of 159/159
KEMIJA SKRIPTA ZA DRŽAVNU MATURU Kristina Kučanda

hemija skripta

  • View
    469

  • Download
    32

Embed Size (px)

DESCRIPTION

skripta iz opste hemije

Text of hemija skripta

  • KEMIJA

    SKRIPTA ZA DRAVNU MATURU

    Kristina Kuanda

  • 2

    Autor:

    Kristina Kuanda,

    [email protected]

    prema:

    Ispitni katalog

    za dravnu maturu

    u k. god. 2011/2012.,

    Kemija,

    NCVVO

    www.ncvvo.hr

    Objavljeno na:

    www.drzavnamatura.com

    Kontakt : [email protected]

    Skripta se moe koristiti samo za individualne potrebe korisnika uz potivanje svih autorskih i

    vlasnikih prava. Zabranjeno je mijenjati, distribuirati, prodavati, licencirati ili koristiti sadraj

    u komercijalne ili bilo koje druge svrhe bez dozvole autora. Skripta se koristi na vlastitu

    odgovornost i autori se ne mogu smatrati odgovornima za bilo kakvu tetu koja na bilo koji

    nain moe nastati koritenjem.

    Zagreb, 2012.

  • 3

    Sadraj

    1. Kemijske strukture (atomi i molekule) ............................................................................... 7

    1.1. Osnovna graa atoma i molekule ................................................................................ 7

    1.2. Atomski i maseni broj .................................................................................................. 8

    1.3. Nuklid, izotop, izobar i kemijski element .................................................................... 9

    1.4. Elektronska struktura atoma i atomski spektri ........................................................... 9

    1.5. Periodni sustav elemenata ........................................................................................ 12

    1.6. Elektronska konfiguracija .......................................................................................... 13

    1.7. Polumjeri atoma ........................................................................................................ 15

    1.8. Periodinost atomskih svojstava ............................................................................... 17

    1.9. Periodinost fizikalnih i kemijskih svojstava .............................................................. 20

    1.10. Izoelektronske estice i njihova veliina ................................................................ 20

    1.11. Vrste kemijskih veza ............................................................................................... 22

    1.12. Meumolekulske interakcije.................................................................................. 26

    1.13. Utjecaj temperature na kemijske veze i meumolekulske interakcije .................. 26

    1.14. Lewisova simbolika ................................................................................................ 27

    1.15. Pravilo okteta i odstupanja .................................................................................... 27

    1.16. VSEPR teorija .......................................................................................................... 27

    1.17. Kako nacrtati prostornu strukturu? ....................................................................... 32

    1.18. Vrste kemijskih formula i izomeri (u organskoj kemiji) ......................................... 33

    1.19. Najvanije vrste organskih spojeva ........................................................................ 41

    1.20. Shematske strukture vanih biomolekula .............................................................. 45

    2. Kemijske reakcije .............................................................................................................. 49

    2.1. Kemijska reakcija ....................................................................................................... 49

    2.2. Vrste kemijskih reakcija ............................................................................................. 49

    2.3. Vanije organske reakcije .......................................................................................... 54

  • 4

    2.4. Dokazne reakcije (analitike probe) .......................................................................... 61

    2.5. Brzina kemijske reakcije ............................................................................................ 63

    2.6. Kemijska ravnotea .................................................................................................... 65

    2.7. Kiseline, baze i soli ..................................................................................................... 69

    a. Arrheniusova teorija .................................................................................................. 69

    b. BrnstedLowryeva teorija .................................................................................... 70

    c. Kiselobazne reakcije ................................................................................................ 72

    d. Kiselobazni indikatori ........................................................................................... 73

    2.8. Redoksi ....................................................................................................................... 75

    2.9. Elektrokemija elektrolizni i galvanski lanci ........................................................... 82

    2.10. Korozija................................................................................................................... 90

    3. Raunanje u kemiji ........................................................................................................... 93

    3.1. "Zaokruivanje" .......................................................................................................... 93

    3.2. Pretvaranje mjernih jedinica ..................................................................................... 94

    3.3. Veliine koje je potrebno poznavati .......................................................................... 95

    3.4. Bitne formule ............................................................................................................. 97

    4. Kemijski sustavi (tvari) .................................................................................................... 129

    4.1. Podjela tvari po sloenosti ....................................................................................... 129

    4.2. Temeljni fizikalni postupci odvajanja tvari iz smjesa ............................................... 129

    4.3. Temeljna fizikalna svojstva ...................................................................................... 131

    4.4. Fizikalna svojstva ionskih tvari i elektrina svojstva njihovih taljevina ili otopina .. 133

    4.5. Kristalne strukture ................................................................................................... 133

    4.6. Disperzni sustavi ...................................................................................................... 145

    4.7. Koligativna svojstva ................................................................................................. 146

    4.8. Topljivost ................................................................................................................. 147

    4.9. Procesi tijekom otapanja ......................................................................................... 147

  • 5

    4.10. Utjecaji na topljivost ............................................................................................ 148

    4.11. Otopine ................................................................................................................ 148

    4.12. "Pravila" topljivosti .............................................................................................. 149

    a. "Otapanje" koje zapravo znai kemijsku reakciju ................................................... 150

    4.13. Kemijska namjena tvari iz svakodnevne uporabe i uobiajenih laboratorijskih

    kemikalija ............................................................................................................................ 152

    a. Tvari iz svakodnevne upotrebe ................................................................................ 152

    b. Uobiajene laboratorijske kemikalije ................................................................... 153

    c. Kemijske formule i nazivi ......................................................................................... 153

    d. Jo neke obojene tvari ......................................................................................... 155

    4.14. Opasnosti i mjere sigurnosti pri radu s kemikalijama .......................................... 157

    Dodatni savjeti maturantima ................................................................................................. 158

  • 6

    Uvod

    Ovo 3. izdanje Skripte za dravnu maturu iz Kemije, za k. god. 2012/13., znatno preinaeno i

    nadopunjeno u odnosu na prethodno, prvo je u kojem sam nastojala obuhvatiti sve stavke

    Ispitnog kataloga (za k. god. 2011/12.)1. Skripta je prvenstveno namijenjena za ponavljanje i

    sistematizaciju gradiva uenicima gimnazija koji su imali nastavu kemije sve 4 godine te NE

    preporuam ostalima da se njome slue kao jedinim izvorom za maturu (nikakva skripta ne

    moe zamijeniti udbenike). Pokuala sam skriptu uiniti itljivom uz pretpostavku

    poznavanja samo osnovnokolske kemije i fizike te matematike za osnovnu razinu mature

    plus logaritama, ali ne znam koliko sam u tome uspjela. Naglasak je na naprednijem gradivu

    koje nije (dovoljno detaljno) obraeno u udbenicima, a osnovne koncepte dala sam to

    saetije. Za pripremanje za maturu nakon prolaska kroz skriptu preporuam rjeavanje

    zadataka s prolih matura uz pomo Obrazloenih rjeenja zadataka s nacionalnih ispita i

    dravnih matura koja su takoer objavljena na www.drzavnamatura.com i kojima sam

    takoer autorica. Molim da sve uoene greke, nejasnoe i primjedbe oko skripte ili rjeenja

    zadataka javite na [email protected] kako biste dobili razjanjenja i kako bi

    sljedea verzija skripte bila bolja.

    Upute za snalaenje u skripti:

    Boja teksta upuuje na teinu gradiva:

    zelenom je oznaeno osnovno gradivo koje bi svi trebali bar donekle poznavati za dovoljan ili

    dobar uspjeh na maturi,

    naranastom je oznaeno neto naprednije gradivo (za vie ocjene), a

    tamnocrvenom najnaprednije gradivo (za one koji ele znati vie nije vjerojatno, premda

    nije ni posve iskljueno, da e se takvo gradivo pojaviti na maturi);

    ljubiastom je oznaeno gradivo koje se ne bi smjelo pojaviti na maturi, ali moe olakati

    razumijevanje gradiva za maturu i/ili pomoi onima koji ele znati vie.

    Oznake:

    Zadatak ije rjeenje je dano odmah nakon njega ili nakon tog bloka zadataka

    Primjer

    Poveznica s gradivom obraenim drugdje u skripti

    1 Bilo bi besmisleno strogo se drati redoslijeda u ispitnom katalogu jer ne slijedi nijednu logiku uenja i previe

    razdvaja povezana gradiva, pa sam odabrala osnovni redoslijed "od jednostavnog prema sloenijem" tj. od atoma i molekula preko kemijskih reakcija do sloenijih struktura tvari (kristala, otopina).

  • 7

    1. Kemijske strukture (atomi i molekule)

    1.1. Osnovna graa atoma i molekule

    atom =

    jezgra (ine ju elementarne estice nukleoni = protoni i neutroni pozitivno nabijena,

    veina mase a zanemariv dio volumena atoma)

    + elektronski omota (prostor oko jezgre po kojem se velikom brzinom gibaju elektroni

    negativno nabijen, veina volumena2 a zanemariv dio mase atoma)

    Elementarne estice ili subatomske estice3:

    estica masa naboj

    proton 1,6731027 kg +1,6021019 C

    neutron 1,6751027 kg 0

    elektron 9,1091031 kg 1,6021019 C

    Elementarni naboj e je apsolutna vrijednost naboja jednog protona odnosno jednog

    elektrona (naboj protona i elektrona je istog iznosa, a suprotnog predznaka).

    Atom je elektriki neutralan sadri jednak broj pozitivno i negativno nabijenih

    elementarnih estica pa mu je naboj 0. Otputanjem elektrona iz atoma nastaje kation iji

    pozitivan nabojni broj pokazuje koliko elektrona imaju manjka u odnosu na odgovarajui

    atom, a kad atom primi elektron(e) nastaje anion iji negativan nabojni broj pokazuje koliko

    elektrona ima vika u odnosu na odgovarajui atom. Pri tome se broj protona i neutrona ne

    mijenja.

    Npr.:

    kation atom anion

    H+

    1 p+

    0 n0

    0 e

    nabojni broj +1

    1 elektron

    H

    1 p+

    0 n0

    1 e

    nabojni broj 0

    + 1 elektron

    H

    1 p+

    0 n0

    2 e

    nabojni broj 1

    2 Radijus jezgre je otprilike (reda veliine) 1015 m, a radijus atoma 1010 m.

    3 Ne treba znati ove niti bilo koje druge takve brojke napamet, sve koje su potrebne dobiju se uz ispit u popisu

    konstanti na onoliko znamenaka na koliko ih treba koristiti.

  • 8

    kation atom anion

    P

    15 p+

    16 n0

    15 e

    nabojni broj 0

    + 3 elektrona

    P3

    15 p+

    16 n0

    18 e

    nabojni broj 3

    Mn2+

    25 p+

    30 n0

    23 e

    nabojni broj +2

    2 elektrona

    Mn

    25 p+

    30 n0

    25 e

    nabojni broj 0

    Molekula je elektrini neutralan spoj vie atoma (istih ili razliitih). Vieatomni anioni i

    kationi odnose se prema molekulama isto kao jednoatomni anioni i kationi prema atomima,

    npr. O22 (peroksidni anion) ima 2 elektrona vie nego O2 (molekula kisika).

    1.2. Atomski i maseni broj

    Pojedini atom (nuklid, vidi dalje) oznaava se:

    Z = atomski (protonski, redni) broj = broj protona u jezgri

    A = nukleonski (maseni) broj = broj protona + broj neutrona

    neutronski broj = broj neutrona u jezgri = A Z

    Npr.:

    Z = 27, A = 59

    N(p+) = 27, N(n0) = 59 27 = 32, N(e) = 27

  • 9

    1.3. Nuklid, izotop, izobar i kemijski element

    Nuklid je skup svih atoma koji imaju isti broj i protona i neutrona u jezgri, npr. svi ali

    ne skupa s njima i i

    Izotopi su atomi istog kemijskog elementa (dakle imaju isti broj protona u jezgri) a razliitog

    broja neutrona u jezgri pa time i razliitog masenog broja, npr. ,

    i

    Izobari su atomi razliitih kemijskih elemenata (dakle imaju razliit broj protona u jezgri) a

    istog masenog broja, npr. i

    Kemijski element je skup svih atoma (izotopa) koji imaju isti broj protona u jezgri.

    1.4. Elektronska struktura atoma i atomski spektri

    Bohrov model atoma: elektroni krue oko jezgre po odreenim putanjama (vrlo

    velikima u odnosu na veliinu jezgre), koje je Bohr pojednostavljeno zamislio kao

    krunice elektron na odreenoj putanji ima odreenu energiju i moe apsorbirati

    (primiti) samo tono toliko energije koliko mu je potrebno za prelazak u putanju veeg

    polumjera (ili potpuno naputanje atoma, to odgovara prelasku u putanju beskonanog

    polumjera to je onda energija ionizacije), a pri povratku u putanju manjeg polumjera

    emitira (otputa) jednako toliko energije. Bohrov model najbolje opisuje atom vodika,

    koji ima samo jedan elektron (jer ne uzima u obzir meusobno odbijanje vie elektrona).

    Normalno (veinu vremena, bez vanjskih utjecaja) atom se nalazi u osnovnom stanju

    elektroni u putanjama to manjeg polumjera tako da imaju to manju energiju.

  • 10

    Prirodni broj n je redni broj orbitale, orbitale manjeg n su manjeg polumjera, za atome

    s vie elektrona n je broj ljuske (za vanjske tj. valentne elektrone jednak broju periode u

    kojoj se taj atom nalazi u periodnom sustavu).

    Kad je atom izloen energiji tj. elektromagnetskom zraenju (npr. vidljiva svjetlost,

    infracrveno ili ultraljubiasto zraenje infra znai da ima manju energiju od crvene

    svjetlosti, a ultra da ima veu energiju od ljubiaste), elektron moe primiti tono

    odreeni iznos energije, umnoak Planckove konstante (h = 6,6261034 J s) i frekvencije

    (esto se oznaava s malim grkim slovom ni, , oznait u ovdje ipak s f radi jasnoe, da se

    ne brka s brzinom v) tog zraenja (frekvencija = brzina svjetlosti / valna duljina, f = c/, to se

    moe izvesti iz definicijske formule frekvencije f = 1/T i ope formule za brzinu v = s/t pri

    emu je valna duljina put prijeen tijekom jednog perioda T), dakle E = hf = hc/ (brzina

    svjetlosti c = 3 108 m/s), to to prima energiju znai da je promjena energije pozitivna, pri

    emu prelazi u putanju veeg polumjera tj. veeg n (za vodikov atom E = hcRH(1/npoetno2

    1/nkonano2; Rydbergova konstanta RH = 1,097107 m1) (ne mora nuno u odmah sljedei)

    jezgra

    n = 1

    n = 2

    n = 3

    n = 4

    elektron

  • 11

    a nakon toga (u gotovo nezamislivo kratkom vremenu) vraa se u putanju manjeg

    polumjera tj. manje energije, pri emu otputa (emitira) energiju, sve se rauna jednako

    samo promjena energije tada naravno mora biti negativna ( promjena energije elektrona po

    predznaku je analogna, naravno, s promjenom energije sustava za endotermnu odnosno

    egzotermnu reakciju), ta valna duljina pojavljuje se u emisijskom spektru atoma

    odnosno u nekim sluajevima moe se i vidjeti da emitira svjetlost te boje (bojenje

    plamena kationima), a jednaka je odgovarajuoj valnoj duljini u apsorpcijskom

    spektru (jer su promjene energije jednake).

    I apsorpcijski i emisijski atomski spektri dobivaju se tako da se tvar prvo zagrije na vrlo

    visoku temperaturu pod niskim tlakom da se atomizira rastavi na pojedinane atome (i/ili

    ione) u plinovitom stanju (jer bi se inae dobili spektri tvari u cjelini, molekula itd., koji su

    sloeniji).

    Kontinuirani spektar bijele svjetlosti:

    E>0

    hf

    E

  • 12

    (brojke su valne duljine u nanometrima, ne treba ih uiti napamet ali zgodno je orijentacijski

    znati da je vidljiva svjetlost valne duljine otprilike od 400 (ljubiasta) do 700 (crvena) nm)

    Za razliku od kontinuiranog spektra, atomski spektri su linijski, "isprekidani" jer se u

    njima pojavljuju ili nedostaju samo neke valne duljine.

    Apsorpcijski spektar (proputanjem kontinuiranog spektra bijele svjetlosti kroz

    atomizirani uzorak iz njega se uklanjaju valne duljine koje atomi apsorbiraju) izgleda

    npr. ovako:

    Emisijski spektar (kad samo atomizirani uzorak na jo vioj temperaturi slui kao

    izvor svjetlosti) izgleda npr. ovako:

    Valne duljine koje nedostaju u apsorpcijskom spektru (crne linije) su one koje se

    pojavljuju u emisijskom (obojene linije)!

    1.5. Periodni sustav elemenata

    Periodni sustav je tablica u koju su logino (redom po porastu atomskog broja, a u stupce po

    slinosti kemijskih svojstava koja proizlaze iz elektronske konfiguracije) poredani svi

    kemijski elementi. To je osnovni kemiarev "rekvizit" i pri rjeavanju velike veine kemijskih

    zadataka nuno je gledati u periodni sustav te se iz njega jako puno moe proitati o

    elementima pa i njihovim spojevima, stoga se s njime treba jako dobro upoznati i uvijek ga

    pri rjeavanju zadataka imati pri ruci.

    Periodni sustav koji se dobije s ispitom:

  • 13

    ima: simbole elemenata, redne brojeve, relativne atomske mase

    nema: nazive elemenata, nazive blokova, perioda i skupina, pomone oznake za

    oditavanje elektronske konfuguracije, podjelu na metale i nemetale, oksidacijske

    brojeve...

    1.6. Elektronska konfiguracija

    Elektronska konfiguracija je raspored elektrona po energetskim razinama u atomu (orbitala

    se moe zamisliti kao "putanja" elektrona s odreenom energijom u gibanju oko jezgre,

    odnosno neto je bolja predodba dio prostora u blizini jezgre u kojem taj elektron provodi

    najvie svog vremena). Za atom ili jednoatomni ion u osnovnom stanju (u kojem svi elektroni

    imaju svoju najniu moguu energiju), ne previsokog atomskog broja, elektronska

    konfiguracija moe se oditati iz periodnog sustava. Treba ju znati oditati iz periodnog

    sustava samo za elemente prve 4 periode:

  • 14

    (na slici su dane pomone oznake za oditavanje el. konfiguracije koje periodni sustav na

    ispitu nema!)

    Npr.: H = 1s1

    He = 1s2

    Li = 1s2 2s1 = [He] 2s1

    B = 1s2 2s2 2p1 = [He] 2s2 2p1

    Ne = 1s2 2s2 2p6 = [He] 2s2 2p6

    Sc = 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d1 = [Ar] 4s2 3d1

    Zn = 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 = [Ar] 4s2 3d10

    Kr = 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 = [Ar] 4s2 3d10 4p6

    Iznimke (pogodnije su elektronske konfiguracije s polupopunjenim odnosno

    popunjenim dorbitalama):

    Cr = [Ar] 4s1 3d5 (a ne [Ar] 4s2 3d4)

    Cu = [Ar] 4s1 3d10 (a ne [Ar] 4s2 3d9)

    Neki smatraju da je pravilnije prvo pisati 3d a onda 4s elektrone, oba redoslijeda bi trebala biti

    prihvatljiva.

    ...i za njihove ione:

    4p

    3p

    2p

    3d

    4s

    3s

    2s

    1s s d p

  • 15

    kationi od elektronske konfiguracije atoma oduzima se odgovarajui broj zadnje dodanih

    elektrona

    Npr.: Li+ = 1s2 ( = [He] )

    Ca2+ = 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 ( = [Ar] )

    Al3+ = 1s2 2s2 2p6 ( = [Ne] )

    anioni elektronskoj konfiguraciji atoma dodaje se odgovarajui broj sljedeih elektrona

    Npr.: H = 1s2 ( = [He] )

    O2 = 1s2 2s2 2p6 ( = [Ne] )

    P3 = 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 ( = [Ar] )

    Openito, elementi najlake (najee) tvore ione ija je elektronska konfiguracija jednaka

    elektronskoj konfiguraciji po rednom broju najblieg plemenitog plina.

    Kationi prijelaznih elemenata: prvo odlaze 4s, a tek onda 3d elektroni.

    Npr.:

    Fe = [Ar] 4s2 3d6

    Fe2+ = [Ar] 3d6

    Fe3+ = [Ar] 3d5

    Cu = [Ar] 4s1 3d10

    Cu+ = [Ar] 3d10

    Cu2+ = [Ar] 3d9

    Zadatak: Koji od navedenih elemenata ima elektronsku konfiguraciju vanjske ljuske s2p4? a. Ca b. Cr c. Ge d. Se

    Rjeenje: d

    Dodatno obrazloenje: Vanjsku ljusku ine samo elektroni u orbitalama s najveim brojem,

    npr. u ovom sluaju 4s2 4p4. Valentnu ljusku ine samo elektroni koji mogu sudjelovati u

    kemijskoj vezi (prvenstveno postati dio podijeljenog elektronskog para koji ini kovalentnu

    vezu) najee su to upravo elektroni vanjske ljuske (kod prijelaznih elemenata mogu biti i

    delektroni).

    1.7. Polumjeri atoma

    Atomski polumjer je udaljenost od jezgre do "kraja" elektronskog omotaa (elektronski

    omota nema vrste granice nego je to podruje u kojem se elektroni gibaju tj. u kojem

    je najvjerojatnije da se nalaze svi elektroni koji "pripadaju" tom atomu, obino se uzima

  • 16

    vjerojatnost 90%) atoma odreenog elementa samog po sebi ("pojedinanog atoma u

    plinovitom stanju"). Na taj polumjer se misli kad se usporeuju polumjeri pomou periodnog

    sustava ( vidi 1.8.). Ne moe se izmjeriti, osim (uglavnom kod metala) iz podataka za

    kristalne reetke ( vidi Kristalne strukture mogu se mjeriti samo udaljenosti meu

    jezgrama, a ne udaljenost od jezgre do kraja elektronskog omotaa), ili se procjenjuje i

    izraunava iz ostalih polumjera i drugih podataka (komplicirano).

    Ionski polumjer je udaljenost od jezgre do "kraja" elektronskog omotaa za anion ili kation.

    esto se moe odrediti iz podataka za kristalne reetke ionskih spojeva ( vidi Kristalne

    strukture).

    Kovalentni polumjer je polovica udaljenosti izmeu jezgara dvaju (istovrsnih) atoma

    meusobno povezanih kovalentnom vezom.

    Van der Waalsov polumjer je polovica udaljenosti izmeu jezgara dvaju (istovrsnih) atoma

    koji su si najblie mogue ("u dodiru") a da nisu meusobno povezani kovalentnom vezom

    uvijek je dulji od kovalentnog polumjera.

    Npr. za klor:

    2r(kovalentni)

    2r(van der Waalsov)

    Cl2 Cl2

    r(atomski)

    r(ionski)

    Cl

    Cl

  • 17

    1.8. Periodinost atomskih svojstava

    (razmatramo prvenstveno s i p elemente bez plemenitih plinova, d (prijelazne metale) i f (lantanoide i

    aktinoide) elemente ignoriramo)

    Znakovi se trebaju shvatiti kao "crescendo" i "decrescendo" u glazbi odnosno "manje" i "vee" u matematici

    gdje je vrh, u tom smjeru je to svojstvo najmanje, a gdje je otvoreni kraj, u tom smjeru je najvee.

    Energija ionizacije je energija potrebna za izbacivanje elektrona iz atoma (u plinovitom

    stanju). to je energija ionizacije manja, atom lake tvori katione (jer to znai da je za

    nastajanje kationa potrebno manje energije).

    X(g) X+(g) + e, E = Ei

    To je prva energija ionizacije, a druga, trea itd. je energija potrebna za izbacivanje

    sljedeeg elektrona iz kationa. Tamo gdje je razlika izmeu dviju susjednih energija

    ionizacije istog elementa osobito velika (za red veliine), poinje nova ljuska, npr.

    ako je 3. energija ionizacije 10 puta vea od druge, atom ima 2 valentna elektrona.

    Elektronski afinitet je energija potrebna za izbacivanje elektrona iz jednovalentnog aniona

    (u plinovitom stanju; = energija koja se oslobodi kad atom primi elektron). to je

    elektronski afinitet vei, atom lake tvori anione (jer to znai da se pri nastajanju aniona

    oslobodi vea energija).

    X(g) X(g) + e, E = Eea

    energija ionizacije, elektronski afinitet, elektronegativnost

    atomski polumjer

  • 18

    Elektronegativnost je veliina ovisna o energiji ionizacije i elektronskom afinitetu

    koja pokazuje relativnu (u odnosu na ostale elemente) tenju da atom tvori anione ili

    katione (to je vea, lake tvori anione, to je manja, lake tvori katione) odnosno ima

    negativan ili pozitivan oksidacijski broj u spojevima ( vidi Redoksi). to je vea

    razlika elektronegativnosti izmeu elemenata u vezi, veza je polarnija odnosno vie

    ionskog karaktera. Dakle, elektronegativnost pokazuje koliko atom "voli" elektrone tj.

    koliko ih jako privlai k sebi. Plemenitim plinovima ne odreuje se elektronegativnost

    jer ne tvore spojeve ili ih ne tvore dovoljno.

    Najjednostavnije je zapamtiti da je cezij (dolje lijevo) najvei a fluor (gore desno) najmanji

    (zapravo su vodik i helij jo manji jer imaju elektrone samo u jednoj ljuski) te se

    polumjer mijenja u skladu s tim, a ostala svojstva (energija ionizacije, elektronski afinitet,

    elektronegativnost) obrnuto (ili zapamtiti analogno za elektronegativnost pa iz toga

    izvoditi ostalo).

    Atomski polumjer, energija ionizacije i elektronski afinitet ne mijenjaju se kroz periodni

    sustav posve pravilno najvanije iznimke: elementi borove i kisikove skupine imaju manju

    prvu energiju ionizacije od prethodeih elemenata berilijeve odnosno duikove skupine jer se

    njihovom ionizacijom izbija jedini p elektron vanjske ljuske odnosno ostaju 3 nesparena p

    elektrona (polupopunjene p orbitale); elementi berilijeve i duikove skupine imaju osobito

    nizak elektronski afinitet jer imaju popunjene valentne s orbitale odnosno polupopunjene

    valentne p orbitale, pelementi 2. periode imaju manji elektronski afinitet od elemenata ravno

    ispod sebe jer su njihovi atomi vrlo mali pa "redovni" elektroni jae odbijaju dodatni elektron,

    dakle najvei elektronski afinitet u periodnom sustavu ima klor a ne fluor.

    Zadaci:

    1. Koji od navedenih elemenata je najelektronegativniji? a. Br b. N c. O d. S

    2. Koje svojstvo se u periodnom sustavu smanjuje slijeva nadesno i poveava odozgo prema dolje?

    a. polumjer atoma b. elektronegativnost

  • 19

    c. energija ionizacije d. talite

    3. Koji od navedenih atoma ima najmanju prvu energiju ionizacije? a. Na b. K c. Mg d. Ca

    4. Kojem od navedenih elemenata druge periode odgovara navedenih prvih est energija ionizacije (u eV)?

    Ei1 Ei2 Ei3 Ei4 Ei5 Ei6

    11 24 48 64 392 490

    a. B b. C c. N d. O e. F

    5. Kojim su redom atomi P, S, As ispravno poredani prema rastuem polumjeru? a. P, S, As b. As, S, P c. S, P, As d. P, As, S

    6. Koji od navedenih atoma ima najvei atomski polumjer? a. Li b. K c. As d. Br

    7. Koji je toni redoslijed kad se atomi Li, Be, B, Na poredaju po porastu atomskog polumjera?

    a. Li, Be, B, Na b. Li, Na, B, Be c. Na, Li, Be, B d. B, Be, Li, Na

    Rjeenja:

    1. C 2. A 3. B 4. B 5. C 6. B 7. D

  • 20

    1.9. Periodinost fizikalnih i kemijskih svojstava

    (f elemente ignoriramo, plemenite plinove ignoriramo za kemijska svojstva, vodik je poseban sluaj)

    Znakovi se trebaju shvatiti kao "crescendo" i "decrescendo" u glazbi odnosno "manje" i "vee" u matematici

    gdje je vrh, u tom smjeru je to svojstvo najmanje, a gdje je otvoreni kraj, u tom smjeru je najvee.

    Sva ta svojstva proizlaze iz osnovnih svojstava atoma (polumjera i elektronegativnosti), koja

    proizlaze iz broja elementarnih estica i elektronske konfiguracije.

    Zadatak: Oksid kojeg od navedenih elemenata je najvie ionski? a. Al b. B c. C d. Si

    Rjeenje: a

    1.10. Izoelektronske estice i njihova veliina

    Izoelektronske estice su estice koje imaju isti broj elektrona (NE u jezgri nego u

    elektronskom omotau):

    atomi neutralni (broj elektrona = broj protona)

    kationi pozitivno nabijeni ioni (broj elektrona < broj protona) Xn+

    anioni negativno nabijeni ioni (broj elektrona > broj protona) Xn

    Najee je atom plemenitog plina (najstabilnija elektronska konfiguracija, popunjena

    vanjska (valentna) ljuska) izoelektronski s nekoliko aniona i kationa (nastalih iz atoma koji se

    tvorenje aniona, nemetalna svojstva i reaktivnost nemetala, kiselost oksida, kovalentni karakter oksida, hidrida i halogenida

    tvorenje kationa, metalna svojstva i reaktivnost metala, bazinost oksida, ionski karakter oksida, hidrida i halogenida

    gustoa, talita, vrelita

  • 21

    nalaze do tri mjesta ispred odnosno iza njega u periodnom sustavu uvijek gledati u

    periodni sustav elemenata kad se rjeavaju zadaci s izoelektronskim esticama!)

    Kationi su uvijek manji (i to znatno manji) od izoelektronskih atoma (protoni iz jezgre jae

    privlae manji broj elektrona), to je vei nabojni broj kationa, to mu je polumjer manji.

    Anioni su uvijek vei (i to znatno vei) od izoelektronskih atoma (protoni iz jezgre slabije

    privlae vei broj elektrona), to je vei nabojni broj aniona, to mu je polumjer vei.

    Dakle generalno, to vie elektrona (osobito u odnosu na broj protona), to je estica vea!

    Izoelektronske mogu biti i estice koje se sastoje od vie atoma (molekule i vieatomni ioni)

    gleda se zbroj elektrona atoma od kojih se estica sastoji minus nabojni broj (uzimajui u

    obzir predznak nabojnog broja!); njihove odnose veliina tee je predvidjeti, ali uglavnom

    vrijedi isto pravilo. Takve izoelektronske estice uvijek imaju isti prostorni oblik.

    Sol koja sadri katione alkalijskog metala etvrte periode i njima izoelektronske anione je:

    A. KCl; B. NaF; C. NaCl; D. CaCl2

    Rjeenje: A

    Zadaci

    1. Prekrii esticu koja nije izoelektronska s ostalima, a izoelektronske estice poredaj po

    veliini od najmanje prema najveoj: Ar, Ca2+, Cl, K+, P3, S2, Sc3+, Zn2+.

    2. Koje su od navedenih estica izoelektronske: a) O F; b) Fe2+ K; c) S Br; d) Mg+

    Na ? Stavi znak nejednakosti u kvadrati izmeu njih (i samo izmeu njih) da oznai odnos

    veliina njihovih polumjera.

    3. Koja od navedenih estica je izoelektronska s NO2+? a) N2O; b) NO2

    ; c) NH2

    ; d) SO2

    4. Povei molekule s izoelektronskim ionima.

    a) CH4

    b) C2H6

    c) CO2

    d) N2O4

    e) N2

    __ N2H62+

    __ C2O42

    __ NH4+

    __ C22

    __ NO2+

    Rjeenja

    1. Zn2+; Sc3+, Ca2+, K+, Ar, Cl, S2, P3

  • 22

    2. a) O F; d) Mg+ Na

    3. a

    4. b, d, a, e, c

    1.11. Vrste kemijskih veza

    Osnovne vrste kemijskih veza su: ionska, kovalentna i metalna veza.

    Kovalentna veza je veza koja nastaje dijeljenjem elektronskog para meu dva atoma (bez

    obzira kojem su atomu originalno pripadali najee svakom po jedan elektroni

    pripadaju oba povezana atoma istovremeno). Moe biti jednostruka (jedan podijeljeni

    elektronski par) ili viestruka (dvostruka ili trostruka 2 ili 3 podijeljena elektronska para

    izmeu ista dva atoma).

    Kovalentna veza moe biti nepolarna (posve nepolarna veza je samo meu istovrsnim

    atomima, ali i veze meu atomima koji se malo razlikuju po elektronegativnosti imaju

    svojstva nepolarnih veza, npr. CH) i polarna (meu atomima koji se vie razlikuju po

    elektronegativnosti).

    polarna veza polarna molekula!

    Polarne molekule su one koje imaju polarne veze koje nisu centralno simetrino

    rasporeene (ne "ponitavaju" se naboji) npr. CH3Cl je polarna molekula, a polarna bi

    bila i CBrClFI, ali CCl4 nije iako sadri 4 polarne CCl veze jer su one u prostoru simetrino

    rasporeene (tetraedar), CO je polarna molekula a CO2 nije; H2O i NH3 su polarne jer su oko

    sredinjeg atoma osim atoma vodika rasporeeni i slobodni elektronski parovi pa raspored

    nije simetrian (a analogno tome i SO2, ali XeF4 je nepolarna jer je u njoj raspored atoma

    simetrian unato nepodijeljenim elektronskim parovima...). Sve dvoatomne molekule osim

    onih elementarnih tvari su oito polarne.

    Polarna veza moe se prikazati kao vektorstrelica (u smjeru te veze u prostoru, orijentacije

    od elektronegativnijeg prema manje elektronegativnom atomu ili obrnuto, samo je bitno da se

    uvijek uzima isto, i duljine proporcionalne duljini veze). Tako se najjednostavnije i

    najpouzdanije moe odrediti polarnost molekule molekula je nepolarna ako je zbroj svih

    takvih vektora u njoj 0 tj. ako se njihovim slaganjem (poetak jednog na kraj prethodnog) u

    3D prostoru (bez rotacije) na kraju opet doe u poetnu toku (meusobno se ponitavaju),

    a inae je polarna.

    kovalentni spoj = spoj koji sadri samo kovalentne veze

  • 23

    ionski spoj spoj koji sadri samo ionske veze!

    vieatomni ioni ( NH4+, OH, SO4

    2, PO43, Cr2O7

    2, CH3COO...) unutar sebe su

    povezani kovalentnim vezama, a s drugim ionima ionskom vezom npr. NH4ClO4

    se sastoji od NH4+ i ClO4

    iona te jedna formulska jedinka sadri jednu ionsku i 11

    kovalentnih veza (4 NH, 3 Cl=O i 1 ClO)

    Ionska veza je ona u kojoj elektron(i) u potpunosti prelazi s jednog atoma na drugi, pri emu

    nastaju anioni i kationi. Ionsku vezu tvore atomi koji se meusobno jako razlikuju po

    elektronegativnosti (tipino metalnemetal meusobno jako udaljeni u periodnom sustavu),

    a kovalentnu istovrsni atomi i atomi koji se meusobno manje razlikuju po

    elektronegativnosti (tipino dva nemetala ili nemetalelektronegativni metal). Granica

    izmeu ionskih i kovalentnih spojeva nije vrsta (to je razlika elektronegativnosti vea

    spoj je vie ionski, potpuno kovalentne su samo molekule elementarnih tvari, a potpuno ionski

    spojevi ne postoje), svrstavaju se po svojstvima, orijentacijskom priblinom granicom

    moe se smatrati razlika elektronegativnosti 1,9 ali ne smije se u nju previe pouzdati

    Metalna veza je veza iskljuivo meu atomima metala istovrsnim ili raznovrsnim (legure).

    Moe se opisati tako to su (vanjski, valentni) elektroni delokalizirani slobodno se kreu

    po cijelom komadu (kristalu) metala (zato metali dobro vode elektrinu struju, koja je

    usmjereno kretanje tih elektrona, dok se bez protoka elektrine struje kreu

    nasumino).

    Najvanije razlike u svojstvima veine spojeva:

    kovalentni ionski metali

    talita (i vrelita) niska visoka velik raspon, uglavnom via nego kovalentni a nia nego ionski

    elektrina vodljivost slaba dobra u talinama i vodenim otopinama

    dobra

    topljivost u vodi (i polarnim otapalima)

    slaba za molekule koje nisu jako polarne

    uglavnom dobra praktiki nikakva (kemijska reakcija otapanje)

    topljivost u nepolarnim otapalima (npr. kloroform)

    uglavnom dobra uglavnom slaba praktiki nikakva (kemijska reakcija otapanje)

    Jakost ionske veze moe se predvidjeti po formuli

  • 24

    gdje je k konstanta proporcionalnosti, q1 i q2 naboji iona a r minimalni razmak meu

    njima (zbroj njihovih polumjera), dakle ionska veza je jaa meu manjim ionima veeg

    naboja ( npr. jaa je u MgO nego u NaCl, u NaCl nego u KI... utjecaj naboja je znaajniji

    nego utjecaj polumjera) to je ionska veza jaa, to su talita spojeva via.

    Jakost kovalentne veze: takoer su krae veze (manji zbroj polumjera) jae; trostruke veze su

    jae (i krae) od dvostrukih, a dvostruke od jednostrukih (ali dvostruka veza nije dvostruko

    niti trostruka trostruko jaa od jednostruke izmeu istih atoma, nego neto manje).

    Talita i vrelita kovalentnih spojeva NE ovise o jakosti kovalentne veze nego o jakosti

    meumolekulskih privlaenja (koja ovise o polarnosti) i masi molekula via talita i vrelita

    imaju polarniji spojevi i spojevi vee molarne mase.

    Kovalentna veza je usmjerena u prostoru, a ionska i metalna nisu.

    ionski kristali = kristali ionskih spojeva

    kovalentni kristali kristali kovalentnih spojeva

    u kovalentnim kristalima je vrlo velik broj atoma meusobno povezan kovalentnim

    vezama vrlo velika tvrdoa, visoka talita primjeri kovalentnih kristala su

    malobrojni, najpoznatiji je dijamant (i grafit se najee tu ubraja, ali nije

    tipian kovalentni kristal jer ima slojeve slobodnih elektrona (kao u metalima,

    zato dobro vodi elektrinu struju) meu slojevima kovalentno vezanih atoma)

    kristali veine kovalentnih spojeva (i plemenitih plinova premda su oni

    pojedinani atomi a ne molekule) nazivaju se molekulski i na okupu ih dre

    meumolekulska privlaenja (molekule nisu meusobno povezane kovalentnim

    vezama!) mala tvrdoa, niska talita (esto sublimiraju, npr. jod)

    Zadaci

    1. U kojem nizu estica su sve veze unutar njih kovalentne?

    A. BCl3, SiCl4, PCl3

    B. NH4Br, N2H4, HBr

    C. I2, H2S, NaI

    D. Al, O3, As4

    2. Veza izmeu kojeg od navedenih parova atoma ima najizraeniji ionski

    karakter?

    A. AlAs

  • 25

    B. AlN

    C. AlSe

    D. AlO

    3. Koja od navedenih dvoatomnih molekula sadri najkrau vezu?

    A. N2

    B. O2

    C. F2

    D. S2

    4. Koja od navedenih estica sadri samo kovalentne veze?

    A. H2SO4

    B. NH4NO3

    C. NaOCl

    D. K2CrO4

    5. Koji je toan redoslijed kad se molekule N2, O2, F2 poredaju po porastu jaine veze?

    A. N2, O2, F2

    B. N2, F2, O2

    C. O2, N2, F2

    D. F2, O2, N2

    6. Sve navedeno su osobine veine ionskih tvari u vrstom stanju OSIM:

    A. visoka elektrina vodljivost

    B. visoko talite

    C. topljivost u vodi

    D. netopljivost u organskim otapalima

    Rjeenja

    1. A

    2. D

    3. A

    4. A

    5. D

    6. A

  • 26

    1.12. Meumolekulske interakcije

    Osnovne vrste meumolekulskih (dakle meu nenabijenim esticama) interakcija (nisu

    prave veze! jer su mnogo slabije): vodikova veza, van der Waalsove sile, Londonove sile.

    Vodikova veza je najjae meumolekulsko privlaenje, izmeu atoma vodika vezanog uz

    jako elektronegativni atom (F, O ili N) i drugog jako elektronegativnog atoma (F, O ili N) koji

    ima nevezni elektronski par. Vodikovom vezom povezuju se istovrsne ( npr. H2O, NH3, HF

    zato imaju via vrelita nego to bi se oekivalo prema analognim H2S, PH3, HCl; po dvije

    molekule karboksilnih kiselina se meusobno povezuju u dimere) ili raznovrsne

    molekule ( npr. CH3CH2OHH2O zbog ega se etanol jako dobro mijea s vodom, NH3H2O

    zbog ega je amonijak jako topljiv u vodi...) ili razliiti dijelovi iste molekule ( prvenstveno

    due organske molekule s vie funkcionalnih skupina, kao to su proteini; parovi

    nukleotida u DNA meusobno su povezani vodikovim vezama). Slubeno se oznaava

    s tri tokice ... (i sva 3 atoma koji u njoj sudjeluju elektronegativni atom vodik

    elektronegativni atom u pravilu trebaju biti na istom pravcu), ali prihvatljivo je i bilo

    kako s tokicama ili isprekidanim crticama.

    Van der Waalsove sile su nevezne interakcije meu nenabijenim esticama slabije od

    vodikovih veza, prvenstveno se misli na privlaenja meu polarnim molekulama (dipol

    dipol interakcije).

    Londonove sile (inducirani dipolinducirani dipol interakcije) podvrsta su van der

    Waalsovih sila: vrlo slaba privlaenja meu nepolarnim molekulama (i atomima plemenitih

    plinova). Kad ih ne bi bilo, elementarni nemetali i nepolarne molekulske tvari mogli bi

    biti samo u plinovitom stanju.

    1.13. Utjecaj temperature na kemijske veze i meumolekulske interakcije

    Meumolekulske interakcije porastom temperature slabe jer se molekule sve bre kreu

    (temperatura je mjera za kinetiku energiju estica, o kojoj izravno ovisi njihova brzina) te su

    si meusobno udaljenije (termiko irenje) i stoga slabije djeluju jedna na drugu. Kemijske

  • 27

    veze takoer pri viim temperaturama sve lake pucaju jer estice dobivaju sve vie energije

    za njihovo prekidanje.

    1.14. Lewisova simbolika

    Lewisova simbolika je uobiajeni nain prikazivanja kemijskih elemenata i spojeva (atomi,

    veze, nevezni vanjski elektroni) na papiru.

    Simbol elementa (iz periodnog sustava) znai jezgru atoma i unutranje elektrone (sve osim

    valentnih elektrona, to su u pravilu elektroni vanjske ljuske).

    Tokice znae nevezne (nepodijeljene) elektrone vanjske ljuske jedna toka . pojedinani

    elektron, a dvije : elektronski par.

    Crtice znae vezne elektrone. Jedna crtica je jednostruka veza, dvije crtice = dvostruka, a tri

    trostruku.

    1.15. Pravilo okteta i odstupanja

    Pravilo okteta: atomi najee tvorei bilo ione bilo kovalentne veze tee imati 8 valentnih

    elektrona (nepodijeljeni + podijeljeni) to se naziva oktet (osim prva 3 H, He, Li koji tee

    imati 2 = dublet) jer tako imaju posve popunjenu valentnu ljusku to je energetski

    najpogodnije (najstabilnije).

    Svi drugi sluajevi su odstupanja od pravila okteta, najea su: Be u kovalentnim

    spojevima tei imati 4 elektrona (npr. u BeCl2), B tei imati 6 elektrona (npr. u BCl3), N moe

    imati neparan broj valentnih elektrona (npr. u NO ih ima 7). Elementi 2. periode ne mogu

    odstupati prema veem broju od 8 tj. "imati proireni oktet" (premali su da bi se oko njih

    naguralo toliko drugih atoma, tonije za tzv. proireni oktet elektroni moraju ui u dorbitale

    neke od ve postojeih ljusaka, a "najmanje" (s najniom energijom) dorbitale su 3d),

    nemetali (i neki prijelazni metali) 3. i kasnijih perioda u kovalentnim vezama mogu imati 10

    ili 12 elektrona, npr. P u PCl5, S u SF6...

    1.16. VSEPR teorija

    Raspored kovalentno vezanih atoma u prostoru opisuje se pomou VSEPR teorije (teorija

    odbijanja elektronskih parova valentne ljuske).

    Osnovni raspored u prostoru ovisi o tome koliko je "stvari" vezano uz sredinji atom (pri

    emu je jedna "stvar" jedan atom (bez obzira je li veza jednostruka ili viestruka) ili jedan

  • 28

    elektronski par ili jedan nespareni elektron) "stvari" se rasporeuju tako da budu to

    udaljenije jedna od druge zgodno je zamisliti kako bi se rasporedio takav broj jednakih

    balona zavezanih skupa, ako zanemarimo gravitaciju:

    Takoer preporuam uenje o prostornim strukturama pratiti izradom modela molekula,

    najjednostavnije od plastelina i akalica.

    Kemijske veze u prostornim formulama crtaju se:

    iza ravnine papira

    ispred ravnine papira

    u ravnini papira

    broj "stvari" prostorni oblik

    1 linearna

    2 linearna

  • 29

    3 planarna

    4 tetraedar

    5 trostrana bipiramida

    6 oktaedar

    Ako je jedna ili vie "stvari" elektronski par (ili nespareni elektron), za oblik koji u prostoru

    zauzimaju ostale "stvari" (atomi) postoji odreeni naziv, pa se svi mogui rasporedi oko

    jednog sredinjeg atoma mogu prikazati (najbitnije strukture su uokvirene, a one koje

    nemaju praktino znaenje precrtane, dani su jednostavni primjeri za sve za koje postoje

  • 30

    nastojte ne uiti strukture napamet nego razumjeti kako ti rasporedi nastaju iz gore

    navedenih osnovnih rasporeda zamjenom nekih atoma elektronskim parovima) :

    broj

    "stvari"

    od toga el.

    parova (ili

    nesparenih

    elektrona)

    0 1 2 3 4

    1

    linearna

    H2

    H H

    He

    He:

    2

    linearna

    BeCl2

    linearna

    CN

    C N:

    3

    planarna

    BCl3

    planarna

    kutna

    SO2

    linearna

    NO

    4

    tetraedar

    CH4

    trostrana

    piramida

    NH3

    planarna

    kutna

    H2O

    linearna

    HCl

    Ar

  • 31

    broj

    "stvari"

    od toga el.

    parova (ili

    nesparenih

    elektrona)

    0 1 2 3 4

    5

    trostrana

    bipiramida

    PCl5

    oblik

    ljuljake

    SF4

    Toblik

    ClF3

    linearna

    XeF2

    linearna

    6

    oktaedar

    SF6

    kvadratna

    piramida

    ClF5

    planarna

    kvadratna

    XeF4

    Toblik

    linearna

    VSEPR teorija kae da se meusobno najjae odbijaju slobodni elektronski parovi, a

    najslabije vezni elektronski parovi. Zbog toga se nevezni elektroni (slobodni elektronski

    parovi i nespareni elektroni) najprije smjetaju u poloaje meusobno to udaljenije i to

    udaljenije od ostalih "stvari" (vidi npr. planarni kvadratni oblik). Iz istog razloga su kutevi

    meu neveznim elektronima te izmeu neveznog elektrona i vezanog atoma malo vei od

    onih danih u prvoj tablici, a kao posljedica toga su kutevi meu atomima vezanim uz atom

    koji ima i nevezne elektrone malo manji od onih danih u prvoj tablici. Tone kuteve nije

    mogue samim time jednostavno predvidjeti, ali npr. za molekule koje potjeu iz

    tetraedra oni su priblino (ne treba znati brojke, nego poredak i uoiti da te razlike nisu

    osobito velike ali ni zanemarive):

  • 32

    1.17. Kako nacrtati prostornu strukturu?

    npr. HSO4

    Napisati Lewisovom simbolikom:

    - pripisati svakom atomu njegov broj "tokica" tj. valentnih elektrona

    - smisleno povezati atome u molekulu (vodik je jednovalentan4!, ugljik gotovo uvijek

    etverovalentan, sredinji atom je najee onaj koji je jedini takav i/ili onaj najveeg

    atomskog broja), anion ili kation (dodati odnosno oduzeti onoliko elektrona koliki je

    nabojni broj!)

    O

    H O S O

    O

    + 1e

    4 Valencija u kovalentnom spoju je broj kemijskih veza koje atom tvori (pri emu se dvostruka veza rauna kao

    dvije veze itd.).

  • 33

    Odrediti koliko je "stvari" oko svakog atoma i koliko je od toga veza a koliko neveznih

    (parova) elektrona (osim za vodik jer za nj postoji samo jedna mogunost), i prema tome

    odrediti prostorni raspored:

    S okruuju 4 veze tetraedar

    lijevi O dvije veze i dva nevezna para kao u molekuli vode, planarna kutna

    ostali O imaju po jednu vezu i dva ili tri nevezna para ako je samo jedna veza,

    raspored moe biti samo linearan

    ... i to jasnije ga nacrtati raznim vrstama crtica

    1.18. Vrste kemijskih formula i izomeri (u organskoj kemiji)

    Empirijska formula pokazuje najmanji (cjelobrojni) meusobni omjer atoma u nekom

    kemijskom spoju ne moe se "skratiti" (podijeliti nekim brojem da broj svake vrste atoma u

    formuli jo bude cijeli).

    Molekulska formula pokazuje broj atoma meusobno povezanih u molekulu ponekad se

    moe "skratiti" u empirijsku formulu.

    Formule ionskih spojeva su empirijske (jer su po definiciji formulske jedinke najmanji

    cjelobrojni omjeri brojnosti razliitih atoma u kristalima) (uz rijetke iznimke koje sadre

    ione ija molekulska formula nije jednaka empirijskoj, kao to su peroksidi, jer oni sadre

    O22

    ion, npr. Na2O2). Empirijska formula se razlikuje od molekulske najee kod organskih

    tvari (zbog svojstva ugljika da se povezuje u vrlo raznolike, esto dugake lance), ali i

    kod nekih anorganskih molekula ( npr. fosforov(V) okisid ima molekulsku formulu

    P4O10 a empirijsku P2O5, vodikov peroksid ima molekulsku formulu H2O2 a empirijsku HO,

    hidrazin ima molekulsku formulu N2H4 a empirijsku NH2).

    Vie molekulskih formula moe biti ekvivalentno jednoj empirijskoj formuli npr.

    empirijsku formulu CH2O imaju spojevi molekulske formule CH2O, C2H4O2, C3H6O3...

    Saeta (kondenzirana) strukturna formula pokazuje raspored atoma u molekuli, ali tako da

    ne prikae one veze koje se po pravilima vezivanja podrazumijevaju (jednostruke) i da se

    (ako je ikako mogue) moe napisati u jednom redu.

  • 34

    Strukturna formula pokazuje raspored atoma u molekuli tako da pokae sve atome i sve

    veze meu njima, ali kao da je molekula u ravnini papira (dvodimenzionalna), ne vodei

    rauna o prostornom rasporedu veza oko svakog atoma.

    Lewisova strukturna formula je strukturna formula koja osim veza pokazuje i nevezne

    parove valentnih elektrona (i pojedinane valentne elektrone ako ih ima) u pravilu ako se

    trai napisati strukturnu formulu ne kodi napisati Lewisovu strukturnu formulu

    (naravno tono).

    Najvanije pravilo za pisanje strukturnih formula organskih spojeva: UGLJIK JE

    ETVEROVALENTAN IZ SVAKOG ATOMA UGLJIKA MORAJU VODITI 4 CRTICE! (naravno ako

    nema naboj ni nevezne elektrone...)

    Formula s veznim crticama koristi se za bri i pregledniji prikaz veih organskih molekula.

    Atomi ugljika su na krajevima crtica i uglovima meu njima. Jednostruke crtice su

    jednostruke veze, dvostruke crtice dvostruke veze, trostruke crtice trostruke veze, kao i u

    ostalim strukturnim formulama. Podrazumijeva se da je za svaki atom ugljika vezano onoliko

    atoma vodika koliko nedostaje da bi ugljik bio etverovalentan (ali atomi vodika vezani uz

    ostale atome se crtaju!), a svi atomi koji nisu ugljik ni vodik vezan za ugljik prikazuju se

    svojim simbolima kao u strukturnoj ili Lewisovoj strukturnoj formuli.

    Prostorna formula prikazuje prostorni raspored atoma u tri dimenzije

    veza izmeu atoma koji bi se nalazili u ravnini papira

    veza prema atomu koji bi se nalazio iza papira

    veza prema atomu koji bi se nalazio ispred papira

    Primjeri:

    empirijska molekulska saeta strukturna

    strukturna Lewisova strukturna

    veznim crticama

    prostorno

    CHO C2H2O2 CHOCHO

    (planarna molekula)

    CHCl C2H2Cl2 CH2=CCl2 CHCl=CHCl (strukturni izomeri)

  • 35

    empirijska molekulska saeta strukturna

    strukturna Lewisova strukturna

    veznim crticama

    prostorno

    (geometrijski izomeri)

    (planarne molekule)

    CH2 C3H6 H2C=CHCH3

    (strukturni izomeri)

    *geometrijski izomeri takoer spadaju u dijastereomere

    Strukturni izomeri imaju istu molekulsku, a razliitu strukturnu formulu (isti broj razliitih

    atoma u molekuli, a razliit raspored atoma i veza). Imaju razliita fizikalna i kemijska

    svojstva (mogu pripadati i posve razliitim vrstama spojeva).

    npr. CH3OCH3 (dimetileter) i CH3CH2OH (etanol);

    CH3CH2CH=CH2 (but1en) i CH3CH=CHCH3 (but2en)

    Stereoizomeri imaju istu molekulsku i (saetu) strukturnu formulu, a razliit prostorni

    raspored atoma (prostornu formulu)

    Geometrijski izomeri cis/trans ili Z/E razliite skupine (ili skupine razliitog

    prioriteta) nalaze se na istoj ili na razliitim stranama dvostruke veze

    IZOMERI

    STRUKTURNI

    IZOMERI

    STEREOIZOMERI

    GEOMETRIJSKI IZOMERI* OPTIKI IZOMERI

    ENANTIOMERI DIJASTEREOMERI

  • 36

    cis1,2dikloreten

    trans1,2dikloreten

    (za Z i E vidi dolje CIPpravila)

    Optiki izomeri 4 razliite skupine su vezane uz 1 atom ugljika razliitim

    redoslijedom, tako da se nikakvim okretanjem molekule ne mogu preklopiti

    na svakom atomu ugljika za koji su vezane 4 razliite skupine ( = asimetrino

    supstituirani ugljikov atom = kiralni C atom = kiralni centar) moe se odrediti

    apsolutna konfiguracija: R ili S pomou CIPpravila

    Enantiomeri optiki izomeri koji se odnose kao predmet i zrcalna slika

    na svakom kiralnom C jedan ima suprotnu konfiguraciju nego drugi na

    odgovarajuem kiralnom C (ako je u jednom S u drugom je R i obrnuto)

    (kao to vidite 4. prioritet ne mora biti H, premda najee jest)

    (D i L je drukiji tip oznaka koji se koristi u biokemiji (nije apsolutna nego relativna

    konfiguracija), prvenstveno za eere i aminokiseline D eer ima OH skupinu najdalju od

    aldehidne ili ketonske skupine desno, a L lijevo; ovakav nain prikazivanja naziva se

    Fischerova projekcijska formula)

    Dijastereomeri optiki izomeri koji se ne odnose kao predmet i

    zrcalna slika mogui samo ako u molekuli postoje najmanje 2 kiralna C

    imaju suprotnu konfiguraciju najmanje na jednom kiralnom C, ali

    takoer najmanje na jednom imaju istu

    1 1

    2 2 4 4

    3 3

  • 37

    ako spoj ima n asimetrino supstituiranih ugljikovih atoma, optikih izomera s tom

    strukturnom formulom ima 2n, npr. za ovdje prikazanu lanastu formu glukoze/galaktoze/...

    ima ih 24 = 16 (ukljuujui navedene, naravno)

    CIPpravila (prema ljudima koji su ih osmislili: Cahn, Ingold, Prelog) odreivanje

    Z/E odnosno R/S konfiguracija (geometrijskih i optikih izomera) prema

    prioritetima: vei prioritet (tj. manji redni broj) = vea atomska masa ako 2 direktno

    vezana atoma imaju jednaku, gledaju se sljedei atomi vezani uz njih i tako koliko god

    treba dok se ne naie na razliku; dvostruka ili trostruka veza raunaju se kao dvije

    odnosno tri jednostruke

    primjeri:

    a) oko asimetrino supstituiranog C atoma (taj atom se obino ne pie nego se

    podrazumijeva da je na sjecitu crta, no ne bi smjelo biti greka ako se napie) ako

    brojimo u smjeru kazaljke na satu 1, 2, 3 naziva se Rkonfiguracija (lat. rectus), a ako u

    suprotnom smjeru onda Skonfiguracija (lat. sinister)

    po koracima:

    a. prepoznati da se radi o asimetrino supstituiranom C (vezane 4 razliite skupine)

    b. dodijeliti tim skupinama prioritete prema CIP pravilima

    c. rotirati molekulu tako da skupina zadnjeg prioriteta (broj 4) bude okrenuta "od tebe"

    (prema iza papira)

  • 38

    d. odrediti ide li 1, 2, 3 u smjeru kazaljke na satu (R) ili obrnuto (S)

    b) oko dvostruke veze meu svake dvije skupine vezane uz isti C odreuje se koja

    ima vei prioritet, a zatim ako se skupine istog prioriteta nalaze s iste strane (iznad ili

    ispod dvostruke veze) konfiguracija se zove Z (njem. zusammen), a ako su sa suprotnih

    strana zove se E (njem. entgegen) (Z je analogno cis a E trans to "pravilo iste skupine"

    ovako je poopeno u "pravilo isti prioriteti")

    Te oznake su uvedene dogovorno kako bi se razlikovali pojedini enantiomeri i dijastereomeri,

    a to je potrebno jer se enantiomeri razlikuju po jednom fizikalnom svojstvu: zakretanju

    ravnine polarizirane svjetlosti (za koliki ju kut jedan zakree u desno, za toliki ju drugi

    zakree u lijevo, ali to desnolijevo nema veze s RS) te po reakcijama s drugim takvim

    (kiralnim) molekulama, to je osobito vano za biokemijske reakcije (enzimi su u pravilu

    molekule s puno kiralnih centara), a dijastereomeri se esto razlikuju i po drugim kemijskim i

    fizikalnim svojstvima.

    Ako je potrebno napisati drugi enantiomer (npr. imamo S a hoemo R) ili

    dijastereomer, samo se zamijene dvije skupine na istom kiralnom C (za enantiomer se

    to napravi na svim kiralnim C, za dijastereomer samo na nekom).

  • 39

    Zadaci

    1. Koliko je moguih izomera s molekulskom formulom C5H12?

    A. 1

    B. 2

    C. 3

    D. 5

    2. Koliko razliitih strukturnih izomera postoji za diklorpropan, C3H6Cl2?

    A. 4

    B. 5

    C. 6

    D. nita od navedenog

    3. Za sve navedene molekulske formule mogue je napisati stabilnu organsku

    strukturu, OSIM:

    A. CH2O

    B. CH2O2

    C. CH3O

    D. CH4O

    4. Koji od navedenih spojeva su izomeri?

    1) CH3CH2OCH3

    2) CH3CH2OCH2CH3

    3) CH3CH2CH2OH

    4) CH2=CHOCH3

    A. 1 i 3

    B. 1 i 2

    C. 2 i 3

    D. 1 i 4

    5. Izomer 1butanola je:

    A. 1propanol

    B. butanon

    C. 1klorobutan

    D. dietil eter

    6. Koliko je moguih izomera dibromobenzena (C6H4Br2)?

    A. 1

    B. 2

    C. 3

    D. 4

    7. Koliko razliitih oblika (strukturnih i geometrijskih izomera) moe imati spoj molekulske formule C3H5Br?

    A. 1

  • 40

    B. 2 C. 3 D. 4 E. 5

    8. Koji od navedenih spojeva moe postojati kao dva ili vie geometrijskih izomera?

    A. 1,1dikloroetan

    B. 1,1dikloroeten

    C. 1,2dikloroetan

    D. 1,2dikloroeten

    9. Koliko asimetrino supstituiranih atoma ugljika ima u svakom od sljedeih spojeva?

    a) b) c)

    Rjeenja

    1. C

    2. A

    3. C

    4. A

    5. D

    6. C

    7. E

    8. D

    9. a) 1; b) 2; c) 5

  • 41

    Strukturni izomer spoja na slici je:

    A. B.

    C. D.

    Rjeenje: B

    1.19. Najvanije vrste organskih spojeva

    naziv skupine tvorba naziva spoja

    opa formula/ karakteristina skupina

    primjeri

    sustavni naziv formula

    alkani an CnH2n+2 propan CH3CH2CH3

    cikloalkani** ciklo...an

    CnH2n* ciklopropan

    alkeni en CnH2n*

    propen CH2=CHCH3

    alkini in CnH2n2* CC

    propin HCCCH3

    areni (aromatski ugljikovodici)

    sadre benzenski prsten

    benzen

    naftalen

  • 42

    naziv skupine tvorba naziva spoja

    opa formula/ karakteristina skupina

    primjeri

    sustavni naziv formula

    antracen

    halogenugljikovodici odnosno organski halogenidi (npr. halogenalkani)

    fluor, klor, brom, jod

    RX, X = F, Cl, Br ili I (atomom halogenog elementa zamijenjen je atom vodika)

    1klorpropan CH2ClCH2CH3

    2jodpropan CH3CHICH3

    3brompropin HCCCH2Br

    1,2dikloretan CH2ClCH2Cl

    1,1,1tribrometan CBr3CH3

    tetrafluormetan CF4

    alkoholi ol ROH etanol CH3CH2OH

    propan2ol

    etan1,2diol = glikol

    HOCH2CH2OH

    propan1,2,3triol = glicerol

    fenoli fenol sadre

    alkoholnu OH skupinu direktno*** vezanu uz benzenski prsten

    fenol 4klor1metilfenol

    eteri alkil

    alkileter ili alkoksialkan

    ROR' dietileter (ili etoksietan)

    etilmetileter ili metoksietan

  • 43

    naziv skupine tvorba naziva spoja

    opa formula/ karakteristina skupina

    primjeri

    sustavni naziv formula

    aldehidi al

    etanal

    ketoni on

    propanon

    karboksilne kiseline

    anska kiselina

    etanska kiselina

    soli karb. kiselina

    oat sadre karboksilatni anion

    natrijev etanoat

    esteri aliklalkanoat (1. dio iz alkohola, 2. iz kiseline)

    metiletanoat

    amidi amid

    odnosno

    etanamid

    N,Netilmetilpropanamid

  • 44

    naziv skupine tvorba naziva spoja

    opa formula/ karakteristina skupina

    primjeri

    sustavni naziv formula

    amini amin RNH2 odnosno

    metilamin trietilamin

    CH3NH2

    R = bilo kakav smisleni ostatak organskog spoja, R', R'' itd. mogu biti razliiti ili isti

    za navedene spojeve ee su u upotrebi nesustavna imena, redom: acetaldehid,

    aceton, octena kiselina, natrijev acetat, metilacetat, acetilamid, ali vjerojatnije e vas

    traiti napisati sustavna

    *odreivanje broja dvostrukih ili trostrukih veza ili prstenova u spoju koji sadri samo ugljik,

    vodik, kisik (kisik za ovo nita ne znai) i halogene elemente: od broja atoma H u alkanu s tim

    brojem atoma C oduzeti (broj H + broj halogenih) u promatranom spoju, dobiveni broj

    podijeliti s 2 (jer za svaku dvostruku vezu ili prsten ima 2 H manje), tako dobiveni broj je broj

    dvostrukih veza, ili broj trostrukih veza*2 (svaka trostruka vrijedi kao dvije dvostruke), ili

    broj prstenova, ili bilo kakva kombinacija (broj dvostrukih veza + 2*broj trostrukih veza +

    broj prstenova) mora dati taj broj, npr. spoj molekulske formule C8H8Cl2O moe imati 4

    dvostruke veze ILI 2 trostruke ILI 4 prstena ILI 2 dvostruke i 1 trostruku ILI 2 dvostruke i 2

    prstena ILI 2 prstena i 1 trostruku ILI 3 dvostruke i 1 prsten ILI 1 dvostruku, 1 trostruku i 1

    prsten ILI ...

    **moe i cikloalkeni od peterolanog prstena nadalje, ali prstenovi ciklalkina morali bi biti

    ogromni jer trostruka veza tei linearnom rasporedu

    *** ovo nije fenol! nego benzilni alkohol koji ima potpuno alkoholna

    svojstva

    Zadatak: Imenuj sljedee spojeve:

    a.

  • 45

    b.

    c.

    d.

    e.

    f. Rjeenje:

    a. 2etil3,4dimetilpentan

    b. 3etilheksan

    c. 2metil3,4dietilheptan

    d. 3metilpenta1,4dien

    e. 3fenilpenta1en (3fenilpenten)

    f. 1etil2,5dinitrobenzen

    1.20. Shematske strukture vanih biomolekula

    Masti i ulja = trigliceridi = esteri glicerola i tri iste ili razliite vie masne kiseline (vie

    nezasienih ulje tekue, vie zasienih mast vrsta) vidi saponifikacija pod

    Vanije organske reakcije

  • 46

    eeri

    monosaharidi polihidroksialdehidi ili polihidroksiketoni, ali u vodenim

    otopinama ponajvie u ciklikom obliku

    glukoza (u aciklikom obliku aldehid)

    fruktoza (u aciklikom obliku keton)

    disaharidi

    saharoza = glukoza + fruktoza

    polisaharidi (krob, celuloza = polimeri glukoze)

    krob

    GLI

    CER

    OL

    1. MASNA KISELINA

    2. MASNA KISELINA

    3. MASNA KISELINA

  • 47

    celuloza

    Aminokiseline i proteini

    Aminokiseline su male organske molekule koje sadre i karboksilnu i amino skupinu (kod

    prirodnih aminokiselina te su skupine vezane na isti C atom, takve se nazivaju

    aminokiseline). U prirodi ih postoji oko 20.

    Proteini (bjelanevine) su polimeri aminokiselina meusobno povezanih peptidnom vezom

    = amidnom vezom izmeu karboksilne skupine jedne i amino skupine druge aminokiseline

    (nastaje uz izdvajanje H2O = OH iz COOH i H iz NH2) (peptidna veza u proteinima razlikuje

    se od obine amidne po tome to ne podlijee hidrolizi dakle neemo se rastopiti

    u vodi zapravo joj je hidroliza nemjerljivo spora, zato se proteini u biolokim sustavima

    mogu hidrolizirati djelovanjem enzima koji tu reakciju ubrzavaju).

  • 48

    (na slici su peptidne veze oznaene uto)

    Peptidna veza je: A. C=C ; B. NHCO ; C. COOH ; D. CCl Rjeenje: B

  • 49

    2. Kemijske reakcije

    2.1. Kemijska reakcija

    Kemijska reakcija ili kemijska promjena je bilo koja promjena u kojoj dolazi do preraspodjele

    (kidanja i/ili nastanka) kemijskih veza. Zapisujemo ju kemijskom jednadbom:

    aA + bB + ... xX + yY + ...

    npr. 2Na(s) + Cl2(g) 2NaCl(s)

    Kvalitativno znaenje: iz natrija (u vrstom stanju) i klora (u plinovitom stanju) nastaje

    natrijev klorid (u vrstom stanju).

    Kvantitativno znaenje: iz dva atoma natrija i jedne molekule klora nastaju dvije formulske

    jedinke natrijeva klorida; iz dva mola natrija i jednog mola klora nastaju dva mola natrijeva

    klorida.

    2.2. Vrste kemijskih reakcija

    Po promjeni energije (u termodinamici, termokemiji)

    egzotermne u njima se oslobaa energija, produkti imaju niu energiju od

    reaktanata, reakcijska entalpija je negativna

    npr. gorenje metana (zemnog plina):

    CH4(g) + 2O2(g) CO2(g) + 2H2O(g), rH = 890 kJ/mol

    endotermne u njima se "troi" (vee) energija, produkti imaju viu energiju od

    reaktanata, reakcijska entalpija je pozitivna

    npr. arenje modre galice:

    CuSO45H2O(s) CuSO4(s) + 5H2O(g), rH = 80 kJ/mol

    H CH4(g) + 2O2(g)

    CO2(g) + 2H2O(g) rH < 0

    reakcijska koordinata

  • 50

    *veina rekacija za koje je potrebna poviena temperatura su endotermne, ali ne sve,

    mnoge samo imaju veliku energiju aktivacije (energija potrebna da reakcija zapone

    promjena energije u reakciji)!

    **ovako napisana jednadba s oznaenim agregatnim stanjima i navedenom

    reakcijskom entalpijom naziva se termokemijska jednadba

    Po stupnju ravnotee

    nepovratne "idu do kraja", u stanju ravnotee u reakcijskoj smjesi je prisutna

    zanemariva koliina reaktanata, ravnotea je pomaknuta daleko prema produktima

    (obino se uzima da je to kad je konstanta ravnotee vea od 100 ili 1000), piu se

    s "normalnom" strelicom

    npr. gorenje magnezija: Mg(s) + O2(g) MgO(s)

    povratne u stanju ravnotee u reakcijskoj smjesi je prisutna znatna koliina i

    produkata i reaktanata (obino konstanta ravnotee izmeu 0,01 i 100*),

    promjenom uvjeta (temperatura, tlak) moe se znatno utjecati na omjer prisutnih

    produkata i reaktanata, piu se s povratnim strelicama ili

    npr. dimerizacija duikova(IV) oksida: 2NO2(g) N2O4(g)

    * = konstanta ravnotee manja od 0,01 znaila bi da je nepovratna reakcija u

    suprotnom smjeru nego to je napisana tj. da se reakcija u smjeru kako je

    napisana ne odvija

    Po sloenosti reaktanata i produkata

    sinteza od jednostavnijih tvari nastaju sloenije

    npr. sinteza nitrobenzena

    H

    CuSO45H2O(s)

    CuSO4(s) + 5H2O(g)

    rH > 0

    reakcijska koordinata

  • 51

    sinteza amonijeva klorida

    NH3(g) + HCl(g) NH4Cl(s)

    analiza sloenije tvari se rastavljaju na jednostavnije

    piroliza povienom temperaturom bez prisutnosti kisika

    npr. termiki raspad kalcijeva karbonata:

    CaCO3(s) CaO(s) + CO2(g)

    ( je oznaka za arenje, umjesto toga se moe pisati i +T ili T za povienje

    temperature)

    hidroliza uz pomo vode

    npr. hidroliza estera:

    hidroliza soli slabih kiselina ili baza anion slabe kiseline ili kation slabe baze

    reagira s vodom tako da nastane ta kiselina ili baza te hidroksilni anion ili

    oksonijev kation ( vidi Kiseline, baze i soli)

    CH3COO + H2O CH3COOH + OH

    (npr. iz CH3COONa)

    Fe3+ + 2H2O Fe(OH)2+ + H3O

    + (npr. iz FeCl3)

    fotoliza djelovanjem svjetlosti

    npr. fotoliza srebrova klorida

    AgCl(s) Cl2(g) + Ag(s)

    h = energija kvanta svjetlosnog zraenja ( = frekvencija, h = Planckova

    konstanta 6,6261034

    Js)

    elektroliza djelovanjem elektrine struje

    npr. elektroliza vode:

    2H2O(l) 2H2(g) + O2(g)

    elektroliza taline natrijeva klorida:

    NaCl(l) Na(l) + Cl2(g)

    Po smjeru putovanja elektrona (redoksreakcije)

    oksidacija otputanje elektrona poveanje oksidacijskog broja

  • 52

    redukcija primanje elektrona smanjenje oksidacijskog broja

    U svakoj redoksreakciji odvijaju se jednako i oksidacija i redukcija (jednako elektrona se

    otpusti u oksidaciji koliko se primi u redukciji). Za oksidaciju ili redukciju posebno mogue je

    napisati samo jednadbu polurekacije koja sadri elektrone.

    Naravno, nisu sve postojee reakcije redoksreakcije, ne dolazi u svim kemijskim reakcijama

    do promjene oksidacijskog broja ( vidi Redoksi).

    Po promjeni zasienosti (organske reakcije)

    eliminacija smanjenje zasienosti (poveanje nezasienosti) oduzimanjem

    atoma nastaje dvostruka ili trostruka veza

    adicija poveanje zasienosti dodavanjem atoma na trostruku ili dvostruku vezu

    nastaje dvostruka ili jednostruka

    supstitucija jedan atom se zamjenjuje drugim, pri emu se ne mijenja zasienost

    Kiselobazne reakcije = neutralizacija

    vidi Kiseline, baze i soli

    Zadaci

    1. Koji element se oksidira pri pirolizi natrijeva hidrogenkarbonata? A. natrij B. vodik C. kisik D. ugljik E. nijedan

  • 53

    2. U kojoj od navedenih reakcija dolazi do promjena oksidacijskog broja?

    A. H2SO4 + 2NH3 (NH4)2SO4

    B. H2SO4 + Na2CO3 Na2SO4 + H2O + CO2

    C. 2K2CrO4 + H2SO4 K2Cr2O7 + K2SO4 + H2O

    D. 2H2SO4 + Cu CuSO4 + 2H2O + SO2

    3. U kojoj od navedenih reakcija se krom reducira?

    A. CrO3 CrOF3

    B. Cr3+ Cr(OH)4

    C. 2CrO42 Cr2O7

    2

    D. Cr3+ CrO42

    4. Koja od navedenih promjena je oksidacija?

    A. VO3 VO2

    +

    B. CrO2 CrO4

    2

    C. SO3 SO42

    D. NO3 NO2

    5. Reakcija u kojoj karboksilna kiselina reagira s alkoholom i nastaje organski spoj i

    voda zove se:

    A. esterifikacija

    B. hidroliza

    C. neutralizacija

    D. saponifikacija

    6. Koji od navedenih procesa su egzotermni?

    I. gorenje etana

    II. oduzimanje kristalne vode barijevom kloridu dihidratu

    A. samo I.

    B. samo II.

    C. i I. i II.

    D. ni I. ni II.

    7. Izravna sinteza klorbenzena iz benzena (uz FeCl3 kao katalizator) je:

    A. adicija

    B. eliminacija

    C. supstitucija

  • 54

    D. redukcija

    Rjeenja

    1. E

    2. D

    3. A

    4. B

    5. A

    6. A

    7. C

    2.3. Vanije organske reakcije

    gorenje veina organskih spojeva lako su zapaljivi, gorenjem bilo kojeg organskog spoja

    koji sadri samo ugljik i vodik ili samo ugljik, vodik i kisik uz dovoljan pristup kisika (to

    ukljuuje normalno gorenje na zraku) nastaje ugljikov dioksid i voda, uz nedovoljan pristup

    kisika nastaje ugljikov monoksid i voda ili aa (ugljik) i voda

    npr. C2H5OH + 3O2 2CO2 + 3H2O

    C2H5OH + 2O2 2CO + 3H2O

    C2H5OH + O2 2C + 3H2O

    (to je manje kisika na raspolaganju, manje je kisika u jednadbi i nastaje ugljini

    produkt s manje kisika)

    halogeniranje alkana supstitucija zamjena jednog atoma vodika atomom halogenog

    elementa (klora ili broma) na svjetlosti (klor i brom su obojeni pa dobro apsorbiraju

    svjetlosnu energiju, h (ni) je oznaka za energiju jednog fotona) ili uz povienu temperaturu

    npr. CH4 + Cl2 CH3Cl + HCl

    CH3CH3 + Br2 CH3CH2Br + HBr

    (reakcija se moe i nastaviti, dok se svi atomi vodika ne zamijene halogenim)

    halogeniranje alkena i alkina adicija (potpuno razliita stvar od halogeniranja alkana)

    atomi halogenog elementa (broma ili klora) veu se na ugljikove atome vezane dvostrukom

    ili trostrukom vezom

    npr. CH2=CH2 + Br2 CH2BrCH2Br

    HCCH + 2Br2 CHBr2CHBr2

  • 55

    (takve reakcije s bromom koriste se za dokazivanje alkena/alkina jer je brom smee boje pa

    se pri reakciji otopina broma obezboji)

    analogno se halogeniraju i trolani i etverolani alkanski prstenovi (cikloalkani)

    "puca" prsten jer je nestabilan zbog premalih kuteva izmeu C atoma i nastaju lanasti

    halogenoalkani (s po jednim halogenom na krajevima lanca)

    npr. + Cl2 CH2ClCH2CH2Cl

    + Br2 CH2BrCH2CH2CH2Br

    hidrogeniranje alkena i alkina adicija vodika na dvostruku (ili trostruku) vezu, uz

    katalizator plemeniti metal (Pt, Pd ili Ni, svejedno je koji), pri povienom tlaku i temperaturi

    npr. CH2=CH2 + H2 CH3CH3

    HCCH + 2H2 CH3CH3

    hidrogeniranjem alkina uz tzv. zatrovani katalizator = paladij s olovnom soli, nastaju

    alkeni (reakcija ne ide skroz do alkana)

    npr. HCCH + H2

    CH2=CH2

    analogno se hidrogeniraju i trolani i etverolani alkanski prstenovi (cikloalkani)

    "puca" prsten jer je nestabilan zbog premalih kuteva izmeu C atoma i nastaju lanasti

    alkani

    npr. + H2 CH3CH2CH3

    + H2 CH3CH2CH2CH3

    hidrohalogeniranje i hidratacija alkena

    Markovnikovo pravilo: vodik se vee na onaj C na kojem ve ima vie vodika

    (zapravo bi formalno tonije bilo rei da se ono to nije vodik vee tamo gdje ima

    manje vodika, no u teoriju iza toga (reakcijski mehanizam) nije ovdje potrebno ulaziti,

    a za primjenu pravila je, dakako, na ovoj razini svejedno)

    hidrohalogeniranje adicija halogenovodika

    npr. CH3CH=CH2 + HBr CH3CHBrCH3 (a ne, odnosno samo u zanemarivoj koliini,

    CH3CH2CH2Br)

    hidratacija adicija vode

  • 56

    npr. CH3CH=CH2 + H2O CH3CH(OH)CH3 (a ne, odnosno samo u zanemarivoj

    koliini, CH3CH2CH2OH)

    reakcije na benzenski prsten elektrofilna supstitucija jedan atom vodika (odnosno H+)

    zamjenjuje se "esticom siromanom elektronima" (to je pogodno jer je benzenski prsten

    bogat elektronima)

    (benzenski prsten moe se pojednostavljeno pisati ovako s kruiem, no treba uvijek imati na

    umu rezonantne strukture koje to predstavlja, a naravno i sve atome vodika)

    a) klor ili brom (X2) uz katalizator FeX3 ili AlX3

    npr. + Br2

    b) klorougljikovodik ili bromougljikovodik (RX) uz katalizator FeX3 ili AlX3

    npr. + CH3CH2Cl

    c) nitriranje (NO2+ koji nastaje iz koncentrirane HNO3 uz katalizator koncentriranu H2SO4)

    d) sulfoniranje (HSO3+ koji nastaje iz SO3 uz katalizator koncentriranu H2SO4)

  • 57

    *nastali nitrobenzen i benzensulfonska kiselina strukturno izgledaju:

    nastajanje alkoksida reakcija alkohola s reaktivnim metalima, prvenstveno

    alkalijskim, analogna reakciji vode (alkohol mora biti bezvodni jer e inae reagirati voda

    jer je reaktivnija)

    npr. 2CH3CH2CH2OH + 2Na 2CH3CH2CH2ONa + H2

    fenoli tako reagiraju i s hidroksidima alkalijskih metala jer su jae kiseline (konjugirana

    baza im je stabilizirana rezonancijom u benzenskom prstenu)

    dehidratacija alkohola uz H2SO4 i zagrijavanje ovisno o temperaturi nastaje

    preteno (simetrini) eter ili alken (ili prevladava povratna reakcija hidratacije u alkohol)

    npr. 2CH3CH2OH

    CH3CH2OCH2CH3 + H2O

    ili CH3CH2OH

    CH2=CH2 + H2O

    nastajanje (nesimetrinih) etera reakcija halogenalkana (jod, brom, klor) i alkoksida

    npr. CH3CH2CH2Br + CH3OK CH3CH2CH2OCH3 + KBr

    oksidacijaredukcija alkoholialdehidi(ketoni)karboksilne kiseline i natrag (treba znati i

    izjednaavati kao redokse!)

    najee oksidacija s bikromatom (npr. K2Cr2O7), CrO3 ili kalijevim permanganatom

    primarni alkoholi preko aldehida do karboksilnih kiselina (reakcija se moe zaustaviti na

    aldehidima ali teko), a sekundarni alkoholi do ketona (ne mogu u karboksilne kiseline jer

    nemaju vie H koji bi otpustili kako bi se C mogao oksidirati, iz istog razloga tercijarni alkoholi

    uope tako ne reagiraju)

    a redukcija adicijom vodika na dvostruku C=O vezu analogno kao na C=C u alkenima ili s

  • 58

    NaBH4 ili LiAlH4 (ili eventualno drugim hidridima metala)

    npr.

    oksidacija ketona koncentriranom HNO3 (vrlo jako oksidacijsko sredstvo cijepa se

    CC veza)

    npr.

    nastajanje derivata karboksilnih kiselina

    neutralizacija s hidroksidima nastaju soli (isto kao to reagiraju i anorganske

    kiseline)

    npr. CH3COOH + NaOH CH3COONa + H2O

    esterifikacija iz alkohola i karboksilne kiseline nastaje ester i voda, najee se

    odvija uz katalizator koncentriranu sumpornu kiselinu (katalizator za tu reakciju je

    bilo koja jaka ili umjereno jaka anorganska kiselina, no sumporna je posebno

    pogodna jer je i dehidratacijsko sredstvo, higroskopna pa vee vodu i tako pomie

    ravnoteu prema produktima)

    npr. CH3OH + CH3COOH

    CH3COOCH3 + H2O

    dobivanje amida reakcija s amonijakom ili (primarnim ili sekundarnim)

    aminom

  • 59

    npr. CH3COOH + NH3 CH3CONH2 + H2O

    CH3COOH + NH(CH3)2 CH3CON(CH3)2 + H2O

    hidroliza derivata karboksilnih kiselina s vodom, anorganskom kiselinom ili luinom

    nastaju karboksilne kiseline (u kiselom ili neutralnom) ili (u lunatom) njihovi anioni/soli, te

    ono iz ega bi odgovarajui derivat bio nastao (esteri alkohol, amidi amin ili amonijak)

    npr.

    saponifikacija5 hidroliza triglicerida (masti ili ulja) pomou luine na tri formulske

    jedinke sapuna (soli vie masne kiseline = karboksilne kiseline s velikim brojem

    (otprilike 1020, u prirodi uvijek parno) C atoma iste ili razliite) i trovalentni

    alkohol glicerol

    npr.

    reakcije amina temelje se na tome to su bazini (slabe baze hidroliza u

    vodenim otopinama!), analogne reakcijama amonijaka

    5 Saponifikacijom se esto naziva i openito svaka hidroliza estera bazom (luinom).

  • 60

    s organskim kiselinama dobivanje amida ( vidi maloprije pod nastajanje

    derivata karboksilnih kiselina)

    s anorganskim kiselinama tvore soli

    npr.

    Zadatak

    Napii formulama s veznim crticama organske produkte reakcija:

    g.

    h.

    i. Rjeenja:

    g.

    h.

  • 61

    i.

    2.4. Dokazne reakcije (analitike probe)

    Boje plamena (plamen boje kationi metala iz soli uneseni u vrlo topli plamen, a ne sami

    metali! za objanjenje kako do toga dolazi vidi Elektronska struktura atoma i atomski

    spektri)

    Li+ crveno

    Na+ uto

    K+ ljubiasto

    Ca2+ naranastocrveno

    Rb+ crveno

    Sr2+ tamnocrveno

    Cs+ plavo

    Ba2+ zeleno

    Cu2+ zeleno

    Taloenje metalnih halogenida dokazivanje bilo halogenidnih iona (npr. s AgNO3(aq)) bilo

    metalnih iona (npr. s NaCl(aq))

    halogenid srebra

    bijela AgCl dobra

    boja AgBr topljivost u NH3(aq)

    uta AgI netopljiv

    PbCl2 bijeli, PbBr2 bijeli, PbI2 jako ut

    HgI2 jako naranastocrven

  • 62

    Taloenje karbonata i sulfata zemnoalkalijskih metala

    SO42 (npr. iz Na2SO4(aq)) CO3

    2 (npr. iz Na2CO3(aq))

    Mg2+ ne nastaje talog MgCO3(s)

    Ca2+ CaSO4(s), djelomino topljiv

    (nastaje manje taloga)

    CaCO3(s)

    Sr2+ SrSO4(s) SrCO3(s)

    Ba2+ BaSO4(s) BaCO3(s)

    Svi navedeni talozi su bijeli (u pravilu samo prijelazni metali tj. metali dbloka daju obojene

    spojeve).

    Karbonati su topljivi u jakoj kiselini uz oslobaanje mjehuria plina (nastaje slaba

    ugljina kiselina koja se odmah raspada na ugljikov dioksid i vodu)

    MCO3(s) + 2H+(aq) CO2(g) + H2O(l) + M

    2+(aq)

    a sulfati nisu topljivi u jakoj kiselini jer je sulfatna kiselina jaka kiselina (kiselobazne

    reakcije idu u smjeru nastajanja slabije kiseline i baze).

    Dokazne reakcije za organske spojeve

    nezasieni spojevi (alkeni, alkini) bromnu vodu (otopina broma u vodi, smea)

    ili otopinu kalijevog permanganata (ljubiasta)

    Fehlingov ili Trommerov reagens: lunata otopina Cu2+ iona (plavo, najee [Cu(NH3)4]2+

    tamnoplavo) + aldehid ili reducirajui eer (npr. glukoza, fruktoza) talog Cu2O

    (crvenosmei)

    Tollensov reagens: lunata otopina AgNO3 i amonijaka (bezbojna) + aldehid ili

    reducirajui eer (npr. glukoza, fruktoza) ssrreebbrrnnoo zzrrccaalloo ((iizzlluuiivvaannjjee AAgg((ss)) ppoo

    ssttiijjeennkkaammaa eepprruuvveettee))

    biuret reakcija: lunata otopina Cu2+ iona (plavo) + bjelanevine (polipeptidi)

    ljubiasto

    ksantoproteinska reakcija: bjelanevine (koje sadre aromatske aminokiseline) +

    koncentrirana HNO3 uto

  • 63

    2.5. Brzina kemijske reakcije

    brzina kemijske reakcije po odreenom reaktantu ili produktu = promjena koncentracije

    tog reaktanata ili produkta / vrijeme

    Da bi se dobila "univerzalna" brzina reakcije bez obzira po kojem reaktantu ili produktu ju

    odreujemo, dijeli se stehiometrijskim koeficijentom tog reaktanta ili produkta (jer

    stehiometrijski koeficijent znai broj estica koje reagiraju ili nastaju u jednoj reakciji, vidi

    Mjerodavni reaktant, suviak u poglavlju Raunanje u kemiji), pri emu su stehiometrijski

    koeficijenti reaktanata negativni (jer se u reakciji troe pa se njihova koncentracija smanjuje

    tj. promjena koncentracije je negativna) pa je brzina uvijek pozitivna, piemo ( je grko slovo

    ni, najuobiajenija (iako zbog slinosti s oznakom za brzinu v vrlo nespretna) oznaka za

    stehiometrijski koeficijent):

    imbenici koji utjeu na brzinu kemijske reakcije:

    temperatura brzina svih reakcija (i endotermnih i egzotermnih ovo nema veze s tim!)

    poveava se porastom temperature jer pri veoj temperaturi estice imaju veu kinetiku

    energiju pa se bre gibaju (i stoga ee sudaraju i vei dio estica koje se sudare imaju

    dovoljnu kinetiku energiju koja slui kao energija aktivacije za reakciju), i to za veinu

    reakcija vrlo brzo (pri temperaturama blizu sobne udvostruuje svakih 10ak C)

    koncentracija reaktanata to je vea, estice reaktanata imaju vee anse za

    meusobne sudare (a do reakcija dolazi samo kad se estice sudare) pa se brzina svih

    reakcija poveava porastom koncentracije bilo kojeg reaktanta ili reaktanata u otopini ili

    plinovitom stanju odnosno tlaka plina

    veliina povrine na kojoj se zbivaju heterogene6 kemijske reakcije to su estice sitnije,

    vei dio njihove povrine moe doi u dodir s esticama drugih reaktanata pa je reakcija bra

    npr. vapnenac u prahu reagira s klorovodinom kiselinom puno bre nego grumen

    vapnenca, eljezna vuna hra bre nego avao, hrana se bre probavlja ako ju bolje

    provaemo

    dakle: brzina reakcije raste ili pada isto kao i temperatura, koncentracija reaktanata (i tlak

    ako su plinovi) i usitnjenost estica (znai obrnuto nego veliina estica)

    6

    Heterogene reakcije su one u kojima nisu svi reaktanti u istom agregatnom stanju (fazi). Veliina dodirne povrine prvenstveno je bitna pri reakcijama u kojima je barem jedan reaktant u vrstom stanju.

  • 64

    katalizator tvar koja ubrzava kemijsku reakciju, a sama izlazi iz reakcije u istom

    kemijskom (ne nuno i fizikalnom moe se npr. usitniti) obliku u kojem je u nju i ula (nije

    ba dobro rei "tvar koja ubrzava kemijsku reakciju a sama u njoj ne sudjeluje" jer veina

    katalizatora reagiraju s reaktantom/ima, no zatim ponovo reagiraju tako da se vrate u poetni

    oblik) to ubrzavanje kemijske reakcije promjenom reakcijskog mehanizma u onaj s manjom

    energijom aktivacije naziva se kataliza

    enzim biokatalizator katalizator u biolokim sustavima (ivim organizmima) po

    kemijskoj grai najee protein bez enzima ne bi bilo ivota jer bi se reakcije u

    stanicama odvijale puno presporo

    inhibitor obrnuto nego katalizator usporava kemijsku reakciju a sam izlazi iz

    reakcije u istom kemijskom obliku u kojem je uao

    katalizator omoguuje odvijanje reakcije s manjom energijom aktivacije

    (energija koju pravilno orijentirane estice koje se sudare moraju imati da bi

    dolo do reakcije), a u prisutnosti inhibitora energija aktivacije je vea

    Energijski (entalpijski) dijagram za reakciju sa i bez katalizatora obino se crta ovako

    (za egzotermnu reakciju):

    odnosno ovako (za endotermnu reakciju):

  • 65

    (zelenkasto je oznaena reakcija bez katalizatora, a crvenkasto s katalizatorom; Ea je

    energija aktivacije)

    iako bi u veini sluajeva preciznije bilo crtati neto ovakvo, jer katalizator najee smanjuje

    energiju aktivacije tako da "razdvaja" reakciju u nekoliko reakcijskih koraka (npr.: katalizator

    se vee uz reaktant, nastali kompleks se vee uz drugi reaktant, meu reaktantima vezanim uz

    katalizator odvije se sada energetski povoljnija reakcija, produkt se odvoji od katalizatora koji

    se time vraa u poetno stanje) od kojih svaki ima niu energiju aktivacije od nekatalizirane

    reakcije (energija aktivacije katalizirane reakcije jednaka je energiji aktivacije onog koraka za

    koji je ta energija najvea):

    2.6. Kemijska ravnotea

    Ravnoteno stanje tj. stanje dinamike ravnotee je stanje u kojem se reakcija (reaktanti

    produkti) i povratna reakcija (produkti reaktanti) odvijaju istom brzinom (v

    = v

    ) pa

    se ini kao da se reakcija ne odvija tj. koncentracije reaktanata i produkata ne mijenjaju

    se opazivo u vremenu (dakle NE stanje u kojem je brzina reakcije 0 niti stanje u kojem nema

    reakcije niti stanje u kojem je reakcija zavrila...).

    (Koncentracijska) konstanta ravnotee = umnoak koncentracija produkata u ravnotenom

    stanju potenciranih na odgovarajue stehiometrijske koeficijente / umnoak koncentracija

    reaktanata u ravnotenom stanju potenciranih na odgovarajue stehiometrijske koeficijente

  • 66

    (odnosno jednostavno umnoak ravnotenih koncentracija svih tvari u reakciji potenciranih na

    njihove stehiometrijske koeficijente ako vodimo rauna da su stehiometrijski koeficijenti

    reaktanata negativni)

    aA + bB + ... xX + yY + ...

    (ravnotene koncentracije se obino piu kao simbol tvari u uglatim zagradama, ali u

    redu je i pisati "normalno" c(X) itd.)

    za tvari u plinovitom stanju umjesto ravnotenih koncentracija mogu biti ravnoteni

    tlakovi (ili parcijalni tlakovi: parcijalni tlak = tlak te tvari / ukupni tlak smjese), rauna

    se isto, ali ako su sve tvari u plinovitom stanju i izraene ravnotenim tlakovima

    konstanta se oznaava Kp i naziva tlana konstanta ravnotee

    vrste tvari i otapalo ne utjeu na ravnoteu, njihove koncentracije nije potrebno

    uvrtavati u heterogenoj ravnotei (ravnotei u kojoj sudjeluju tvari u razliitim

    agregatnim stanjima)

    ako nije drukije navedeno, konstanta ravnotee ima mjernu jedinicu

    koncentracije odnosno tlakove treba uvrtavati skupa s njihovim mjernim jedinicama!

    Le Chatelierov princip: svaki utjecaj na ravnoteni sustav izaziva pomak ravnotee u smjeru

    da se taj utjecaj to vie smanji

    1) utjecaj dodavanja ili odvoenja reaktanta ili produkta na ravnotene koncentracije

    reaktanata i produkata: konstanta ravnotee je KONSTANTA (pri istoj temperaturi uvijek ista)

    pa se koncentracije uvijek mijenjaju tako da konstanta ravnotee ostane KONSTANTNA tj.

    ISTA: dodavanje reaktanta ili odvoenje produkta uzrokuje poveanje ravnotenih

    koncentracija (ostalih) produkata tj. smanjenje ravnotenih koncentracija (ostalih)

    reaktanata (kaemo: ravnotea se pomie prema produktima ili "u desno"), smanjenje

    koncentracije reaktanta ili dodavanje produkta uzrokuje smanjenje ravnotenih

    koncentracija (ostalih) produkata tj. poveanje ravnotenih koncentracija (ostalih