Category Bez kategorii

Jak każde zjawisko w przyrodzie, reakcja chemiczna dla swego przebiegu potrzebuje pewnego czasu. Czas ten dla różnych reakcji jest bardzo różny — od drobnego ułamka sekundy aż do lat i tysiącleci. Z pojęciem czasu trwania procesu nieodłącznie związane jest pojęcie jego szybkości. Szybkość przemiany chemicznej określa się jako stosunek ilości substancji ulegającej przemianie do czasu trwania przemiany. Ilości substancji reagujących wyrażane są najczęściej w gramocząstecz- kach i jeśli reakcja odbywa się w środowisku jednolitym, odnosi się., je do jednostki objętości (zwykle 1 litra). Ostatecznie więc można określić szybkość reakcji jako ubytek stężenia substancji reagującej (lub przyrost stężenia produktu reakcji) w odniesieniu do czasu trwania reakcji.

Znajomość ciężarów atomowych pozwala też, odwrotnie, na podstawie składu procentowego związku ustalić jego wzór chemiczny. W tym celu dzieli się procentową zawartość każdego pierwiastka przez jego ciężar atomowy, tzn. znajduje się, ile gramoatomów pierwiastka mieści się w 100 g związku. Otrzymane przy tym liczby, zazwyczaj ułamkowe, podają, w jakim stosunku atomowym poszczególne pierwiastki wchodzą w skład związku. Ponieważ atomy w reakcjach chemicznych zachowują się jako niepodzielne, należy stosunek ten wyrazić w liczbach całkowitych. Osiąga się to, dzieląc otrzymane liczby przez ich największy wspólny dzielnik. Ilorazy podają liczby atomów wchodzących w skład cząsteczki związku.

Wobec identyczności chemicznej sztucznych radiopierwiastków z ich nieczynnymi izotopami naturalnymi mogą one być użyte jako „wskaźniki promieniotwórcze” w badaniach wielu przemian chemicznych. Dzięki własnościom promieniotwórczym radioizotopy .dają się bowiem wykryć w ilościach nieuchwytnych zwykłymi metodami chemicznymi. Można więc z ich pomocą stwierdzić istnienie minimalnych ilości tego czy innego nietrwałego związku danego pierwiastka, nie dającego się otrzymać w większych ilościach. W podobny sposób np. Paneth jeszcze w 1918 r. dowiódł możliwości powstawania bizmutowodoru {§ 212), stosując w charakterze „wskaźnika” ThC (naturalny promieniotwórczy izotop bizmutu).

Jak już była mowa w § 66, zjawisko promieniotwórczości, odkryte przez Becąuerela w 1896 r. na związkach uranu i bliżej zbadane w latach następnych przez małżonków Curie, spowodowało całkowity przewrót w dotychczasowych pojęciach o budowie materii i stało się podstawą zawrotnego wprost rozwoju tej gałęzi wiedzy w bieżącym stuleciu. Nie od razu jednak udało się wyjaśnić istotę tego zjawiska. Zaobserwowane fakty były bowiem całkiem niezrozumiałe w świetle ówczesnego stanu wiedzy. Oto niektóre z tych faktów.

Wodór łączy się bezpośrednio z wieloma pierwiastkami zarówno spośród metali (lit, sód, wapń), jak i, szczególnie, niemetali (fluor, chlor, brom, jod, tlen, siarka, azot, węgiel). Niektóre z tych reakcji przebiegają bardzo gwałtownie (z fluorem, chlorem, tlenem), inne odbywają się powoli i tylko w wyższej temperaturze.

Niezliczoną mnogość przemian, czyli reakcji chemicznych, można zaszeregować do trzech głównych typów.

– 1. Do typu pierwszego zalicza się reakcje, w których dwie lub kilka substancji, łącząc się z sobą, tworzą produkt o własnościach całkowicie odmiennych od substancji wyjściowych. Reakcję taką można przedstawić za pomocą schematu: A + B > AB.

Doświadczalne oznaczenie ciężaru cząsteczkowego może być wykonane kilkoma różnymi metodami. Szczegółowy opis wszystkich tych metod znaleźć można w podręcznikach do ćwiczeń praktycznych z fizyki lub chemii fizycznej. Tu omówionych będzie tylko parę metod najważniejszych.

– 1. Metoda Regnaulta polega na bezpośrednim ważeniu badanego gazu pod znanym ciśnieniem i w znanej temperaturze w balonach, których objętość została wycechowana przez wypełnienie cieczą o znanej gęstości d (najczęściej wodą lub rtęcią). Najpierw waży się balon wypełniony gazem (pt), następnie usuwa się gaz możliwie dokładnie i waży balon powtórnie (p2). Wreszcie przez zanurzenie wylotu balonu w wodzie i otwarcie kranu napełnia się go wodą i znów waży (P3)...

Produkty przemian jądrowych nie zawsze są trwałymi rodzajami atomów, lecz same mogą ulegać dalszemu rozpadowi samorzutnemu. Pierwszy taki przypadek zaobserwowali Irena Joliot-Curie 1 F. Joliot w 1934 r. Poddając glin bombardowaniu cząstkami a, wysyłanymi przez polon, badacze ci stwierdzili, że wysyła on promieniowanie neutronowe oraz promienie analogiczne do promieni fł, lecz różniące się znakiem ładunku. Występujące w tym promieniowaniu cząstki, które można by określić jako „elektrony dodatnie”, zostały nazwane pozytonami. Odkrył je nieco wcześniej Anderson (1932), który zarazem stwierdził, że są one bardzo krótkotrwałe i natychmiast prawie ulegają zobojętnieniu przez elektrony, przy czym masa obu cząstek, zgodnie z zasadą równoważności masy i energii, zamienia się na energię w postaci promieniowania y.

Jak już wspomniano (§ 6), tlen stanowi blisko połowę dostępnej człowiekowi materii. W stanie wolnym znajduje się on w powietrzu atmosferycznym, które w dolnych swych warstwach składa się mniej więcej w V5 (dokładniej w 20,8% na objętość lub w 23% na wagę) z gazowego tlenu. Woda, która w postaci oceanów i mórz pokrywa większą część powierzchni kuli ziemskiej, zawiera około -/fl tlenu. Wreszcie i stała skorupa ziemska w olbrzymiej swej większości zbudowana jest ze związków tlenu z innymi pierwiastkami, głównie z krzemem, glinem i żelazem.

Dla wytworzenia promieni X konieczne jest zastosowanie w rurce próżniowej pewnego minimalnego napięcia, na ogół tym wyższego, im większa jest częstotliwość drgań. Podczas stopniowego zwiększania napięcia prążki widma danego pierwiastka nie pojawiają się pojedynczo, lecz po przekroczeniu napięcia minimalnego występuje od razu cała seria. Spośród wymienionych trzech serii, najniższego napięcia wymaga wywołanie serii M, wyższego — serii L, najwyższego — serii K.

Odwzorowaniem geometrycznym kryształu, z którego dadzą się logicznie wyprowadzić zarówno jego charakter anizotropowy, jak i prawa . rządzące jego formą zewnętrzną, tzn, prawo stałości kątów dwuścien- 4 nych i prawo parametrów racjonalnych — jest sieć przestrzenna, czyli zbiór punktów rozmieszczonych w przestrzeni w sposób prawidłowy (rys. 68). Zbiór taki można otrzymać w sposób następujący:

Tlen w zwykłej temperaturze jest gazem bez barwy, smaku i zapachu, nieco cięższym od powietrza. Z gęstości wypada dla tlenu ciężar cząsteczkowy 32, odpowiada mu więc wzór 02. Oziębiony poniżej 119°C i poddany wysokiemu ciśnieniu ulega skropleniu na ciecz bar- wy niebieskiej, nieco cięższą od wody, a w 219cC zestala się w jasnoniebieską masę krystaliczną. Rozpuszczalność tlenu w wodzie jest niewielka, dzięki czemu można go zbierać nad wodą. Litr wody w 0°C rozpuszcza 49,1 cm3, a w 20°C — 31 cm3 gazu. Ta niewielka rozpuszczalność ma jednak duże znaczenie dla rozwoju życia organicznego w wodzie. Zwierzęta wodne zużywają bowiem do oddychania wyłącznie tlen rozpuszczony w wodzie, nie mają zaś zdolności wyzyskiwania tlenu chemicznie związanego.

Fajans usiłuje ominąć te trudności za pomocą swej kwantykułowej teorii wiązań chemicznych. Zgodnie z tą teorią istotę wiązań wewnątrzcząsteczkowych stanowią siły elektrostatyczne pomiędzy elektronami a jądrami lub też elektrododatnimi „zrębami” atomów. Zrąb utworzony jest przez jądro, którego ładunek dodatni osłonięty jest częściowo przez całkowicie wypełnione powłoki elektronowe. Np. zrąb atomu sodu składa się z jądra i 10 elektronów wypełniających całkowicie poziomy 112: [Na+J — [Nau+, 1-,2S1, Elektrony w cząsteczce mogą być rozdzielone na grupy, tzw. kwantykuły, związane bezpośrednio bądź z pojedynczymi zrębami (według terminologii Fajansa „skwantowane względem pojedynczych zrębów”), bądź też z dwoma lub większą liczbą zrębów równocześnie. Przypadek pierwszy odpowiada wiązaniu jonowemu. Występują tu dwojakiego rodzaju kwantykuły, związane bądź z kationem, bądź z anionem: Al B—. Z przypadkiem drugim w skrajnej postaci mamy do czynienia, gdy łączą się ze sobą atomy tego samego pierwiastka, np. w cząsteczce wodoru. Grupa dwu elektronów (e—)2 związana jest równocześnie z dwoma protonami: H+(e—)2H+, tworzy więc jedną kwantykułę, „skwantowaną” względem dwu jąder. Ten przypadek byłby więc odpowiednikiem wiązania ko- walentnego. Nie znaczy to jednak, że każdy z atomów H wchodzących w skład cząsteczki posiada całkowicie zaprłniony pierwszy poziom energetyczny, jak w atomie helu: raczej układ elektronów cząsteczki Ha jako całości może być porównywany z układem atomu He.

W myśl wywodów przytoczonych w §§ 73 i 74, struktura głębszych poziomów elektronowych różnych pierwiastków tym się tylko różni, ' że są one tym silniej wiązane przez jądro, im większy jest jego ładunek. W miarę wzrostu liczby atomowej pierwiastka rośnie też wartość energii potrzebnej do podniesienia tych elektronów na wyższy poziom energetyczny lub też do zupełnego wydalenia ich z atomu. Taki pogląd na budowę powłok elektronowych atomów pozwala wyjaśnić pewną prawidłowość, dotyczącą promieniowania rentgenowskiego emitowanego przez dany pierwiastek. Odwrotnie, prawidłowość ta może służyć za dowód podobieństwa budowy wewnętrznych warstw elektronowych w atomach różnych pierwiastków.