Pierwiastki i związki chemiczne

Podział substancji

Okazuje się, że substancje które otrzymujemy po rozdzieleniu mieszaniny zawsze za każdym razem są jednorodne w całej rozciągłości i mają charakterystyczne właściwości, powtarzalne w każdym doświadczeniu.
Przykładem może być opisana w poprzednim rozdziale mieszanina cukru z żelazem. Za każdym razem po rozdzieleniu otrzymamy żelazo, które ma taką samą barwę, gęstość, temperaturę topnienia, itp. Podobnie i cukier, za każdym razem po rozdzieleniu jest tak samo słodki.
W tym miejscu pojawia się pytanie - czy z substancji takich jak żelazo i cukier, które są jednorodne w całej rozciągłości i mają charakterystyczne właściwości fizyczne możemy wydzielić inne substancje. Otóż okazuje się, że stosując tradycyjne metody fizyczne nie zaobserwujemy żadnego efektu zmiany właściwości. Dopiero kiedy cukier będziemy ogrzewali nad płomieniem zauważymy, że zmienia swoją barwę od białej przez brązową do czarnej a przy tym zmienia się jego waga. Badania czarnej substancji wskazują że jest to węgiel, który nie ulega dalszemu rozkładowi. Zmiana wagi dowodzi, że część cukru uległa zamianie na gaz.

Rys.1 Rozkład wody

Żelazo poddane takiemu samemu procesowi, praktycznie nie zmienia się. Ale wiemy, że pozostawione na wolnym powietrzu ulega korozji i pokrywa się warstwą rdzy i ogólna masa całej próbki rośnie. Takie zjawiska dowodzą, że w pewnych warunkach substancje mogą ulegec rozkładowi lub połączeniu z innymi, przy czym powstają substancje o nowych właściwościach fizycznych. Takich zjawisk, kiedy substancje zamieniają się w drugie możemy wiele zaobserwoać w swoim otoczeniu. Przykładem takiego zjawiska jest proces spalania węgla w piecach, benzyny w silniku spalinowym. Tak samo jesteśmy w stanie rozłożyć wodę i sól kuchenną, ale do tego potrzebne jest zródło prądu elektrycznego i naczynie nazywane elektrolizerem. W czasie rozkładu wody otrzymujemy dwie substancje gazowe - wodór i tlen, które nie ulegają dalszemu rozkładowi. Z soli kuchennej otrzymujemy dwie substancje sód i chlor, które nie ulegają dalszemu rozkładowi. Wniosek Z bardzo dużej ilości substancji wstępujących w przyrodzie (kilka milionów) poddanych procesowi rozkładu, otrzymujemy substancje (dwie lub wiele innych), których nie jesteśmy w stanie rozłożyć. Tych otrzymanych z rozkładu substancji jest kilkadziesiąt. Przykładem tych substancjami są: tlen, wodór, chlor, rtęć, żelazo, cynk, azot, argon, neon, węgiel, złoto, srebro, siarka, itd..

Z kolei te substancje mogą łączyć z sobą tworząc nowe substancje różniące się właściwościami od substancji wyjściowych. Na przykład wodór łączy się z tlenem w wyniku czego powstaje woda, substancja bez której nie mogło by powstać zycie na Ziemi.
Inny przykład - siarka zmieszana z żelazem, podgrzewana nad palnikiem daje nam nową substancję, która nie ma właściwości ani żelaza, ani siarki, ani ich mieszaniny. Tą substancją jest siarczek żelaza
W wyniku tych spostrzeżeń, podzielono substancje na dwie grupy, tj. substancje proste i substancje złożone.
Substancjami prostymi są substancje, która nie ulegają rozkładowi ale posiadają zdolnośc do łączenia sie z innymi substancjami. Noszą one inną nazwę - pierwiastków
Substancje złożone powstają z dwóch lub większej liczby połączonych z sobą substancji prostych (pierwiastków). Ta grupa substancji nosi inną nazwę związków chemicznych.

---

Substancje proste

Przykładem substancji prostej jest węgiel, substancja jaką otrzymaliśmy w wyniku ogrzewania cukru. W tym miejscu musimy zadać sobie pytanie - czy to jest kres podziału węgla, czy w tej czarnej masie węgla znajdują się jeszcze mniejsze cząstki?
Obecnie wiemy, że istnieje kres podziału tej masy węgla. Okazuje się że w tej masie węgla znajdują się jeszcze mniejsze drobiny, wszystkie takie same a ich rozmiary są niewyobrażalnie małe. Te najmniejsze cząstki nazwane zostały atomem
Pierwszy przekonujący dowód uzasadniający istnienie atomów podał w 1807 roku angielski nauczyciel i chemik John Dalton. Opierając się na wielu mozolnych pomiarach, zgromadził przekonujące dowody istnienia atomów o określonych, charakterystycznych dla dla danej substancji masach. Obecnie dzięki nowoczesnej aparaturze można uzyskać znacznie bardziej bezpośrednie dowody istnienia atomów.

Najmniejszą częścią pierwiastka jest drobina nazywana atomem

Przykładami substancji prostych są juz wcześniej wymienione substancje; tlen, wodór, chlor, rtęć, żelazo, cynk, azot, argon, neon, węgiel, złoto, srebro, siarka, itd.. Do 2005 roku odkryto lub wytworzono 118 pierwiastków.
Najważnieszą właściwością pierwiastków jest ich zdolność do łączenia się w bardziej złożone twory. Ta zdolność pierwiastków do wiązania się ze sobą warunkuje niezwykłe bogactwo świata, gdyż tak mała ilość pierwiastków może tworzyć niezliczone kombinacje, czego efektem jest niezliczona ilość związków chemicznych.

---

Substancje złożone (związki chemiczne)

Związek chemiczny to substancja, którą można rozłożyć na dwie lub więcej innych substancji prostych (pierwiastków). W związku chemicznym atomy występują w określonym charakterystycznym stosunku. Na przykład woda jest związkiem wodoru i tlenu, przy czym na każdy atom tlenu przypadają dwa atomy wodoru. Dowodzi tego doświadczenie przedstawione na rysunku 1, rozkładu wody przy pomocy prądu elektrycznego. W czasie rozkładu uwalniają się produkty gazowe, przy czym objętość wodoru jest dwa razy większa jak tlenu.
Przykładami innych substancji złożonych są; opisywany wcześniej cukier, sól kuchenna, papier, tworzywa sztuczne, itd.
Związek chemiczny nie jest prostą mieszaniną pierwiastków. Ich atomy są ze sobą powiązane w specyficzny sposób za pomocąwiązań chemicznych. To co powstaje nosi nazwę cząsteczki lub jonu

Najmniejszą częścią związku chemicznego jest drobina nazywana cząsteczką

Związki chemiczne dzieli się na organiczne i nieorganiczne Związki organiczne to związki węgla, z wyjątkiem niektórych bardzo prostych związków takich jak; tlenki węgla, węglany, węgliki, cyjanki. Wiele związków organicznych spotykamy w naszym otoczeniu, a są nimi paliwa (gaz ziemny, benzyna, olej napędowy), cukier, tłuszcze, tworzywa sztuczne i wiele innych. Związki te nazywa się organicznymi, ponieważ kiedyś wierzono, że mogą być wytwarzane tylko przez żywe organizmy. Obecnie wiemy, że pogląd ten był błędny. Liczba związków organicznych jest wielokrotnie większa od liczby znanych związków nieorganicznych.
Związki nieorganiczne to substancje powstałe z połączenia wszystkich pozostałych pierwiastków. Najbardziej znane związki nieorganiczne to; woda, sól kuchenna, kwas siarkowy, dwutlenek węgla, wszystkie minerały, itp.
Do pojęć atom, cząsteczka i jon wrócimy w dalszej części podręcznika, kiedy bedą szczegółowo opisywane mechanizmy tworzenia wiązan chemicznych.

---

Mieszanina a związek chemiczny

Pełną klasyfikację przedmiotów materialnych z którymi spotykamy sie w życiu codziennym, przedstawia poniższy schemat.

Rodzaje materii

Wskazane jest staranne przeanalizowanie powyższego schematu i podanie dwóch lub trzech przykładów z sześciu rodzajów materiałów mogących wchodzić w skład przedmiotów materialnych.

Przykład Dokonaj klasyfikacji następujących materiałów, zaliczając je do jednorodnych lub niejednorodnych, substancji lub roztworów, związków lub pierwiastków; a) para wodna, b) grafit, c)czysta sól, d) krewRozwiązanie a) Para wodna jest jednorodna, jest substancją i związkiem chemicznym pierwiastków - wodoru i tlenu. b) Grafit jest jednorodną substancją, jedną z postaci pierwiastka węgla. c) Czysta sól jest jednorodna, jest substancją i związkiem chemicznym pierwiastków - sodu i chloru d) Krew jest niejednorodna, zawiera białe i czerwone ciałka krwi oraz wiele innych substancji w roztworze.

Z kolei ważne jest rozróżnianie mieszanin i związków chemicznych. To nie jest to samo. Poniższa tabela opisuje podstawowe różnice między mieszaniną a związkiem chemicznym.

Mieszanina	Związek chemiczny
Powstaje przez zwykłe zmieszanie dwu lub większej liczby substancji	Powstaje w wyniku połączenia się różnych substancji prostych
Składniki zachowują swoje właściwości przed i po zmieszaniu	Ma inne właściwości niż składniki z których powstał
Można rozdzielić na składniki z wykorzystaniem różnic we właściwościach fizycznych poszczegolnych składników	Można rozłożyć z wykorzystniem bodzca zewnętrzego (temperatura, prąd, światło, itp.)

---

Ważne pojęcia

Substancja prosta - to substancja, której nie można rozłożyć Substancja złożona - to substancja, którą mozna rozłożyć na dwie lub więcej innych substancji Atom - najmniejsza część pierwiastka chemicznego. Cząsteczka chemiczna - to najmniejszy element strukturalny związku chemicznego.