Најважније из лекције
Неорганске супстанце обухватају све елементе (118 познатих) и њихова једињења, изузев већине једињења угљеника (органских).
Заступљеност елемената:
Примена: Неорганске супстанце су основа металургије, производње грађевинских материјала (стакло, цемент, гипс), ђубрива, техничких гасова и средстава за одржавање хигијене.
Заступљеност елемената:
- Универзум: највише \( \text{H} \) и \( \text{He} \).
- Земља (укупно): највише \( \text{Fe} \) и \( \text{O} \); Земљина кора: највише \( \text{O} \) и \( \text{Si} \) (силикати \( 75\% \)).
- Атмосфера: \( 78\% \text{ N}_2 \), \( 21\% \text{ O}_2 \), \( \approx 1\% \text{ Ar} \).
- Биосфера: основни елементи су \( \text{C}, \text{H}, \text{O}, \text{N} \) (\( \approx 95\% \)), уз макроелементе (\( >0{,}01\% \)) и микроелементе (\( \le 0{,}01\% \)).
Примена: Неорганске супстанце су основа металургије, производње грађевинских материјала (стакло, цемент, гипс), ђубрива, техничких гасова и средстава за одржавање хигијене.
Супстанце се према пореклу и хемијском саставу деле на органске и неорганске супстанце.
Органска хемија проучава једињења угљеника (угљоводонике, алкохоле, карбоксилне киселине, угљене хидрате, протеине, липиде итд.).
Неорганска хемија изучава све остале хемијске елементе, њихове различите облике постојања, њихова једињења и смеше, као и правила Периодног система елемената.
Изузетак представљају неорганска једињења угљеника:
- оксиди: угљеник(II)-оксид (\( \text{CO} \)) и угљеник(IV)-оксид (\( \text{CO}_2 \)),
- неорганске киселине: угљена киселина (\( \text{H}_2\text{CO}_3 \)) и цијановодонична киселина (\( \text{HCN} \)),
- соли наведених киселина (нпр. карбонати, цијаниди),
- карбиди (нпр. калцијум-карбид, \( \text{CaC}_2 \)).
Данас је познато 118 хемијских елемената, чија су својства и међусобне сличности одређени положајем у Периодном систему елемената и законом периодичности (најистакнутији допринос дао је Д. И. Мендељејев). Званичне симболе усваја међународна организација IUPAC.
Разврстај следеће супстанце на органске и неорганске: \( \text{CH}_4 \), \( \text{NaCl} \), \( \text{CaCO}_3 \), \( \text{C}_2\text{H}_5\text{OH} \), \( \text{CO}_2 \), \( \text{H}_2\text{SO}_4 \).
- Органске супстанце: \( \text{CH}_4 \) (метан), \( \text{C}_2\text{H}_5\text{OH} \) (етанол).
- Неорганске супстанце: \( \text{NaCl} \) (натријум-хлорид), \( \text{CaCO}_3 \) (калцијум-карбонат - неорганско једињење угљеника), \( \text{CO}_2 \) (угљеник(IV)-оксид - неорганско једињење угљеника), \( \text{H}_2\text{SO}_4 \) (сумпорна киселина).
Изотопи су атоми истог хемијског елемента који имају исти број протона (исти редни број), али различит број неутрона (различит масени број). Деле се на стабилне и радиоактивне (нестабилне).
Водоник има три изотопа:
- Протијум (\( ^1\text{H} \)): 1 протон, 0 неутрона (чини преко \( 99{,}999\% \) свих атома водоника на Земљи, стабилан),
- Деутеријум (\( ^2\text{H} \) или \( \text{D} \)): 1 протон, 1 неутрон (\( \approx 0{,}001\% \), стабилан),
- Трицијум (\( ^3\text{H} \) или \( \text{T} \)): 1 протон, 2 неутрона (радиоактиван).
Елементи са атомским бројем већим од 93 (\( Z > 93 \)) немају стабилне изотопе, нису пронађени у природи и синтетизовани су у лабораторији.
| Подручје | Најзаступљенији хемијски елементи (по масеном уделу) |
|---|---|
| Универзум | 1. Водоник (\( \text{H} \)), 2. Хелијум (\( \text{He} \)) |
| Планета Земља (укупно) | 1. Гвожђе (\( \text{Fe} \)), 2. Кисеоник (\( \text{O} \)), 3. Силицијум (\( \text{Si} \)), 4. Магнезијум (\( \text{Mg} \)) (Ова 4 елемента чине око \( 90\% \) свих атома на Земљи) |
Облик постојања у природи:
- Реактивни елементи (алкални метали, халогени елементи) у природи постоје искључиво у облику једињења (нпр. \( \text{Na}^+ \), \( \text{Cl}^- \)).
- Мање реактивни елементи могу постојати и у елементарном стању: као гасовити молекули (\( \text{O}_2 \), \( \text{O}_3 \), \( \text{N}_2 \)) или налазишта чистих елемената у чврстом стању (\( \text{S} \), \( \text{C} \), \( \text{Au} \)).
Зашто се натријум никада не налази у природи у елементарном стању, док се злато и сумпор могу наћи као чисте супстанце?
Налажење елемента зависи од његове хемијске реактивности. Натријум је изразито реактиван алкални метал (1. група) и лако ступа у реакције градећи стабилна једињења (соли). Злато и сумпор су знатно мање реактивни, па могу постојати и опстати у елементарном стању.
Литосфера (Земљина кора) је изграђена од стена и минерала. Најзаступљенији елементи у кори су кисеоник (\( \text{O} \)) и силицијум (\( \text{Si} \)), док су најзаступљенији метали алуминијум (\( \text{Al} \)), гвожђе (\( \text{Fe} \)) и калцијум (\( \text{Ca} \)). Око \( 75\% \) масе коре чине различити силикати.
Стене су природне смеше минерала. Према настанку деле се на: магматске (нпр. гранит), седиментне (нпр. кречњак, гипс, доломит, песак, глина) и метаморфне (нпр. мермер).
Минерали су једињења или ређе елементарне супстанце које имају тачно одређен хемијски састав и кристалну структуру.
| Класа једињења | Примери минерала | Хемијска формула |
|---|---|---|
| Сулфиди | Пирит, Сфалерит | \( \text{FeS}_2 \), \( \text{ZnS} \) |
| Оксиди | Хематит, Куприт, Корунд | \( \text{Fe}_2\text{O}_3 \), \( \text{Cu}_2\text{O} \), \( \text{Al}_2\text{O}_3 \) |
| Карбонати | Калцит, Магнезит | \( \text{CaCO}_3 \), \( \text{MgCO}_3 \) |
| Самородни елементи | Сумпор, Дијамант/Графит, Злато | \( \text{S} \), \( \text{C} \), \( \text{Au} \) |
Утицај структуре и примеса на својства минерала:
- Различита кристална решетка: Калцит и арагонит имају исти хемијски састав (\( \text{CaCO}_3 \)), али због различите кристалне решетке имају различита физичка својства.
- Примесе јона метала у траговима: Рубин и сафир су по основном саставу минерал корунд (\( \text{Al}_2\text{O}_3 \)). Црвена боја рубина потиче од примеса јона хрома (\( \text{Cr} \)), а плава боја сафира од примеса гвожђа (\( \text{Fe} \)) и титанијума (\( \text{Ti} \)).
Која је разлика између стене и минерала?
Минерал је чиста супстанца (хемијско једињење или елемент) тачно дефинисаног хемијског састава и кристалне решетке, док је стена нехомогена смеша састављена од једног или више различитих минерала.
Атмосфера (ваздух): Незагађен сув ваздух до висине од \( 60\text{ km} \) представља гасовиту хомогену смешу следећег запреминског састава:
- Азот (\( \text{N}_2 \)): \( 78\% \)
- Кисеоник (\( \text{O}_2 \)): \( 21\% \)
- Аргон (\( \text{Ar} \)): \( \approx 0{,}93\% \) (нешто мање од \( 1\% \))
- Остале супстанце: \( \text{CO}_2 \), \( \text{Ne} \), \( \text{He} \), \( \text{CH}_4 \), \( \text{Kr} \), \( \text{N}_2\text{O} \), \( \text{H}_2 \), \( \text{Xe} \), \( \text{O}_3 \), као и водена пара.
Аеросол чине капљице воде у ваздуху које садрже честице прашине и апсорбоване гасове (укључујући и загађујуће неорганске супстанце попут \( \text{NH}_3 \), \( \text{SO}_2 \), \( \text{H}_2\text{S} \)).
Хидросфера (водени омотач): Обухвата слану воду (\( 97{,}5\% \)) и слатку воду (\( 2{,}5\% \)). Природне воде су смеше растворених соли и гасова.
Специфична својства воде (\( \text{H}_2\text{O} \)):
- Поларне ковалентне везе унутар молекула и водоничне везе између молекула воде.
- Температура кључања: \( 100~^\circ\text{C} \) (при \( 1\text{ atm} \)); температура мржњења: \( 0~^\circ\text{C} \).
- Аномалија воде: Највећа густина воде је на \( 4~^\circ\text{C} \) (\( \rho = 1{,}00\text{ g/cm}^3 \)). Лед има мању густину од течне воде и зато плива на површини.
Тврдоћа воде: Зависи од концентрације растворених соли калцијума и магнезијума (јона \( \text{Ca}^{2+} \) и \( \text{Mg}^{2+} \)). Воде са високим садржајем ових јона су тврде (подземне воде), а са ниским су меке (атмосферске/кишне воде).
Зашто лед плива на површини воде и због чега је то важно за живот у воденим екосистемима?
Због специфичне кристалне решетке повезане водоничним везама, лед има већу запремину и мању густину од течне воде на \( 0~^\circ\text{C} \). Пошто плива на површини, лед ствара изолациони слој који спречава замрзавање воде до дна река и језера, омогућавајући опстанак водених организама.
Биогени елементи су хемијски елементи који улазе у састав живих бића. Четири основна елемента (\( \text{C}, \text{H}, \text{O}, \text{N} \)) чине око \( 95\% \) масе живих система.
| Категорија | Дефиниција (масени удео) | Елементи |
|---|---|---|
| Макроелементи | \( w > 0{,}01\% \) | \( \text{C}, \text{H}, \text{O}, \text{N}, \text{P}, \text{S}, \text{Cl}, \text{Na}, \text{K}, \text{Ca}, \text{Mg} \) |
| Микроелементи | \( w \le 0{,}01\% \) | \( \text{Fe}, \text{Cu}, \text{I}, \text{Mo}, \text{Mn}, \text{Zn}, \text{Co} \) |
| Елементи у траговима | Изузетно мале концентрације | \( \text{Al}, \text{As}, \text{B}, \text{Br}, \text{F}, \text{Li}, \text{Ni}, \text{Se}, \text{Si}, \text{Ti}, \text{V} \) |
Облици неорганских супстанци у организму:
- Растворни јони (електролити): \( \text{Na}^+ \), \( \text{K}^+ \), \( \text{Mg}^{2+} \), \( \text{Cl}^- \) у крви и телесним течностима.
- Нерастворне соли: калцијум-фосфат \( \text{Ca}_3(\text{PO}_4)_2 \) (кости и зуби), калцијум-карбонат \( \text{CaCO}_3 \) (љуске јаја, оклопи животиња).
- Комплексно везани метални јони: \( \text{Mg}^{2+} \) у хлорофилу, \( \text{Fe}^{2+} \) у хемоглобину.
Значајни неоргански индустријски производи:
- Технички гасови: \( \text{O}_2 \), \( \text{N}_2 \), \( \text{CO}_2 \) (апарати за гашење пожара), \( \text{He} \) (пуњење балона).
- Киселине и базе: \( \text{H}_2\text{SO}_4 \), \( \text{HCl} \), \( \text{HNO}_3 \), \( \text{NaOH} \), \( \text{Ca(OH)}_2 \).
- Соли и грађевински материјали: кухињска со (\( \text{NaCl} \)), гипс (\( \text{CaSO}_4 \cdot 2\text{H}_2\text{O} \)), стакло (\( \text{SiO}_2 \)), вештачка ђубрива (нитрати и сулфати).
У коју групу биогених елемената спада јод, а у коју калцијум? Наведите њихов значај за организам.
Калцијум је макроелемент (изграђује кости и зубе у облику калцијум-фосфата и делује као електролит). Јод је микроелемент (неопходан за правилну функцију штитне жлезде и синтезу њених хормона).
Задаци за вежбање
Задатак 1 (лак): Који је најзаступљенији хемијски елемент у Универзуму, а који на планети Земљи (по укупном масеном уделу)?
У Универзуму је најзаступљенији водоник (\( \text{H} \)), док је на планети Земљи као целини најзаступљеније гвожђе (\( \text{Fe} \)).
Задатак 2 (средњи): Иако супстанце као што су \( \text{CO}_2 \), \( \text{H}_2\text{CO}_3 \) и \( \text{CaCO}_3 \) садрже угљеник, оне се проучавају у оквиру неорганске хемије. Објасните зашто се ова једињења сматрају неорганским и наведите још два таква примера.
Ова једињења по својој структури, особинама и хемијском понашању одговарају неорганским оксидима, киселинама и солима (не садрже типичне угљеникове ланце и везе карактеристичне за органске супстанце).
Примери: угљеник(II)-оксид (\( \text{CO} \)), цијановодонична киселина (\( \text{HCN} \)) или калцијум-карбид (\( \text{CaC}_2 \)).
Примери: угљеник(II)-оксид (\( \text{CO} \)), цијановодонична киселина (\( \text{HCN} \)) или калцијум-карбид (\( \text{CaC}_2 \)).
Задатак 3 (средњи): Који хемијски јони одређују тврдоћу воде и која је разлика између меке и тврде воде?
Тврдоћу воде одређује садржај/концентрација катјона калцијума (\( \text{Ca}^{2+} \)) и магнезијума (\( \text{Mg}^{2+} \)).
- Тврда вода садржи веће количине ових јона (типично за подземне и минералне воде).
- Мека вода садржи врло малу количину ових јона (типично за атмосферску/кишну воду и дестиловану воду).
Задатак 4 (тежак): Рубин и сафир имају исту основну хемијску формулу као минерал корунд. С друге стране, калцит и арагонит имају потпуно исту хемијску формулу, али различит изглед и особине. Објасните на овим примерима од чега зависе физичка својства минерала.
Физичка својства минерала зависе од:
- Присуства примеса других елемената у траговима: Корунд је чист алуминијум-оксид (\( \text{Al}_2\text{O}_3 \)). Када садржи примесе хрома (\( \text{Cr} \)) добија црвену боју и назива се рубин, а када садржи трагове гвожђа и титанијума (\( \text{Fe, Ti} \)) постаје плави сафир.
- Кристалне структуре (распореда честица у простору): Калцит и арагонит су по саставу чисто једињење калцијум-карбонат (\( \text{CaCO}_3 \)), али кристалишу у различитим кристалним системима (различита просторна решетка), због чега се разликују по цепљивости, густини и тврдоћи.
