Chemia - Chemia jako nauka o substancjach

Hipotezy i teorie w chemii

Rys.1 Pracownia alchemika

Matką dzisiejszej chemii jest alchemia, która znana była w starożytności w Egipcie, Indiach, Babilonie, Grecji i Chinach. Była ona zaliczana do tzw. nauk tajemnych a wiedza alchemiczna była pilnie strzeżona i dostępna tylko dla wtajemniczonych. W oparciu o tę wiedzę rozwinięto wiele praktycznych umiejętności, takich jak; wytwarzanie wielu stopów metali, produkcja szkła i emalii, farbowanie tkanin z wykorzystaniem barwników, wytwarzanie imitacji kamieni szlachetnych. W VII w. n.e. tradycje alchemiczne przejmują Arabowie. W tym też okresie pojawia się termin "alchemia" przez dodanie przedrostka "al." do starożytnego wyrazu "khemeia". Jest to okres w którym znaczny wkład w rozwój teorii alchemicznych jak i alchemii praktycznej wnieśli arabowie. Stworzyli oni nową koncepcję rtęciowo-siarkową, rozwinęli znaną z alchemii chińskiej koncepcję eliksiru (arab. al-iksir) życia, stworzyli pojęcie kamienia filozoficznego. W zakresie alchemii praktycznej dokonali wielu udoskonaleń w zakresie takich, między innymi, operacji laboratoryjnych jak destylacja, sublimacja i krystalizacja.

Do dziś tamten okres w rozwoju alchemii pozostawił po sobie ślady w języku codziennym (eliksir, nafta) jak i w terminologii chemicznej, gdzie choć takie nazwy jak alembik, saletra, morkazyt, czy boraks odchodzą powoli w zapomnienie jako nazwy zwyczajowe, to część terminologicznej spuścizny arabskiej znalazła swe miejsce w oficjalnej nomenklaturze chemicznej.
Poglądy głoszone przez alchemików zostały obalone w XVI, kiedy po raz pierwszy podano definicję pierwiastka chemicznego, jako ciała, które nie daje się rozłożyć na ciała prostsze. Dokonał tego Boyle, który podał podstawy klasyfikacji substancji chemicznych, dzieląc je na:

• pierwiastki
• ziemie
• kwasy
• zasady i sole

On zapoczątkował także analizę chemiczną.
Wyniki różnych pobocznych prac prowadzonych w ramach alchemii zaowocowały odkryciem wielu substancji (m.in. fosforu, arsenu, kwasów mineralnych, amoniaku, niektórych soli) i poznaniem ich podstawowych własności. Alchemicy skonstruowali aparaturę laboratoryjną oraz opracowali metody rozdziału substancji. W XV-XVI w. zajęli się głównie alchemią lekarską (jatrochemią), czyli zastosowaniem substancji chemicznych do leczenia chorób. W XVI-XVIII w. alchemia stopniowo przeobraża się w nowoczesną naukę, by dać podwaliny rozwojowi współczesnej chemii.

Rys.2 Narzędzia alchemika

Rewolucyjnego przewrótu w chemii dokonał A.Lavoisier (1743 - 1794), który pierwszy wprowadził do chemii pomiary ilościowe. Lavoisier stwierdził niezmienność ogólnej masy układu reagującego i z tego faktu wyciągnął dalsze wnioski oraz sformułował prawa łączenia się ciał. Ugruntował użycie wagi jako niezbędnego przyrządu chemicznego. Lata badań i obserwacji pozwoliły wyjaśnić i zdefiniować wiele zadziwiających zjawisk, takich jak; przemiana chemiczna dlaczego jedne substancje przemieniają się w drugie dlaczego w czasie przemian chemicznych obserwujemy wydzielanie lub pochłanianie ciepła dlaczego substancje łączą się ze sobą w ściśle określonych stosunkach ilościowych.

W XIX wieku rozwój chemii odbywał sie pod znakiem wprowadzania nowych teorii budowy materii oraz odkrywania nowych substancji. Całą zdobytą wiedzę systematyzowano i uporządkowano.
Ostatecznym wynikiem wielu obserwacji i badań jest współczesna chemia, która stała się nauką szeroko rozbudowaną. Dała ona podwaliny pod obecnie istniejący przemysł chemiczny, który dostarcza nam wielu produktów bez których trudno wyobrazić sobie życie wspólczesnego człowieka.

Materia i substancje

---

Do czego potrzebna jest nam znajomość chemii?

Wiele osób uważa, że chemia jest trudna do nauki. a jeden z działów chemii - "Chemia organiczna" jest dla niektórych wręcz czarną magią i wydawałoby się, że tylko dla wtajemniczonych. Jest to absolutna nieprawda. Chemia jest nauką łatwą i może sprawić nam wiele przyjemności. Jest jednak jedno "ale"! Musimy posiąść minimum podstawowej wiedzy i uczyć się przez zrozumienie a nie na pamięć. Ucząc się stawiaj sobie przy tym mnóstwo pytań i staraj się na nie odpowiedzieć. Na wiele pytań znajdziesz odpowiedz w swoim otoczeniu, prowadzaąc obserwacje różnego rodzaju przemian wymuszonych przez człowieka a które mają miejsce w kuchni, ogrodzie, lesie, rzekach jak i również przemian, które przebiegają samoistnie bez udziału człowieka. Czytelniku, wiele przemian chemicznych będziesz mógł przeprowadzic sam, korzystając z wiedzy jaką otrzymasz w czasie lekcji chemii.
Musisz wiedzieć, że ucząc się chemii poznasz prawa i fakty z którymi spotykamy się codziennie oraz będziesz w stanie wyjaśnić je i zastosować dla własnych potrzeb. Znajomość chemii pozwoli Tobie czytelniku poznać;

• podstawowe zjawiska życiowe takie jak; wzrost roślin, oddychanie, trawienie
• zjawiska przemiany jednych substancji w drugie

Wiecej, ucząc się chemii będziemy mogli;

• poznać skład materii, tj.
  • z jakich drobin jest zbudowana?
  • jaka jest ich konfiguracja przestrzenna?
• poznać techniki wykrywania składu materii
• poznać prawa, które rządzą zachowaniem sie materii
• poznać wybrane grupy związków chemicznych i podstawowe drobiny z których są zbudowane
• poznać praktyczny aspekt wykorzystania chemii w życiu człowieka i jego otoczenia

---

Chemia jako nauka o substancjach

Czytelniku, z takimi pojęciami jak materia, substancja wielokrotnie spotkałeś się. Mogło ty być w szkole, na podwórku, w domu i w wielu innych miejscach. Otóż okazuje się, że są to pojęcia nierozerwalnie związane z chemią, ponieważ chemia jako nauka zajmuje się badaniem substancji oraz ich struktury.

Czym jest materia?

Materia jest częścią wszechświata, występującą pod postacią - gazów, cieczy i ciał stałych o różnych kształtach i wymiarach. Składnikami materii są natomiast substancje, które mają swoją masę i objętość. I właśnie chemia jako nauka zajmuje sięsubstancjami. Pospolite substancje to:

• woda
• cukier
• sól
• żelazo
• itd

Wszystko to możemy zobaczyć w naszym otoczeniu, dotknąć i poddać przeróbce. Czytelnik może podać wiele innych przykładów.

Czym jest substancja?

Substancją jest jednorodny materiał o określonym składzie chemicznym

Takimi substancjami są wcześniej podane przykłady, tj. czysta sól, czysta siarka, czysta woda, czyste żelazo, czysty cukier. Ale w świetle podanej definicji roztwór cukru w wodzie nie jest substancją oraz tak samo woda mineralna kupowana w sklepie nie jest substancją. Innym przykładem może być benzyna, która ma strukturę jednorodną ale jest mieszaniną wielu substancji.

Co nam pozwala identyfikować substancje chemiczne?
Do identyfikacji substancji (materii) chemicy wykorzystują znajomość właściwości substancji, którymi są;.

• właściwości fizyczne
• właściwości chemiczne

Ogólnie pojęcie "właściwość" określa charakterystyczne cechy substancji (materii), które pozwalają identyfikować substancję jak i również wydzielić ją z mieszaniny róznych substancji.

Właściwość fizyczna

Właściwość fizyczna to taka cecha substancji, którą można obserwować i mierzyć bez dokonywania przemiany jednej substancji w drugą

Właściwość fizyczna

Badanie właściwości substancji

Właściwością fizyczną jest; stan skupienia temperatura topnienia temperatura wrzenia barwa rozpuszczalność w wodzie i innych rozpuszczalnikach wytrzymałość na uderzenia i zarysowanie gęstość przewodnictwo elektryczne zachowanie sie w polu magnetycznym smak kowalność

W czasie badania właściwości substancji wykorzystujemy metody fizyczne. A niektóre z tych badań są na tyle proste, że możesz je z powodzeniem wykonać w warunkach domowych. Na przykład; stan skupienia - badamy wzrokiem, co pozwala odróżnić stan gazowy, ciekły i stały rozpuszczalność - wystarczy wrzucić do wody i sprawdzic czy dana substancja w czasie mieszania rozpuszcza się czy nie wytrzymałość na uderzenia - sprawdzamy wytrzymałość substancji na uderzenia np. młotkiem. Jeżeli substancja jest krucha uderzona rozpada się na kilka części przewodnictwo elektryczne - sprawdzamy budując prosty obwód elektryczny w którym wykorzystamy prostą bateryjkę, odcinki przewodów i żarówkę a badaną próbkę włączamy w obwód. Jeżeli substancja przewodzi prąd elektryczny, żarówka zaświeci się, w przeciwnym przypadku nie zaświeci się. Badanie innych właściwości substancji wymaga zastosowania aparatury i przyrządów, którymi najczęściej w domu nie dysponujemy.

Jako przykład substancji możemy obrać sól kuchenną (chlorek sodu). Wiemy, że sól kuchenna może występować w różnych postaciach; jako sól stołowa w drobnych kryształach, sól w postaci większych kryształów oraz jako naturalne kryształy soli kamiennej, o wymiarach kilku lub kilkunastu centymetrów. Mimo wyraźnych różnic wszystkie te próbki soli mają te same zasadnicze właściwości, tj. słony smak, jednakową gęstość, taką samą temperaturę topnienia.
Ten przykład pokazuje, że cechy które opisują właściwości fizyczne w tych samych warunkach zewnętrznych są takie same dla wszystkie próbek określonej substancji, niezależnie od miejsca pochodzenia.

Właściwość chemiczna

Właściwości chemiczne określają zdolność substancji do przekształcania się w inną substancję

Na przykład węgiel w piecach przekształca się w produkt gazowy, gdy spala się przy dostępie powietrza. To charakterystyczne zachowanie się węgla stanowi właściwość chemiczną.
Innym przykładem właściwości chemicznej może być proces rdzewienia żelaza a właściwością chemiczną w tym procesie jest zdolność łączenia się żelaza z tlenem w wilgotnym powietrzu. Wynikiem tej przemiany jest rdza, która z punktu widzenia człowieka jest zjawiskiem szkodliwym.
Innymi przykładami przemian chemicznych są;

• palenie się gazu ziemnego
• trawienie pożywienia w żołądku
• łączenie się tlenu z hemoglobiną znajdującą sie we krwi
• rozkład proszku do pieczenia podczas wypieku ciast
• i wiele innych.

---

Pracownia chemiczna

Podstawą poznania wielu zjawisk chemicznych jest eksperyment (doświadczenie), który jako metoda poznawcza ma na celu;

• zbadanie właściwości substancji
• zbadanie przebiegu reakcji chemicznych
• określenie przemysłowych sposobów i warunków realizacji przemian chemicznych.

Rys.3 Rozdział substancji

W początkowym okresie rozwoju chemii powszechnie stosowanymi metodami poznawczymi były; obserwacja i pomiar. W czasie obserwacji wykorzystywano zmysły człowieka, takie jak; wzrok, węch i słuch a przyrządem pomiarowym najczęściej była waga. Nie były to metody doskonałe ale pozwoliły sformułować podstawowe prawa chemii. Największy postęp w zakresie stosowanych technik badania struktur materii i zjawisk chemicznych zanotowano w XIX wieku i kolejnych latach. Powszechne zastosowanie mają tutaj; mikroskopowy, wagi o dużej dokładności, przyrządy do badania emisji światła, itp. W czasach nam współczesnych eksperymenty przeprowadza sie w odpowiednio wyposażonych laboratoriach chemicznych. Taka pracownia w niczym nie przypomina pracowni alchemika. Znajduje się tutaj wiele przyrządów elektronicznych o dużej dokładności pomiaru, wiele rodzajów szkła laboratoryjnego a i warunki pracy zapewniają bezpieczeństwo zatrudnionych osób.Również i w szkole powinna znajdować się taka pracownia w której będzie możliwe będzie przeprowadzenie podstawowych eksperymentów chemicznych.

Rys.4 Laboratorium chemiczne

Dobrze urządzona pracownia chemiczna (rys.4) powinna posiadać znaczną ilość stanowisk roboczych przeznaczonych dla uczniów, w postaci stołów, krzeseł, przewodów gazowych, wodociągowych, elektrycznych, zlewów, kontaktów itp. Niezbędny jest oczywiście stół demonstracyjny nauczyciela, wyciąg oraz różnego rodzaju sprzęt i materiały chemiczne Postawowym sprzętem jest szkło laboratoryjne i wiele różnego rodzaju urządzeń laboratoryjnych. Podstawowe rodzaje szkła laboratoryjnego prezentuje poniższa tabela.

Szkło laboratoryjne i akcesoria

Fotografie prezentowane są za zgodą firmy "Conbest"
Biureta	Chłodnica	Cylinder miarowy	Eksykator	Kolba miarowa
Kolba	Lejek	Mozdzierz	Pipety	Pipeta
Probówki	Zlewka	Palnik	Stojak	Termometry

Urządzenia laboratoryjne

Fotografie prezentowane są za zgodą firmy "Conbest"
Piec	Suszarka	Mieszadło
Papierki wskaznikowe	Pehametr	Waga analityczna

Materiały to różnego rodzaju chemikalia, takie jak; kwasy, wodorotlenki, sole, metale, itp.

---

Warunki bezpieczeństwa w pracowni chemicznej

W pomieszczeniach w których przeprowadzane są eksperymenty, należy zachwać szczególną ostrożność a to z uwagi na obecność substancji o właściwościach parzących, toksycznych, palnych i wybuchowych. Dlatego w czasie eksperymentów należy przestrzegać następujących zasad;

• dostęp do laboratorium możliwy jest tylko w obecności nauczyciela,
• droga ewakuacji w przypadku pożaru powinna być znana,
• trzeba znać miejsce przechowywania i sposób obsługi sprzetu przeciwpożarowego,
• otwarte zawory gazowe, zapach gazu, uszkodzone gniazda elektryczne, a także o innych niebezpieczeństwach należy bezwłocznie informowac nauczyciela,
• dotykanie przyrządów, chemikaliów, przełączników bez zezwolenia nauczyciela jest zabronione,
• włączanie urządzeń elektrycznych lub otwieranie zaworów gazowych jest dopuszczalne tylko na polecenie nauczyciela,
• miejsce i zawartość apteczki podręcznej muszą być znane,
• eksperymenty, w trakcie których wydzielają się gazy lub pary toksyczne, szkodliwe, żrące lub drażniące, należy wykonywać dokładnie według wskazówek nauczyciela,
• pipetowanie ustami jest zabronione,
• na polecenie nauczyciela należy stosować okulary ochronne,
• w pomieszczeniach, w których przeprowadzane są eksperymenty, nie należy jeść, palić, malować się itp.

Chemikalia przechowuje się w pojemnikach dostarczanych przez handel lub producenta. Na wszystkich pojemnikach w których przechowywane są substancje niebezpieczne należy nanieść odpowiednie oznaczenie w postaci piktogramów (patrz tabela).

Symbol	Oznaczenie	Klasyfikacja	Opis
	C	Żrący	Substancje, które mogą uszkadzać lub podrażniać skórę, naskórek, oczy i drogi oddechowe
	Xi	Drażniący	Substancje, które mogą uszkadzać lub podrażniać skórę, naskórek, oczy i drogi oddechowe
	F+	Substancje bardzo łatwo zapalne	Są to ciecze z temperaturą zapłonu znacznie poniżej 0oC i temperaturze wrzenia poniżej 35oC, substancje gazowe i mieszaniny, które w warunkach normalnych zapalają się wskutek kontaktu z powietrzem
	F	Substancje łatwo zapalne	Są to ciecze z temperaturą zapłonu znacznie poniżej 21oC ale nie bardzo łatwo zapalne. Substancje stałe i mieszaniny, które wskutek krótkotrwałego oddziaływania zródła zapłonu łatwo zapalają się i po odsunięciu zródła zapłonu palą się lub zarżą.
	N	Substancje szkodliwe dla środowiska	Substancje lub produkty wywierające ujemny wpływ na wodę, ziemię, powietrze, klimat, zwierzeta, rośliny lub mikroorganizmy.
	Xn	Szkodliwa dla zdrowia	Substancje, kltóre po połknięciu, wdychaniu lub kontakcie ze skórą, wywołują ciężkie szkody na zdrowiu mogące niekiedy prowadzić do zgonu (duże ilości są szkodliwe.
	T+	Bardzo toksyczny	Substancje, kltóre po połknięciu, wdychaniu lub kontakcie ze skórą, wywołują ciężkie szkody na zdrowiu mogące niekiedy prowadzić do zgonu (bardzo małe ilości są szkodliwe).
	T	Toksyczny	Substancje, kltóre po połknięciu, wdychaniu lub kontakcie ze skórą, wywołują ciężkie szkody na zdrowiu mogące niekiedy prowadzić do zgonu (małe ilości są szkodliwe).
	O	Podtrzymuje palenie	Substancje zdolne do spowodowania lub podtrzymania pożarów lub zapalenia substancji palnych lub utworzenia z nimi mieszanek wybuchowych.
	E	Substancja wybuchowa	Substancje, które na wskutek uderzenia, potarcia, działania ognia lub zastosowania innych zródeł zapłonu mają właściwości wybuchowe.

---

Ważne pojęcia

Substancja - jednorodny materiał o określonym składzie chemicznym Właściwość fizyczna - cecha substancji, którą można obserwować i mierzyć bez dokonywania przemiany jednej substancji w drugą Właściwość chemiczna - cecha substancji, która związana jest z jej udziałem w przemianach chemicznych