2.1 Fyrstu hugmyndir atómkenningarinnar
Námsmarkmið
Að loknum þessum kafla munt þú geta:
- nefnt frumforsendur atómkenningar Daltons
- notað frumforsendur atómkenningar Daltons til að útskýra lögmálin um föst og margföld hlutföll
Fyrsta skráða umræðan um grunnbyggingu efnis kemur frá forngrískum heimspekingum, vísindamönnum síns tíma. Á fimmtu öld fyrir Krist héldu Levkippos og Demókrítos því fram að allt efni samanstæði af litlum, endanlegum eindum sem þeir kölluðu atomos, en það hugtak er dregið af gríska orðinu yfir „ódeilanlegur“. Þeir hugsuðu sér frumeindir sem hreyfanlegar eindir, ólíkar að lögun og stærð, sem gætu sameinast. Síðar komust Aristóteles og fleiri að þeirri niðurstöðu að efni samanstæði af ýmsum samsetningum fjögurra „grunnefna“ — elds, jarðar, lofts og vatns — og að hægt væri að skipta því endalaust. Athyglisvert er að þessir heimspekingar litu á frumeindir og „grunnefni“ sem heimspekileg hugtök, en virðast aldrei hafa íhugað að framkvæma tilraunir til að prófa hugmyndir sínar.
Viðhorf Aristótelesar til samsetningar efnis var ríkjandi í yfir tvö þúsund ár, þar til enski skólakennarinn John Dalton átti þátt í að umbylta efnafræðinni með tilgátu sinni um að hegðun efnis mætti útskýra með atómkenningu. Margar af tilgátum Daltons um smásæja eiginleika efnis, sem fyrst voru birtar árið 1807, eiga enn við í nútíma atómkenningu. Hér eru frumforsendur atómkenningar Daltons.
- Efni samanstendur af afar smáum eindum sem kallast frumeindir. Frumeind er minnsta eining frumefnis sem getur tekið þátt í efnabreytingu.
- Sérhvert frumefni samanstendur af aðeins einni tegund frumeinda. Þær hafa massa sem er einkennandi fyrir frumefnið og er sá sami fyrir allar frumeindir þess (mynd 2.2). Sýnilegt sýni af frumefni inniheldur ótrúlega mikinn fjölda frumeinda sem allar hafa nákvæmlega sömu efnafræðilegu eiginleika. Mynd 2.2 Koparpeningur frá því fyrir 1982 (vinstri) inniheldur um það bil 3 × 10²² koparfrumeindir (nokkrir tugir eru sýndir sem brúnar kúlur til hægri) og hefur hver þeirra sömu efnafræðilegu eiginleika. (mynd: breytt verk eftir „slgckgc“/Flickr)
Mynd 2.2. Koparpeningur frá því fyrir 1982 (vinstri) inniheldur um það bil 3 × 10²² koparfrumeindir (nokkrir tugir eru sýndir sem brúnar kúlur til hægri) og hefur hver þeirra sömu efnafræðilegu eiginleika. (mynd: breytt verk eftir „slgckgc“/Flickr) - Frumeindir eins frumefnis hafa aðra eiginleika en frumeindir allra annarra frumefna.
- Efnasamband samanstendur af frumeindum tveggja eða fleiri frumefna sem sameinast í einföldum heiltöluhlutföllum. Í tilteknu efnasambandi er fjöldi frumeinda hvers frumefnis alltaf í sama hlutfalli (mynd 2.3). Mynd 2.3 Kopar(II)oxíð, sem er duftkennt, svart efnasamband, verður til við sameiningu tveggja tegunda frumeinda — kopars (brúnar kúlur) og súrefnis (rauðar kúlur) — í hlutfallinu 1:1. (mynd: breytt verk eftir „Chemicalinterest“/Wikimedia Commons)
Mynd 2.3. Kopar(II)oxíð, sem er duftkennt, svart efnasamband, verður til við sameiningu tveggja tegunda frumeinda — kopars (brúnar kúlur) og súrefnis (rauðar kúlur) — í hlutfallinu 1:1. (mynd: breytt verk eftir „Chemicalinterest“/Wikimedia Commons) - Frumeindir verða hvorki til né eyðast við efnabreytingu, heldur endurraðast þær og mynda efni sem eru ólík þeim sem voru til staðar fyrir breytinguna (mynd 2.4). Mynd 2.4 Þegar frumefnin kopar (gljáandi, rauðbrúnt fast efni, sýnt hér sem brúnar kúlur) og súrefni (tært og litlaust gas, sýnt hér sem rauðar kúlur) hvarfast, endurraðast frumeindir þeirra og mynda efnasamband sem inniheldur kopar og súrefni (duftkennt, svart fast efni). (mynd af kopar: breytt verk eftir http://images-of-elements.com/copper.php)
Mynd 2.4. Þegar frumefnin kopar (gljáandi, rauðbrúnt fast efni, sýnt hér sem brúnar kúlur) og súrefni (tært og litlaust gas, sýnt hér sem rauðar kúlur) hvarfast, endurraðast frumeindir þeirra og mynda efnasamband sem inniheldur kopar og súrefni (duftkennt, svart fast efni). (mynd af kopar: breytt verk eftir http://images-of-elements.com/copper.php)
Atómkenning Daltons veitir smásæja útskýringu á mörgum stórsæjum eiginleikum efnis sem þú hefur lært um. Til dæmis, ef frumefni eins og kopar samanstendur aðeins af einni tegund frumeinda, þá er ekki hægt að brjóta það niður í einfaldari efni, það er að segja í efni sem samanstanda af færri tegundum frumeinda. Og ef frumeindir verða hvorki til né eyðast við efnabreytingu, þá helst heildarmassi efnisins stöðugur þegar efni breytist úr einni tegund í aðra (lögmálið um varðveislu efnis).
Dæmi 2.1
Prófun á atómkenningu Daltons
Á eftirfarandi teikningu tákna grænu kúlurnar frumeindir tiltekins frumefnis. Fjólubláu kúlurnar tákna frumeindir annars frumefnis. Ef kúlurnar snertast eru þær hluti af einni einingu efnasambands. Brýtur eftirfarandi efnabreyting, sem þessi tákn sýna, í bága við einhverja af frumforsendum atómkenningar Daltons? Ef svo er, hverja?
Lausn
Upphafsefnin samanstanda af tveimur grænum kúlum og tveimur fjólubláum kúlum. Myndefnin samanstanda aðeins af einni grænni kúlu og einni fjólublárri kúlu. Þetta brýtur í bága við þá frumforsendu Daltons að frumeindir verði hvorki til né eyðast við efnabreytingu, heldur umraðast þær aðeins. (Í þessu tilviki virðast frumeindir hafa eyðst.)
Prófaðu þig
Á eftirfarandi teikningu tákna grænu kúlurnar frumeindir tiltekins frumefnis. Fjólubláu kúlurnar tákna frumeindir annars frumefnis. Ef kúlurnar snertast eru þær hluti af einni einingu efnasambands. Brýtur eftirfarandi efnabreyting, sem þessi tákn sýna, í bága við einhverja af frumforsendum atómkenningar Daltons? Ef svo er, hverja?
Svar:
Upphafsefnin samanstanda af fjórum grænum kúlum og tveimur fjólubláum kúlum. Myndefnin samanstanda af fjórum grænum kúlum og tveimur fjólubláum kúlum. Þetta brýtur ekki í bága við neinar af frumforsendum Daltons: Frumeindir verða hvorki til né eyðast, heldur umraðast þær í hlutföllum lítilla heiltalna.
Dalton þekkti til tilrauna franska efnafræðingsins Josephs Prousts, sem sýndi fram á að öll sýni af hreinu efnasambandi innihalda sömu frumefnin í sömu massahlutföllum. Þessi fullyrðing kallast lögmálið um föst hlutföll eða lögmálið um fasta samsetningu. Sú tilgáta að fjöldi frumeinda hvers frumefnis í tilteknu efnasambandi sé alltaf í sama hlutfalli er í samræmi við þessar athuganir. Þegar mismunandi sýni af ísóoktani (sem er hluti af bensíni og einn af stöðlunum sem notaðir eru í oktantölukerfinu) eru til dæmis greind, kemur í ljós að massahlutfall kolefnis og vetnis í þeim er 5,33:1, eins og sýnt er í töflu 2.1.
| Sýni | Kolefni | Vetni | Massahlutfall |
|---|---|---|---|
| A | 14,82 g | 2,78 g | 14,82 g kolefni / 2,78 g vetni = 5,33 g kolefni / 1,00 g vetni |
| B | 22,33 g | 4,19 g | 22,33 g kolefni / 4,19 g vetni = 5,33 g kolefni / 1,00 g vetni |
| C | 19,40 g | 3,64 g | 19,40 g kolefni / 3,64 g vetni = 5,33 g kolefni / 1,00 g vetni |
Vert er að geta þess að þótt öll sýni af tilteknu efnasambandi hafi sama massahlutfall, gildir hið öfuga ekki almennt. Það er að segja, sýni sem hafa sama massahlutfall eru ekki endilega sama efnið. Til dæmis eru til mörg önnur efnasambönd en ísóoktan sem hafa einnig massahlutfallið 5,33:1,00 milli kolefnis og vetnis.
Dalton notaði einnig gögn frá Proust, ásamt niðurstöðum eigin tilrauna, til að setja fram annað áhugavert lögmál. Lögmálið um margföld hlutföll segir að þegar tvö frumefni hvarfast og mynda fleiri en eitt efnasamband, muni tiltekinn massi af öðru frumefninu hvarfast við massa af hinu frumefninu í hlutfalli lítilla heiltalna. Til dæmis geta kopar og klór myndað grænt, kristallað fast efni með massahlutfallinu 0,558 g klór á móti 1 g kopar, auk brúns kristallaðs fasts efnis með massahlutfallinu 1,116 g klór á móti 1 g kopar. Þessi hlutföll ein og sér virðast ef til vill ekki sérstaklega áhugaverð eða upplýsandi. Tökum við hins vegar hlutfall þessara hlutfalla, fáum við gagnlega og hugsanlega óvænta niðurstöðu: hlutfall lítilla heiltalna.
Þetta 2-á-móti-1 hlutfall þýðir að brúna efnasambandið hefur tvöfalt meira magn af klór á hvert magn af kopar en græna efnasambandið.
Þetta má skýra með atómkenningunni ef hlutfall kopars og klórs í brúna efnasambandinu er 1 koparfrumeind á móti 2 klórfrumeindum, og hlutfallið í græna efnasambandinu er 1 koparfrumeind á móti 1 klórfrumeind. Hlutfall klórfrumeinda (og þar með hlutfall massa þeirra) er því 2 á móti 1 (mynd 2.5).
Dæmi 2.2
Lögmál um föst og margföld hlutföll
Sýni af efnasambandi A (tært, litlaust gas) er greint og reynist innihalda 4,27 g af kolefni og 5,69 g af súrefni. Sýni af efnasambandi B (einnig tært, litlaust gas) er greint og reynist innihalda 5,19 g af kolefni og 13,84 g af súrefni. Eru þessi gögn dæmi um lögmálið um föst hlutföll, lögmálið um margföld hlutföll, eða hvorugt? Hvað segja þessi gögn okkur um efnin A og B?
Lausn
Í efnasambandi A er massahlutfall súrefnis og kolefnis:
Í efnasambandi B er massahlutfall súrefnis og kolefnis:
Hlutfall þessara hlutfalla er:
Þetta styður lögmálið um margföld hlutföll. Þetta þýðir að A og B eru mismunandi efnasambönd, þar sem A hefur helmingi minna súrefni á hverja einingu kolefnis (eða tvöfalt meira kolefni á hverja einingu súrefnis) en B. Mögulegt par efna sem myndi passa við þetta samband væri A = CO og B = CO₂.
Prófaðu þig
Sýni af efnasambandi X (tær, litlaus, eldfimur vökvi með greinilegri lykt) er greint og reynist innihalda 14,13 g af kolefni og 2,96 g af vetni. Sýni af efnasambandi Y (tær, litlaus, eldfimur vökvi með greinilegri lykt sem er örlítið frábrugðin lyktinni af X) er greint og reynist innihalda 19,91 g af kolefni og 3,34 g af vetni. Eru þessi gögn dæmi um lögmálið um föst hlutföll, lögmálið um margföld hlutföll, eða hvorugt? Hvað segja þessi gögn okkur um efnin X og Y?
Svar:
Í efnasambandi X er massahlutfall kolefnis og vetnis 14,13 g C / 2,96 g H. Í efnasambandi Y er massahlutfall kolefnis og vetnis 19,91 g C / 3,34 g H. Hlutfall þessara hlutfalla er (14,13 g C / 2,96 g H) / (19,91 g C / 3,34 g H) = (4,77 g C/g H) / (5,96 g C/g H) = 0,800 = 4 / 5. Þetta hlutfall lítilla heiltalna styður lögmálið um margföld hlutföll. Þetta þýðir að X og Y eru mismunandi efnasambönd.