Mada je četrnaesto izdanje ovog udžbenika sadržavalo dosta novog materijala, ovo, petnaesto izdanje, je ipak prilično prošireno. Ono što je iz raznih razloga propušteno da se objavi u prethodnim izdanjima, ovde je u največoj meri nadoknađeno. Tako, na primer, dat je opis razlike između „mase i težine”; zatim je na pristupačan način prikazana dvojna priroda materije. Neka nova otkrića i novi dobiveni podaci o raznim jedinjenjima i procesima njihovog dobivanja takođe su našla mesta u ovom izdanju.
Pored toga, u petnaestom izdanju posebna pažnja je posvećena što potpunijem prikazivanju svih vrsta hemijskih veza. Zbog toga je dat širi prikaz atomskih spektara, zatim kako atomskih tako i molekulskih orbitala. Hibridizacija i hibridne orbitale znatno su potpunije prikazani.
Ugroženost ozona u atmosferi, kao i ugroženost, atmosfere i prirodnih voda od raznih zagađivača izloženi su ovde prema najnovijim rezultatima koji su eksperimentalno potvrđeni. Posebno su izneti dokazi na nedostatak jedinjenja izvesnih elemenata u ljudskoj ishrani zbog kojih se sve više i sve jače javljaju neke teške i veoma opasne bolesti.
S obzirom da je radioaktivnost upravo otkrivena pre više od 100 godina (1896. godine), nuklearna hemija je obrađena u nešto širem obimu, pri čemu su potpunije opisane opasnosti koje mogu nastati na nuklearnim reaktorima, kao što je bio poznati „akcident” u nuklearnoj centrali u Ukrajini, blizu Cernobilja 1986. godine.
O značaju fulerena i njihovih derivata dat je potpuniji prikaz.
Prikazana je odluka IUPAC-ove Komisije za nomenklaturu iz 1994. godine o imenima sintetički dobivenim elementima od rednog broja 104—109, kao i revizija te odluke 1997. godine.
Ovo izdanje sadrži znatno veći broj slika raznih jedinjenja i procesa njihovog dobivanja, a takođe i veći broj tablica sa raznim proverenim podacima, pa će i to doprineti da se izneti materijal što lakše i što bolje shvati.
Mada je obilnost ovog petnaestog izdanja prilično uvećana, svaki student, prema svom interesovanju, u vezi sa svojim studijama, može da odabere onaj deo i u onolikom obimu koji njemu odgovara. Obilniji prikaz svakog dela sadržaja jednog udžbenika može da se skrati prema želji studenata i odgovarajućoj potrebi.
Svrha svih novih dopuna je da se materijal Opšte i neorganske hemije što više osavremeni i tako što bolje odgovori svojoj nameni.
Mojoj supruzi izražavam veliku zahvalnost na uloženom trudu u vezi korekture celokupnog objavljenog teksta.
Beograd, 1998. Stanimir ARSENIJEVIĆ
Sadržaj
Predgovor petnaestom izdanju
GLAVA I
Uvod u hemiju
Istorijski razvoj hemije
GLAVA II
Supstance i njihova podela
Rastavljanje heterogenih i homogenih sistema
Čiste supstance
GLAVA III
Atomska i molekulska teorija
Stehiometrijski zakoni
Međunarodni sistem mernih jedinica (SI)
(Systeme International d’ Unites)
Imena i simboli nekih izvedenih jedinica
Si-prefiksi u metričnom sistemu
Atomska i molekulska teorija
Relativne atomske mase, Ar
Molekul
Relativne mlekulske mase, Mr
Imena hemijskih elemenata
Hemijski simboli (znaci), formule i jednačine
Opšti principi zapisanje hemijskih formula i hemijskih jednačina
Određivanje relativnih molckulskih masa (molekulskih težina) gasovitih supstanci
Mol
Molska masa (M)
Kinetička teorija gasova
Određivanje relalivnih atomskih masa (atomskih težina)
Primena Dilon-Ptijevog pravila
Stvarne („apsolutne”) atomske i molekulske mase (težine)
Postavljanje hemijske formule jedinjenja
Hemijske jednačine i njihova primena
Osnove stehiometrijskog izračunavanja
GLAVA IV
Masa i energija
Masa i težina
Hemijska energija
Ekvivalentnost mase i energije
Termohemija
Heterogeni sistemi i fazne ravnoteže
GLAVA V
Klasifikacija elemenata i njihova obilnost
Periodni sistem elemenata
Razvoj tablice periodnog sistema od 1923-1998
GLAVA VI
Struktura atoma
Atomski spektri
Dvojna priroda materije
Borova teorija
Elektronska konfiguracija
Kvantni brojevi
Objašnjenje periodnog sistema na osnovu konfiguracije elektronskog omotača
Podela elemenata prema elektronskoj strukturi njihovih atoma
GLAVA VII
Struktura molekula
Jonizaciona energija
Elektronski afinitet
Jonska ili elektrovalentna veza
Elektronegativnost elemenata
Kovalentna veza
Kovalentna veza prema talasno-mehaničkoj teoriji
Molekulsko-orbitalna teorija
Red veze
Hibridizacija i hibridne orbitale
Hibridizacija digonalnog sistema
Hibridizacija trigonalnog sistema
Hibridizacija tetragonalnog sistema
Rezonantne strukture
Jedinjenja sa jonskom i kovalentnom vezom
Koordinativna (dativna, semipolarna) veza
Metalna veza i metalna kristalna rešetka
Polarni i nepolarni molekuli
Oblici molekula
Oksidacioni broj ili oksidaciono stanje
Najvažnije karakteristike agregatnih stanja supstanci
Struktura čvrstog tela
Tečni kristali (mezomemo stanje)
Nomenklatura neorganskih jedinjenja
GLAVA VIII
Hemijska kinetika i hemijska ravnoteža
Teorija sudara i teorija prelaznog (aktiviranog) kompleksa
Mehanizam hemijske reakcije
Hemijska ravnoteža i primena zakona o dejstvu masa na nju
Uticaji od kojih zavisi položaj ravnoteže nekog sistema
GLAVA IX
Vodonik i kiseonik
Vodonik
Kiseonik
Ozon
Oksidi, kiseline, baze i soli
Oksidi
Supraprovodnici
Kiseline
Baze
Soli
Jedinjenja kiseonika i vodonika
Voda
Vodonik-peroksid
Novo jedinjenje vodonika i kiseonika
Superoksidi i ozonidi
Oksidacija i redukcija
Uravnotežavanje hemijskih jednačina oksidoredukcionih reakcija
Oksidaciono stanje kao jedna periodična osobina.
GLAVA X
Rastvori
Rastvaranje
Rastvorljivost
Sastav rastvora
Osobine rastvora
GLAVA XI
Elektrolitička disocijacija
Elektroliza
Aktivnosti jona
Primena zakona o dejstvu masa na elektrolite
Osobine kiselina, baza i soli prema teoriji elektrolitičke disocijacije
Proizvod rastvorljivosti
Jonske reakcije
Jonski proizvod vode i vodonični eksponent
Indikatori
Puferi (regulatori)
Hidroliza soli
Pojam kiselina i baza po protolitičkoj teoriji
„Tvrde” i „meke” kiseline i baze
GLAVA XII
Vazduh
Osma grupa periodnog sistema, ogranaka
Plemeniti (inertni) gasovi
Argon
Helijum
Kripton i ksenon
Radon
GLAVA XIII
Sedma grupa periodnog sistema, ogranaka
Halogeni elemcnti
Fluor
Hlor
Brom
Jod
Jedinjenja halogena s vodonikom
Fluorovodonik
Hlorovodonik
Bromovodonik
Jodovodonik
Kiseonična jedinjenja halogena
Kiseonična jedinjenja fluora
Kiseonična jedinjenja hlora
Kiseonična jedinjenja broma
Kiseonična jedinjenja joda
Međusobna jedinjenja halogena
GLAVA XIV
Šesta grupa periodnog sistema, ogranaka
Sumpor
Sumporova jedinjenja savodonikom
Kiseonična jedinjenja stumpora
Sumpor-dioksid
Sumporasta kiselina
Sumpor-trioksid
Sumporna kiselina
Tiosumporna kiselina
Politionske kiseline
Sumporova jedinjenja s halogenima
Selen
Selenova jedinjenja
Polonijum
Kataliza i katalizatori
Homogena kataliza
Hidrogenizacija
Oksidacija
Katalitički otrovi
Promotori
GLAVA XV
Peta grupa periodnog sistema, ogranaka
Azot
Azotova jedinjenja s vodonikom
Amonijak
Hidrazin
Azotovodonična kiselina
Hidroksil-amin
Azotova jedinjenja s halogenim elementima
Kiseonična jedinjenja azota
Azot-suboksid
Azot-monoksid
Azot-trioksid
Azot-dioksid
Azot-pentoksid
Azotasta kiselina
Azotna kiselina
Fosfor
Fosforova jedinjenja s vodonikom
Fosforova jedinjenja s halogenim elementima
Kiseonična jcdinjenja fosfora
Oksidi fosfora
Fosforove kiseline
Arsen
Arsenova jedinjenja s vodonikom
Arsenova jedinjenja s halogenima
Arsenova jedinjenja s kiseonikom
Arsenova jedinjenja s sumporom
Antimon
Antimonova jedinjenja s vodonikom
Antimonova jedinjenja s halogenima
Antimonovi oksidi i kiseline
Antimonova jedinjenja sa sumporom
Bizmut
Bizmutova jedinjenja
GLAVA XVI
Četvrta grupa periodnog sistema, ogranaka
Ugljenik
Fulereni
Prirodni ugalj
Ugljenikova jedinjenja
Ugljenikova jedinjenja s vodonikom
Ugljenikova jedinjenja s kiseonikom
Ugljen-dioksid
Ugljen-monoksid
Ugljenikova jedinjenja sa sumporom, azotom i metalima
Silicijum
Silicijumova jedinjenja s vodonikom
Silicijumova jedinjenja s halogenima i ugljenikom
Silicijumova jedinjenja s kiseonikom i azotom
Keramika
Staklo
Cement
Germanijum
Kalaj
Kalaj(II)-jedinjenja (stano-jedinjenja)
Kalaj(IV)-jedinjenja (stani-jedinjenja)
Olovo
Jedinjenja olova oksidacionog stanja +2
Jedinjenja olova oksidacionog stanja +4
GLAVA XVII
Koloidi
Dobivanje koloidnih disperznih sistema
Podela koloida
Koagulacija
GLAVA XVIII
Metali
Elektrohemija
Hemijski izvori električne struje
Elektrohemijske baterije
Olovni akumulator
Korozija metala
Legure
Nalaženje metala u prirodi i njihovo dobivanje
GLAVA XIX
Prva grupa periodnog sistema, ogranaka
Alkalni metali
Litijum
Litijumova jedinjenja
Natrijum
Natrijumova jedinjenja
Nilijum
Kalijumova jedinjenja
Rubidijum
Cezijum
Značaj alkalnih metala u biološkim sistemima
Amonijum – soli
GLAVA XX
Druga grupa periodnog sistema, ogranaka
Zemnoalkalni metali
Berilijum
Berilijumova jedinjenja
Magnezijum
Magnezijumova jedinjenja
Kalcijum
Kalcijumova jedinjenja
Sironcijum
Stroncijumova jedinjenja
Barijum
Barijumova jedinjenja
Radijum
GLAVA XXI
Radioaktivni elementi i njihovo raspadanje
Konstanta radioaktivnog raspada
Radioaktivni nizovi
Izotopi
Smeštaj radioelemenata u tablicu periodnog sistema
Izotopi stabilnih elemenata
Prirodni radioaktivni izotopi
Vodonikovi izotopi
Primena radioaktivnih izotopa
Teška voda
Promenljiv maseni odnos elemenata u sastavu nekih jedinjenja u zavisnosti od prisutnih izotopa
GLAVA XXII
Atomsko jezgro
Neutron
Pozitron
Maseni broj
Izobari, izotopi i izotoni
Neutrino i mezon
Vrste radioaktivnog raspada
Nuklearne sile
Modeli atomskog jezgra
Maseni defekt
Nuklearne transmutacije i veštačka radioaktivnost
Poreklo hemijskih elemenata
GLAVA XXIII
Treća grupa periodnog sistema, ogranak a
Bor
Borova jedinjenja
Aluminijum
Aluminijumova jedinjenja
Dvogube soli
Galijum
Indijum
Talijum
GLAVA XXIV
Osma grupa periodnog sistema, ogranak b
Gvožđeva grupa
Gvožđe
Gvožđeva jedinjenja
Gvožđe (Il)-jedinjenja (fero-jedinjenja), jedinjenja oksidacionog stanja gvožda +2
Gvožđe(III)-jedinjenja (feri-jedinjenja) – jedinjenja oksidacionog stanja gvožđa +3
Gvožđeva kompleksna jedinjenja
Kobalt
Nikal
Grupa platinskih metala
Rutenijum
Rodijum
Paladijum
Osmijum
Iridijum
Platina
Kompleksna ili koordinaciona jedinjenja
Istorijski razvoj kooridnacione hemije
Bitne karakteristike Vernerove koordinacione teorije
Klasifikacija kompleksnih jedinjenja
Karakteristične osobine kompleksnih jedinjenja
Kompleksi prelaznih metala se klasifikuju kao jaki (stabilni) i kao slabi (labilni)
Nomenklatura koordinacionih jedinjenja
Prirodna koordinaciona jedinjenja
GLAVA XXV
Ogranci grupa periodnog sistema
Ogranak b prve grupe periodnog sistema
Bakar
Bakar(I)-jedinjenja
Bakar(II)-jedinjenja
Srebro
Srebrova jedinjenja
Fotografija
Zlato
Jedinjenja zlata oksidacionog stanja +1
Jedinjenja zlata oksidacionog stanja +3
Ogranak b druge grupe periodnog sistema
Cink
Cinkova jedinjenja
Kadmijum
Kadmijumova jedinjenja
Živa
Živa (I)-jedinjenja
Živa(II)-jedinjenja
Ogranak b treće grupe periodnog sistema
Lantanoidi (4f-elementi)
Aktinoidi (5f-elementi)
Aktinijum
Torijum
Protaktinijum
Uran
Uranova jedinjenja
Ogranak b četvrte grupe periodnog sistema
Titan
Titanova jedinjenja
Cirkonijum
Hafnijum
Ogranak b pete grupe periodnog sistema
Vanadijum
Niobijum i tantal
Ogranak b šeste grupe periodnog sistema
Hrom
Jedinjenja hroma oksidacionog stanja +2
Jedinjenja hroma oksidacionog stanja +3
Jedinjenja hroma oksidacionog stanja+6
Molibden
Molibdenova jedinjenja
Volfram
Volframova jedinjenja
Ogranak b sedme grupe periodnog sistema
Mangan
Manganova jedinjenja
Jedinjenja mangana oksidacionog stanja +2
Jedinjenja mangana oksidacionog stanja +3
Jedinjenja mangana oksidacionog stanja +4
Jedinjenja mangana oksidacionog stanja +6
Jedinjenja mangana oksidacionog stanja +7
Renijum
GLAVA XXVI
Elementi s rednim brojevima 43, 61, 85 i 87. Transurani
Elementi s rednim brojevima 43, 61,85 i 87
Tehnecijum
Prometijum
Astat
Francijum
Transurani
Dobivanje transuranskih elemenata
Neptunijum
Plutonijum
Americijum
Kirijum
Berklijum
Kalifornijum
Ajnštajnijum
Fennijum
Mendeljevijum
Nobelijum
Lorencijum
Elemenat s rednim brojem 104 (Raderfordijum)
Elemenat srednim brojem 105 (Dubnijum)
Elemenat s rednim brojem 106 (Siborgijum)
Elemenat s rednimbrojem 107 (Borijum)
Elemenat s rednim brojem 108 (Hasijum)
Elemenat s rednim brojem 109 (Majtnerijum)
Elemenat s rednim brojem 110 (Ununnilijum)
Elemenat s rednim brojem 111 (Unununijum)
Elemenat s rednim brojem 112 (Ununbijum)
Revizija odluke IUPAC-ove komisije za nomenklaturu iz 1994. godine
Tablica hemijskih elemenata
TabIica elektronske konfiguracije elemenata
Tablica imena elemenata na raznim jezicima
Nobelove nagrade za hemiju 1901-1997
Literatura
Registar
Glava I Uvod u hemiju
„Hemija je nauka o elementima i njihovom pretvaranju”.
D. Mendeljejev
Hemija je prirodna nauka koja proučava supstance, njihovu građu i osobine, kao i promene pri kojima dolazi do pretvaranja jeđnih supstanci u druge. Ona s punim pravom predstavljajednu od osnovnih nauka, jer većina pojavakojese javljaju u svetu koji nas okružuje su u stvari hemijske promene, tj. takve promene pri kojima se od jedne ili više supstanci dobivaju nove, različite supstance.
Materijal u najširem smislu je svaki oblik materije (str. 18) koji ima neku praktičnu primenu za koju nisu bitne hemijske transformacije koje se tom promenom odvijaju, već samo njegove fizičke osobine. Međutim, većina materijala, kako prirodnih tako i onih veštačkim putem dobivenih, nisu čiste supstance, već su sastavljeni od manjeg ili većeg broja drugih supstanci. Takvi se materijali nazivaju smeše, a smeše nemaju svoje vlastite osobine, već radije pokazuju osobine onih supstanci od kojih su sastavljene. Na primer, vazduh je jedna gasovita smeša koja se uglavnom sastoji od azota, kiseonika, argona, vodene pare i ugljen-dioksida. Svaka od navedenih supstanci u vazduhu pokazuje svoje vlastite osobine, pa se one iz ove smeše (vazduha) mogu odvojiti, upotrebom fizičkih metoda.
Kada se, na primer, snizi temperatura vazduha dolazi do izdvajanja vodene pare u obliku tečne vode, ili u obliku leda. Jačim hlađenjem vazduha može se iz njega izdvojiti ugljen-dioksid u čvrstom obliku. Ako se tečni vazduh postepeno zagreva mogu se izdvojiti i ostali njegovi sastojei, jer svaka od prisutnih supstanci ključa na određenoj temperaturi.
Čiste supstance se klasifikuju kao hemijski elementi ili hemijska jedinjenja. Jedno vreme su hemijski elementi definisani kao supstance koje se ne mogu razložiti na dve ili više različitih supstanci. Danas je poznato 112 hemijskih elemenata.
Čista hemijska jedinjenja se definišu kao supstance koje uvek sadrže iste elemente, sjedinjene u stalnom masenom odnosu, i koje se odlikuju svojim vlastitim osobinama. Na primer, voda se sastoji od oko 11,2% vodonika i oko 88,8% kiseonika, a kuhinjska so od oko 39,3% metala natrijuma i oko 60,7% nemetala hlora. Danas je poznato preko 13 miliona raznih hemijskih jedinjenja, a sva ona mogu postojati u tri agregatna stanja, sem onih koje su nepostojane na višoj temperaturi (str. 258): čvrstom, tečnom i gasovitom. U kome će od ovih agregatnih stanja biti zavisi delom od prirode same supstance, delom od temperature i delom od pritiska. Na primer: voda postoji u čvrstom agregatnom stanju ispod 273,15 K (0°C), između temperature od 273,15 K (0°C) i 373,15 K (100°C) uglavnom se nalazi u obliku tečnosti, a iznad 373,15 K (100°C) se nalazi u gasovitom stanju (u obliku pare) pod običnim pritiskom.
Odlike pomoću kojih možemo prepoznati neku supstancu, na primer: boja, tvrdina, rastvorljivost u vodi, miris, ukus, zapaljivost itd., nazivaju se osobinama supstance. Tako, na primer, šećer se odlikuje sleđećim osobinama: bele je boje, ima sladak ukus, lako se rastvara u vodi, bez mirisa je, gustina (str. 5) mu je 1,6 g cm 3, pri zagrevanju potamni itd.
Fizičke promene. − Pod uticajem raznih uzroka supstance mogu da menjaju svoje osobine. Tako, na primer, na platinskoj žici koja je unesena u bezbojan gasni plamen vrši se privremena promena, jer se sama supstanca žice nije izmenila. Ona se brzo usija, ali čim se izvadi iz plamena i ohladi, prelazi u prvobitno stanje. Slična promena se vrši i pri zagrevanju leda, koji se tada pretvara u vodu i vodenu paru. Obratno, hlađenjem vodene pare dobivamo vodu i leđ. To možemo ovako predstaviti:
dovođenje toplote
led ↔ voda↔ vodena para
odvodenje toplote
U oba gornja primera, spoljnim uzrokom (toplotom), izvršena je samo privremena promena stanja supstanci (str. 258), ali ni u jednom slučaju nije došlo do bitne promene samih supstanci, kako platine tako ni vode. Vodakako čvrsta, tako tečna i gasovita zadržala je isti hemijski sastav. Led, vođa i vodena para sadrže osnovne čestice ove supstance, molekule (str. 50), jer ni u jednom od navedenih procesa nije došlo do raskidanja veza u njenim molekulima. Kada voda ključa njeni se molekuli odvajaju jedni od drugih, ali svaki od njih ostaje i dalje nepromenjen.
Kada se kroz jednu bakarnu žicu propusti električna struja njen sastav je isti kako pre tako i posle prolaska električne struje.
Sve promene koje se na supstancama vrše samo dotle dok traje spoljni uzrok, pri kojima se suština supstanci bitno ne menja, već ove zadržavaju svoje osobine koje su imale pre promene, nazivamo/ promenama. Pri fizičkim promenama ne dolazi do pretvaranja jednih supstanci u druge, jer se ne vrši promena atomskog, odnosno molekulskog sastava supstanci. Ove promene proučava fizika.
Prema tome, kod fizičkih promena dolazi do menjanja jedne ili više fizičkih osobina, ali ne i promena u sastavu upotrebljenih odgovarajućih supstanci. U najvećem broju fizičkih promena dolazi do promena agregatnih stanja supstanci.
Topljenje leda, mržnjenje vode, pretvaranje vode u paru, kondenzovanje pare u vodu, rastvaranje šećera u vodi, zagrevanje platine do usijanja, ili njenim deljenjem na manje delove su primeri fizičkih promena.
Hemijske promene. − Ako, na primer, traku magnezijuma unesemo u bezbojni gasni plamen, zapaliće se i sagoreti bleštavom svetlošću pretvarajući se u beo prah. Pri ovom procesu došlo je do sjedinjavanja magnezijuma sa kiseonikom iz vazduha u beli prah, jednu novu supstancu koja nosi naziv magnezijum-oksid. Navedeni proces možemo ovako predstaviti:
magnczijum + kiseonik = magnezijum-oksid
U procesu dobivanja magnezijum-oksida došlo je do promene osobina supstance magnezijuma, jer je pri tom procesu izvršeno sjedinjavanje atoma magnezijuma sa molekulima vazdušnog kiseonika u molekule magnezijum-oksida. Prema tome, pod uticajem toplote sagorevanja dolazi do međusobnog sjedinjavanja atoma jedne supstance sa molekulima druge supstance u molekule jedne nove supstance.
Sličnu promenu imamo i u sledećem primeru: u ovlažen porcelanski avan stavićemo malo žive i sumpora u prahu, a zatim ćemo smešu dobro protrljati tučkom. Dobićemo crnu supstancu poznatu pod imenom živa(II)-sulfid. Ovde je, kao i u prethodnom primeru, došlo do bitne promene samih supstanci − izvršen je hemijski proces (hemijska reakcija). Naime, proizvod hemijske promene se potpuno razlikuje od prvobitnih supstanci pre promene.
Posmatraćemo još jedan primer. Metal natrijum (str. 640) je beo kao srebro, mek je kao vosak, energično reaguje s vodom. Hlor (str. 436) je gas žuto zelene boje, jako je otrovan. Međutim, ako se ove dve „opasne” supstance dovedu u međusobni dodir doći će između njih do hemijske reakcije i pri tom će postati bela kristalna supstanca koja niti reaguje s vodom niti je opasna. Naprotiv, veoma je neophodna u našoj ishrani. U navedenom primeru osobine natrijuma i hlora potpuno su se izmenile; dobivena supstanca, kuhinjska so, odlikuje se sasvim novim osobinama.
Kada se kroz vodu (u aparatu za elektrolizu, str. 372) propusti jednosmerna električna struja dolazi do hemijske promene samih molekula vode, jer se tim procesom umesto molekula vode dobivaju dve gasovite supstance: vodonik i kiseonik.
Prema tome, u navedenom procesu izvršenaje hemijska promena, jer su se molekuli vode promenili u molekule vodonika i molekule kiseonika. Kod hemijske promene dolazi do promene sastava upotrebljene supstance. Pri takvoj promeni odgovarajuća supstanca pretvara se u drugu različitu supstancu, ili nekoliko supstanci (kao pri elektrolizi vode).
Promene pri kojima dolazi do hemijskih reakcija, pretvaranja jednih supstanci u druge, nazivamo hemijskim promenama (reakcijama)’, njih proučava hemija.
Pri svakoj hemijskoj promeni nastaje najmanje jedna nova supstanca koja se potpuno razlikuje, kako po sastavu tako i po osobinama i strukturi, od onih supstanci koje su postojale pre izvršene promene. Na primer, u navedenom slučaju sagorevanja magneziju Q 9 ma, (čija je gustina, d = 1,74 g crn) dobiveni proizvod sagorevanja naziva se magnezijum-oksid, a razlikuje se u sastavu, osobinama (na primer ima gustinu, d = 3,58 g cm ) i strukturi od polaznih supstanci, magnezijuma i kiseonika (str. 668).
Postoji veliki broj različitih vrsta hemijskih promena, hemijskih reakcija, od kojih ćemo mnoge upoznati u ovoj knjizi. − Ponekad nije lako odrediti da li se radi o fizičkoj ili hemijskoj promeni.
Pri nekim hemijskim reakcijama, na primer, pri razlaganju vode, troši se toplota. Međutim, ima i takvih reakcija pri kojima se oslobađa toplota. Zato se hemičar stara da odredi i promenu količine energije u odgovarajučoj reakciji. Osim toga, on mora da utvrdi ne samo koji se proizvodi dobivaju, već i količinu njihove mase. Drugim rečima, pri hemijskim promenama se utvrđuje ne samo njihov kvalitet već i njihov kvantitet.
U prirodi se vrše mnoge pojave na supstancama koje se mogu zapaziti, na primer, isparavanje vode, rđanje gvožđa itđ. Kako često prirodne pojave traju vrlo kratko vreme, na primer, sevanje munje, ili obratno, imaju period trajanja vrlo dug, na primer raspadanje prirodnih minerala, a javljaju se najčešće iznenada i retko izolovane, primorani smo da ovakve pojave, u cilju njihovog proučavanja, učinimo pristupačnim posmatranju. Zato ovakve pojave moramo prikazati na takav način da možemo pratiti ceo njihov tok i sve ono što se pri tom događa. Sve ovakve promene koje sami demonstriramo, nazivaju se ogledi ili eksperitnenli.
Termin materijal, koji smo upravo u ovoj knjizi upotrebili, nekada je uveliko korišćen ,,kao sinonim za supstance”. Materijal je, prema tome, svaki oblik supstance ili smeše supstanci koji zbog svojih fizičkih osobina nalazi neku praktičnu primenu. Materijali se dele na različite načine, na primer: prema poreklu, na prirodne, veštačke, neorganske, organske, biološke i dr.; prema oblasti primene, na optičke, magnetne, dielektrične i dr., zatim prema svojim najvažnijim osobinama, na provođnike, poluprovodnike, izolatore idr.
Međutim, u najnovije vreme sve se više pominju neki proizvodi koji su izgrađeni od tzv. savremenih materijala, bilo da su to elementi, stehiometrijska jedinjenja, jedinjenja određenog sastava, ili bertolidi, nestehiometrijska jedinjenja. Takvi materijali se odlikuju posebnim osobinama pa su zbog toga i našli specifičnu i raznovrsnu primenu. Zato se takvi materijali „zadatih svojstava” proizvode „kroz dugi i mukotrpni eksperimentalni rad”. Proizvodnja takvih savremenih materijala zasnovana je na „fundamentalnim principima sinteze materijala zadatih svojstava”.
Od takvih savremenih materijala pominjemo samo neke: poluprovodnike, organske metale, tečne krislale, elektrete, piezoelektrike itd.
Hemija je danas toliko razvijena da je ušla u pore života svakog čoveka, jer nema oblasti u kojoj se ne vrši neki od hemijskih procesa, ili potrebe za materijalima koji se odlikuju specifičnim osobinama, a koji se proizvode u hemijskim institucijama. Preko trinaest miliona jedinjenja koliko je dosad registrovano, govori o izvanrednom razvitku ove nauke.
Prema tome, kao što je rečeno, za hemiju ses pravom može reći da predstavlja jednu od osnovnih nauka, jer se najveći deo promena, kako onih koje se vrše oko nas tako i onih koje se odigraju u svemiru, mogu uopšte svrstati u hemijske promene. Na primer, proizvodnja alkoholnih i bezalkoholnih pića procesima fermentacije, proizvodnja hleba, korozija na predmetima od raznih metala, požari u šumama, rast biljaka, pojava „kiselih kiša” predstavljaju samo neke promene koje se svakodnevno dešavaju.
Grana hemije u kojoj se izučavaju hemijski elementi i njihova jedinjenja, od kojih jesačinjena neživa priroda, kao i neka ugljenikova jedinjenja(ugljen-monoksid, ugljen-dioksid i ugljene kiseline) naziva se neorganska hemija. Ostala jedinjenja ugljenika, zbog njihovog velikog broja (prekolO miliona) i velike međusobne sličnosti, izučavaju se u organskoj hemiji. − Neorganskih jedinjenja ima oko 3.000 000.
Ostale trađicionalne grane hemije su: fizička hemija i analitička hemija. U toku daIjeg razvoja hemije došlo je do izdvajanja posebnih njenih oblasti, a to su: eleklrohemija, lermohemija, hemijska lehnologija, biohemija, nuklearna hemija i dr.
Analitićka hemija proućava metode određivanja identiteta komponenata smeše ili jedinjenja, kao i relativne količine svake od komponenata. Fizička hemija proučava osobine materije kao i razvoj teorija koje objašnjavaju njene osobine. Ona ispituje kako neorganske tako i organske supstance.
Korisnik ove knjige treba što pre da nauči svaki novi termin koji će kasnije biti potpunije i svestranije objašnjen.
Istorijski razvoj hemije
„Možda ćemo nekad jednom malo više znati (o tajni sveta), ali pravu prirodu stvari nikad nećemo saznati“.
A. Ajnštajn
Počeci hemije gube se u dalekoj prošlosti. Ona je ponikla, kao i većina drugih nauka, iz svakidašnje čovečje delatnosti. Mnogi pronalasci koji su potekli iz čisto praktičnih životnih potreba čoveka, a za koje mi tek danas znamo da pripadaju ovoj nauci, omogućili su njen začetak. Prema nekim predmetima od metala, gline, stakla, zatim raznih ukrasa, boja itd., koji potiču iz najranijeg vremena, može se zaključiti da je čovek primenio prve hemijske procese pri njihovoj izradi. Bakar i zlato su bili prvi metali koje je čovek počeo da upotrebljava u vreme drevne civilizacije (perle od bakra, koje su nađene u Iraku, potiču iz devet hiljadite godine pre nove ere, a zlatarska veština u Mesopotamiji, prema arheološkim ispitivanjima, bila je poznata najmanje 4000 godina pre nove ere). Srebro, gvožđe, kalaj, živa i olovo spadaju takođe u metale koji su čoveku poznati još iz davnih vremena.
Egipat je u staro vreme bio u tehničkom pogledu najnaprednija zemlja; u njemu su još tada bili poznati mnogi zanati, a takođe i razni hemijski proizvodi. Egipćani su znali da dobivaju metale iz ruda, da proizvode leguru bronzu, da izrađuju staklo, prerađuju kožu, da iskorišćavaju lekovite supstance iz biljaka; znali su da „mumificiraju” leševe, poznavali su neka etarska ulja itd. Njima su bili poznati sledeći metali: zlato, srebro, bakar, gvožđe, olovo, kalaj, a takođe i jedinjenja: potaša, soda, indigo, oker itd. U Egiptu je bojarstvo bilo jako razvijeno, a zasnivalo se na upotrebi boja biljnog i životinjskog porekla.
Karakteristično je istaći da se na hiljade godina ranije javljaju pokušaji, zasnovani na čistom rezonovanju, da se odgovori na jedno od najtežih pitanja, kakav je sastav materije? Grčki filozofi zastupali su gledište o jedinstvu materije. Naime, smatrali su da su sva prirodna tela sastavljena od različitih oblika jedne iste osnovne materije.
Osnivač ovakvog gledišta grčke filozofije je Tales iz Mileta (živeo je u 7. veku pre nove ere). On je smatrao da je voda pramaterija i da su od nje sastavljena sva tela koja se nalaze u prirodi; bez vode ne mogu da žive ni biljke, ni životinje, a ona ulazi i u sastav svih drugih prirodnih tela. Kondenzovanjem vode postaje zemlja, a njenim isparavanjem vazduh. Analogno gledište o jedinstvu materije zastupao je i Anaksimen (6. vek pre nove ere), samo je on prikazivao vazduh kao osnovnu materiju sveta. Anaksimen je smatrao da vazduh ispunjava ceo svemir i da kao takav prodire u sva tela, pa i u vodu. Verovao je da kondenzovanjem i razređivanjem vazduha postaju sva druga tela prirode. Heraklit (5. vek pre nove ere) iz Efesa prikazivao je vatru kao pramateriju. Njegova osnovna ideja bila je: da je sve u prirodi podložno stalnim promenama, a takvu osobinu ima vatra, koja se stalno menja. „Svet je postao iz vatre, od nje gine, da bi se ponovo rodio iz vatre u večnom kruženju materije”. Heraklitje pripisivao materiji večno kretanje u prostoru. Zato se može reći da je on preteča savremenog tumačenja suštine materije.
Ideju o jedinstvu materije prvi je odbacio čuveni političar, naučnik, lekar i inženjer Empedokle (493-433. godine). On je srnatrao da postoje četiri osnovne materije, četiri ,,elementa”] a ne jedan i to: voda, vazduh, vatra i zemlja i da su od njih sastavljena sva tela prirode. Smatrao je da ova četiri „elementa” postoje večno i da ne mogu biti uništeni. Od ova četiri „elementa”, u raznim masenim odnosima, kako je smatrao Empedokle, postala su sva tela u prirodi.
U to isto vreme, kada je Empedokle zastupao gledište da postoje četiri „elementa”, pojavljuje se učenje o unutrašnjoj građi materije, o materijalima koji okružuje čoveka. Predstavnici ovog novog učenja su Leukip (rođen oko 495. g.) i njegov učenik Demokrit (470380. god.) osnivači grčke atomističke škole. Po Demokritu sva su tela sastavljena iz sitnih, tvrdih, neprobojnih, nedeljivih i nevidljivih čestica, kojima je on dao ime atomi (atomos na grčkom znači nedeljiv). Atomi su tako mali da se ne mogu videti; različiti su po obliku i veličini, ali su svi sastavljeni iz iste osnovne materije. U prirodi ničeg nema sem atoma; raznovrsnost tela dolazi od različitog broja, oblika i rasporeda atoma od kojih su ona postala. Atomi se nalaze u večnom kretanju i sve promene koje se dešavaju u prirodi, dolaze samo od spajanja i rastavljanja atoma. Demokrit je zamišljao atome ne čvrsto vezane, već odvojene praznim prostorom, bez koga se njihovo kretanje ne bi moglo zamisliti, a isto tako i osobina tela da se šire pri zagrevanju, a skupljaju pri hlađenju. Demokritov princip nije samo prihvatio i razradio rimski pesnik Lukrecije, već ga je iskazao u svojoj poemi ,,O prirodi stvari” (DeRerum Natura) rečima: „Priroda sve rastavlja na sastavne atome i nikada ne pretvara nešto ni u šta”. Danas je, međutim, poznato ne samo da atomi postoje već, štaviše, da postoje različite vrste atoma istog elementa, pačak i da su i sami atomi izgrađeni od još manjih čestica.
Empedoklovo učenje prihvatio ječuveni grčki filozof/lrz.vzoze/ (384-322. g.) i tako se idejao postojanju četiri „elementa”,blagodareći Aristotelu, velikom filozofu i autoritetu u nauci („divu misli”), održala više od dve hiljade godina. Aristotel proširuje Empedoklovo učenje; on uvodi i peti „elemenat”, „etar”, koji je u srednjem veku nazivan „essentia quinta“ (a verovao je da su od ovog petog elementa sastavljena nebeska tela). Aristotel je smatrao da svako telo ima četiri osnovna svojstva koja možemo da osetimo pomoču naših čula: toplo, hladno, suvo i vlažno. Svaki od četiri Empedoklova „elementa” nosi po dva ova svojstva. Njihovim kombinovanjem postaju: voda, vatra, vazduh i zemlja (vazduh je vruč i vlažan, voda hlađna i vlažna, vatra vruča i suva, a zemlja hladna i suva) (vidi 54. stranu).
Ovakvo tumačenje grčkih filozofa o materiji bilo je čisto teorijsko; nije potkrepljivano nikakvim ogledom, pa zato i nije imalo neku sigurnu osnovu.
Iako su neki hemijski proizvodi bili poznati dosta ranije, smatra se da je hemija ponikla u početku noveere u Aleksandriji,koja je u antičko dobabila trgovački i kulturni centar, u kome su se sticali Ijudi i znanja iz celog sveta. Ovde je ujedinjeno praktično iskustvo Egipčana u dobivanju metala, stakla i keramičkih predmeta sa grčkom filozofijom. U toku nekoliko vekova u Aleksandriji su Ijudi ovladali mnogim praktičnim znanjem iz heniije; prvi hemijski spisi potiču iz Aleksandrije, i to iz prvog veka nove ere. U njima se nalaze opisi mnogih hemijskih jedinjenja, hemijskih aparata, zatim opisi raznih operacija: destilacije, ceđenja, rastvaranja, kristalizacije itd. U Aleksandriji se, pod uticajem Aristotelovog učenja, razvila teorija o pretvaranju neplemenitih metala u zlato („kamen mudraca”), kao i zamisao o otkrivanju takve supstance koja leči sve bolesti i održava čoveka večito mladim („životni eliksir”). Ova teorija je sve više osvajala Ijude, pa se zato i održala u nauci više od hiljadu godina. To se doba u hemiji karakteriše beznadežnim lutanjem. Za ono vreme svaki pokušaj da se ostvari transmutacija elemenata bio je uzaludan, a danas, u doba velikog razvoja atomistike, pretvaranje jednog elementa u drugi može se pouzdano izvesti.
Arabljani su se sa osvajanjem Egipta u 7. veku upoznali i sa svim hemijskim znanjima toga vremena. Oni su omogućili napredak hemije svojim praktičnim radom, a pošto su bili pokorili mnoge narode, prenosili su i širili ta znanja i na njih. Preko Španije, koju su Arabljani osvojili, prodiru prva znanja iz hemije u Evropu.
Misli se da reč hemija potiče iz Egipta, od reči „chemi“ (kemi) koja je prvi put pronađena u astronomskim spisima iz trećeg veka nove ere, ali se tačno ne zna da li ona označava crnu zemlju, „stari naziv za donji (severni) Egipat”, ili se odnosi na „svetu božansku veštinu” kojom su se bavili sveštenici toga vremena. Neki istoričari prirodnih nauka smatraju da reč hemija potiče od grčke reči koja znači „topiti ili izliti metal”. Arabljani su po dolasku u Egipat promenili ime hemija u „alhemija”, dodavši prvobitnom imenu hemija prefiks „al”.1
U Evropi je ceo srednji vek bio ispunjen besplodnim traženjem mogućnosti da se pretvore neplemeniti metali u zlato. To vreme je poznato pod imenom „alhemijsko doba“, a svi pokušaji alhemičara zasnivali su se na teoriji četiri „elementa”.2
Osvajanjem Egipta u 7. veku Arabljani su postali glavni alhemičari, a iz Egipta preneli su alhemiju u Evropu. Kao najpoznatiji arapski alhemičar pominje se Geberi (Jabir ibn Hayyan, oko 760. đo oko 815). Mnoge knjige koje nose njegovo ime, u kojima su sakupljena sva dotadašnja znanja iz hemije, misli se da su napisali kasniji alhemičari. Iz njih se vidi da su Arabljani još tada poznavali vodeni rastvor amonijaka, znali su da prave hlorovodoničnu i azotnu kiselinu, a i neke soli; poznavali su destilaciju, dekantovanje (odlivanje), ceđenje, sublimaciju i kristalizaciju. Najvažnija Geberova dela su: „Knjiga o seđamdesetorici” i „Knjiga o otrovima”.
Iako su se alhemičari u to vreme bavili nerešivim problemima, ipak njihov trud nije bio sasvim uzaludan. Oni su preko svojih lutanja ipak došli do mnogih hemijskih otkrića; od njih su nam ostali opisi raznih hemijskih operacija, najmanje četiri elementa: antimon, arsen, bizmut i fosfor, kao i veći broj jedinjenja. Poznati engleski filozof 17. veka Bekon (F. Bacon, 1561-1626), ovako se izrazio o alhemiji i njenom značaju: „Alhemija se može uporediti sa čovekom koji je svojim sinovima rekao da je negde u vinogradu zakopao zlato. Kopajući zemlju oko čokota oni nisu našli zlato, ali su time obezbedili bogatu berbu”.
Period alhemije se ponekad označava kao vreme od oko 300. godine p.n.e. do oko 1600. godine nove ere.
U 16. veku u hemiji je izvršena reforma. Ovu su reformu izveli Paracelzus (Theophrastus Paracelsus,4 1493-1541) u medicini i Agrikola (Georg Bauer, latinizirano ime − Agrikola, 1494-1555) u industriji. U to vreme medicina počinje sve više da se razvija, uslovljena praktičnim potrebama života; čuvanju zdravlja ukazuje se sve veća pažnja. Velika primena hemijskih preparata u lečenju raznih bolesti đoprinosi napretku hemije. Tako se „Paracelzus smatra za prvog stvarnog praktičara hemijske medicine” i od njegovog doba hemija igra značajnu ulogu u izučavanju medicine. Praktična grana hemije, koja je na
S nazivom hemija prvi put se susrcćemo u jednom ediktu cara Dioklecijana (243-316 n.c.) iz 296. godinc našc crc. Podatak je saopšlio Suidas ,,na osnovu jednog starijeg izvora”. U njemu je navcdcna naredba prema kojoj je svc knjige hemije u Alcksandriji trebalo spaliti .
Reakcijtt izmedu metala gvožda i rastvora plavog kamena, kada se u taj rastvor stavi komad gvožđa, alhemičari su često navodili kao primer pretvaranja gvožda u bakar (str. 809), ,,Chemistry“, 46, 4(9), 1973. Intcresantno je istaći da je još u 9. veku muslimanski alhemičaržl/-Kindi smatrao da čovek ne može da izvrši transmutacioni proces i da je, prema tome, praksa alhemičara predstavljala obmanu i prcvaru. Međutim, kao što ćemo kasnije videti (str. 705), poznati cngleski naučnik Raderford (E. Ruthcrford, 1871-1937) je 1919. godine bombardovao elemenat azot a-česticama (str. 140) i pri tom je dobio elemenat kiseonik (str. 705). ovaj način postala, poznata je pod imenom jalrohemija (medicinska hemija). Paracelzus je (1528) prvi upotrebio „pojam i naziv hemija”, mesto „alhemija”. On kaže: „Jatrohemičar sam i poznajem, dakle, obe, medicinu i hemiju”.
Gebera neki smatraju ne samo kao najčuvenijeg alhemičara već i kao ,,oca” i osnivača hemije, J. Chem. F.duc. 60, (126), 1983.
Jedna od najznačajnijih ličnosti 16. veka bio je švajearski lekar i hemičar P. A. Thcophrastus Bombast von Hohcnheim, čiji je pseudonim Paracclsus (što znači bolji nego „Celzus”, a Cclzus je bio jedan Rimljanin koji je pisao o medicini i lekarskim veštinama).
Paracelzus je smatrao da se sve prirodne supstance sastoje od tri „prineipa”: sumpora, žive i soli, od kojih se svaki od njih sastoji od različitih proporcija” četiri Aristotelova elementa: zemlje, vazduha, vode i vatre (Paracelzusovi nazivi sumpor, živa i so imali su šire značenje od onoga što oni danas znače).
Paracelzus je takođe smatrao da se male doze otrovnih supstanci ponekad mogu upotrebiti u lečenju nekih bolesti. U svojim medicinskim preparatima on je upotrebljavao sastojke koji su sadržavali male količine olova, žive i arsena. − Vremenski period jatrohemije trajao je, grubo uzevši, od 1500-1650 gođine.
Lozinka osnivača ja tro hemije bila je: „Cilj hemije nije u dobivanju zlata i srebra, već u pripremanju lekova”. Uspeh koji je Paracelzus postigao lečenjem raznih bolesti hemijskim preparatima podigao mu je veliki ugled kao lekaru, a time je privukao pažnju i ostalih lekara koji su počeli da se bave praktičnom primenom hemije. Hemija se od toga vremena sve više razvija, jer je našla široko polje praktične primene.
U isto vreme Agrikola proširuje primenu hemije na novu oblast, na metalurgiju. On je mnogo radio na unapređenju rudarstva i metalurgije; poznata je njegova knjiga „0 metalima” (De Re Metallica) (objavljena je 1556. g.) u kojoj je izneo sva dotadašnja znanja o metalima i njihovom dobivanju. Kao veliki pionir na ovom polju rada, Agrikola je nazvan „ocem metalurgije”. Njegova knjiga služila je kao glavni priručnik koji je korišćen pri ispitivanju ruda više od dve stotine godina.
Iako su se hemičari toga vremena nalazili još uvek pod uticajem Aristotelovog učenja, oni su svojim velikim uspesima, ipak, doprineli da se odbaci staro shvatanje ,,alhemičara” i da se bliže priđe savremenoj hemiji. Pri svojim radovima oni se sve više služe ogledom, a time hemija počinje da dobiva solidnu osnovu.
Za tri veka, od 1600-1900. godine, u Zapadnoj Evropi je postignut veliki uspeh kako u proučavanju samih supstanci tako i u njihovoj klasifikaciji. To što je tada postignuto služilo je kao baza za dalje proširenje i unapređenje hemije kao nauke.
Naučna hemija. − Osnivač novog pravca hemije − naučne hemije − jeste engleski fizičar i hemičar Robert Bojl (Robert Boyle, 1627-1691). Bojl postavlja hemiju na pravu naučnu osnovu. On je bio prvi naučnik toga vremena koji se oslobodio Aristotelovog učenja i koji je hemičarima postavio kao cilj da ispituju sastav raznih tela procesom analize, tj. pomoću razlaganja tela na njihove prostije sastojke. Zato je ovo doba poznato pod imenom „kvalitativna islraživanja“. Bojl je prvi dao naučnu definiciju proste materije − elementa, ovim rečima: „FAemenat je jednoslavna malerija koji se do sada poznatim sredstvima ne može dalje razložiti“. On nije kategorički tvrdio da je nemoguće da se elemenat razloži na prostije sastojke, ono što je postignuto najnovijim uspesima hemije i fizike. − Definicija elementa koju je dao Bojl, nema nikakve veze sa Empeđoklovim pojmom ,,eleinenta”.’
Bojl kaže: „Pošto elementi nisu izgrađeni od drugih tela, oni su sami sastavni delovi drugih
Na primer, vazduh ne bi mogao da bude „elemenat”, kako je tvrdio grčki filozof Empedokle, jer može da se razloži na nekoliko čistih supstanci: azot, kiseonik, ugljen-dioksid i plemenite gasove.
Bojl se posebno bavio proučavanjem gasova, pa je tako otkrio zakon o zavisnosti zapremine gasa od pritiska pri stalnoj temperaturi.
Kao prvi naučnik koji je ukazao na značaj preciznog merenja, Bojl je smatrao eksperimenat kao najpouzdaniju osnovu svake nauke.
Kada je Bojlova definicija elementa bila sveopšte prihvačena, lista novih pravih hemijskih elemenata otpočela je naglo da raste, a sistem „četiri elementa” grčkih filozofa sve više da gubi svoj značaj.
Sva svoja teorijska znanja o elementima Bojl je izložio (1661. godine) u knjizi ,,Chymista scepticus” (Skeptični hemičar), u kojoj je podvrgao oštroj kritici predstavnike alhemičara i njihovo učenje o pretvaranju metala.
Do 18-og veka hemičari su se uglavnom bavili kvalitativnim osobinama supstanci. Međutim, hemija kao nauka razvija se tek u 18-om veku na bazi kvantitativnih merenja.
Iako je Bojl postavio hemiju na naučnu osnovu i ukazao pravi put kojim naučnici treba da idu, ipak je trebalo da prođe još oko sto godina do potpunog odbacivanja Aristotelovog učenja. U to vreme hemičari su se posebno bavili procesom dobivanja metala iz ruda, pa je zato naročita pažnja bila posvećivana proučavanju suštine oksidacije i redukcije. Da bi rasvetlio proces oksidacije i gorenja, nemački hemičarŠza/ (G. E. Stahl, 16601734) je prihvatio i opširno razradio teoriju sagorevanja, koju je postavio njegov profesor Beher (J. J. Becher, 1635-1682) 1669. godine, po kojoj tela pri sagorevanju otpuštaju „vatreni prineip” (nešto gasovito), kome Štal daje naziv flogiston (grčka reč koja znači: „vatra”, „plamen”, „razbuktavanje”, „rasplamsavanje”).’ Prema tome, flogiston je „hipotetična supstanca koja ima osobine vatre”.
Po flogistonskoj teoriji gorenje, rđanje i disanje nastaju usled gubitka „vatrenog prineipa” J’logistona. Ukoliko jedno telo ima više flogistona, utoliko će bolje goreti. Smatralo se da supstance: sumpor, fosfor, ugljenik i vodonik zato dobro sagorevaju što su bogate flogistonom. Prema ovoj teoriji izlazi da telo posle gorenja gubi u masi. Ali kada je eksperimentalnim putem bilo dokazano, a to je donekle i Bojl bio zapazio, da gorenjem i zagrevanjem metala (kalcinacijom) tela postaju teža, onda je ova teorija morala da padne. Predstavnici ove teorije pokušavali su da je spasu tumačenjem da „flogiston ima negativnu težinu”, pa su, na primer, sagorevanje drveta ovako predstavljali:
drvo = pepeo + flogiston ↑
Kasnije je dokazano da se stvarno pri oksidaciji ipak „nešto” oslobađa, a to su elektroni (str. 143).
Veliki ruski fizičar, hemičar i pesnik Mihajlo Vasiljevič Lomonosov (M. B. Lomonosov, 1711-1765) ukazao je još 1748. godine dasu proizvodi gorenja teži od prvobitne supstance. On je na osnovu svojih eksperimenata izveo sledeći zaključak: „Čestice vazduha koje se kreću oko metala koji zagrevamo sjedinjuju se s metalom i uvećavaju njegovu težinu”. Lomonosov je utvrdio da pri zagrevanju metala s vazduhom u zatvorenom sudu, vazduh za onoliko olakša koliko metal dobije u masi. Ovim svojim eksperimentima Lomonosov je otkrio (1756) zakon o održanju mase (neuništivosti materije) i tako postao preteča Lavoazjea (Antoine Laurent Lavoisier, 1743-1794). Rezultate svojih otkrića saopštio je Lomonosov na sednici Akademije nauka 1756. godine. Međutim, LomonosovIjevi radovi ostali su nezapaženi u Ruskoj akademiji nauka i. tek su otkriveni početkom 20. veka.
Pad flogistonske teorije došao je u drugoj polovini osamnaestog veka, u ono vreme kada se pojavila nova teorija, teorija o gasovima koju su postavili engleski naučnici: Pristli (Joseph Priestley, 1733-1804), Kevendiš (Henry Cavendish, 1731-1810) i Šveđanin Šale (Carl Wilhelm Scheele, 1742-1786). Oni su razradili metode skupljanja, čuvanja i merenje gasova; otkrili su mnoge nove gasove, ispitali ih i opisali; dokazali su da gasovi imaju masu, a isto tako i svoje karakteristične osobine. Osobito je bilo važno otkriće kiseonika, koje je postigao Pristli 1774. god, (v. str. 298), čime se došlo nešto bliže rešenju procesa gorenja. lako su ovi naučnici svojim otkrićima mnogo doprineli da se odbaci flogistonska teorija, ipak su i oni sami bili njene pristalice. Uzrok ovome treba tražiti u tome, što su oni vršili samo kvalitativna ispitivanja, a o kvantitavnom sastavu tela nisu mnogo vodili računa.
Iako je flogistonska teorija bila pogrešna, ona je ipak odigrala važnu ulogu u hemiji, doprinela je obaranju Aristotelovog učenja i omogućila je da se rasvetle mnogi novi problemi.
U 18. veku javlja se drugi veliki slovenski naučnik, naš Ruder Bošković (17111787), koji se svojim oštroumnim zapažanjima o sastavu materije približio najnovijim shvatanjima koja su danas postignuta u fizici i hemiji. On iznosi u svojoj knjizi ,,’1’eoria philosophiae naturalis” gledište, da se materija sastoji od „primarnih čestica” koje su odvojene praznim prostorom i koje se uzajamno privlače i odbijaju, ovim rečima: „Materija je stalna i sastoji se iz nedeljivih i prostih tačaka, koje su jedna od druge odeljene izvesnim odstojanjem. Tačke se odlikuju inercijom, ali istovremeno dejstvuju jedna na drugu i ta sila zavisi od njihovog odstojanja”.
Rađanje savremene hemije. -Lavoazjejebio prvi naučnikkoji je ukazao na značaj kvantitativnih merenja u hemiji. Flogistonska teorija je podržavana u nauci sve do eksperimentalnih dokaza koje je izveo Lavoazje. On eksperimentalno dokazuje da supstanca zagrevanjem dobiva u masi i time konačno obara flogistonsku teoriju. Lavoazje je zagrevao odmerenu tnasu žive u zatvorenoj retorti (sl. 1) koja je bila u vezi sa zvonom u kome je bio vazduh, a zvono se nalazilo u pneumatskoj kadi, u kojoj je bila živa.
Sl. 1. Ekspcrimcntalno dokazivanje uloge kisconika u reakciji sa živom, koja je zagrevana u prisustvu vazduha. Reprodukcija skice Marije Ane Lavoazje aparature koju je za ovu svrhu upotrebljavao njen suprug
Izostavljeno iz prikaza
Lavoazje je primetio posle izvesnog vremena, da se jedan deo žive u retorti pretvorio u crveni prah, a da je iz vazduha nestao odgovarajući deo. Ovo je ustanovio na osnovu toga, što se živa u zvonu popela do izvesne visine. Merenjem je dokazao da nestala masa vazduha iznosi upravo onoliko, koliko je dobila u masi živa koja je zagrevanjem pretvorena u crveni prah. Time je Lavoazje dokazao da se pri zagrevanju ne vrši razlaganje već da se vrši spajanje supstance koja se zagreva s jednim delom vazduha koji podržava oksidaciju metala. Taj sastojak vazduha Lavoazje je nazvao oxygenex (kiseonik), a drugi sastojak vazduha „koji ne podržava život”, nazvao je azot. Posle objavljenih Lavoazjeovih rezultata flogistonska teorija je gotovo ubrzo bila napuštena, mada je i kasnije dosta dugo bilo pojedinih njenih pristalica.
Pomoću svojih eksperimenata Lavoazje je dokazao 1774. godine da vazduh nije prosta supstanca, već da predstavlja smešu najmanje dva gasa. Posle ovog uspeha i posle dokaza da je voda jedinjenje vodonika i kiseonika, a to su utvrdili Pristli i Kevendiš, bila je najzad napuštena teorija četiri „elementa”. Umesto ove teorije Lavoazje 1789. godine definiše elemenat sledećim rečima: ,,Mi pridajemo pojam elementa . . . telima da hismo izrazili našu ideju o konačnoj supstanci do koje može da se dođe pomoću analize”. − Na osnovu ove definicije pojma elementa moglo je da se utvrdi, u Lavoazjeovo doba, da oko dvadeset prostih supstanci stvarno predstavljaju prave hemijske elemente.
Lavoazije je shvatio da vodeni rastvori oksida: sumpora, fosfora, ugljenika i drugih nemetala reaguju kiselo zbog prisustva kiseonika, pa mu je zato i dao ovo ime. Međutim, kasnije je dokazno da ova Lavoazjeova prclpostavka nije bila uvek tačna. Anata, koju je Lavoazje objavio 1789. godine u svojoj knjizi,1 naznačena su 33 elementa. Međutim, u ovoj tablici se nalaze toplota i svetlost.
Sve do prvih decenija 18. vekabilo jepoznato svega 18 hemijskih elemenata; u toku 18. veka otkriveno je još oko 13. Međutim, najveći broj elemenata otkriven je u 19. veku (oko 50). Danas je ukupno poznato 112 hemijskih elemenata (vidi tablicui 1. str. 28).
Sl. 2. Naslovna strana Lavoazjeovog udžbenika hemije
Izostavljeno iz prikaza
Velikom uspehu koji je Lavoazje postigao, naročito objašnjenjem procesa oksidacije, doprinela je i analitička vaga. On je ukazao (1770. godine) da vaga predstavlja osnovni merni instrumenat za merenje mase hemije kao nauke. Od tog vremena hemija postaje prava egzaktna nauka. Sva hemijska otkrića od tog vremena ostvarena su kao rezultat merenja mase. Lavoazje je prvi započeo da kvantitativno određuje supstance, mereći ih, i to kako one koje stupaju u hemijsku reakciju tako i one koje postaju kao proizvod reakcije.2 3 Na osnovu mnogih izvršenih eksperimenata Lavoazje je potvrdio 1774. godine stav grčkih filozofa ,,o neuništivosti materije”, kako je pisao Demokrit: ,,Ni iz čega ne postaje nešto, a ono što postoji ne može postati ništa”, svojim zakonom o održanju mase: „Ukupna masa supstanci koje učestvuju u hemijskoj promeni (hemijskoj reakciji) ne menja se”. Prema tome, materija se nikad ne stvara i nikad ne uništava, već samo menja svoj vid.
Prema tome, masa je onaj vid materije kojim se hemičari bave.
Na primer, sjedinjavanjem vodonika i kiseonika postaje voda:
2 g vodonika + 16 g kiseonika = 18 g vode
18g=18g
Traile elementaire de chimie, Paris, 1789. Ovo je bio prvi savremeni udžbenik hemije. Njegovom pojavom nastaje nova epoha u izučavanju i ispitivanju ti hemiji. Ubrzo je preveden na nekoliko stranih jezika (sl. 2) i predstavljao je prvi udžbenik hemije koji je bio zasnovan na „kvantitativnim eksperimentima”
„Dok su knjige iz hemije, prc Lavoazjea, bile većinom razumljive samo istoričarima hemije, proscčan hemičar jedva da je ponešto mogao iz njih da shvati. Lavoazjeovu knjigu može čak i danas svako da razumc. Ta činjenica pokazuje da sa Lavoazjeom stvamo započinje nova cpoha hemije”, F. Sabadvari, A.L. Lavoazje, prcvod s nemačkog, str. 73.
Ovdc su datc zaokrugljcne vrednosti za sve upotrebljcne supstance, što će i kasnije biti slučaj (vidi str. 47).
Vaga je pronađena negde prc četiri hiljade godina. Zasluga je Lavoazjea što ju je uveo u upotrebu ne satno za jednoslavno vaganje, već i kao memi instmment za potvrdu opštih zakona i teorija. On je konstruisao spccijalnu vagu koja je znatno prcciznije mogla da daje rezultate mcrcnja nego što su se oni mogli postići prc njega. Blagodarcći toj svojoj vagi, Lavoazje je otkrio zakon o održanju masc.
Lavoazje je dokazao da je i disanje živih organizama oksidacija, odnosno tiho gorenje, jer pri disanju postaje isti gasoviti proizvod, ugljen-dioksid, kao i pri sagorevanju supstanci koje sadrže ugljenik.
Zakon o održanju mase proveravan je više puta u toku 19. i početkom 20. veka. Dva naučnika su se naročito pozabavila njegovim proveravanjem: nemački fiziko-hemičar Landolt (H. Landolt, 1831-1910) 1908. godine, i mađarski fiziko-hemičar Etveš (R. Eotvds, 1848-1919) 1909. godine, služeći se vrlo preciznim i usavršenim metodama. Oni su na kraju utvrdili da se pri svim njihovim eksperimentima nije mogla da zapazi nikakva promena na masi (sa greškom od 2 × 10 7 do 10″6 %). Međutim, 1905. godine dokazao je poznati američki naučnik Ajnštajn (A. Einstein, 1879-1955) da između mase jednog tela (m) i njegove energije (E) postoji sledeći odnos (str. 101):
E = m × c2
S obzirom na to da se pri hemijskim reakcijama ili oslobađa ili vezuje energija i to najčešće u vidu toplote, to se kao posledica javlja promena ukupne mase supstanci koje učestvuju u reakciji (vidi str. 101). Međutim, to je u skladu saopštijim zakonom o održanju materije (str. 99), jer su masa i energija dva vida materije.
Zahvaljujući zakonu o održanju mase, postavljena je naučna osnova za kvantitativnu analizu, a time je ostvarena mogućnost pouzdanog ispitivanja supstanci.
Posle objavljivanja Lavoazjeove knjige (1789), hemičari se sve više interesuju za kvantitativno ispitivanje hemijskih reakcija. To je ubrzo dovelo do otkrića novih zakona u hemiji o kojima će biti reči kasnije.
Glava II Supstance i njihova podela
Rastavljanje heterogenih i homogenih sistema
„Nema toga što bi bilo toliko vredno proučavanja kao što je to priroda. Čovek je rođen da radi, da trpi i da se bori: ko tako ne čini mora da propadne“.
N. Tesla
Materija, građa od koje se sastoji svemir, karakteriše se masom i zauzimanjem prostora. Cink, drvo, gvožđe, vazduh, voda, mleko, aspirin, ruda galenit, stena granit, svi se sastoje od materije.
Hemičara prvenstveno interesuju ne sama tela koja nas okružuju, već materijali od kojih su ona izgrađena, a koji mogu biti različiti. Pošto su različiti materijali sastavljeni od istih ili različitih supstanci, hemija kao nauka, kao što je već rečeno, bavi se proučavanjem supstanci koje mogu postojati u sva tri agregatna stanja: čvrstom, tečnom i gasovitom.
Ako posmatramo golim okom ili mikroskopom čist sumpor, čistu vodu ili kristal kuhinjske soli, uočićemo da se svaki od njih sastoji od delića koji imaju iste osobine. Prema tome, svaki od navedenih materijala potpuno je na isti način izgrađen u svakom svom delu (jednolik je, jednorodan je). Ovakve homogene materijale sa tačno određenim, stalnim hemijskim sastavom i određenim osobinama, kao što je već rečeno na strani 3, nazivamo supstancama ili uopšte homogenim sistemima) (U hemiji se pod sistemom podrazumeva ograničeni deo prostora u kome se nalazi jedna ili više supstanci koje se ispituju tako da je sprečen svaki neželjeni uticaj na njega).
Čist sumpor, čisto gvožđe, čist kiseonik, čist šećer su primeri supstanci.
Nasuprot homogenim sistemima, postoje znatno rasprostranjeniji heterogeni sistemi (heterogeni. materijali) ili smeše. Na primer, prirodna stena granit spada u heterogene sisteme, jer se sastoji od delova koji imaju različite osobine: bela zrnca granita predstavIjaju supstancu kvarc, crna − liskun, a crvena − ortoklas (sl. 3). U svakom heterogenom sistemu nalazi se više homogenih delova, koji su jedan od drugog odvojeni, a zovu se faze. Prema tome, heterogeni sistemi su višefazni, a homogeni su jednofazni. Granit pred-
Rastvor je isto tako homogeni sistem (materijal) ali nema određeni hemijski sastav (str. 21 i 340). Na primer, u istoj masi vode može biti rastvorena različita masa šećera (100 g vode može da rastvori 2, 8, 10 g šećera). Prema tome, svi tako dobiveni rastvori šećera su homogeni, ali imaju različiti sastav, sadrže različite mase šećera, što znači da rastvor ne predstavlja supstancu. Voda je najobilnija tečnost u prirodi, a vodeni rastvori (vodene smeše) predstavljaju najobilnije rastvore uopšte.
Supstanca (str. 3) je izraz koji se vrlo često tipotrebljava u hemiji, a označava materijal od kojeg je neko telo sastavljeno. Na primer, kocka lcda sastoji se od supstance vode.
Pod fazom podrazumevamo homogeni deo jednog sistema koji ima sve fizičke i hemijske osobine jednake. Na primer, sistem od tečne vode i jedne ili više kocki leda sastoji se od dve faze (str. 110). stavlja heterogeni trofazni sistem, čije su faze: kvarc sa gustinom 2,60 g/cm , ortoklas sa gustinom 2,59 g/cm3 i liskun sa gustinom 2,74 g/cm3. Pomoću poznatih gustina sve tri faze mogu se razdvojiti. Kvarc predstavlja najprostiju fazu koja se sastoji od dve elementarne supstance: silicijuma i kiseonika; ortoklas se sastoji od četiri elementarne supstance: kalijuma, aluminijuma, silicijuma i kiseonika. Međutim, liskun se sastoji od pet elementarnih supstanci: kalijuma, aluminijuma, silicijuma, kiseonika i vođonika. Drvo (čiji sastav varira i zavisi od porekla drveta) i beton takođe predstavljaju heterogene materijale. Kada se mleko posmatra golim okom, liči na homogeni materijal. Međutim, pod mikroskopom se u njemu mogu zapaziti različite suspendovane čestice u vodi. Prema tome, mleko isto tako spada u heterogene materijale (heterogene smeše). Vino takođe predstavlja smešu, a može biti crveno ili bledožuto, slatko ili kiselo. Naša pijača voda isto tako predstavlja smešu, jer sadrži razne rastvorene čvrste supstance kao i gasovite supstance.
Sl. 3. Stena granit predstavlja smešu različitih supstanci
Izostavljeno iz prikaza
U prirodi ima mnogo više heterogenih sistema − smeša nego homogenih sistema − supstanci. Može se reči da uopšte apsolutno homogena supstanca ne postoji, ali se za naše pojmove smatra da je homogena ona supstanca koja ima tako malo se primesa da one vidno ne utiču na njene osobine.
Heterogeni sistemi ili smeše sastoje se od. dve ili više supstanci koje su zadržale svoj identitet i specifične osobine. Njihov sastav može neograničeno da varira.
Prema agregatnom stanju faza razlikujemo sledeće vrste heterogenih sistema: sistem čvrstihfaza − čvrsta smeša, na primer, granit; sistem čvrste i tečne faze, na primer: mulj, led i voda; sistem čvrste i gasovite faze, na primer, dim; sistem tečnih faza − tečna smeša, na primer, mleko i sistem tečne i gasovite faze, na primer, sapunska pena, magla itd. Heterogeni sistem od dve gasovite faze ne postoji, jer se gasovi uzajamno homogeno mešaju, čine gasovite smeše. Tako, na primer, vazduh predstavlja gasoviti sistem koji se uglavnom sastoji od azota, kiseonika, argona, vodene pare i ugljen-dioksida.
O razlici između rastvora (homogenesmeše) i čiste supstance vidi str. 18 (fusnota 1). Izraz materijal upotrebljava se za materiju bilo da je ona heterogena ili homogena.
Heterogeni materijal sastoji se od delića sa različitim osobinama (na primer, sivo sirovo gvožđe sastoji se od sjajnih srebrnastih kristala gvožđa u kojima se nalaze uklopIjeni i kristali crnog grafita). Homogeni materijal sastoji se od delića istih osobina.
Zadatak hemičara sastoji se u izdvajanju supstanci iz prirodnih heterogenih sistema – smeša, i njihovom bližem ispitivanju. To on radije postiže više fizičkim nego hemijskim putem.
Smeše mogu da se razlože na čiste supstance: jedinjenja i elemente. Na primer, vazduh je smeša jedinjenja vode i ugljen-dioksida, kao i elemenata: kiseonika, azota, argona i drugih čistih supstanci.
Smeše se kvalifikuju kao homogene i heterogene. Na primer, rastvor predstavlja homogenu smešu, jer u njemu ne postoje regioni sa različitim sastavom. Međutim, heterogene smeše sadrže regione sa različitim osobinama. Na primer, kada se sipa sitan pesak u vodu onda dolazi do odvajanja delova: jedan sadrži vodu a drugi pesak.
Odvajanje. − Ako imamo heterogene sisteme od dve čvrste faze, onda često možemo da ih rastavimo mehaničkim odabiranjem. U slučaju da su faze jako izmešane, mogu se usitnjavanjem i pomoću vodene struje odvojiti, jer voda odnosi lakše delove dalje, a teže taloži bliže. Tako se vrši odvajanje jalovine iz rude, ili jedne rude od druge, pomoću procesa flotacije. Flotacijom se vrši mehaničko razdvajanje ruda (i primesa) na principu da se neke od njih kvase u dodiru s vodom, a druge se ne kvase (vidi str. 628). Flotacija se naročito mnogo primenjuje u rudnicima (kod nas, naročito, u Trepči i Boru).
Ako čvrste faze imaju deliće različitih veličina, mogu da se odvoje jedna od druge sejanjem pomoću sita.
Odvajanje čvrstih faza može da se izvrši kod nekih sistema na osnovu osobine sublimacije. Neke čvrste supstance zagrevanjem vrlo lako neposredno isparavaju bez topIjenja, na primer, jod, a hlađenjem njihove pare se pretvaraju u čvrsto agregatno stanje. Na ovaj način one mogu da se odvoje od drugih supstanci koje teško isparavaju. Sublimacija predstavlja jednu metodu za dobivanje čistih supstanci (tako se, na primer, dobiva jod u čistom stanju, str. 442). Heterogeni sistemi čvrstih supstanci mogu se razdvojiti frakcionom kristalizacijom, magnetnom separacijom i drugim postupcima. Za industriju je značajan proces razdvajanja poznat pod imenom flotacija.
Heterogeni sistem čvrste i tečne faze (ili od dve čvrste faze od kojih je jedna rastvorena u podesnom rastvaraču) možemo da rastavimo dekantovanjem − odlivanjem. Ako ovakva smeša stoji izvesno vreme u sudu, obrazovaće se dva sloja: jeđan u vidu bistre tečnosti, a drugi u vidu taloga, koji je nastao sedimentacijom (taloženjem) čvrste supstance. Odlivanjem tečnosti od taloga ne može se, međutim, potpuno postići rastavljanje izmešanih faza (nešto tečnosti uvek zaostaje sa talogom, a osim toga u tečnosti se može naći i manja masa zatvorene čvrste supstance). Dekantovanje se mnogo brže vrši pomoću centrifugalne mašine.
Zgodniji i bolji način rastavljanja pomenute smeše, postiže se cedenjem − filtrovanjem
– koje se zasniva na različitoj veličini čestica sastavnih komponenata. Za ovu svrhu služi nam hartija za ceđenje (cedilo), koju stavljamo na stakleni levak (sl. 4). Kroz pore hartije za ceđenje (čiji je prečnik obično nekoliko mikrometara , 2-5 μm) prolazi tečnost, a talog zaostaje na njoj.
Sl. 5. Levak za odvajanje
Izostavljeno iz prikaza
Heterogeni sistem tečnih faza može da se rastavi, ako faze nisu potpuno međusobno izmešane, na osnovu njihovih različitih gustina, pomoću levka za odvajanje (sl. 5). Teža tečnost izdvaja se u donjem sloju, a lakša u gornjem. Otvaranjem slavine ispusti se teža tečnost, a lakša zaostaje u levku. Ovo se odvajanje vrši mnogo brže pomoću centrifugalne mašine; ono se naročito primenjuje u mlekarama u kojima se mleko, koje uglavnom predstavlja emulziju kapljica masti u vodi, rastavlja na svoje tečne faze.
Rastavljanje homogenih sistema (smeša).-Rastavljanjem heterogenih sistema dobivaju se homogeni sistemi koji mogu da budu čiste supstance ili rastvori (rastvori predstavljaju homogenu smešu čistih supstanci). Pojam rastvora obuhvata u širem smislu ne samo tečne, već takođe čvrste (na primer, legure) i gasovite rastvore, na primer, vazduh.
Rastvori mogu da se rastave na svoje komponente fizičkim ili hemijskim putem. Fizičkim putem to se može postići pomoću aparature za destilaciju (sl. 6). Ako se rastvor sastoji od neisparljive čvrste supstance i isparljivog rastvarača (na primer, vodeni rastvor barijum-hlorida), onda će pri destilaciji u destilacionom balonu zaostati čvrsta supstanca (u pomenutom slučaju barijum-hlorid), a rastvarač će da predestiluje u podmetnuti sud (ovde voda). Ako se rastvor sastoji od dve isparljive tečnosti koje se mešaju (na primer: alkohol i voda), onda je para bogatija jednom od njih, u ovom slučaju alkoholom, i destilacija nije tako jednostavna. Zagrevanjem rastvora jače isparava tečnost sa nižom tačkom ključanja (alkohol), od tečnosti sa višom tačkom ključanja (voda). Ako se destilati hvataju posebno (u „frakcijama” koje se razlikuju prema tačkama ključanja) i izvrši veliki broj uzastopnih isparavanja i kondenzacija, mogu tečnosti da se odvoje u vrlo čistom stanju. Ovakav proces zove se frakciona deslilacija, a zasnovan je na različitom naponu pare smešanih supstanci.
Homogene sisteme, koji se sastoje od dva ili više gasova, možemo da rastavimo na sastavne delove postepenim hlađenjem, pri čemu se pojedini sastoje i postepeno pretvaraju u tečnost -frakciona kondenzacija, ili kondenzovanjem celog sistema, pa onda podvrgavanjem dobivene tečnosti frakcionoj destilaciji. Gasove možemo da odvajamo i na taj način, što ih propuštamo kroz razne tečnosti ili porozne čvrste supstance koje imaju osobinu da ih upijaju ili vezuju za sebe, ili difuzijom kroz materijale sa vrlo finim porama. Gasovi sa malim molekulima mnogo brže difunduju (str. 74).
Sl. 6. Aparatura za destilaciju
Izostavljeno iz prikaza
Tako, na primer, para iznad rastvora benzen-toluena bogatija je u benzenu, isparljivijoj komponenti od pare samog prvobitnog rastvora. Ako se ta para kondenzuje dobiće se tečnost istog sastava kao što je bila sama para, tj. sadržavaće pretežno benzen. Isparavanjem tako dobivene tečnosti njena para biće još bogatija u benzenu. Višestrukim ponavljanjem isparavanja i kondenzovanja, može se postići potpuno odvajanje benzena od toluena. Takav se postupak vrši u tzv. rektifikacionoj koloni koja se razlikuje od obične aparature za destilaciju.
Rastavljanje homogenih sistema hemijskim putem. − Opšti način za rastavIjanje homogenog sistema sastoji se u njegovom pretvaranju u heterogeni sistem iz koga mogu da se odvoje pojedine faze. To se postiže na taj način, što se homogeni sistem pretvara, pomoću hemijske reakcije s nekom drugom supstancom, u jedinjenje pogodnog agregatnog stanja. Na ovom prineipu zasniva se najvažnija metoda analitičke hemije − taloženje. U vodeni rastvor, u kome se nalaze rastvorene supstance, dodaje se supstanca koja služi kao taložno sredstvo. Dobiveni talog odvaja se od tečne faze ceđenjem (filtrovanjem).
Pored navedenih postoje i drugi postupci za rastavljanje kako heterogenih tako i homogenih sistema. Na primer./rato’on« kristalizacija, termodifuzija, hromalografija itd.
Hromatografija, na primer, spada u izvanredne metode za razdvajanje smeša. Tehniku ove metode razradio je ruski hemičar Cvet (M. UBCT, 1875-1919) 1903. godine za razdvajanjem a i b hlorofila.
Čiste supstance
Heterogeni sistemi, kao što smo već istakli, mogu biti sastavljeni od nekoliko faza. Ove faze često predstavljaju čiste supstance.
Da li je neka supstanca čista ili ne, kontrolišemo pomoću njenih osobina ili pomoću njenog sastava. Obično se primenjuju oba načina, pa se posle njihovi rezultati dopunjuju.
Najčešće i najbrže ispitivanje čistoće neke supstance zasniva se na kontroli njenih fizičkih osobina, koje su za svaku supstancu karakteristične i stalne. Fizičke osobine izražene brojevima zovu se fizičke konstante, na primer: tačka ključanja, tačka topljenja, gustina itd. Kada se ove fizičke osobine više ne menjaju, onda se smatra da je ispitivana supstanca čista.
Tačka ključanja tečnosti je temperatura na kojoj je pritisak njene pare jednak atmosferskom pritisku iznad njene površine (str. 258 i 259). Ako je pritisak iznad površine tečnosti 1 atm (760 mm Hg) onda se pročitana temperatura označava kao normalna tačka ključanja odgovarajuće tečnosti. Normalna tačka ključanja čiste vode je 100°C, jer je pritisak njene pare na toj temperaturi 1 atm. Čista jedi njenja imaju konstantne tačke ključanja, a tačke ključanja smeša jako variraju, zavisno od veličine tačaka ključanja pojedinih supstanci smeše i njihovog odnosa u smeši. Ona zavisi u velikoj meri od pritiska jer se zapremina jako menja pri prelazu supstance u gasovito stanje. Sto je pritisak niži to je i temperatura ključanja supstance niža. Voda može, na primer, da ključa na 25°C, ako pritisak iznad njene površine iznosi 24 mm Hg (to se postiže evakuisanim prostorom iznad njene površine).
Tačka ključanja se najčešće određuje pri samom procesu prečišćavanja tečnosti, pri destilaciji (sl. 6, str. 22). Ako je temperatura ključanja neke tečnosti konstantna, onda je ona čista. Izuzetak čine azeotropne smeše, tečnosti koje takođe ključaju na konstantnoj temperaturi (str. 445).
Tačka topljenja neke čiste čvrste supstance je temperatura na kojoj se ona pretvara u tečnost i nalazi se u ravnoteži sa svojim rastopom. Na ovoj temperaturi se čvrsta supstanca topi istom brzinom kojom očvršćava njen rastop (str. 258), jer su tačka topljenja čvrste i tečne faze u ravnoteži. Tačka topljenja čiste supstance identična je sa tačkom očvršćavanja. Na primer, ]ed se topi na 0°C; čista voda se mrzne na 0°C. Za čiste supstance su, prema tome, tačke topljenja i tačke očvršćavanja identične. Ciste kristalne supstance obično imaju oštre i konstantne tačke topljenja na datom pritisku, ili ove variraju za vrlo male vrednosti. − Čvrste supstance sa nečistoćom imaju tačke topljenja niže od tačaka topljenja čistih supstanci.
Tačka topljenja služi vrlo često za kontrolu čistoće čvrstih supstanci. Za njeno određivanje koristi se termijska analiza koja određivanje tačke topljenja (ili tačke očvršćavanja) bazira na konstruisanju krivih zagrevanja (ili hlađenja) u koordinatama „temperatu„ 2 ra-vreme .
Na sl. 7 prikazana je shema krive zagrevanja.čiste supstance: linija 1-2 predstavlja grejanje supstance; linija 2-3 proces topljenja, a linija 3-4 grejanje istopljene supstance.
Zavisnost „temperatura-vreme” određuje se pomoću uređaja koji je prikazan na sl. 8. Ovaj uređaj se sastoji od električne peći (1), u kojoj je smeštena posuda (2) sa ispitivanom supstancom, termoelementa za merenje temperature (3) i galvanometra (4).
Radi kontrole izmerene tačke topljenja može se određivanje nastaviti tako, što će se pustiti da se rastop hladi. Zadržavanje na krivoj hlađenja odgovaraće, takođe, temperaturi topljenja.
Ijenja (odnosno očvršćavanja) supstanci
Tačka topljenja u vrlo širokom intervalu tempcratura može biti odredena i difereneijalnom termijskom analizom (DTA). Ovo je jedna od osetljivih i savršenijih metoda tcnnijske analize, koja se koristi za proučavanje faznih transformacija uopšte. Ona je zasnovana na automatskoj registraciji zavisnosti temperature uzorka i razlika temperature između ispitivanog materijala i etalona. Etalon je materijal u kome se ne odigravaju fazne transformacije u proučavanom intervalu temperatura (sl. 9)
Sl. 7. Kriva zagrevanja
Izostavljeno iz prikaza
Sl. 8. Shema uređaja za određivanje tačke topIjenja (odnosno očvršćavanja) supstanci
Izostavljeno iz prikaza
Sl. 9. Shema DTA
Izostavljeno iz prikaza
- Uzorak
- Etalon
- Električna peć
- Pisač − registrator
- merenje At
- merenje T
- Tečno stanje
- Čvrsto stanje
- Tačka topljenja
Shema uredaja za DTA prikazana je na sl. 9. Urcdaj se sastoji iz tri glavna dela:
- I. merni deo (vertikalna električna peć i posuda sa uzorkom i etalonom),
- II. regulator tempcrature i
- III. registrator.
Pre početka rada, u peć (I), čija se temperatura može regulisati, stavlja se ispitivani inaterijal i etalon. Zahvaljujući električnom pisaču (III) može se registrovati tcmperatura (7) ispitivanog uzorka i razlika lemperatura (A7) uzorka i etalona u zavisnosti od vremena (sl. 10). Fazne transformacije, pa prema tome i tačku topljenja (na dijagramu, na priiner, TA ) materijala karakterišu odgovarajući ekstremi na krivoj zavisnosti A7′ = (7).
Ovom mctodom, pored tačke topljcnja, mogu se odrediti i tcmperature na kojima jedna alotropska modifikacija prelazi u drugu, oksidacija materijala, razlaganje materijala itd. Uopšte cndotcrmne procese karakteriše ekstrem TA , a egzotennne procese − Tfl
Za supstance koje imaju niske tačke topljenja (na primer, organske supstance) ova se konstanta određuje, unošenjem praha supstance u staklenu kapilarnu cevčicu, zatopljenu na jednom kraju i pričvršćenu za termometar, a zatim se stavi u sud sa nekom tečnošću koja ima visoku tačku ključanja i ovaj zagreva. Čim se primeti daje sadržaj kapilare postao proviđan, zabeleži se temperatura, koja u stvari predstavlja tačku topljenja ispitivane supstance.
Određivanjem kvantitativnog sastava neke supstance i upoređivanjem dobivenog procentnog sadržaja pojedinih elemenata s procentnim sadržajem izračunatim iz molekulske formule, može se utvrditi da li ona ima primesa i koliko.
Prema tome, različitim postupcima mogu se dobiti supstance u sve čistijem stanju, ali nijedan od njih ne može obezbediti apsolutnu čistoću odgovarajuće supstance. Na primer, uzastopnim postupcima topljenja i kristalizacije elementa silicijuma može se on dobiti ,,sa 99,999 999% čistoće”. Međutim, samo u jednom gramu takvog silicijuma može se naći preko 10 miliona atoma drugih elemenata.
Za neku supstancu kažemo da je hemijski čista ako u njoj pomoću hemijskih reakcija ne možemo da dokažemo prisustvo drugih supstanci. To znači da naš sud o čistoći neke odgovarajuće supstance zavisi od osetljivosti metoda u kom ćemo stepenu čistoće dobiti tu supstancu.
Podela čistih supstanci. − Ako se podvrgne neka čista supstanca raznim fizičkim ili hemijskim uticajima, kao što su: dejstvo toplote, elektriciteta, svetlosti, druge hemijske supstance itd., često se događa da se ona razloži na nekoliko različitih supstanci, a može i da ne dođe do takvog razlaganja. Tako, na primer, ako zagrevamo gasoviti jodovodonik u staklenoj cevi iznad 180°C, on će početi da se raspada na dve nove gasovite supstance: jednu, koja je obojena Ijubičasto (jod) i drugu, u vidu bezbojnog gasa, koja zapaljena gori (vodonik). Obrnuto, ako gasovitu smešu joda i vodonika lagano hladimo, postaće ponovo
Termohemijska analiza se isto tako koristi za utvrdivanje binamih dijagrama stanja. Dijagrami stanja prikazuju zavisnost izmedu tempcrature i sastava, pri čcinu se njihova važnost ogleda ne samo u ustanovljavanju faza u sistemu, već takode i u objašnjenju prirodc i karaktcra uzajamnog dejstva izmedu komponenata sistema. (Detaljnije o dijagramima stanja u poglavlju „Tcrmohemija”). M. M. Ristić, Osnovi nauke o materijalima (str. 121), Bcograd, 1977. jodovodonik. Proces pri kome smo zagrevanjem iz jedne supstance dobili dve nove (iz jođovodonika: jod i vodonik), zove se analiza, a obrnut proces, pri kome smo od prostih supstanci dobili složenu supstancu (od joda i vodonika: jodovodnik) zove se sinteza.
Ako pokušamo uobičajenim hemijskim načinima da razložimo jod i vodonik, ili da ih dobijemo od prostijih supstanci, nećemo u tome uspeti. Zato ovakve supstance zovemo osnovnim supstancama ili elementima} za razliku od jodovodonika i mnogih drugih supstanci, koje možemo dalje da razlažemo na dve ili više supstanci, a koje nazivamo jedinjenjima. Prema tome, sve one supstance koje se sastoje samo od jednog elementa ili samo od jednog jedinjenja, nazivaju se čiste supstance.
Liste supstance uvek imaju iste osobine. Tako, na primer, čista voda, dobivena iz izvora, reka, jezera, mora, okeana, uvek ima iste kako fizičke tako i hemijske osobine, jer se sastoji od molekula koji su izgrađeni od elementa vodonika i elementa kiseonika u potpuno istom stalnom masenom odnosu.
Bojl je prvi dao naučnu definiciju hemijskog elementa, označavajući kao prostu supstancu takvu supstancu koja se hemijskim putem ne može da razlaže na prostije supstance. Međutim, posle otkrića prirodne i veštačke radioaktivnosti, a takođe i načina za raznovrsnu transmutaciju velikog broja elemenata, dugo vremena se nije mogla dati precizna definicija elementa.
Čiste supstance su podeljene na elementarne (proste) supstance i jedinjenja.
Elementarne supstance se sastoje od atoma jednog istog elementa (od jedne vrste atoma), a jedinjenja od atoma dva ili više elemenata (dve ili više vrsta atoma) u određenim odnosima.
Pomoću hemijskih reakcija između hemijskih elemenata, koji međusobno mogu da se jedine, postaju jedinjenja. Tako, na primer, elementi vodonik i kiseonik kada se jedine mogu da grade dva jedinjenja: vodu i vodonik-peroksid, u zavisnosti od njihovih masenih odnosa.
Jedinjenje je, prema tome, supstanca koja se sastoji od hemijskih elemenata, pa se zbog toga i može da razloži u odgovarajuće elemente pomoću hemijskih procesa, hemijskih reakcija. Jedinjenja se uvek sastoje od atoma različitih elemenata, ali se odlikuju karakterističnim stalnim sastavom, sem nekih izuzetaka o kojima će biti reči kasnije. Osobine jedinjenja potpuno se razlikuju od osobina elemenata koji se nalaze u njihovom sastavu. Tako, na primer, osobine čiste vode potpuno se razlikuju od osobina čistog vodonika i čistog kiseonika, elemenata od kojih se ona sastoji. Za razliku od stehiometrijskih jedinjenja (str. 27) o kojima će kasnije biti više reči, postoje i nestehiometrijska jedinjenja?
Kao što ćemo kasnije videti (str. 728), specijalnim postupkom mogu se teži elementi razložili na lakše elemcnlc (proccsom fisije), i obmuto, od lakših elemenata mogu se dobiti teži elementi (proccsom/uzeto, str. 874). To je bio razlog što smo u datoj definiciji elementa napisali „uobičajenim hemijskim načinom”, jer se pomoću hemijskih reakcija ne mogu, na primer, vodonik i kiseonik da razlože na prostije supstance. Potpuniju definiciju elementa videti na str. 715.
Pored kiseonika i vodonika, pomenućemo i neke druge elemente koje poznajemo iz svakidašnjeg života: olovo, bakar, srebro, zlato, gvožđe, sumpor, azot i hlor.
Svako čisto hemijsko jedinjenje, kao što je rečeno, u svom sastavu sadrži iste elemcnte koji su u njemu sjedinjeni uvek u stalnom masenom odnosu. To su jedinjenja stehiometrijskog sastava. Pod stehiometrijskim sastavom se podrazumeva sastav koji odgovara hemijskoj formuli u kojoj se sem simbola elemenata, nalaze kao indeksi celi brojevi. Na primer, H2SO4. Molekuli svakog takvog jedinjenja imaju svoju karakterističnu strukturu, bez obzira na koji su način dobiveni. Prema tome, svako se jedinjenje odlikuje svojim vlastitim osobinama, pa se pomoću tih svojih osobina može i da identifikuje.
Elementi u jedinjenjima razlikuju se od elementarnih supstanci u slobodnom stanju. Na primer, kuhinjska so, bela kristalna supstanca, sastoji se od polučvrstog metala natrijuma, koji ima srebrnasti sjaj, i gasovitog hlora žutozelene boje. Natrijum u natrijum-hloridu (kuhinjskoj soli) naziva se elementom, a kada se natrijum nalazi u slobodnom stanju, u vidu metala, onda se on naziva elementarnom (prostom) supstancom.
Metal natrijum + nemetal hlor = nalrijum-hlorid
vrlo reaktivan vrlo reaktivan obična so
metal nemetal (nereaktivno jedinjenje)
Kao što se iz navedene hemijske reakcije vidi, dobiveni proizvod, obična so, bitno se razlikuje po svojim hemijskim osobinama od reagujućih supstanci (reaktanatd). U hemijskoj reakciji stvara se potpuno nova supstanca.
Kao u natrijum-hloridu tako i u ostalim jedinjenjima atomi elemenata, kada hemijskom reakcijom izgrade neko jedinjenje, gube svoje osobine koje su imali kao slobodni (nesjedin jeni). U molekulima nastalih jedinjenja atomi elemenata se međusobno drže pomoću naročitih privlačnih sila koje se nazivaju hemijske veze (str. 206, 254).
Broj jedinjenja je neobično veliki, dosada je poznato preko 13 miliona. Svako jedinjenje je sastavljeno od određenog broja elemenata u kome se oni nalaze u stalnom masenom odnosu. Broj elemenata je mnogo manji. Dosad je poznato 112 elemenata: 88 je otkriveno u Zemljinoj kori, a 24 je dobiveno veštačkim putem, u laboratoriji. Međutim, u novije vreme je dokazano da se od 24 veštački dobivenih elemenata, elementi sa rednim brojem 85 (astat) i 87 (franeijum) nalaze u Zemljinoj kori kao „neobično retki proizvodi raspadanja radioaktivnih serija”, sa vrlo kratkim vekom, a otkrivene su i neznatne količine elemenata s rednim brojem 93 (neptunijuma) i 94 (plutonijuma) (str. 836 i 837).
Najplodniji period otkrića elemenata jeste 19. vek. Naime, odmah posle utvrđivanja prirode elementa, otpočela su da se ređaju njihova otkrića sa neverovatno velikom brzinom (vidi tablicu 1). O poreklu elemenata vidi str. 730.
Koji su elementi otkriveni u kom vremenskom periodu prikazano je u tablici 1.
Opis i podela materijala od kojih mogu biti izgrađena tela shematski je prikazan na 28. strani. Kao što se iz navedene sheme vidi, materijal može biti smeša (homogena i heterogena) ili čista supstanca (elemenat ili jedinjenje).
Prema tome, u hemiji se materija klasifikuje u tri određene kategorije: elemente jedinjenja i smeše.
U hemiji se pod čistim supstancama podrazumevaju elementi i jedinjenja.
- Praistorijsko doba
C, S (bili su poznati) 2
Stari vek Au, Ag, Cu, Fe, Sn, Pb, Hg 7
Srednji vek Zn, As, Bi 3
1600-1700 Sb,P 2
1701-1750 Co, Pt 2
1751-1775 Ni, N, O, Cl, Mn 5
1776-1800 Mo, Te, W, U, Zr, II, 11, Y, Br, Cr 10
1801-1805 Nb, Ta, Rh, Pd, Ce, Os, Ir 7
1806-1810 Na, K, B, Mg, Ca, Sr, Ba 7
1811-1825 1, Cd, Li, Se, Si 5
1826-1850 Be, Al, Th, V, La, Er, Tb, Ru 8
1851-1875 Cs, Rb, ‘n, Ga, In 5
1876-1885 Ho, Yb, Sm, Tm, Sc, Gd, Pr, Nd 8
1886-1900 Ge, Dy, F, Ar, He, Ne, Kr, Xe, Po, Ra, Ac, Rn 12
1901-1935 Eu, Lu, Pa, Hf, Re 5
1936-1950 Tc, Fr, At, Np, Pu, Am, Cm, Pm. Bk, Cf 10
1951-1984 Es, Fm, Md, No, Lr, Rf, Db, Sg, Bh, Hs i Mt1 11
Ukupan broj otkrivenih i veštačkim putem dobivenih elemenata: 112 - TELA se sastoje od
- MATERIJALA
- SMEŠE ili ČISTE SUPSTANCE
- koji mogu bili
- homogene-rastvori ili heterogene
- ELEMENTI
METALI
METALOIDI
NEMETALI - JEDINJENJA
STEHIOMETRIJSKA
NESTEHIOMETRIJSKA