молекула у јединици времена је исти. То значи да се после успостављања равнотеже у систему и даље одвијају процеси на молекулском нивоу, али то не изазива макроскопске промене реакционог система.

III

ХЕМИЈСКE РЕАКЦИЈЕ Константа равнотеже представља квантитативну карактеристику равнотежних система. Изведимо, на пример, константу равнотеже реакције: v1 →

CО(g) + NO2(g) v2 CO2(g) + NO(g). ←

Применом закона о дејству маса добијамо да је брзина реакције с лева удесно: ν1 = k1 [СО] [NО2], а брзина реакције с десна улево: ν2 = k2 [СО2] [NО]. У стању равнотеже ν1 = ν2 , па можемо написати: k1 [СО] [NО2] = k2 [СО2] [NО]. Ако овај израз поделимо са k2 , добијамо: k1 / k2 · [СО] [NО2] = [СО2] [NО]. Одавде је: [СО2] [NО] . k1 / k2 = ___________ [СО] [NО2] На одређеној температури константе брзина реакција (k1 и k2) имају сталне вредности, те је и њихов количник (k1 / k2) такође константна величина. Однос k1 / k2 назива се константа равнотеже повратне реакције и означава се са К. Ова константа за сваку повратну реакцију на одређеној температури има сталну вредност. Концентрације компонената у претходном изразу су равнотежне концентрације, тј. концентрације које сваки од учесника реакције постиже након успостављања хемијске равнотеже. Те концентрације се под истим условима више не могу мењати. У општем случају, за повратну реакцију приказану једначином aA + bB

 cC + dD

константа равнотеже дата је изразом: (21) На основу бројчане вредности константе равнотеже може се проценити у ком је смеру померена равнотежа хемијске реакције: што је вредност К већа, у стању равнотеже је већа концентрација производа реакције у односу на концентрацију реактаната. Кажемо да је равнотежа померена удесно, тј. у смеру производа реакције.

III

где су: а, b, c и d – стехиометријски коефицијенти компонената у једначини реакције.

ХЕМИЈСКE РЕАКЦИЈЕ



Пример 16 Израчунајмо константу равнотеже реакције 2 SО2(g) + O2(g)

 2 SО (g) 3

ако је на одређеној температури равнотежна концентрација SО2 0,04 mоl/dm3, О2 0,06 mоl/dm3, а SО3 0,02 mоl/dm3. Напишимо најпре израз за константу равнотеже реакције: [SO3]2 . K= _________ [SO2]2 [O2] Ако у овај израз уврстимо задате бројчане вредности, добијамо: (0,02 mol dm–3)2 4 . 10–4 (mol dm–3)2 K= ___________________________ = ___________________ (0,04 mol dm–3)2 (0,06 mol dm–3) 9,6 . 10–5 (mol dm–3)3 1 K = 4,16 ________ = 4,16 mol–1dm3 = 4,16 dm3/mol. mol dm–3 Одговор: Константа равнотеже наведене реакције је 4,16 dm3/mol. Све што је до сада речено, односи се на равнотежне реакције у хомогеним системима, који се састоје од једне фазе. Као што знамо, у хомогене реакције спадају реакције између гасова, као и реакције у растворима. У претходним примерима константе равнотеже гасовитих система изражавали смо помоћу равнотежних концентрација учесника реакције. Како су код гасова њихове концентрације и притисци на одређеној температури пропорционалне величине, равнотежне концентрације гасова у изразу за К (изражене у mol/dm3) могу се заменити њиховим парцијалним притисцима. Многе равнотежне реакције одигравају се у хетерогеним системима, састављеним од више фаза. Разлагање калцијум-карбоната (кречњака) при загревању у затвореном систему представља пример хетерогене равнотежне реакције: СаСО3 (s)

 СаО (s) + СО (g). 2

С обзиром да константе равнотеже не зависе од концентрације чврстих супстанци и чистих течности, константа равнотеже ове реакције је: К = [СО2].

III

ХЕМИЈСКE РЕАКЦИЈЕ

ЧИНИОЦИ КОЈИ УТИЧУ НА ХЕМИЈСКУ РАВНОТЕЖУ На хемијску равнотежу утичу следећи чиниоци: 1) концентрација компонената, 2) притисак и 3) температура. Утицај концентрације компонената на хемијску равнотежу испитаћемо експерименталним путем на повратној реакцији Fe3+(aq) + CNS–(aq)

 FeCNS (aq) 2+

коју смо приказали у јонском облику. Смер померања равнотеже∗ пратићемо на основу промене боје раствора: хидратисани јони Fe3+ и CNS– су практично безбојни, док су јони FeCNS2+ (гвожђе(III)-тиоцијанатни јони) црвене боје.

Оглед 12*

Насути у мању ерленмајерову тиквицу 10 сm3 раствора калијум-тиоцијаната, КСNS (концентрације 0,002 mol/dm3) и разредити га са 10 сm3 дестиловане воде. Додати у тиквицу 2 капи раствора гвожђе(III)-хлорида, FeCl3 концентрације 0,2 mol/dm3.

Забележити боју насталог равнотежног система и написати израз за константу равнотеже (К).

Поделити раствор из тиквице у 3 епрувете. Раствор у првој епрувети служи за упоређење са бојом осталих раствора. Додати у другу епрувету неколико кристала КСNS. Добро промућкати садржај епрувете и утврдити промену боје раствора. На коју се страну помера равнотежа испитиваног система при повећању концентрације CNS– јона? Додати у трећу епрувету 3 капи раствора FeCl3 (c = 0,2 mol/dm3) и утврдити промену боје раствора. На коју се страну помера равнотежа при повећању концентрације Fе3+ јона?

При одређеним концентрацијама реактаната и производа реакције у систему се успоставља хемијска равнотежа. Она се може померити удесно или улево променом концентрације компонената. Тако се при додатку једног од реактаната (CNS– јона) реакција помера удесно (тј. у смеру настајања FeCNS2+ јона) и боја раствора постаје тамнија. Наиме, CNS– јони реагују са Fe3+ jонима, који се са осталим јонима налазе у стању равнотеже. Тиме се концентрација CNS– (као и осталих јона у систему) мења, све док се не успоставе нове равнотежне концентрације, чији је однос једнак константи равнотеже дате реакције. На аналоган начин тумачи се тамњење раствора при додатку другог реактанта (Fe3+ јона). Ако равнотежном систему додамо јоне који реагују са Fe3+ или CNS– јонима, боја раствора постаће светлија. Наиме, због смањења равнотежних концентрација Fe3+ или CNS– јона равнотежа се помера улево, у смеру разлагања јона FeCNS2+ , како би се надокнадио мањак јона реактаната.

III

* термин „померање равнотеже” удесно или улево означава убрзавање реакције која тече с лева удесно, односно с десна улево.

ХЕМИЈСКE РЕАКЦИЈЕ Утицај притиска на хемијску равнотежу испитаћемо на гасовитом равнотежном систему 2 NO2(g)

 N O (g). 2

Смер померања равнотеже система при промени притиска пратићемо на основу промене боје гасне смеше – NO2 је гас мркоцрвене боје, док је његов димер N2O4 безбојан гас.

Оглед 13

NO2

конц. HNO3

Слика III-5. Пуњење медицинског шприца азот(IV)-оксидом

Насути у епрувету мало концентроване азотне киселине и додати неколико комадића бакарног лима или исецкане жице. Када се епрувета напуни мркоцрвеним азот(IV)-оксидом, NO2, усисати гас у провидни медицински шприц (слика III-5). Скинути иглу и отвор шприца затворити пластичним поклопцем (или га затопити на пламену грејалице). Сачекати 1–2 минута да се успостави хемијска равнотежа, а затим клипом сабити гас на 1/3 запремине. Посматрати промену боје гасне смеше на белој позадини. Смањити притисак у шприцу извлачењем клипа и утврдити промену боје гасне смеше. Како утиче промена притиска на положај хемијске равнотеже овог система?

При повећању укупног притиска гасне смеше смањењем запремине (рецимо три пута), парцијални притисци свих компонената ће се повећати три пута. Систем реагује на повећање притиска тако што се равнотежа помера удесно, тј. у смеру настајања N2O4 (боја гасне смеше постаје светлија). Тиме се смањује број молекула у систему, односно укупни притисак гасне смеше, и тако компензује спољашњи утицај. При смањењу укупног притиска гасне смеше извлачењем клипа, хемијска равнотежа се помера у смеру настајања већег броја молекула, што се препознаје по појави тамније боје смеше. На тај начин се повећава укупни притисак гасне смеше и тако компензује спољашњи утицај. Промена укупног притиска гасне смеше не утиче на положај хемијске равнотеже једино у случају када је број молекула реактаната једнак броју молекула производа реакције. На пример: H2 (g) + I2 (g)

 2 HI (g).

Утицај температуре на хемијску равнотежу испитаћемо експерименталним путем на равнотежном систему NO2–N2O4 који смо упознали у претходном огледу. Смер померања равнотеже система при хлађењу и загревању такође ћемо пратити променом интензитета мркоцрвене боје гасне смеше.

III

ХЕМИЈСКE РЕАКЦИЈЕ

Оглед 14 Шприц са гасном смешом из претходног огледа ставити у чашу са водом у коју је додата шака истуцаног леда (клип шприца треба да је извучен до краја). Посматрати промену боје гасне смеше и утврдити на коју се страну помера равнотежа система при хлађењу. Извадити шприц из ледене воде и ставити га у чашу са млаком водом. На коју се страну помера равнотежа система при загревању? Објаснити промену боје изучаваног равнотежног система при хлађењу и загревању. Узети у обзир да је реакција димеризације молекула NO2 (тј. повезивања парова молекула NO2 у молекуле N2O4), егзотермна, а реакција разлагања молекула N2O4 ендотермна: 2 NO2 (g) мркоцрвен гас

егзот. ендо.

N2O4(g) безбојан гас

При хлађењу равнотежног система његова боја постаје светлија, што показује да се равнотежа помера удесно, у смеру егзотермне реакције (при којој се топлота ослобађа). Загревањем равнотежног система убрзава се ендотермна реакција (при којој се топлота везује). То се запажа по појави тамније боје гасне смеше. У оба случаја равнотежни систем се одупире промени температуре тако што се хемијска равнотежа помера у оном смеру у коме долази до компензовања дејства спољашњег утицаја.

ЛЕ ШАТЕЉЕОВ ПРИНЦИП Стање хемијске равнотеже може се одржавати веома дуго у непромењеним условима. Међутим, ако се промени концентрација компонената реакционог система, као и притисак или температура, долази до померања равнотеже. Експерименталним путем смо утврдили да се повећањем концентрације неке од компонената равнотежног система убрзава она реакција која доводи до смањења концентрације дате компоненте. Гасовити равнотежни систем реагује на повећање притиска тако што се равнотежа помера у смеру смањења укупног броја молекула и тиме смањује притисак. Хлађење равнотежног система убрзава егзотермну реакцију, а загревање ендотермну реакцију. У свим наведеним примерима равнотежни систем се супротставља спољашњем утицају тако што се равнотежа помера у оном смеру, у коме се смањује тај утицај. Понашање равнотежних система под дејством спољашњих чинилаца објаснио је француски научник Ле Шатеље својим принципом који се може формулисати овако: Ако се систем у стању равнотеже изложи дејству спољашњег утицаја, равнотежа се помера у оном смеру у коме долази до смањења тог утицаја.

III

Слика III-6. Анри Ле Шатеље (1850–1936)

ХЕМИЈСКE РЕАКЦИЈЕ Познавање хемијске равнотеже и Ле Шатељеовог принципа веома је значајно у хемијској индустрији, у производњи низа важних једињења. Наведимо један пример. Амонијак се индустријски најчешће производи непосредним сједињавањем азота и водоника: N2 (g) + 3 H2 (g)

 2 NH (g);

ΔrH = –92 kJ/mol.

Као што се из једначине види, реакција синтезе амонијака је егзотермна, а при сједињавању азота и водоника смањује се укупан број молекула у систему. Да би се повећао принос амонијака (односно равнотежа померила удесно), потребно је снизити температуру и повећати притисак гасне смеше. Међутим, на нижим температурама амонијак се готово и не ствара. Стога се ради убрзања реакције систем загрева до 500 °С, мада се при томе један део насталог амонијака разлаже (због померања равнотеже улево). У циљу померања равнотеже удесно, примењују се високи притисци (од 20 до 100 МРа). Да би се убрзало успостављање хемијске равнотеже, користе се катализатори (активирано шупљикаво гвожђе, оксиди калијума и алуминијума).

Питања и задаци

1. Како се дефинише равнотежно стање реакционог система? Зашто се хемијска равнотежа зове динамичка? 2. Напишите изразе за константу равнотеже следећих реакција: а) 2 SO2 (g) + O2 (g) 2 SO3 (g), б) Zn (s) + 2 Ag+ (aq) Zn2+ (aq) + 2 Ag (s), в) CO (g) + Cl2 (g) COCl2 (g). 3. При синтези амонијака из елемената под одређеним условима, у равнотежи се налази 0,1 mоl/dm3 N2, 0,2 mol/dm3 H2 и 0,8 mol/dm3 NH3. Израчунајте константу равнотеже ове реакције. (Одговор: К = 800) 4. На коју се страну помера равнотежа реакције 3 Fe (s) + 4 H2O (g) Fe3O4(s) + 4 H2 (g) ако се повећа концентрација водоника? 5. На коју страну ће се померити равнотежа при сабијању следећих гасовитих система у стању равнотеже: а) CO (g) + 2 H2 (g) CH3OH (g), б) H2 (g) + Cl2 (g) 2 HCl (g) в) 2 SO2 (g) + O2 (g) 2 SO3 (g)? 6. Како ће утицати смањење притиска на положај равнотеже следећег система: 2 H2 (g) + O2 (g) 2 H2O (g) 7. Како ће утицати на положај хемијске равнотеже загревање следећег равнотежног система: Hl (g) 1/2 H2 (g) + 1/2 I2 (g); Δr H = –25,9 kJ/mol. 8. На коју страну ће се померити равнотежа реакције 4 HCl (g) + O2 (g) 2 H2O (g) + 2 Cl2(g); Δr H = –112,9 kJ/mol. при следећим променама: а) повишењу температуре, б) смањењу притиска, в) повећању концентрације кисеоника? 9. Како гласи Ле Шатељеов принцип?

  



  



III



РАСТВОРИ

ДИСПЕРЗНИ СИСТЕМИ Када се фино уситњене честице једне или више супстанци равномерно расподеле између честица друге супстанце, добија се дисперзни* систем. Супстанца која се расподељује, назива се дисперзна фаза, а супстанца у којој се дисперзна фаза расподељује – дисперзно средство. Према величини честица дисперзне фазе, дисперзни системи се деле на: грубо дисперзне, колоидно дисперзне и молекулско дисперзне. Грубо дисперзни системи. Честице дисперзне фазе су веће од 100 nm∗∗ и често су видљиве голим оком. Грубо дисперзни системи се деле на суспензије и емулзије. Суспензије су хетерогени системи код којих су чврсте честице дисперговане у течности (нпр. фине честице глине у речној води). Емулзије су такође хетерогени системи који настају тако што се ситне капљице неке течности распрше у другој течности (нпр. капљице масти у млеку). Грубо дисперзни системи су нестабилни – честице дисперзне фазе се издвајају у виду талога или испливавају на површину (тј. долази до раслојавања течности). Колоидно дисперзни системи. Величина честица дисперзне фазе креће се од 1 до 100 nm. По својим својствима, ови системи се налазе између грубо дисперзних и молекулско дисперзних система (правих раствора). Честице колоидних раствора су истоимено наелектрисане, те се међусобно одбијају. Уколико се честице разелектришу додатком раствора електролита или на неки други начин, оне се удружују у веће агрегате. Ова појава назива се коагулација (згрушавање) и често се среће у свакодневном животу (нпр. згрушавање крви, млека, беланцета и других колоидних раствора). Молекулско дисперзни системи (прави раствори). Величина честица дисперзне фазе (молекула или јона) мања је од 1 nm. Ови системи су хомогени и стабилни, а називају се раствори. Сваки раствор се састоји од две компоненте: растворене супстанце (дисперзне фазе) и растварача (дисперзног средства). Као растварач највише се користи вода која добро раствара многе чврсте, течне и гасовите супстанце. У зависности од агрегатног стања дисперзног средства и дисперзне фазе, раствори могу бити у гасовитом, течном и чврстом агрегатном стању. Као пример гасовитог раствора наведимо ваздух, у коме је азот растварач, а кисеоник и остали гасови који се налазе у ваздуху – растворене супстанце. Примери течних раствора су сви водени раствори, а чврстих – сирово гвожђе, које представља раствор угљеника и других примеса у чистом гвожђу.

* Латински: dispergere – расипање, распршивање

–9 ** nm (нанометар) = 10 m.

РАСТВОРИ Растварач је она компонента која се налази у истом агрегатном стању као и раствор. Ако се обе компоненте налазе у истом агрегатном стању, обично се узима да је растварач она компонента које има више. У овом поглављу изучаваћемо водене растворе који су и најважнији, пошто се већина хемијских процеса одвија у воденим растворима.

РАСТВАРАЊЕ ЧВРСТИХ СУПСТАНЦИ У ВОДИ Растварање је сложен физичко-хемијски процес који се не састоји само у уситњавању чврсте супстанце на молекуле или јоне и њиховој расподели између молекула воде. При растварању долази и до одређених интеракција* између Латински: interactio – узајамно деловање честица растворене супстанце и молекула воде. * Размотримо, на пример, процесе који се одигравају при растварању натријум-хлорида у води. Ако се кристал натријум-хлорида стави у воду, јоне на површини кристала окружују поларни молекули воде. Долази до јаког јон-дипол привлачења и раскидања веза између јона у кристалној решетки соли. Процес растварања је ендотерман, тј. праћен је утрошком одређене количине топлоте. Она се узима од молекула растварача, те се читав раствор хлади. За ослобођене јоне Na+ и Cl– у раствору везују се поларни молекули воде. Тај процес, који се назива хидратација је егзотерман (тј. праћен је ослобађањем одређене количине топлотне енергије – тзв. топлоте хидратације). На слици IV-1 схематски је приказан процес растварања натријум-хлорида у води. m

H 2O

Na+

Слика IV-1. Схема процеса растварања натријум-хлорида у води

–

Na+

–

Na+

–

Na+

–

Na+

–

Na+

–

Na+

–

m-n је површина кристала

При растварању многих чврстих супстанци у води (нпр. NH4Cl, NH4NO3, KCl и NaNO3) раствор се хлади. Познате су и супстанце при чијем се растварању у води раствор загрева, на пример: Na2CO3, NaOH, KOH итд. Да ли ће се при растварању неке чврсте супстанце у води раствор хладити или загревати, зависи од односа топлоте потребне за разградњу кристалне решетке и топлоте хидратације. Ако је топлота растварања већа од топлоте хидратације, растварање супстанце у води је ендотерман процес. Уколико је топлота растварања мања од топлоте хидратације, растварање је егзотерман процес. Растворљивост је важно физичко-хемијско својство супстанци, које зависи од природе супстанце и температуре. Као мерило растворљивости

РАСТВОРИ чврстих супстанци у води служи концентрација њихових засићених раствора. То су раствори у којима је растворена супстанца у динамичкој равнотежи са нераствореним кристалима. Да бисмо боље схватили дефиницију засићеног раствора, размотримо процес растварања неке чврсте супстанце (нпр. сахарозе, C12H22O11) у води. Када се сахароза стави у воду, молекули воде при топлотном кретању ударају у површину кристала и откидају молекуле сахарозе, који прелазе у раствор где се хидратизују. Упоредо са процесом растварања тече процес поновног уграђивања молекула сахарозе из раствора у кристалну решетку сахарозе. У почетку, када је концентрација раствора сахарозе мала, брзина растварања је највећа. Са повећањем концентрације сахарозе у раствору, брзина растварања се смањује, а брзина кристализације расте. У једном тренутку изједначују се брзине растварања и кристализације. Тада се у систему успоставља динамичка равнотежа између раствора сахарозе и нерастворених кристала: C12H22O11(aq)

100

O (N

150

Раствор у коме се растворена супстанца налази у равнотежи са својим нераствоpеним кристалима, назива се засићени раствор. У засићеном раствору процес растварања се не зауставља. Он тече и даље, али се у јединици времена иста количина супстанце раствори и искристалише. Стога се на датој температури концентрација раствора више не мења. Према растворљивости у води, чврсте супстанце се деле на три групе: добро растворљиве у води (нпр. NaCl, KNO3, Na2SO4), слабо растворљиве (нпр. CaSO4) и практично нерастворљиве (нпр. AgCl, BaSO4, CaCO3). Треба нагласити да нема апсолутно нерастворљивих супстанци. Чак и оне супстанце, за које кажемо да су практично нерастворљиве, ипак се мало растварају у води. Растворљивост већине соли у води расте са порастом температуpе (слика IV-2). Та чињеница може се објаснити помоћу Ле Шатељеовог принципа на следећи начин: ако је растварање соли у води ендотерман процес, при загревању засићеног раствора соли убрзава се ендотермна реакција (тј. равнотежа се помера у смеру растварања). Растворљивост течности у води такође је веома различита. Тако се, на пример, етанол и неорганске киселине растварају у води у свим размерама. Етар се ограничено раствара, док се бензен практично не раствара. При обичним условима у једној запремини воде раствара се 0,02 запремине водоника, 2 запремине хлоpа, 3 запремине сумпор-водоника, 40 запремина сумпор(IV)-оксида, 400–500 запремина хлороводоника и око 700 запремина амонијака. Велика растворљивост хлороводоника и амонијака у води условљена је тиме што ови гасови хемијски реагују са водом. Растворљивост гасова у води зависи од температуре и притиска. Порастом температуре растворљивост гасова опада, а порастом притиска расте. Зависност растворљивости гасова од притиска, дефинисана је Хенријевим законом који гласи: запремина раствоpеног гаса у одређеној запремини воде на одређеној температури управо је сразмерна притиску гаса. Хенријев закон односи се на гасове који хемијски не реагују са водом.

кристализација

растварање

РАСТВОРЉИВОСТ СОЛИ (у грамима на 100 g воде)

C12H22O11(c)

CI NH 4 80

KCI

NaCI

SO 4

40 60 ТЕМПЕРАТУРА (°С)

100

Слика IV-2. Криве растворљивости неких соли у води на различитим температурама

РАСТВОРИ

КВАНТИТАТИВНИ САСТАВ РАСТВОРА При коришћењу раствора у пракси, неопходно је знати колико се растворене супстанце налази у одређеној маси или запремини раствора, односно какав је квантитативни* састав раствора. Илуструјмо то са неколикo примера. * Латински: quantitas – количина, множина У хемијским лабораторијама многе реакције се изводе између супстанци растворених у води. За реакцију треба узети растворе одређеног квантитативног састава, како би оне текле жељеном брзином. Многа једињења се индустријски производе хемијским реакцијама између водених раствора реактаната. Да би се постигао што већи степен искоришћења реактаната и добиo што чистији производ реакције, уз што мањи утрошак времена и енергије, за реакцију се морају узети раствори одређеног квантитативног састава. Квантитативни састав раствора изражава се помоћу више физичких величина. Ми ћемо упознати две такве величине, које се у хемији највише користе, и то: количинску концентрацију и масени удео. Количинска концентрација (с) супстанце В у раствору дефинише се као однос количине те супстанце и запремине раствора (V): .



(22)

SI-јединица количинске концентрације је mol/dm3, али се у хемији обично користи децимална јединица mol/dm3. У пракси се обично изоставља реч „количинска”, па када се говори о концентрацији раствора, мисли се на количинску концентрацију. Количина супстанце (n) израчунава се према изразу (5) дељењем масе m супстанце са њеном моларном масом: n = (види пример 6 на стр. 21). M Пример 17 У 2 dm3 раствора налази се 0,5 мола азотне киселине. Израчунајмо концентрацију НNО3 у раствору. V= 2 dm3 n (НNО3) = 0,5 mol с (НNО3) = ? Према једначини (22), количинску концентрацију НNО3 у раствору израчунаћемо на следећи начин: c(HNO3) =

0,5 mol n(HNO3) __________ _________ = = 0,25 mol/dm3. V 2 dm3

Одговор: Количинска концентрација азотне киселине у раствору је 0,25 mol/dm3.

РАСТВОРИ Пример 18



Колико је грама безводног натријум-карбоната, Nа2СО3, потребно за припремање 250 сm3 раствора концентрације 2 mol/dm3? Моларна маса натријум-карбоната је 106 g/mol. V = 250 сm3 = 0,25 dm3 с (Na2CO3) = 2 mol/dm3 M (Na2CO3) = 106 g/mol m (Na2CO3) = ? Потребну количину Nа2СО3 израчунаћемо према изразу (22) овако: n(Na2CO3) = c . V = 2 mol/dm3 . 0,25 dm3 = 0,5 mol. У складу са једначином (5), маса 0,5 мола Nа2СО3 биће једнака: m(Na2CO3) = n . M = 0,5 mol . 106 g/mol = 53 g. Одговор: За припремање 250 сm3 раствора Nа2СО3 концентрације 2 mоl/dm3 треба одмерити 53 g безводног натријум-карбоната. Масени удео супстанце у раствору. Израчунавање масених удела елемената у једињењу већ смо упознали (види пример 8 на стр. 24). Масени удео супстанце В у раствору представља однос масе те супстанце и укупне масе раствора: (23) Масени удео је бројчана величина, што значи да је његова мерна јединица 1 (не пише се). Пример 19



Израчунајмо масени удео натријум-хлорида у раствору који је добијен растварањем 5 g NаСl у 200 g воде. m (NaCl) = 5 g m (H2O) = 200 g w (NaCl) = ? Укупна маса раствора (m) једнака је збиру масе соли и масе воде: m = 5 g + 200 g = 205 g

w (B) – масени удео супстанце В у раствору, m (B) – маса супстанце В, m – укупна маса раствора.

РАСТВОРИ Уврштавањем бројчаних вредности у једначину (23) добијамо: 5g w(NaCl) = ______ 205 g = 0,024. Множењем са 100 % добија се: w(NaCl) = 2,4 %. Одговор: Масени удео NaCl у раствору је 2,4 %. Задаци овог типа могу се решавати и помоћу пропорције. Поступак се заснива на следећем разматрању: проценат је део од стотине, стога маса натријум-хлорида у 100 g раствора представља процентни садржај те соли у раствору: у 205 g раствора налази се 5 g соли у 100 g раствора налази се х g соли _______________________________ 100 g . 5 g x = __________ 205 g = 2,4 %.

Питања и задаци

1. Дефинишите појам дисперзне фазе и дисперзног средства. 2. Како се деле дисперзни системи према величини честице дисперзне фазе? 3. Објасните процес растварања јонских супстанци у води. 4. Када ће процес растварања чврстих супстанци у води бити ендотерман, а када егзотерман? 5. Дефинишите појам засићеног раствора. 6. Од којих фактора зависи растворљивост гасова у води? 7. У 1 dm3 раствора налази се 80 g NаОН. Израчунајте концентрацију NаОН у раствору. (Одговор: 2 mоl/dm3) 8. Колико се грама амонијум-хлорида, NН4Сl налази у 0,6 dm3 раствора концентрације 0,2 mоl/dm3? (Одговор: 6,42 g) 9. Израчунајте масени удео етанола у раствору који је добијен мешањем 30 g етанола и 50 g воде. (Одговор: 0,375 = 37,5 %) 10. Израчунајте колико је грама натријум-хидроксида и воде потребно за припремање 250 g 10 % раствора. (Одговор: 25 g NаОН и 225 g воде) 11. Колики је масени удео натријум-хлорида у раствору ако је упаравањем 10 g тог раствора у суду заостало 0,06 g соли? (Одговор: 0,6 %) 12. Израчунајте колико је грама кристалохидрата FеSО4 · 7 Н2О потребно растворити у води да би се добило 400 g 4,2 % раствора FеSО4 . (Одговор: 30,7 g)

РАСТВОРИ

РАСТВОРИ ЕЛЕКТРОЛИТА Огледом 6 смо утврдили да водени раствор шећера не проводи електричну струју, док водени раствор хлороводоника (хлороводонична киселина) добро проводи струју. Испитајмо електричну проводљивост водених раствора још неколико једињења.

Оглед 15 У апаратури описаној на стр. 55. (слика II-27) испитати електричну проводљивост разблажених водених раствора следећих једињења: натријум-хлорида, NaCl, амонијум-хлорида, NН4Cl, амонијака, NН3 и сирћетне киселине, СН3CООН. На основу интензитета светлости сијалице проценити како проводе струју водени раствори наведених једињења.

Водени раствори натријум-хлорида и амонијум-хлорида добро проводе електричну струју (сијалица интензивно светли). Раствори амонијака и сирћетне киселине веома слабо проводе електричну струју (сијалица готово не светли). Супстанце чији водени раствори проводе електричну струју, називају се електролити. У електролите спада већина неорганских киселина, база и соли растворљивих у води. Поред водених раствора наведених једињења, у електролите спадају и растопи алкалија и соли, неке чврсте соли (нпр. сребро-јодид, АgI) и неке чисте течности (нпр. безводна сумпорна киселина). Најважнији су водени раствори киселина и база, па ћемо детаљније проучити ове класе електролита. Супстанце чији водени раствори не проводе електричну струју, називају се неелектролити. Већина органских једињења растворљивих у води спада у неелектролите, на пример шећер, глицерин и алкохол. Описану појаву први је објаснио шведски научник. С. Арениjус 1887. године својом теоријом електролитичке дисоцијације. Према овој теорији, киселине, базе и соли се при растварању у води спонтано дисосују (разлажу) на позитивно и негативно наелектрисане честице (јоне). Јони проводе струју кроз раствор при кретању ка супротно наелектрисаним електродама. Степен дисоцијације (α) служи за изражавање јачине електролита. Дефинише се као однос између броја молекула дисосованих на јоне (Νдис.) и укупног броја молекула који су унети у раствор (Νук.): (24) Ако је, на пример, од 100 молекула унетих у раствор 35 дисосовано на јоне, степен дисоцијације електролита је:

α = 35 = 0,35 = 35 %. 100

Бројчана вредност степена дисоцијације креће се у интервалу од 0 до 1, односно од 0 до 100 %.

Слика IV-3. Сванте Арениjус (1859–1927)

РАСТВОРИ Степен дисоцијације зависи од природе електролита, природе растварача, температуре и концентрације раствора – порастом разблажења раствора α расте. Степен дисоцијације електролита експериментално се одређује мерењем осмотског притиска раствора или његове електричне проводљивости. Јаки и слаби електролити. – Ако је степен дисоцијације електролита у раствору концентрације 0,1 mоl/dm3 већи од 30 %, он спада у јаке електролите. Јаки електролити су већина соли које су добро растворљиве у води. Од киселина и база у јаке електролите убрајамо: H2SO4, HCl, HNO3, NaOH, KOH итд. Код слабих електролита, степен дисоцијације у раствору концентрације 0,1 mоl/dm3 је мањи од 3 %. У слабе електролите спадају сирћетна киселина (α = 1,4 %), цијановодонична киселина (α = 0,01 %), амонијак (α = 1,4 %) итд. Између јаких и слабих електролита налазе се умерено јаки електролити.

КИСЕЛИНЕ И БАЗЕ Рекли смо да киселине и базе спадају у електролите, пошто њихови водени раствори проводе електричну струју. Киселине имају кисео укус, мењају боју плаве лакмус хартије у црвено, реагују с неким металима уз издвајање водоника, неутралишу растворе база градећи соли. Раствори база имају лужаст (сапунски) укус, мењају боју црвене лакмус хартије у плаво, неутралишу киселине градећи соли. Са воденим растворима соли неких тешких метала (нпр. олова, гвожђа, бакра и хрома) реагују градећи слабо растворљиве хидроксиде. Познато је неколико теорија киселина и база, од којих ћемо упознати Арениjусову и протолитичку теорију.

АРЕНИJУСОВА ТЕОРИЈА КИСЕЛИНА И БАЗА Киселине и базе Арениус дефинише на следећи начин: Киселине су електролити који при дисоцијацији у воденом раствору као позитивне јоне дају искључиво јоне водоника (протоне), на пример: HO

2 HNO3 → H+ + NO3–

2 HCl → H+ + Cl–.

Двобазне киселине дисосују у два ступња, на пример: HO

2 H2SO4 → H+ + HSO4–

HSO4–

 H + SO . +

2–

РАСТВОРИ У воденим растворима киселина не постоје слободни протони, већ се они јављају у хидратисаном облику као хидронијум-јони, Н3О+. Стога је исправније дисоцијацију киселина представљати на следећи начин: HNO3 + H2O → H3O+ + NO3–. Заједничка својства киселина потичу од присуства заједничког јона (Н3О+) у воденим растворима ових једињења. Базе су електролити који при дисоцијацији у воденом раствору као негативне јоне дају хидроксидне јоне, (ОН–), на пример: H2O NaOH → Na+ + OH– H2O K+ + OH–. KOH → Заједничка својства база потичу од присуства заједничког јона (ОН–) у воденим растворима ових једињења. При реакцији између водених раствора киселина и база, настају соли и вода. Ова реакција назива се неутрализација, на пример: HNO3 + KOH → KNO3 + H2O, или у јонском облику: H+ + OH– → H2O. Механизам настанка јона у воденим растворима електролита је различит, зависно од природе веза између честица у овим једињењима. Тако се дисоцијација јонских једињења састоји у разградњи њихових кристалних решетки под утицајем поларних молекула воде на позитивно и негативно наелектрисане јоне. На пример: H 2O KNO3(c) → K+(aq) + NO3–(aq). Ослобођени јони се у воденом раствору хидратишу (види стр. 90). При растварању поларних ковалентних једињења у води (нпр. хлороводоника), долази до привлачења између поларних молекула воде и хлороводоника. Услед тога, раскида се поларна веза између водоника и хлора у молекулу НСl. При овом процесу, који се назива јонизација, настају одговарајући јони (види стр. 96). Образоване јоне у раствору окружују поларни молекули воде, тј. они се хидратизују. Према томе, у воденим растворима електролита не постоје слободни, већ хидратисани јони. У воденим растворима неелектролита нема јона, већ се растворена супстанца налази у облику молекула. Стога водени раствори неелектролита не проводе електричну струју.

РАСТВОРИ ПРОТОЛИТИЧКА ТЕОРИЈА КИСЕЛИНА И БАЗА Арениjусова дефиниција киселина и база, заснована на његовој теорији електролитичке дисоцијације, није могла да објасни својства и хемијско понашање свих киселина и база. Стога је касније створено неколико новијих теорија киселина и база, од којих ћемо упознати протолитичку теорију Ј. Н. Бренстеда и Т. М. Лoурија из 1923. године. Према овој теорији, киселине су молекули или јони који предају протон другим молекулима или јонима, на пример: Н+

 Cl + H O

НCl + H2O

–

кис.

Н+ Н3O+ + OH– кис.

 HO+HO 2

Н+

 SO + H O .

НSO4– + H2O

2–

кис.

Базе су молекули или јони који примају протон од других молекула или јона, на пример: Н+

 H O + Cl

H2O + НCl

база

–

Н+ CN– + H2O база

 HСN + OН . –

Према томе, киселине су донори (даваоци) протона, а базе акцептори (примаоци) протона. Из наведених једначина се види да вода може да буде давалац и прималац протона (тј. понаша се као киселина и као база), зависно од супстанце са којом реагује. Реакције при којима протон пpелази са киселине на базу, називају се протолитичке реакције. Оне се најчешће одвијају у воденим растворима. На основу наведених примера протолитичких реакција може се закључити да киселинско-базне реакције (односно процеси отпуштања и примања протона) теку истовремено. При свакој реакцији између киселине и базе настаје нови пар киселина–база, на пример: НCl + H2O

кис. 1 база 2

 базаCl 1+ Hкис.O2. –

РАСТВОРИ Пар киселина–база назива се конјуговани (међусобно повезани или спрегнути) пар. Тако у наведеном примеру киселини 1 (НСl) одговара база 1 (Сl–), а бази 2 (Н2О) киселина 2 (Н3О+). Свака киселина има конјуговану базу, и обратно. Киселина је утолико јача, уколико лакше отпушта протон, а база – уколико га лакше везује. Што је киселина јача, њена конјугована база је слабија, и обратно. Тако је, на пример, НСl јака киселина, стога је Сl– јон врло слаба база. Протолитичке реакције су могуће и без присуства растварача. Тако, на пример, гасовити амонијак реагује са гасовитим хлороводоником, при чему настаје бела, кристална супстанца амонијум-хлорид: Н+ NH3 (g) + НCl (g)

 NH Cl(c). 4

Питања и задаци

1. Која је основна разлика између електролита и неелектролита? 2. Како гласи теорија електролитичке дисоцијације? 3. Објасните механизам настанка јона при растварању јонских и поларних ковалентних једињења у води. 4. Израчунајте степен дисоцијације електролита, ако је од 6 · 1022 молекула који се налазе у 1 dm³ раствора на јоне дисосовало 2,6 · 1022 молекула. (Одговор: 43 %). 5. Како се према протолитичкој теорији дефинишу киселине и базе? 6. Киселине су супстанце које: а) примају протон, б) отпуштају протон, в) не примају и не отпуштају протон. (Заокружите тачан одговор.) 7. Која је од наведених реакција протолитичка реакција: а) Аg+ + Сl– → АgСl, б) Н3О+ + ОН–

 2 Н О, 2

в) 2 Nа + 2 Н2О → 2 NаОН +Н2?

8. Напишите једначине следећих протолитичких реакција: а) између сумпорне киселине и воде, б) између сумпор-водоника и воде, в) између флуороводоничне киселине, НF, и ацетатних јона, СН3СОО–.

9. Прикажите једначинама дисоцијацију следећих једињења у воденом раствору: а) NH4Cl,

б) Ca(OH)2, в) KI,

г) (NH4)2CO3.

? 99

РАСТВОРИ КОНСТАНТА ДИСОЦИЈАЦИЈЕ Јаки електролити су у воденом раствору скоро у потпуности дисосовани на јоне, те је њихов степен дисоцијације приближно једнак јединици. Дисоцијација јаких киселина и јаких база у воденом раствору може се посматрати као неповратни процес, пошто је равнотежа скоро у потпуности померена удесно. Код слабих киселина и база, које су у воденом раствору незнатно дисосоване, концентрација недисосованих молекула је много већа од концентрације јона. Процес дисоцијације слабих киселина и база у воденом раствору представља повратни процес. У општем случају, дисоцијацијa слабе киселине (НА) у воденом раствору приказује се једначином: НА + Н2О

 НО +А. 3

–

Овај начин приказивања јонизације киселина је исправнији од поједностављеног начина писања: НА

 Н +А. +

–

Међутим, други начин је једноставнији и чешће се користи, па ћемо се и ми њиме служити. Такође ћемо све овакве реакције називати реакцијама дисоцијације, без обзира на њихов механизам (види стр. 97). Ако на горњу реакцију применимо закон о дејству маса, добићемо да је константа равнотеже дисоцијација киселине НА једнака: Kk

(25)

Ова константа назива се константа дисоцијације киселине или киселинска константа, Кк. Њена вредност зависи од природе киселине и температуре, али не и од концентрације раствора. Што је бројчана вредност Кк већа, киселина је јача, и обратно. Код двобазних и вишебазних киселина, које дисосују у два или више ступњева, познато је две или више константи дисоцијације, од којих је прва највећа (табела 14). Табела 14. Константе дисоцијације неких киселина (на 25 °С) Киселина

Формула киселине

азотаста азотна амонијум јон борна мравља оксална перхлорна сирћетна сумпораста сумпорна угљена флуороводонична фосфорна хидрогенсулфатни јон хидронијум јон хипохлоритна хлороводонична цијановодонична

HNO2 HNO3 NH4+ H3BO3 HCOOH (COOH)2 HClO4 CH3COOH H2SO3 H2SO4 H2CO3 HF H3PO4 HSO4– H3O+ HClO HCl HCN

100 IV

Константа дисоцијације (mоl/dm3) К1 К2 К3 4 · 10–4 потпуно дис. 5,6 · 10–10 5,8 · 10–10 1,8 · 10–4 5,4 · 10–2 потпуно дис. 1,8 · 10–5 1,6 · 10–2 потпуно дис. 4,5 · 10–7 6,6 · 10–4 7,5 · 10–3 1,2 · 10–2 55 5 · 10–8 потпуно дис. 7,9 · 10–10

5,4 · 10–5 6,3 · 10–8 4,7 · 10–11 6,3 · 10–8

1,3 · 10–12

РАСТВОРИ По аналогији, дисоцијација слабе базе (В) у воденом раствору може се приказати следећом општом једначином: В + Н2О

 ВН + ОН . +

–

Константа равнотеже ове реакције (26) назива се константа дисоцијације базе (или базна константа, Кb). Њена бројчана вредност показује јачину базе. Што је вредност Кb већа, база је јача, и обратно.

ЈОНСКИ ПРОИЗВОД ВОДЕ Чиста вода је веома слаб електролит, који у незнатној мери проводи електричну струју. То значи да је у чистој води мали број молекула Н2О дисосован на јоне према једначини: Н2О + Н2О

 Н О + ОН . 3

–

Једноставније се дисоцијација воде може приказати овако: Н2О

 Н + ОН . +

–

Константа равнотеже ове повратне реакције дата је изразом: .

(27)

Експериментално је утврђено да на 25 °С константа дисоцијације воде износи 1,8 · 10–16 mol/dm3. С обзиром на то да је у чистој води незнатан број моле-кула Н2О дисосован на јоне, може се узети да је равнотежна концентрација недисосованих молекула воде, [Н2О], у изразу (27) једнака укупној концентрацији воде у 1 dm3. У 1 dm3 (1 000 g) воде количина молекула Н2О је:

Према изразу (22) концентрација воде једнака је: 55,5 mol 1 dm

55,5 mol/dm

Из израза (27) следи: [Н+] [ОН–] = К [Н2О] = 1,8 · 10–16 mol/dm3 · 55,5 mol/dm3 = 1 · 10–14 mol2/dm6.

IV 101

РАСТВОРИ Добијени израз назива се јонски производ воде, а обележава се Кw. На 25 °С јонски производ воде износи: Кw = [Н+] [ОН–] = 1 · 10–14 mоl2/dm6.

(28)

У чистој води равнотежне концентрације Н+ и ОН– јона су исте, и износе 10 mоl/dm3. Ако у чисту воду додамо мало киселине (тј. повећамо концентрацију Н+ јона), смањиће се концентрација ОН– јона како би константа Кw остала иста. Тако, на пример, ако концентрацију Н+ јона повећамо на 10–3 mоl/dm3, концентрација ОН– јона ће се смањити на 10–11 mоl/dm3. Ако, пак, у чисту воду додамо мало раствора базе (тј. повећамо концентрацију ОН– јона), смањиће се концентрација Н+ јона, како би константа Кw остала иста. Према томе, у неутралним растворима [Н+] = [ОН–] = 10–7 mоl/dm3, у киселим растворима [Н+] > 10–7 mоl/dm3, у базним растворима [Н+] < 10–7 mоl/dm3. –7

ВОДОНИЧНИ ЕКСПОНЕНТ (рН) Киселост и базност раствора обично се изражава на једноставнији начин, који се састоји у томе што се уместо концентрација водоникових јона користи водонични експонент, рН (чита се пе-ха). Појам рН увео је у хемију дански научник П. Л. Серенсен 1909. године, а дефинисао га је на следећи начин: рН је негативни логаритам концентрације водоникових јона у раствору. Дефиниција рН приказује се изразом: рН = –lоg [Н+] /mоl · dm–3.



(29)

Пошто се израз (29) дели са mоl/dm3, рН је бројчана (бездимензиона) величина. С обзиром на то да у настави математике још нисте упознали поступак лога-ритмовања, одабран је најједноставнији пример са целобројном вредношћу рН, који се може израчунати и без операције логаритмовања. Пример 20 Концентрација водоникових јона у раствору је 10–3 mоl/dm3. Колики је рН овог раствора? [Н+] = 10–3 mоl/dm3. У складу са изразом (29), рН = –lоg (10–3). Како је lоg (10–3) = –3, то је рН = – (–3) = 3. Одговор: рН раствора је 3.

102 IV

РАСТВОРИ

[H+]

–1

–2

–3

–4

10 10

–5

–6

ПОРАСТ КИСЕЛОСТИ

–7

–8

–9

–10

–11

–12

–13

–14

ПОРАСТ БАЗНОСТИ 7

Слика IV-4. Веза између концентрације водоникових јона и рН

НЕУТРАЛНА СРЕДИНА

На слици IV-4 графички је приказана веза између концентрације водоникових јона и рН. Познавање рН раствора и његово одржавање на потребном нивоу значајно је у хемијским лабораторијама и индустрији. Тако, на пример, неке реакције у воденим растворима теку само при одређеним вредностима рН. Ако се рН раствора промени, реакције се заустављају или усмеравају у другом правцу. Стога је неопходно одржавати рН раствора на одређеном нивоу (види одељак Пуферски системи). За прецизно одређивање рН раствора служи апарат који се зове пехаметар, док се за приближно одређивање користи универзална индикаторска хартија. То је танка филтер-хартија натопљена смешом више индикатора. Сваки од њих мења боју у карактеристичном интервалу рН. На тај начин смеша индикатора омогућава одређивање рН у ширем интервалу (0–14). Код универзалног индикатора боја се мења од црвене преко наранџасте и жуте до зелене и плаве. У следећем одељку упознаћемо теорију индикатора и објаснити њихову способност промене боје у одређеном интервалу рН. рН раствора одређује се тако што се индикаторска хартија зарони у испитивани раствор. Настала боја упоређује се са еталоном боја, на коме свакој нијанси боје одговара одређена вредност рН (оглед 16).

Оглед 16 Испитати помоћу универзалне индикаторске хартије рН раствора следећих киселина и база: НСl, СН3СООН, ΝаОН и ΝН3. Концентрације свих раствора треба да су 0,5 mоl/dm3. Добијене резултате унети у следећу табелу: Раствор

рН раствора

НСl СН3СООН ΝаОН ΝН3 На основу прикупљених експерименталних података можемо закључити да је рН раствора киселина мањи од 7, а раствора база већи од 7.

IV 103

РАСТВОРИ ИНДИКАТОРИ КИСЕЛОСТИ И БАЗНОСТИ

* Латински: indicеrе – открити, показати

Индикатори∗ киселости и базности су слабе органске киселине или базе сложене структуре које у недисосованом, молекулском облику имају једну боју, а у дисосованом (јонском) облику другу. Највише се користе у аналитичкој хемији за одређивање завршне тачке реакције неутрализације. Размотримо најпре механизам промене боје индикатора који је по хемијском саставу слаба органска киселина. Молекул индикатора поједностављено ћемо приказати формулом НIn, а његов анјон са In–. Дисоцијацију индикатора можемо представити следећом хемијском једначином:

 Н + In .

НIn једна боја

–

друга боја

Ако неколико капи индикатора овог типа додамо у раствор киселине и тако повећамо концентрацију Н+ јона, доћи ће до сузбијања дисоцијације молекула НIn (равнотежа горње реакције помера се улево), те ће боја раствора потицати од недисосованих молекула НIn. При додатку неколико капи индикатора раствору базе, ОН– јони из базе реаговаће са Н+ јонима насталим при дисоцијацији молекула НIn и настаће молекули Н2О. Због смањења концентрације Н+ јона у раствору, равнотежа горње реакције помера се удесно, у смеру дисоцијације нових молекула НIn. То условљава повећање концентрације јона In–, те ће боја раствора потицати од тих јона. Ако индикатор, који је по хемијском саставу слаба органска база, представимо поједностављеном формулом ВОН, његова дисоцијација се може приказати следећом једначином: ВОН једна боја

 В + ОН . +

–

друга боја

При додатку неколико капи индикатора овог типа у раствор киселине, Н+ јони реаговаће са ОН– јонима насталим при дисоцијацији молекула ВОН. То условљава померање равнотеже удесно, тј. у смеру дисоцијације нових молекула индикатора, те ће боја раствора потицати од јона В+. Ако пак неколико капи индикатора додамо у раствор базе, доћи ће до сузбијања дисоцијације молекула ВОН и равнотежа горње реакције помериће се улево, а боја раствора потицаће од недисосованих молекула ВОН. Као природни индикатори киселости и базности могу се користити сокови различитих биљака, добијени нпр. из листова плавог купуса; круничних листића црвене руже, љубичице и зумбула; из плодова вишње, корена цвекле, подземног стабла (луковице) црног лука итд. Познати индикатор лакмус добија се из неких врста лишајева који расту на обалама Средоземног мора. Данас је познат велики број синтетички добијених индикатора, нпр. метилоранж, фенолфталеин, метилцрвено, тимолплаво итд.

104 IV

РАСТВОРИ Како су индикатори слабе органске киселине односно базе различите јачине, мењају боју у различитим интервалима рН. Тако нпр. метилоранж мења боју из црвене у жуту у интервалу рН 3,1– 4,4. То значи да овај индикатор испод рН 3,1 има црвену боју, а изнад рН 4,4 – жуту. Између ових вредности рН боја метилоранжа је наранџаста. Та боја назива се прелазна боја индикатора. Лакмус мења боју из црвене у плаву у интервалу рН 4,5–8,3, фенолфталеин из безбојне у љубичасту у интервалу рН 8,3–10,0 итд.

ПУФЕРСКИ СИСТЕМИ Пуферски* системи су раствори чији се рН веома мало мења при додатку мале количине раствора киселине или базе. То њихово својство тумачи се тиме * Енглески: buffer – одбојник на железничким вагонима за ублашто имају способност да везују додате Н+ јоне из киселине, односно ОН– јоне из жавање снаге судара базе, и тако одржавају рН-вредност раствора приближно константном. Пуферски системи могу бити кисели или базни, зависно од тога да ли одржавају рН-вредност раствора нижом или вишом од 7. Кисели пуферски системи представљају смеше слабих киселина и њихових соли, а базни – смеше слабих база и њихових соли. Најважнији пуферски системи су: ацетатни, карбонатни, фосфатни и амонијачни пуфери. Начин на који кисели пуферски системи регулишу рН-вредност раствора упознаћемо на примеру ацетатног пуфера, који представља смешу раствора сирћетне киселине, СН3СООН и њене соли – натријум-ацетата, СН3СООΝа. Сирћетна киселина је у воденом раствору делимично дисосована на јоне: СН3СООН

Н2О

 Н + СН СОО . +

–

Ако се сирћетној киселини дода раствор натријум-ацетата (соли која је скоро у потпуности дисосована на јоне Νа+ и СН3СОО–) концентрација ацетатних јона у раствору ће се знатно повећати. То изазива померање равнотеже горње реакције улево, тј. сузбија се дисоцијација сирћетне киселине. Ако се ацетатном пуферу дода раствор киселине, ацетатни јони реагују са доданим Н+ јонима: СН3СОО– + Н+

 СН СООН. 3

На тај начин пуфер се одупире промени концентрације Н+ јона, све док у раствору постоје ацетатни јони. Ако се ацетатном пуферу дода раствор базе, са ОН– јонима реагују молекули сирћетне киселине: СН3СООН + OН–

 СН СОО + Н О. 3

–

Пуферски систем одупире се промени концентрације ОН– јона све док у раствору постоје неизреаговани молекули сирћетне киселине.

IV 105

РАСТВОРИ Механизам деловања базних пуферских система размотрићемо на примеру амонијачног пуфера, који представља смешу воденог раствора амонијака, ΝН3 и његове соли – амонијум-хлорида, ΝН4Сl. При растварању амонијака у води, мањи део молекула ΝН3 реагује са молекулима воде према једначини: ΝН3 + Н2О

 ΝН +ОН . –

Амонијум-хлорид се при растварању у води скоро у потпуности дисосује на јоне: ΝН4 Сl

Н2О

 ΝН +Сl . –

Ако се амонијачном пуферу дода раствор киселине, доћи ће до реакције између молекула ΝН3 и Н+ јона из киселине, при чему настају јони ΝН4+ који представљају слабу катјонску киселину: ΝН3 + Н+

 ΝН . +

На тај начин пуферски систем се одупире промени концентрације Н+ јона, све док у раствору постоје молекули ΝН3. Ако се у амонијачни пуфер дода раствор базе, са ОН– јонима реагују амонијум-јони, ΝН4+ : ΝН4+ + ОН–



Тако се пуферски систем одупире промени концентрације ОН– јона, и то све док у раствору постоје јони ΝН4+ . Можемо закључити да при додатку киселине пуферском систему, Н+ јоне везују анјонске или молекулске базе, док са ОН– јонима из додате базе реагују катјонске или молекулске киселине, услед чега се рН-вредност раствора одржава приближно константном. Граница до које се одређени пуферски систем одупире промени рН, назива се капацитет пуфера. Сваки пуфер има способност одржавања рН вредности у одређеном интервалу, који се назива област пуферовања. Пуферски системи имају велики практични значај у хемијским лабораторијама и индустрији, пошто се многе реакције одвијају у жељеном смеру само у случају када је рН-вредност средине стална. Одржавање константне вредности рН има изузетан значај и у живим организмима. Тако, на пример, рН крви и крвног серума (7,3–7,4) регулише протеински пуфер – хемоглобин, као и неки други пуферски системи, који спречавају да неки производи метаболизма изазову смањење рН крви испод 7,0, што може бити опасно по живот. Значи, живот човека зависи само од 0,3 јединице рН.

106 IV

РАСТВОРИ АМФОТЕРНОСТ Познате су супстанце које могу да отпусте и вежу протон (тј. понашају се као киселине и базе), зависно од услова реакције. Такве супстанце зову се амфотерне (или амфипротичне супстанце). Амфотерно понашање карактеристично је за једињења која садрже једну или више ОН-група везаних за атом чија је електронегативност приближно 1,7. Таква једињења су, на пример, слабо растворљиви хидроксиди алуминијума, олова, хрома, цинка и неких других метала. Испитајмо експерименталним путем амфотерност алуминијум-хидроксида.

Оглед 17* Насути у епрувету 3-4 сm³ раствора алуминијум-хлорида, АlСl3, концентрације 0,5 mol/dm³. Додати мало раствора ΝаОН исте концентрације и посматрати издвајање белог пихтијастог талога алуминијум-хидроксида. Поделити добијени талог алуминијум-хидроксида у две епрувете. У једну епрувету додати мало раствора НСl концентрације 1 mol/dm³. Шта се догодило? Додати у другу епрувету раствор ΝаОН (с = 2 mol/dm³) у вишку. Промућкати епрувету и посматрати настале промене.

Алуминијум-хидроксид се раствара и у киселини и у бази, што значи да има амфотерни карактер. При овим реакцијама настају одговарајуће соли растворљиве у води. Да бисмо објаснили изведене реакције протолитичком теоријом, морамо узети у обзир да је молекул алуминијум-хидроксида хидратисан са три молекула воде. Према томе, његова формула је Аl(Н2О)3(ОН)3. При реакцији са јаком киселином алуминијум-хидроксид се понаша као база и прима протоне: 3Н+ Al (Н2O)3(OH)3 + 3 H3O+

 Al(H O) + 3 H O. 2

При реакцији са јаком базом алуминијум-хидроксид се понаша као киселина и отпушта протон: Н+ Al (Н2O)3(OH)3 + OH–

 [Al(H O) (OH) ] + H O. 2

–

IV 107

РАСТВОРИ ХИДРОЛИЗА* * Грчки: hýdór – вода + lýsis – разлагање

При протолитичкој реакцији између киселине и базе (неутрализацији) долази до преласка протона са Н3О+ јона на ОН– јон: Н+ Н3O+ + OH–

 2 H O. 2

Поред воде, при неутрализацији настају и одговарајуће соли. Како је вода неутрална супстанца (рН = 7), треба очекивати да раствори соли такође реагују неутрално, тј. да им рН буде приближно 7. Проверимо ову претпоставку експерименталним путем.

Оглед 18* Испитати помоћу универзалне индикаторске хартије рН раствора следећих соли: натријум-карбоната, Νа2СО3, натријум-хидрогенкарбоната, ΝаНСО3, и амонијум-хлорида, ΝН4Сl. Концентрације раствора соли треба да су 0,5 mol/dm³. Добијене резултате унети у следећу табелу: Раствори соли

рН раствора

Раствор реагује

Νа2СО3

ΝаНСО3 ΝН4Сl

Водени раствори натријум-карбоната и натријум-хидрогенкарбоната реагују базно (рН им је већи од 7). Водени раствор амонијум-хлорида реагује кисело (рН је мањи од 7). Базна реакција воденог раствора натријум-карбоната тумачи се на следећи начин: при растварању ове соли у води долази до дисоцијације: Н2О Νа2СО3 → 2 Νа+ + CO32– . Настали карбонатни анјон, као конјугована база врло слабе киселине (HCO3– јона) је доста јака база (види стр. 99). Стога од молекула воде откида протон, при чему се ослобађа ОН– јон: Н+

 HCO + OH . кис.

CO32– + Н2O база

–

Према томе, у воденом раствору Νа2СО3 повећана је концентрација ОН– јона, те он реагује базно.

108 IV

РАСТВОРИ Напомињемо да у раствору постоје и хидратисани Νа+ јони. Њих можемо посматрати као конјуговану киселину врло јаке базе (ΝаОН). Ови јони су изванредно слаба киселина, стога не реагују са водом. На сличан начин тумачи се и базна реакција раствора натријум-хидрогенкарбоната. Кисела реакција раствора амонијум-хлорида тумачи се овако: при растварању ΝН4Сl у води долази до дисоцијације NН4Cl

H 2O

 NН + Cl . –

Амонијум-јон, NН4+, као конјугована киселина врло слабе базе (ΝН3) је јача киселина од воде. Стога се NН4+ јон понаша као киселина, а вода као база: Н+ NН4+ + H2O

 NН + H O . 3

У раствору ΝН4Сl повећана је концентрација Н3О+ јона, те он реагује кисело. Сl– јон, који такође постоји у раствору ΝН4Сl, као конјугована база врло јаке киселине (НСl), веома је слаба база и не реагује са водом. Из наведених примера се види да вода није обичан растварач соли. Она ступа у хемијску реакцију са једним од јона насталих при дисоцијацији соли и захваљујући својој амфотерности отпушта или везује протоне. Протолитичка реакција између конјугованих анјонских база, односно катјонских киселина и воде назива се хидролиза. При хидролизи се у растворима соли повећава концентрација ОН–, односно Н3О+ јона, те они реагују базно или кисело. Хидролизи подлежу соли изведене из једног (или оба) слаба електролита. Соли изведене из слабе базе и јаке киселине (нпр. АlСl3, (ΝН4)2SО4 и ΝН4Сl) у воденом раствору реагују кисело. Соли изведене из јаке базе и слабе киселине (нпр. ΝаΝО2, К2СО3 и КСΝ) у воденом раствору реагују базно. Соли изведене из слабе базе и слабе киселине (нпр. ΝН4ΝО2 и (ΝН4)2СО3) могу реаговати базно, кисело или неутрално, зависи од константе дисоцијације киселине и базе. Соли јаких киселина и јаких база (нпр. ΝаСl, К2SО4 и ΝаΝО3) не подлежу хидролизи. Раствори алуминијум-хлорида, АlСl3, бакар(II)-сулфата, СuSО4 и гвожђе(III)-хлорида, FеСl3, који се често срећу у хемијској лабораторији, услед хидролизе реагују кисело. Да бисмо то објаснили протолитичком теоријом, морамо узети у обзир да су у воденом раствору катјони Аl3+, Сu2+ и Fе3+ хидратисани. Тако је, на пример, катјон Аl3+ хидратисан са 6 молекула воде, те је његова формула [Аl(Н2О)6]3+. При реакцији са водом, овај катјон отпушта протон који се везује за молекул воде:

IV 109

РАСТВОРИ Н+ [Al(Н2O)6]3+ + H2O

 [Al(Н O) (OH)] + H O . 2

Значи, у раствору алуминијум-хлорида повећава се концентрација Н3О+ јона, те он реагује кисело. Сматра се да протолиза тече и даље, у онолико ступњева колико је наелектрисање датог катјона (у нашем примеру у три ступња).

Питања и задаци

1. Напишите израз за константу дисоцијације сирћетне киселине у воденом раствору.

2. Израчунајте концентрацију водоникових јона у раствору у коме је концентрација ОН– јона 7,4 · 10–11 mol/dm3. (Одговор: 1,35 · 10–4 mol/dm3) 3. Дефинишите појам рН.

4. Концентрација ОН– јона у раствору је 10–2 mol/dm3. Колики је рН овог раствора? (Одговор: рН=12) 5. Објасните механизам промене боје индикатора у киселој и базној средини на примеру метилоранжа. 6. Базни индикатор, приказан поједностављеном формулом ВОН при растварању у води, дисосује на јоне В+ и ОН–. Молекули овог индикатора обојени су црвено, док су јони В+ безбојни. Какву ће боју имати наведени индикатор у базној средини? Образложити одговор. 7. Дефинишите појам пуфера. 8. Која од наведених смеша има пуферска својства: а) НСl + ΝаНСО3,

б) Н3РО4 + Νа2НРО4,

в) Н2SО4 + ΝаНSО4?

9. Амонијачни пуфер представља смешу раствора амонијака и амонијум-хлорида, ΝН4Сl. Које честице у раствору овог пуфера реагују са Н+ односно са ОН– јонима? Образложити одговор. 10. Наведите једно амфотерно једињење и објасните његово понашање према јаким киселинама и базама. 11. Како ће реаговати водени раствор (ΝН4)2SО4? Одговор илуструјте хемијским једначинама. 12. Како ће реаговати водени раствор амонијум-карбоната (ΝН4)2СО3? Константа дисоцијације угљене киселине износи К2 = 4,7 · 10–11 mol/dm3, а амонијака 1,7 · 10–5 mol/dm3. 13. Како ће реаговати водени раствор амонијум-ацетата, СН3СООΝН4? Образложите одговор.

110 IV

ОКСИДО-РЕДУКЦИОНИ

ПРОЦЕСИ

ПОЈАМ ОКСИДО-РЕДУКЦИОНИХ ПРОЦЕСА Процеси при којима долази до промене оксидационих бројева елемената, називају се оксидо-редукциони процеси. Оксидациони број елемената је замишљено својство атома датог елемента, које показује у ком се оксидационом стању он налази. Познавање оксидационих бројева олакшава састављање једначина оксидо-редукционих реакција. Оксидациони број елемента може имати позитивну, негативну или нулту вредност. Она се означава у хемијској формули изнад симбола елемента арапским цифрама, са одговарајућим предзнаком. Оксидациони бројеви елемената у јонским једињењима једнаки су наелектрисању јона из којих су настали, односно броју електрона које атоми отпуштају или везују при образовању јонске везе. Тако, на пример, натријум у натријум-хлориду има оксидациони број +1, пошто његов атом предаје један електрон атому хлора. Хлор има оксидациони број –1, јер прима један електрон од атома натријума. Оксидационе бројеве натријума и хлора у формули натријум+ 1 −1

-хлорида означавамо овако: NaCl. Оксидациони бројеви елемената у ковалентним једињењима дефинишу се као замишљено наелектрисање које би њихови атоми имали у случају да електрони у потпуности пређу са атома мање на атом веће електронегативности. Значи, ковалентним једињењима се приписује јонска структура, с тим што електронегативнији елемент има негативан оксидациони број. Тако, на пример, водоник у хлороводонику, НСl, има оксидациони број +1 јер има мању електронегативност од хлора. Како је заједнички електронски пар померен ка +1 −1

атому хлора, њему приписујемо оксидациони број –1: H Cl. Оксидациони бројеви елемената у слободном стању једнаки су нули. На 0

пример: K, Br 2 , P 4 . Вредности оксидационих бројева елемената у њиховим једињењима могу се предвидети на основу положаја елемената у периодном систему: елементи који се налазе у прве три групе, обично отпуштају електроне и имају позитивне вредности оксидационог броја. Максимална вредност њиховог позитивног оксидационог броја одговара броју електрона у највишем енергетском нивоу. Елементи који се налазе у четвртој, петој, шестој и седмој групи, могу имати позитивне или негативне вредности оксидационог броја, зависно од електронегативности атома са којим су везани. Позитивне вредности имају

V 111

ОКСИДО-РЕДУКЦИОНИ ПРОЦЕСИ када отпуштају електроне (односно када су везани са атомима веће електронегативности). Негативне вредности имају када примају онолико електрона, колико им недостаје до конфигурације племенитог гаса. Тако се, на пример, оксидациони број азота (који се налази у петој групи) креће од –3 до +5. У табели 15 наведени су оксидациони бројеви неких елемената у њиховим једињењима. Табела 15. Оксидациони бројеви неких елемената у њиховим једињењима Хемијски елементи

Оксидациони број

алкални метали

водоник

земноалкални метали

кисеоник

–2

Изузеци

хидриди метала, –1

нпр. Li H

–1

пероксиди, нпр.H2O2 +2

оксид флуора F2O сумпор

–2, +2, +4, +6

флуор

–1

Алгебарски збир оксидационих бројева елемената у електрично неутралном молекулу једнак је нули, а у сложеном јону одговара наелектрисању јона, на пример: +2 –2

MgO 1 · (+2) +1 · (–2) = 0

+6 –2

S O4–2

1 · (+6) + 4 · (–2) = –2

На основу овог правила може се одредити оксидациони број било ког атома у молекулу или јону, на основу познатих оксидационих бројева осталих атома.



Пример 21 а) Одредимо оксидациони број азота у хидроксиламину, ΝН2ОН. У молекулу хидроксиламина налазе се три атома водоника [3 · (+1) = +3] и један атом кисеоника (–2). Значи да оксидациони број азота мора бити –1, како би алгебарски збир свих оксидационих бројева био једнак нули: +3 –2 –1 = 0. Одговор: Оксидациони број азота у хидроксиламину је –1.

112 V

ОКСИДО-РЕДУКЦИОНИ ПРОЦЕСИ б) Одредимо оксидациони број мангана у сложеном јону MnO4–. У јону MnO4– налазе се четири атома кисеоника [4 · (–2) = –8]. Значи да оксидациони број мангана мора бити +7, како би алгебарски збир оксидационих бројева био једнак наелектрисању јона: –8 + 7 = –1. Одговор: Оксидациони број мангана у сложеном јону MnO4– је +7. Размотримо промене оксидационих бројева елемената при једној оксидо-редукционој реакцији. Узмимо као пример једноставну реакцију сједињавања калцијума са кисеоником у калцијум-оксид: 0

+2 –2

Ca + 1/2 O2 → CaO. Видимо да се оксидациони број калцијума (који је отпустио два електрона) повећао са 0 на +2. Два отпуштена електрона везују атом кисеоника, при чему се његов оксидациони број смањује са 0 на –2. Процес отпуштања електрона назива се оксидација, а процес везивања електрона редукција. У нашем примеру калцијум се отпуштањем електрона оксидовао, а кисеоник везивањем електрона редуковао. Да би се нека супстанца оксидовала, потребна је друга супстанца која може да прими отпуштене електроне и при томе се редукује. Према томе, оксидација и редукција чине јединствен процес који се назива оксидо-редукциони процес. При оксидо-редукционим процесима оксидациони бројеви елемената се мењају – оксидациони број елемента који се оксидује се повећава, а елемента који се редукује, опада. Елемент који отпушта електроне назива се редукционо средство, а елемент који везује електроне – оксидационо средство. У наведеном примеру калцијум је редукционо, а кисеоник оксидационо средство. Редукциона средства су атоми, молекули или јони који отпуштају електроне, при чему се њихов оксидациони број повећава, на пpимер: атоми метала IА и IIА групе периодног система, водоник, угљеник и угљеник(II)-оксид, СО. Редукциона својства имају и неки позитивни јони метала (нпр. јони Fе2+ и Sn2+) као и сложени анјони (нпр. NO2–). Оксидациона средства су атоми, молекули или јони који везују електроне, при чему се њихов оксидациони број смањује, на пример: халогени елементи, азотна и сумпорна киселина, кисеоник итд. Оксидациона својства имају и неки катјони (нпр. Fе3+ и Sn4+), као и сложени анјони (нпр. MnO4–). Треба нагласити да се иста супстанца може понашати и као редукционо и као оксидационо средство, зависно од природе супстанце са којом ступа у реакцију. Састављање једначина оксидо-редукционих реакција – састоји се у одређивању коефицијената испред формула реактаната и производа реакције.

V 113

ОКСИДО-РЕДУКЦИОНИ ПРОЦЕСИ Коефицијенти се могу одредити и методом проба и погрешака, али је то у већини случајева споро и непрактично, нарочито када се ради о сложенијим реакцијама, са више реактаната и производа реакције. За састављање једначина оксидо-редукционих реакција користе се две методе: метода оксидационих бројева и јонско-електронска метода.

МЕТОДА ОКСИДАЦИОНИХ БРОЈЕВА Редослед операција (корака) код одређивања коефицијената овом методом упознаћемо на једном примеру.



Пример 22 Саставимо једначину оксидо-редукционе реакције између хлороводоничне киселине, НСl и манган(IV)-оксида, МnО2, при којој настају гасовити хлор, Сl2, манган(II)-хлорид, МnСl2 и вода. 1. Напишимо схему реакције, тј. формуле полазних супстанци и производа реакције: МnО2 + НСl

 Сl + МnCl + H O. 2

2. Напишимо оксидационе бројеве елемената изнад њихових симбола у формулама реактаната и производа реакције: +4 –2

+1 –1

МnО2 + НСl

+2 –1

+1 –2

 Сl + МnCl + H O. 2

3. На основу промене оксидационих бројева елемената утврдимо који се елемент оксидује, а који редукује. Видимо да се манган редукује (оксидациони број му се смањио са +4 на +2), док се хлор оксидује (оксидациони број му се повећао са –1 на 0). 4. Саставимо схеме полуреакција оксидације и редукције, у које се уносе само они елементи чији се оксидациони бројеви мењају: +4

а) Мn + 2e –1

б) Cl – 1e

 Мn +2

(редукција)

 Cl

(оксидација)

5. Изједначимо број отпуштених и примљених електрона множењем полуреакције (б) са 2: (б)

–1

 Cl . 2 2 Cl – 2e  Cl . Cl – 1e

114 V

па добијамо:

ОКСИДО-РЕДУКЦИОНИ ПРОЦЕСИ 6. На основу броја отпуштених и примљених електрона, утврдимо коефицијенте испред формула реактаната и производа реакције. Из оксидо-редукционе схеме реакције следи да на сваки атом Мn (односно молекул МnО2) долазе два атома Сl (односно два молекула НСl). Значи да МnО2 и НСl реагују у стехиометријском односу 1 : 2. Код оксидо-редукционих реакција које се попут ове одигравају у киселој средини, настају и одговарајуће соли и вода. Како у том процесу учествује и хлороводонична киселина, број молекула НСl треба повећати за два како би се добио један молекул МnСl2. Према томе, коефицијент испред формуле МnО2 је 1 (не пише се), а 4 испред формуле НСl. Ако ове коефицијенте унесемо у схему реакције, добићемо хемијску једначину: МnО2 + 4 НСl

 Сl + МnСl + 2 Н О. 2

7. Проверити укупан број атома с леве и десне стране једначине. Ако је он исти за сваку атомску врсту, једначина оксидо-редукционе реакције је исправно написана.

ЈОНСКО-ЕЛЕКТРОНСКА МЕТОДА Ова метода примењује се за састављање једначина оксидо-редукционих реакција које се одигравају у воденим растворима. Заснива се на формирању јонских схема полуреакција оксидације и редукције, које се након изједначења броја отпуштених и примљених електрона обједињују у збирну јонску једначину. Аналогно методи оксидационих бројева и ова метода се може рашчланити на одређени број корака. Редослед корака упознаћемо на следећем примеру:



Пример 23

Саставимо једначину оксидо-редукционе реакције између раствора калијум-јодида, КI и калијум-хлората, КСlО3 у киселој средини. Производи реакције су: елементарни јод, I2, калијум-хлорид, КСl, калијум-сулфат, К2SО4 и вода. 1. Написати схему реакције у молекулском облику: КI + КСlО3 + Н2SО4

 I + КСl + К SО + Н О. 2

2. Написати схему реакције у јонском облику, с тим што јаке електролите у воденом раствору треба приказати у облику јона, а слабе електролите, гасовите и чврсте супстанце – у облику молекула. Схема реакције се пише у скраћеном облику, елиминисањем јона који непосредно не учествују у реакцији, тј. појављују се с обе стране израза: I– + ClO3– + H+

 I + Cl + H O. 2

–

V 115

ОКСИДО-РЕДУКЦИОНИ ПРОЦЕСИ 3. Унети у јонску схему реакције оксидационе бројеве елемената. Оксидациони бројеви елементарних јона се не означавају, пошто одговарају наелектрисању јона: +5

I– + ClO3– + H+

 I + Cl + H O. –

4. Утврдити који се елемент оксидује, а који редукује. Видимо да се јод оксидује (оксидациони број му се повећава од –1 на 0, док се хлор редукује (оксидациони број му се смањује од +5 на –1). 5. Написати схеме полуреакција оксидације и редукције у коју се уносе јони или молекули који стварно постоје у реакционој смеши (разлика од методе оксидационих бројева). У схему се такође уноси број отпуштених и примљених електрона:



I2 (а) 2 I– – 2е (б) ClO3– + 6 H+ + 6e



(оксидација) (редукција)

Cl– + 3 H2O

С обзиром да се реакција одвија у киселој средини, левој страни полуреакције (б) додали смо шест протона, који са три атома кисеоника из јона ClO3– граде три молекула воде. Пошто смо изједначили укупан број атома с леве и десне стране полуреакције (б), то треба учинити и са збирним наелектрисањем свих јона. Јони с леве стране имају збирно наелектрисање +5, а с десне –1, стога левој страни треба додати шест електрона. Тада збирно наелектрисање с обе стране полуреакције (б) износи –1. 6. Изједначити број отпуштених и примљених електрона. У том циљу полуреакцију (а) треба помножити са 3:

 

(а) (2 I– – 2е I2) . 3, па добијамо: (а) 6 I– – 6е 3 I2 (б) ClO3– + 6 H++ 6e Cl– + 3 H2O



7. Сабрати полуреакције (а) и (б): 6 I– + ClO3– + 6 H+

 3 I + Cl + 3 H O. 2

–

Исправност добијене јонске једначине утврђује се поређењем броја атома сваког појединог елемента као и збирног наелектрисања с леве и десне стране. Пошто су они исти, једначина је правилно написана. 8. (евентуално): Да би се добио молекулски облик једначине, сваком анјону и катјону с леве стране треба додати одговарајући број катјона и анјона. Затим те исте јоне у истом броју уносимо и на десну страну јонске једначине, након чега јоне обједињујемо у молекуле. Таквим поступком прецизирамо које конкретне супстанце треба узети за извођење оксидо-редукционе реакције:

116 V

ОКСИДО-РЕДУКЦИОНИ ПРОЦЕСИ 6 I– + ClO3– + 6 H+ 7 K+

 3 I + Cl + 3 H O

3 SO42–

6 KI + KClO3 + 3 H2SO4

–

7 K+

3 SO42–

 3 I + KCl + 3 K SO + 3 H O 2

Проучимо експерименталним путем једну оксидо-редукциону реакцију која се одиграва између јона у воденом раствору.

Оглед 19* Насути у епрувету 3 сm³ 5% раствора калај(II)-хлорида, SnСl2, и закиселити га са неколико капи хлороводоничне киселине. Затим додати мало раствора гвожђе(III)-хлорида, FеСl3. Да ли је раствор променио боју? При реакцији, јони Fе3+ оксидују јоне Sn2+ у Sn4+, а сами се редукују у јоне Fе2+. Ови јони се доказују помоћу раствора калијум-хексацијаноферата(III), К3[Fе(СΝ)6].

Загрејати садржину епрувете до кључања и додати мало раствора калијум-хексацијаноферата(III). Посматрати промену боје раствора и објаснити настале промене.

Калијум-хексацијаноферат(III) са Fе2+ јонима гради тамноплаво једињење које се назива Турнбулово плаво. Тиме смо доказали јоне Fе2+, што потврђује да је између јона Sn2+ и Fе3+ дошло до реакције. Схема те оксидо-редукционе реакције (заједно са оксидационим бројевима елемената) је следећа: +2

SnCl2 + FeCl3

 SnCl + FeCl . 4

Оксидо-редукционе схеме реакције су: +2

 Sn (б) (Fe + 1e  Fe)│. 2 = 2 Fe + 2e  2 Fe (а) Sn – 2e +3

Као што видимо, SnCl2 и FeCl3 реагују у стехиометријском односу 1 : 2, те сређена једначина ове реакције гласи: SnCl2 + 2 FeCl3

 SnCl + 2 FeCl . 4

Испитајмо експерименталним путем могућност супротне реакције – оксидације јона Fe2+ у Fe3+.

Оглед 20* Насути у епрувету 3 сm³ 5% раствора гвожђе(II)-сулфата, FеSО4 и закиселити га са неколико капи сумпорне киселине. Додавати у капима и уз стално мућкање веома разблажен раствор калијум-перманганата, КМnО4 (који има бледоружичасту боју). Посматрати промену боје раствора и објаснити настале промене.

V 117

ОКСИДО-РЕДУКЦИОНИ ПРОЦЕСИ Раствор калијум-перманганата се обезбојава, а јавља се све интензивнија жута боја, која потиче од јона Fе3+. То доказује да је дошло до оксидо-редукционе реакције. Она се може представити следећом схемом: +7

KMnO4 + FeSO4 + H2SO4



MnSO4 + Fe2(SO4)3 + K2SO4 + H2O.

У схему су унети оксидациони бројеви само оних елемената који се при реакцији оксидују, односно редукују. На основу промене оксидационих бројева елемената можемо закључити да се манган редукује (оксидациони број му се смањује са +7 на +2). Гвожђе се оксидује (оксидациони број му се повећава са +2 на +3). Овом процесу одговара следећа оксидо-редукциона схема: +7

 (б) Fe – 1e  Fe (а) Mn + 5e +2

Да бисмо изједначили број отпуштених и примљених електрона, полуједначину (а) ћемо помножити са 2, а полуједначину (б) са 10: +7

  (б) (Fe – 1e  Fe) │ . 10 = 10 Fe – 10e  10 Fe (а) (Mn + 5e +2

Mn) │ . 2 = 2 Mn + 10e

2 Mn +3

Према томе, КМnО4 и FеSО4 реагују у стехиометријском односу 2 : 10. Број молекула сумпорне киселине се одређује на основу броја насталих молекула соли и воде. Сређена једначина дате оксидо-редукционе реакције гласи: 2 KMnO4 + 10 FeSO4 + 8 H2SO4

118 V

 2 MnSO + 5 Fe (SO ) + K SO + 8 H O. 4

4 3

ОКСИДО-РЕДУКЦИОНИ ПРОЦЕСИ

Питања и задаци 1. Како се дефинишу оксидациони бројеви елемената у јонским и ковалентним једињењима? 2. Одредите оксидациони број азота у следећим једињењима: НNO3, NH4Cl, N2H4, NH3, HNO2.

3. Одредите оксидационе бројеве елемената у следећим једињењима: MgO, H2S, SO2, P4O10, H2SO4, Al2O3, Na2O.

4. Дефинишите појам редукционих и оксидационих средстава. Наведите неколико примера. 5. Утврдите које су од наведених реакција оксидо-редукционе реакције: a) Ca(OH)2 + 2 HCl → CaCl2 +2 H2O,

б) 2 KI + Cl2 → 2 KCl +I2,

в) 2 KClO3 → 2 KCl + 3 O2, г) SO3 + H2O → H2SO4.

6. Одредите коефицијенте у следећим схемама оксидо-редукционих реакција:

 HCl + H SO , б) HCl + KMnO  KCl + MnCl + H O + Cl , в) Cu + H SO → CuSO + SO + H O, г) KIO + KI + H SO  K SO + I + H O, д) Cu + HNO  Cu(NO ) + NO + H O.

a) H2S + Cl2 + H2O

3 2

Одговор: а) 1 4 4 8 1, б) 16 2 2 2 8 5, в) 1 2 1 1 2, г) 2 10 6 6 6 6, д) 3 8 3 2 4 .

7. Израчунајте колико се а) грама, б) молова, в) кубних дециметара (н.у.), г) молекула водоника ослобађа при оксидо-редукционој реакцији између 6,5 g цинка и одговарајуће количине хлороводоничне киселине. Одговор: а) 0,2 g, б) 0,1 mol, в) 2,24 dm3, г) 6 · 1022 молекула. 8. Израчунајте колико се литара хлора (н. у.) ослобађа ако се на 0,1 mol калијум-перманганата делује вишком хлороводоничне киселине. (Одговор: 5,6 l)

V 119

ОКСИДО-РЕДУКЦИОНИ ПРОЦЕСИ ЕЛЕКТРОХЕМИЈСКИ НИЗ МЕТАЛА При додиру металне плоче (електроде) са раствором, у коме се налазе јони тог метала, долази до незнатног растварања метала и његови позитивни јони прелазе у раствор. Ако је, на пример, цинкана плоча зароњена у раствор јона Zn2+, растварање се може представити следећом једначином: Zn (s) → Zn2+ (aq) + 2e,

тј. сваки јон цинка који пређе у раствор оставља на плочи по два електрона. Од вишка електрона плоча се наелектрише негативно у односу на раствор. Пошто се позитивно наелектрисани јони цинка распоређују непосредно уз електроду, на додирној површини метал-раствор образује се електрични двојни слој (слика V-1). Истовремено са описаним процесом оксидације атома цинка, у систему се одвија и супротни процес: јони Zn2+ из раствора, привучени негативно наелектрисаном плочом, везују електроне и на њеној површини се редукују у атоме цинка: Zn2+ (aq) + 2e → Zn (s).

раствор који садржи јоне Zn2+ Слика V-1. Образовање електричног двојног слоја у систему метал-раствор

Значи да се паралелно са растварањем метала (тј. оксидацијом атома цинка) одвија и супротни процес таложења метала из раствора на плочи (тј. редукција јона Zn2+ ). Када се достигне одређено наелектрисање плоче, јони се због електростатичког привлачења више не могу откидати са површине метала. Тада се успоставља динамичка равнотежа између процеса растварања и таложења: Zn (s)

растварање

→ ←

таложење

Zn2+ (aq) + 2e.

Већа дужина стрелице с лева удесно симболизује доминацију процеса растварања цинка у односу на процес његовог таложења на електроди. Као што видимо, метал зароњен у раствор својих јона представља равнотежни оксидо-редукциони систем. Слично цинку понашају се и многи други метали (нпр. Са, Мg, Аl, Fe, Sn и Pb). Племенитији метали (нпр. Нg, Ag, Au и Pt) у раствору својих јона понашају се супротно: више јона метала из раствора се исталожи на површини плоче него што са ње пређе у раствор, стога се она наелектрише позитивно у односу на раствор. Као последица оксидо-редукционог процеса, који се одиграва између метала и раствора, на електроди се јавља одређени потенцијал. Он се назива електродни потенцијал, а зависи од врсте метала од кога је начињена електрода, концентрације јона у раствору и температуре. Електродни потенцијал је за сваки метал под одређеним условима карактеристична величина. Апсолутна вредност електродног потенцијала не може се измерити, већ је могуће једино одредити разлику потенцијала између две електроде. Као електрода за поређење користи се стандардна водоникова електрода (СВЕ)

120 V

ОКСИДО-РЕДУКЦИОНИ ПРОЦЕСИ која је начињена од платинске плочице зароњене у раствор киселине (слика V-2). Табела 16. Стандардни електродНа површину плочице доводи се чист водоник под притиском од 101,3 kРа. Он ни потенцијали неких метала се адсорбује (раствара) у платини, те се електрода понаша као да је „искована” Електродна од чврстог водоника. Између ње и раствора киселине успоставља се одређена Еθ (V) реакција разлика потенцијала, чија се апсолутна вредност као и осталим случајевима не -2,92 може одредити. Стога јој је по договору приписан потенцијал од нула волти. К К+ + е Мерење се обавља тако што се испитивана електрода везује са СВЕ, па -2,71 Na+ + е Na се утврђује разлика потенцијала између две електроде. Уколико је та разлика -2,37 2+ Mg + 2е Mg одређена при стандардним условима (25 °С, концентрација Н3О+ јона у раствору -1,66 Al Al3+ + 3е киселине 1 mоl/dm³, притисак водоника 101,3 kРа), назива се стандардни елек-0,76 Zn2+ + 2е Zn тродни потенцијал испитиваног метала и означава са Еθ (е-тета). -0,44 Стандардни електродни потенцијали метала могу бити позитивнији и Fe Fe2+ + 2е -0,14 негативнији од СВЕ, зависно од карактера оксидо-редукционих процеса на Sn2+ + 2е Sn -0,13 електродама. 2+ Pb + 2е Pb

        H + е  1/2 H Cu + 2е  Cu Ag + е  Ag Pt + 2е  Pt Au + 3е  Au +

платинска жица

H2 → p=101,3 kPa

Рt

електролитички кључ

раствор киселине с(H3O+) = 1 mol/dm3, t = 25 °C

Ако се метали поређају у хоризонтални низ према растућим вредностима стандардних електродних потенцијала, добија се Волтин или електрохемијски низ елемената: K Na Mg Al Zn Fe Sn Pb Н Cu Ag Pt Au. Према положају метала у електрохемијском низу, може се доста закључити о његовим својствима и реакционој способности. Што метал има позитивнију вредност Еθ (тј. налази се више удесно од водоника) племенитији је, јаче је оксидационо средство и лакше везује електроне. Што је вредност Еθ метала негативнија (тј. што је више улево од водоника), он је мање племенит, јаче је редукционо средство и лакше отпушта електроне. Калијум и натријум су најјача редукциона средства – могу да редукују јоне свих метала који се налазе десно од њих.

V 121

0,00

+0,34

+0,80

+1,25

+1,50

Слика V-2. Стандардна водоникова електрода

ОКСИДО-РЕДУКЦИОНИ ПРОЦЕСИ Метали који се у електрохемијском низу налазе лево од водоника, могу да редукују водоникове јоне из киселине до елементарног водоника. Другим речима, ови метали истискују водоник из киселина. Одређени метал истискује из водених раствора соли све метале који се у електрохемијском низу налазе десно од њега. Проверимо ову правилност експерименталним путем.

Оглед 21* Насути у две епрувете по 5 cm³ 10 % раствора цинк-сулфата, ZnSО4, и бакар(II)-сулфата, СuSО4. Убацити у оба раствора по један добро очишћен гвоздени ексерчић. Утврдити у којој се епрувети променила боја ексерчића и раствора. Објаснити настале промене и написати једначину оксидо-редукционе реакције.

Гвоздени ексерчић зароњен у раствор цинк-сулфата није се променио. То се може објаснити чињеницом да је гвожђе у електрохемијском низу иза цинка. На гвозденом ексерчићу зароњеном у раствор бакар(II)-сулфата издваја се црвена превлака металног бакра, а раствор добија зеленкасту боју. Ове промене се могу протумачити тиме што је гвожђе у електрохемијском низу испред бакра, тј. јаче је редукционо средство. Стога гвожђе редукује јоне Сu2+ до атома Сu који се издвајају на површини ексерчића: 2е Fe + Cu2+

 Fe + Cu. 2+

ХЕМИЈСКИ ИЗВОРИ ЕЛЕКТРИЧНЕ СТРУЈЕ При оксидо-редукционим реакцијама које смо до сада упознали, електрони се крећу директно од редукционог ка оксидационом средству. Међутим, постоје и такви системи код којих су реактанти просторно одвојени, па електрони уместо непосредног премештања путују кроз метални проводник од редукционог ка оксидационом средству. Овакав оксидо-редукциони систем добија се тако што се две различите металне плоче (електроде) зароне у растворе својих јона. Систем метал-раствор назива се полуелемент, а два полуелемента спојена проводником чине галвански елемент. Због разлике у електродним потенцијалима металних плоча, у галванском елементу долази до кретања електрона кроз проводник од негативније ка позитивнијој електроди. Разлика потенцијала између електрода назива се електромоторна сила галванског елемента, а кретање електрона кроз проводник – електрична струја. У галванским елементима хемијска енергија се претвара у електричну, па се они називају и хемијски извори струје. Један од најраније познатих галванских елемената је Данијелов елемент. Састоји се од цинкане плоче зароњене у раствор цинк-сулфата и бакарне плоче зароњене у раствор бакар(II)-сулфата. Електролити се налазе у истом суду, али су одвојени полупропустљивом мембраном која спречава мешање раствора,

122 V

ОКСИДО-РЕДУКЦИОНИ ПРОЦЕСИ а омогућује пролазак јона (слика V-3). Ако се електролити налазе у два суда, спајају се помоћу тзв. електролитичког кључа. Схематски се Данијелов елемент приказује овако: Zn (s)│Zn2+ (aq)││Cu2+ (aq)│Cu (s). У схеми је једном вертикалном цртом означена граница метал-раствор, а двема цртама – веза између два полуелемента. Електромоторна сила галванског елемента (ЕМF) једнака је разлици потенцијала двеју изабраних електрода. Израчунава се тако што се од потенцијала позитивније електроде (Ер) одузме потенцијал негативније електроде (Еn): ЕМF = Ер – Еn.

(30)

Према томе, вредност електромоторне силе је увек позитивна. Стандардни електродни потенцијал бакра је + 0,34 V, а цинка – 0,76 V (види таб. 16). Електромоторна сила Данијеловог галванског елемента износи: ЕМF = + 0,34 V – (– 0,76 V) = 1,10 V. Да видимо, који се процеси одигравају у Данијеловом елементу када се полуелементи повежу металним проводником.

полупропустљива мембрана

Zn2+ Cu

Zn2+ SO42–

Cu2+ + SO42–

Zn2+ + SO42–

Слика V-3. Данијелов елемент

После повезивања полуелемената металним проводником електрони прелазе са негативније цинкане плоче на позитивнију бакарну плочу. То ремети равнотежу између електрона и јона Zn2+ у електричном двојном слоју цинкане плоче. Равнотежа се поново успоставља тако што нови јони цинка прелазе у раствор, чиме се надокнађује мањак електрона на плочи. Стога је на тој плочи равнотежа померена удесно: 2+ – Zn (s) → ← Zn (aq) + 2e .

V 123

ОКСИДО-РЕДУКЦИОНИ ПРОЦЕСИ Електрони који стижу до бакарне плоче, ремете постојећу равнотежу између јона Сu2+ и електрона. Она се успоставља тако што нови јони Сu2+ из раствора прелазе на плочу. Вишак електрона троши се за редукцију ових јона, па кажемо да се на бакарној плочи равнотежа помера улево: Cu (s) ← → Cu2+ (aq) + 2e–. Реакција која се одиграва у Данијеловом елементу може се представити следећом сумарном једначином: Zn (s) + Cu2+ (aq)

 Zn (aq) + Cu (s). 2+

Вишак јона Zn2+ у раствору насталих растварањем цинка креће се кроз полупропустљиву мембрану ка вишку SO42– јона заосталих после редукције Сu2+ јона. Њиховим кретањем кроз раствор успоставља се унутрашње коло струје, а истовремено постиже електрична неутралност раствора. Процес који се одиграва у Данијеловом елементу теоријски би могао трајати све док се сав цинк не раствори, а сав бакар из раствора не исталожи на плочи. Међутим, електромоторна сила галванског елемента се постепено смањује, па при некој вредности елемент престаје да ради и из њега се више не може добити струја. У сваком галванском елементу одвија се оксидо-редукциона реакција, услед чега се у спољашњем колу (кроз проводник) крећу електрони, а у унутрашњем (кроз мембрану) – јони. Према томе, енергија хемијске реакције претвара се у електричну енергију, односно електрична енергија се у галванским елементима добија на рачун оксидо-редукционих процеса на електродама. Овакви примарни извори струје имају одређени значај и омогућују добијање електричне енергије без загађивања околине.

СЕКУНДАРНИ ИЗВОРИ СТРУЈЕ Приликом проласка електричне струје кроз растворе електролита, долази до одређених хемијских промена, којима су понекад подложне и саме електроде. Ове промене могу повећати хемијску енергију система електрода–електролит, па се догађа да хемијски измењене електроде, заједно са раствором електролита, представљају нови извор струје. Пошто је пролазак струје изазвао хемијске промене на електродама, тј. електрична енергија се претворила у хемијску (и тако акумулирала*), овако добијени извори струје називају се акумулатори или * Латински: асumulаrе – нагомилавати, секундарни извори струје. При коришћењу акумулатора, хемијска енергија се накупљати поново претвара у електричну. Пропуштање струје кроз електролит, који изазива одређене хемијске промене на електродама, назива се пуњење акумулатора. Од тренутка када се акумулатор користи као извор електричне струје, почиње његово пражњење. Проучимо на примеру оловног акумулатора процесе који се одигравају на електродама при пуњењу и пражњењу акумулатора.

124 V

ОКСИДО-РЕДУКЦИОНИ ПРОЦЕСИ Када се две оловне плоче зароне у раствор сумпорне киселине, оне се превлаче слојем олово(II)-сулфата, РbSО4. Под таквим условима између плоча не постоји разлика потенцијала, те систем не даје струју. Међутим, ако се кроз њега пропусти једносмерна струја, на аноди (+) долази до оксидације (отпуштања електрона): * Галвански елементи и ћелије за PbSO4 + 6 H2O

 PbO + 4 H O + SO + 2e, 2

2–

а на катоди (–) до редукције (везивања електрона)*: PbSO4 + 2e

 Pb + SO . 2–

Према томе, карактер електрода се при пуњењу акумулатора променио: анода се превукла слојем олово(IV)-оксида, РbО2, а катода је прешла у олово. Приликом пражњења оловног акумулатора обе плоче се постепено превлаче олово(II)-сулфатом, РbSО4 и разлика потенцијала се смањује. Процес пуњења и пражњења оловног акумулатора може се приказати следећом сумарном једначином: 2 PbSO4 + 6 H2O

пуњење

електролизу (види следећи одељак) разликују се по поларитету електрода: у галванским елементима (струја се производи у самом систему) катода је позитивна, а анода негативна електрода, док је у ћелијама за електролизу (систем се напаја струјом споља) обрнуто: катода је негативна, а анода позитивна електрода. У складу с тим, код пуњења акумулатора анода је позитивна, а катода негативна, а код пражњења анода је негативна, а катода позитивна.

 PbO + Pb + 2 SO + 4 H O .

пражњење

2–

Акумулатор је испражњен када нестане разлике у потенцијалу између електрода, односно, када оне по свом хемијском саставу постану исте. Акумулатор се може пунити и празнити више пута, али се не сме празнити испод 1,8 V, јер се тада електроде неповратно сулфатизују (тј. превлаче слојем РbSО4). Електроде оловног акумулатора се израђују у облику решеткастих плоча (слика V-4), а као електролит се користи 28–32 % сумпорна киселина.

Напон између полова једне ћелије оловног акумулатора износи око 2 V. Стога се више ћелија везује у батерију коју чине 3–6 ћелија. Акумулаторска батерија у аутомобилима која служи за покретање мотора има напон између полова од 12 V. Поред оловних, у пракси се доста користе и челични (алкални) акумулатори у којима се као електролит користи 20 % раствор калијум-хидроксида, КОН. Позитивна електрода начињена је од спрашеног никл(II)-хидроксида, Ni(ОН)2 коме су додате фине љуспице никла како би боље проводио електричну

V 125

Слика V-4. Оловни акумулатор

ОКСИДО-РЕДУКЦИОНИ ПРОЦЕСИ струју, док је негативна електрода начињена од уситњеног кадмијума, Сd који са електролитом гради Сd(ОН)2. Материјали електрода смештени су у цевчице или кесице од пониклованог и перфорираног челичног лима, одакле потиче назив челични акумулатор. Хемијски процеси при пражњењу и пуњењу челичног акумулатора могу се приказати следећом збирном једначином: 2 Ni (ОН)3 + Cd

пражњење

 2 Ni (OH) + Cd (OH) . пуњење

Напон између полова једне ћелије овог акумулатора износи око 1,2 V.

Питања и задаци

1. Која се електрода користи за поређење при одређивању стандардних електродних потенцијала? Објасните њену грађу и начин одређивања Еθ. 2. Наведите неколико метала који имају негативну, односно позитивну вредност стандардног електродног потенцијала.

3. Плоче цинка, бакра и сребра зароњене су у раствор хлороводоничне киселине. Предвидите на основу положаја метала у електрохемијском низу који ће од њих редуковати Н3О+ јоне из киселине до елементарног водоника. 4. Који метали могу редуковати јоне Аg+ до елементарног сребра?

5. Објасните принцип рада Данијеловог елемента. 6. Прикажите схематски галвански елемент који се састоји од сребрне и цинкане плоче зароњене у растворе својих соли. Колика је електромоторна сила овог елемента? (Одговор: 1,56 V)

7. У чему је разлика између хемијских извора струје и акумулатора?

ЕЛЕКТРОЛИЗА

Електролиза је оксидо-редукциони процес који се одиграва на електродама при проласку струје кроз растворе или растопе електролита. Насупрот хемијским изворима струје, код којих се енергија хемијске реакције претвара у електричну енергију, код електролизе се електрична енергија претвара у хемијску. Као примарне, на електродама се одвијају реакције при којима катода предаје електроне катјонима који се редукују, а анода прима електроне од анјона који се оксидују. Услед редокс-реакција на електродама, долази до таложења појединих састојака из раствора, издвајања гасова, или до реакције производа електролизе са електродама или раствором. Ове последње реакције називају се накнадне или секундарне реакције. Један од најједноставнијих примера разлагања једињења под утицајем једносмерне електричне струје је електролиза раствора цинк-јодида, ZnI2 (оглед 22).

126 V

ОКСИДО-РЕДУКЦИОНИ ПРОЦЕСИ

Оглед 22* Насути у U-цев раствор цинк-јодида концентрације 0,5 mol/dm3. Заронити у раствор две графитне електроде и повезати их са извором једносмерне струје, (џепна батерија). Пратити промене на електродама и у простору око електрода. У крак U-цеви, у коме се налази анода (тј. електрода везана за позитивни пол), додати неколико капи јако разблаженог раствора скроба. Утврдити да ли се променила боја раствора. Такође обратити пажњу да ли се променила површина електрода.

При електролизи раствора цинк-јодида, на катоди се издваја елементарни цинк, а у анодном простору се издваја јод, који са скробом даје плаво обојено једињење. Процес електролизе раствора цинк-јодида тумачи се на следећи начин: пре почетка електролизе, јони Zn2+ и I– се у воденом раствору ZnI2 хаотично крећу. Од тренутка када се кроз раствор пропусти једносмерна електрична струја, почиње усмерено кретање јона ка супротно наелектрисаним електродама. Јони Zn2+ на катоди примају електроне и редукују се до елементарног цинка који се таложи на катоди. Јони I– на аноди отпуштају електроне и оксидују се до елементарног јода, који се доказује раствором скроба. катода: Zn2+(aq) + 2e– → Zn (s) анода: 2 I–(aq) → I2 + 2e– Код електролизе многих једињења оксидо-редукциони процеси нису овако једноставни, већ се дешавају накнадне, секундарне реакције. Да бисмо упознали неке од тих реакција, изведимо оглед електролизе раствора калијум-јодида, КI.

Оглед 23* Извести електролизу раствора калијум-јодида на начин описан у претходном огледу, са следећим модификацијама: у онај крак U-цеви у који је зароњена катода (тј. електрода везана за негативни пол) додати неколико капи индикатора фенолфталеина. У други крак U-цеви додати мало разблаженог раствора скроба. Посматрати промену боје раствора у катодном и анодном простору. Утврдити да ли је дошло до неких промена на електродама. Написати једначине реакција које се одигравају на катоди и аноди.

Током електролизе у катодном простору се јавља љубичастоцрвена боја, која потврђује базну реакцију раствора око катоде. У анодном простору се јавља плава боја, што доказује да се издваја елементарни јод. Осим тога, на катоди се издвајају мехурићи гаса. Код електролизе раствора калијум-јодида, могло би се очекивати да ће се јони К+ редуковати на катоди до елементарног калијума, аналогно јонима Zn2+ у претходном огледу. Међутим, промена боје индикатора показује да се у катодном простору јавља вишак ОН– јона, а мехурићи сведоче о издвајању гаса.

V 127

ОКСИДО-РЕДУКЦИОНИ ПРОЦЕСИ Пошто се у воденом раствору калијум-јодида поред јона К+ и I– налазе и јони Н3О+ и ОН– из воде (2 Н2О Н3О+ + ОН–), на катоди се редукују Н3О+ јони, пошто је та реакција енергетски повољнија од редукције К+ јона. Нарушена равнотежа између Н3О+ и ОН– јона у води изазива повећање концентрације ОН– јона у катодном простору, те он показује базну реакцију. На аноди се оксидују јони I– и настаје елементарни јод.



катода: 2 H3O+ + 2e → 2 H2O + H2 анода: 2 I– → I2 + 2e Реакције оксидације и редукције јона под утицајем електричне струје одигравају се истовремено, а посредством металног проводника електрони прелазе са анјона на катјоне. Електролиза има широку практичну примену, нарочито у металургији и неорганској хемијској индустрији. Тако се алкални и земноалкални метали, алуминијум итд. добијају електролитичким путем. Електролиза се примењује и код производње кисеоника, водоника, хлора, натријум-хидроксида и других важних супстанци. Велики индустријски значај има електролитичка рафинација* сировог * Француски: raffiner – пречистити бакра. Код тог поступка користи се растворљива анода, израђена од сировог бакра. Као електролит служи врели раствор бакар(II)-сулфата закисељен сумпорном киселином. При електролизи долази до растварања аноде, а настали јони Сu2+ путују према катоди (израђеној од чистог бакарног лима), где се редукују до атома Сu који се таложе (слика V-5).

катода

(чист бакар)

анода

(сиров бакар)

Cu2+

SO42–

Cu2+

Cu 2+

Слика V-5. Схема ћелије за електролитичку рафинацију бакра

SO42– Cu2+ Cu SO42–

SO42–

анодни муљ

Према томе, маса аноде (тј. сировог бакра) се током електролизе смањује, а маса катоде (тј. чистог бакра) се повећава. Многи метални предмети се електролитичким путем превлаче танким слојевима отпорнијих метала ради заштите од корозије. Аутомобилски и авионски делови, лекарски инструменти, прибор за јело и други предмети израђени од гвожђа, поступком електролизе се никлују или хромирају.

128 V

ОКСИДО-РЕДУКЦИОНИ ПРОЦЕСИ КОРОЗИЈА Корозија* је појава неповратног мењања метала под утицајем спољашње средине. При обичним условима разарање метала се одвија под утицајем кисеоника из ваздуха, водене паре и угљеник(IV)-оксида, СО2. Брзина корозије метала је различита и зависи од више фактора: од средине у којој се метал налази, природе метала, температуре, као и низа других специфичних фактора. Према свом карактеру, корозија се дели на хемијску и електрохемијску. Хемијска корозија изазвана је непосредним деловањем хемијских агенса на метале, на пример оксидација метала кисеоником из ваздуха. Електрохемијска корозија се јавља када два метала различите активности (односно различитих електродних потенцијала) дођу у додир са електролитом који омогућава одвијање оксидо-редукционих процеса. При томе се образују микрогалвански елементи у којима се одвијају процеси анодне оксидације и катодне редукције. Што је стандардни електродни потенцијал метала негативнији, он је активнији и понаша се као анода. Племенитији метал, са позитивнијим електродним потенцијалом, понаша се као катода на којој се одиграва редукција. При анодној оксидацији јони метала одлазе у раствор. При катодној редукцији најчешће се редукују јони Н+ или се образују јони ОН–. Размотримо описане процесе на примеру корозије гвожђа, које садржи примесе племенитијег метала, а у присуству електролита – неке киселине. При електрохемијској корозији, гвожђе се понаша као анода – оксидује се отпуштањем електрона и прелази у раствор: Fe

 Fe + 2e. 2+

Електрони који се ослобађају током ове реакције одлазе на микрокатоду, где реагују са водониковим јонима из киселине градећи молекулски водоник: 2 H+ + 2e → H2. У присуству воде и кисеоника из ваздуха, одвија се и следећи процес: 2 H2O + O2 + 4e

 4 OH . –

Тако настаје гвожђе(II)-хидроксид, Fe(OH)2, који на ваздуху прелази у хидратисани оксид Fe2O3 · nH2O. Овај оксид због своје растреситости не приања уз површину метала и не штити га од корозије. За разлику од гвожђа неки метали, као на пример алуминијум, калај, кобалт, цинк и хром, превлаче се компактним слојем оксида који штити метал од корозије. Пошто корозија смањује трајност машина, апарата, инструмената и металних конструкција и наноси велике штете привреди, проучавање корозије и метода заштите има велики теоријски и практични значај. Природни извори метала су ограничени, па је заштита метала неопходна, како би се они спасли од неповратног пропадања.

V 129

* Латински: corrodere – нагризати

ОКСИДО-РЕДУКЦИОНИ ПРОЦЕСИ Заштита метала од корозије може се постићи на више начина, од којих ћемо навести оне који се у пракси најчешће примењују. То су: а) образовање или наношење заштитних слојева, б) електролитичка заштита, в) заштита деловањем инхибитора. а) Заштитни слојеви наносе се на површину метала у готовом облику, или се слој ствара непосредно на металу поступцима термичке, електрохемијске или хемијске оксидације. Заштитни метал у растопљеном стању може се наносити помоћу компримованог ваздуха (метализација), или се наноси у праху који на повишеним температурама дифундује са површине у дубину основног метала. На овај начин наносе се алуминијум и цинк. На метале се могу наносити и минералне боје суспендоване у сушивим уљима. Када растварач испари, сушиво уље оксидује и ствара чврст заштитни слој. Примењују се и високомолекуларна органска једињења (смоле, гуме и пластичне масе) растворена у испарљивим растварачима. Отпорност метала на корозију повећава се и легирањем. Челик се, на пример, најчешће оплемењује хромом, манганом, волфрамом, ванадијумом и никлом. б) Електролитичка (катодна) заштита постиже се тако што се метал, који се штити, повеже са активнијим металом који се при корозији троши уместо њега. Када се активнији метал истроши, замењује се новим. Тако се, на пример, штите цеви под земљом. в) Инхибитори су супстанце које смањују брзину одређених хемијских процеса (види стр. 80). Додавањем металу инхибитора корозије, постиже се успоравање процеса нагризања метала. Као додаци се могу користити и оне супстанце које спречавају катодну или анодну реакцију.

Питања и задаци

1. Објасните процесе који се одигравају на инертним електродама при електролизи воденог раствора кухињске соли. Узмите у обзир да у реакцији учествују и јони из воде.

2. Водени раствор садржи јоне Сu2+ и Zn2+. Који ће се јони први редуковати на катоди?

3. Израчунајте колико се килограма металног натријума може добити електролизом 1000 kg растопљеног натријум-хидроксида. (Одговор: 575 kg) 4. Шта се подразумева под електрохемијском корозијом? 5. Ако у некој легури бакра има примеса цинка, који ће се метал растварати ако дође до електрохемијске корозије?

6. Који су најчешћи облици заштите метала од корозије?

130 V

РЕГИСТАР ПОЈМОВА

. И ИМЕНА

Афинитет према електрону 58 Акумулатори 124 Амфотерност 107 Анализа 68 Аренијус, С. 95 Арениусова теорија киселина и база 96 Атом 29 Атомске орбитале 34 Атомски број 9 Авогадров закон 12 Авогадрова константа 20

Берцелиус, Ј. Ј. 15 Бертолиди 12 Бор, Нилс 30 Боров атомски модел 30 Бренстед, Ј. Н. 98

Ваге. П. 78 Ван дер Валс, Ј. 56 Водонични експонент 102

Галвански елемент 122 Геј-Лисак. Ж. Л. 12 Главни квантни број 33 Групе 40 Гулдберг, К. М. 78

Далтон, Џон 29 Далтониди 11 Демокрит 29 Диполни моменат 54 Дисперзни системи 89

VI 131

РЕГИСТАР ПОЈМОВА И ИМЕНА – грубо дисперзни 89 – колоидно дисперзни 89 – молекулско дисперзни 89 Е

Електролиза 126 Електролити 95 Електронегативност 52 Електронске конфигурације 38 Електронски омотач атома 29 Електронски облак 32 Електрохемијски низ метала 120 Елементарне честице 29 Енергетски нивои 33 Енергетски поднивои 34 Енергија активације 79 Енергија јонизације 59 Енталпија 70

Закон о дејству маса 78 Закон сталних масених односа 11 Закон сталних запреминских односа 12 Закон умножених масених односа 11 Замена (супституција) 68 Засићени раствор 90

Изотопи 9 Индикатори 104

Јаки и слаби електролити 96 Језгро атома 29 Јонизација 97 Јонски производ воде 101

Катализатори 80 Класификација хемијских реакција 67 Количина супстанце 20 Количинска концентрација 92

132 IV

РЕГИСТАР ПОЈМОВА И ИМЕНА Количински односи супстанци 25 Константа дисоцијације 100 Константа равнотеже 83 Корозија 129 Кретање материје 7 Кристална решетка 63 – атомска 63 – јонска 64 – метална 64 – молекулска 63 Л

Ле Шатељеов принцип 87 Лоури, Т. М. 98 Луис, Г. Њ. 48

Масени број 9 Масени односи супстанци 24 Масени удео 24 Масени удео супстанци у раствору 93 Материја 7 Међумолекулска дејства 56 Мендељејев, Д. И. 40 Метална веза 64 Мол 20 Моларна запремина 22 Моларна маса 20

Неутрализација 97 Нормални услови 22

Оксидациона средства 113 Оксидациони број елемента 111 – у јонским једињењима 111 – у ковалентним једињењима 111

Паулијев принцип искључења 35 Периоде 40

VI 133

РЕГИСТАР ПОЈМОВА И ИМЕНА Периодни закон 44 Паулинг, Л. 53, 61 Принцип минимума енергије 35 Протолитичка теорија киселина и база 98 Пруст, Ж. 11 Пуферски системи 105 Р

Раствори 89 Растворљивост 90 Размена 68 Реакциона топлота 70 Редукциона средства 113 Релативна атомска маса 18 Релативна молекулска маса 19

Серенсен, П. Л. 102 Синтеза 68 Својства супстанци 7 Својства јонских једињења 62 Својства ковалентних једињења 62 Смеше 8 Стандардни услови 72 Стандардна водоникова електрода 120 Стандардни електродни потенцијал 121 Степен дисоцијације 95 Стехиометрија 24 Супстанца 7

Таласно-механички модел атома 32 Теорија електролитичке дисоцијације 95 Теорија судара 78 Томсон, Џ. Џ. 29 Топлота настајања једињења 72

Унифицирана атомска јединица масе 18

Физичко поље 7 Формулске јединке 16

134 IV

РЕГИСТАР ПОЈМОВА И ИМЕНА Х

Хемијска веза 47 – водонична 56 – јонска 60 – ковалентна 48 – метална 64 – неполарна и поларна 53 – сигма 50 – пи 50 Хемијска једињења 13 Хемијска равнотежа 82 Хемијске једначине 16 Хемијске реакције 67 – брзина 75 – типови 68 – егзотермне и ендотермне 69 Хемијске формуле 15 Хемијски елементи 9 Хемијски знаци 15 Хенријев закон 91 Хетерогене каталитичке реакције 81 Хетерогени системи 8, 84 Хидратација 90 Хидролиза 108 Хомогене каталитичке реакције 80 Хомогени системи 8, 84 Хундово правило 37

Чиниоци који утичу на хемијску равнотежу 85

VI 135

Др Славољуб Ђукић Радивој Николајевић мр Милена Шурјановић

ОПШТА ХЕМИЈА

за I разред средње школе за гимназије друштвено-језичког смера, за четворогодишње стручне школе у подручјима рада: шумарство и обрада дрвета, машинство и обрада метала, геодезија и грађевинарство, саобраћај, трговина, туризам и угоститељство, уметност и јавно информисање, текстилство и кожарство, геологија и рударство, електротехника, личне услуге, пољопривреда, производња и прерада хране (образовни профил техничар пољопривредне технике) и за трогодишње стручне школе у подручјима рада личне услуге, графичарство и здравство (образовни профил фармацеутски оператер) Двадесет шесто доштампано издање, 2023. године Издавач Завод за уџбенике, Београд Обилићев венац 5 www.zavod.co.rs Ликовни уредник Биљана Савић Лектор Драгица Тубић-Островска Коректор Милица Радан Јовановић Графички уредник Мирослав Радић Корице Нела Таталовић Слог и прелом АБРАКА-ДАБРА, Нови Сад Обим: 17 штампарских табака Формат: 20,5 × 26,5 cm Тираж: 2.300 примерака Рукопис предат у штампу маја 2023. године. Штампање завршено августа 2023. године (БИРОГРАФ, Земун) и јула 2024. године (ЈП СЛУЖБЕНИ ГЛАСНИК, Београд)

K.Б. 21188