Istnieje wiele wielkości fizycznych i chemicznych o stałej wartości. Na szczęście nie musimy ich zapamiętywać. Warto jednak wiedzieć, gdzie i jak ich szukać. W tym e‑materiale będziemy się zajmować tym, co zwykle umieszczone jest w tablicach stałych fizycznychTablice stałych fizycznychtablicach stałych fizycznych i tablicach właściwości fizykochemicznychTablice właściwości fizykochemicznychtablicach właściwości fizykochemicznych substancji.
W każdej tablicy chemicznej znajduje się przede wszystkim układ okresowy pierwiastków.
RRpQdvHH9ng9V
Rys. 1. Ilustracja przedstawia rysunek, na którym widoczny jest układ okresowy pierwiastków. W górnej części znajduje się główna część układu okresowego pierwiastków. W osiemnastu kolumnach i siedmiu rzędach widoczne są symbole pierwiastków oraz ich liczby atomowe. W każdej kratce układu widoczny jest symbol pierwiastka, jego nazwa i liczba atomowa. Poniżej części głównej znajduje się część, w której w dwóch rzędach widoczne są nowo odkryte pierwiastki.
Rys. 1. Układ okresowy pierwiastków
Z układu okresowego pierwiastków, zwanego także tablicą Mendelejewa (od nazwiska twórcy – Dmitrija Mendelejewa), można na przykład odczytać informacje na temat budowy atomu, charakteru chemicznego pierwiastków, a także ich aktywności i elektroujemności. Jak to zrobić?
Korzystając z najprostszej wersji układu okresowego, odczytamy: nazwę i symbol pierwiastka, jego liczbę atomową i masę atomową.
R1bLVO49CureC
Rysunek przedstawia symbol pierwiastka chemicznego wykorzystywany w tablicach chemicznych. W centralnej części ułożono prostokąt o czarnych krawędziach. Wewnątrz prostokąta znajduje się u góry, symbol pierwiastka wielka litera A i mała litera u. Poniżej symbolu znajduje się nazwa przedstawionego pierwiastka, w tym przypadku złoto. Pod nazwą pierwiastka widoczna jest masa atomowa. Masa atomowa dla złota jest równa sto dziewięćdziesiąt sześć i dziewięćdziesiąt siedem setnych. W lewym i górnym rogu prostokąta widoczna jest liczba atomowa. Liczba atomowa dla złota wynosi siedemdziesiąt dziewięć. Element przedstawiony na rysunku jest częścią podstawowych tablic chemicznych. Należy pamiętać, że możemy wykorzystywać również bardziej szczegółowe tablice chemiczne, w których zawartych jest więcej informacji.
Liczba atomowa informuje nas o liczbie protonów w jądrze atomowym, a tym samym o liczbie obecnych w atomie elektronów. Masa atomowa określa zaś średnią masę atomu danego pierwiastka chemicznego wyrażaną w jednostkach masy atomowejJednostka masy atomowejjednostkach masy atomowej. Jest to średnia mas wszystkich stabilnych izotopów danego pierwiastka, wyliczona proporcjonalnie do ich rozpowszechnienia na Ziemi. W opisie tym nie uwzględniono liczby masowejLiczba masowaliczby masowej, gdyż jest ona inna dla każdego izotopu danego pierwiastka.
R1UoLlDIxjcMc
Ilustracja przedstawia symbol pierwiastka chemicznego zaczerpnięty z profesjonalnych tablic chemicznych. W centralnej części ilustracji widoczny jest pionowy, błękitny prostokąt o błękitnym wypełnieniu. Po lewej stronie w połowie wysokości prostokąta widoczny jest symbol pierwiastka chemicznego wielka litera H. W dolnej części prostokąta widoczna jest nazwa pierwiastka chemicznego, w tym przypadku wodór. W prawym górnym rogu widoczna jest liczba informująca o elektroujemności pierwiastka, dla wodoru równa jest dwa i jedna dziesiąta. Poniżej elektroujemności widoczny jest stopień utlenienia minus jeden i jedna dziesiąta. Poniżej symbolu pierwiastka widoczna jest temperatura wrzenia wyrażona w stopniach Celsjusza. Dla wodoru jest ona równa minus dwieście pięćdziesiąt dwa i dziewięć dziesiątych stopnia Celsjusza. Obok temperatury wrzenia po lewej stronie widoczna jest temperatura topnienia również wyrażana w stopniach Celsjusza. Dla wodoru temperatura topnienia jest równa minus dwieście pięćdziesiąt dziewięć i jedna dziesiąta stopnia Celsjusza. Po lewej stronie u góry widoczna jest masa atomowa pierwiastka. Masa atomowa wodoru równa jest jeden jedna setna. Poniżej masy atomowej widoczna jest energia jonizacji. Dla wodoru jest ona równa tysiąc trzysta dwanaście. Poniżej energii jonizacji widoczna jest liczba atomowa. Liczba atomowa dla wodoru jest równa jeden. Poniżej liczby atomowej widoczna jest gęstość pierwiastka. Gęstość wodoru jest równa osiemdziesiąt cztery miligramy na centymetr sześcienny. Poniżej gęstości pierwiastka nad jego nazwą widoczna jest konfiguracja elektronowa. Dla wodoru konfiguracja elektronowa opisana jest jako jeden i mała litera s z indeksem górnym jeden.
Korzystając z bardziej rozbudowanych wersji układu okresowego, możemy odczytać między innymi:
gęstość – masę na jednostkę objętości substancji,
temperaturę topnienia – temperaturę, w której następuje przejście substancji ze stanu stałego do ciekłego,
temperaturę wrzenia – temperaturę, w której parowanie następuje w całej objętości cieczy, czego skutkiem jest przejście substancji ze stanu ciekłego do gazowego,
elektroujemność – zdolność atomu związanego w cząsteczce do przyciągania elektronów,
stopień utlenienia – liczbę ładunków elementarnych, którą miałby dany atom, jeśli wszystkie wiązania w cząsteczce byłyby wiązaniami jonowymi,
konfigurację elektronową – rozmieszczenie elektronów na poszczególnych powłokach (można ją także odczytać na podstawie położenia danego pierwiastka w układzie okresowym),
energię jonizacji – minimalną energię, którą należy dostarczyć, aby oderwać elektron od atomu.
Należy zaznaczyć, że położenie pierwiastków w układzie okresowym nie jest przypadkowe:
Pierwiastki są ułożone rosnąco, według liczb atomowych.
Okres, czyli numer wiersza, w którym leży pierwiastek, informuje o liczbie powłok elektronowych danego pierwiastka i zawiera się w zbiorze liczb naturalnych, od wartości 1 do 7.
Numer grupy, czyli pionowej kolumny układu, informuje o liczbie elektronów leżących na ostatniej powłoce (tzw. elektronów walencyjnych).
Wraz z położeniem zmieniają się pewne cechy pierwiastków, zaprezentowane na Rys. 2.
RgDtT1IYRGUlm
Rys. 2. Ilustracja przedstawia narysowany czarną linią obwód układu okresowego pierwiastków. Obrys układu okresowego pierwiastków widoczny jest w postaci poziomego prostokąta z wgłębieniami prostokątnymi u góry. Obrys przedstawia kolumny oraz rzędy układu okresowego pierwiastków. Po prawej i lewej stronie oraz u góry obrysu układu okresowego pierwiastków zaznaczono informację o zmianach parametrów fizycznych oraz chemicznych pierwiastków. Im bardziej po prawej stronie znajduje się pierwiastek chemiczny, tym mniejszy jest jego promień atomowy, większy potencjał jonizacji, większa elektroujemność, mniejszy charakter metaliczny i większe powinowactwo elektronowe. Im niżej w kolumnie układu okresowego pierwiastków znajduje się dany pierwiastek, tym większy jest jego promień atomowy i jonowy, mniejszy potencjał jonizacji, mniejsza elektroujemność, wyższy charakter metaliczny i większa aktywność chemiczna metali.
Rys. 2. Zmiana cech pierwiastka w zależności od położenia w układzie okresowym
Rozważmy przykład. Odczytajmy z układu okresowego informację na temat budowy atomu siarki.
Odnajdźmy siarkę w układzie okresowym.
Siarka leży w trzecim okresie – możemy zatem stwierdzić, że ma trzy powłoki elektronowe.
Siarka leży w szesnastej grupie – cyfra jedności numeru grupy informuje nas o liczbie elektronów na ostatniej powłoce – siarka ma więc sześć elektronów walencyjnych.
Liczba atomowa siarki to 16 – ma ona zatem szesnaście protonów w jądrze.
Wiedząc, że każdy atom jest elektrycznie obojętny, możemy stwierdzić, że atom siarki ma szesnaście elektronów.
Masa atomowa siarki jest w przybliżeniu równa 32 – oznacza to, że najczęściej występujący izotop ma liczbę masową równą 32 i tyle właśnie nukleonów w jądrze.
Na podstawie różnicy liczb masowej i atomowej możemy określić liczbę neutronów w jądrze dla tego izotopu siarki – w tym przypadku to 16 neutronów.
Tablice chemiczne zawierają zazwyczaj dużo więcej informacji. Wśród nich wymienić można krzywe rozpuszczalności, tabele zawierające wzory sumaryczne i strukturalne związków, ich właściwości fizyczne i chemiczne oraz inne fakty, zgromadzone na podstawie wieloletnich doświadczeń.
Podobnie jest w przypadku tablic fizycznych. Od wieków fizycy prowadzili obserwacje, wykonywali doświadczenia, wyznaczali stałe materiałowe i stałe fizyczne, zapisywali je i potwierdzali wielokrotnymi pomiarami. Zauważono, że niektóre wartości powtarzają się w każdym z tych pomiarów. Postanowiono więc je zebrać i stabelaryzować.
Niektóre zgromadzone w tablicach zapisy zawierają stałe fizyczne, których wartości uznaje się za dokładne i posługuje się nimi do definiowania jednostek. Nie mają one więc niepewności pomiarowych. Jest to miedzy innymi prędkość światła w próżni. Inne – wyznaczone za pomocą wielokrotnych pomiarów – obarczone są niepewnością wynikającą z dokładności użytego do ich wyznaczenia przyrządu oraz przyjętej metody pomiarowej. Wymienić można tutaj na przykład: stałe materiałowe określające strukturę różnych substancji, tabele gęstości, skale twardości czy stałe przejść fazowych.
Posłużmy się przykładem. Rys. 3. przedstawia tabelę prezentującą opór właściwy metali w zależności od temperatury.
Rjw4uKNp2gGp8
Rys. 3. Ilustracja przedstawia tabelę, w której zawarto informację na temat oporu właściwego metali w zależności od temperatury. W kolumnie po lewej stronie znajdują się trzy metale miedź, glin oraz żelazo. W kolejnych kolumnach po prawej stronie widoczny jest opór właściwy metali wyrażony w dziesięć do minus ósmej oma pomnożone przez metr. Temperatury dla jakich dane o oporze właściwym pierwiastków zostały zawarte to jeden kelwin, dwadzieścia kelwinów, sto kelwinów, dwieście kelwinów, dwieście siedemdziesiąt trzy kelwiny, dwieście dziewięćdziesiąt osiem kelwinów, czterysta kelwinów, sześćset kelwinów, osiemset kelwinów oraz tysiąc dwieście kelwinów. Dla każdego z zaprezentowanych metali wartość oporu właściwego rośnie wraz z temperaturą. Dla glinu rośnie od zera do dwudziestu ośmiu, dla miedzi od dwóch tysięcznych do osiem i czterysta sześćdziesiąt dziewięć tysięcznych, natomiast dla żelaza od dwudziestu dwóch tysięcznych do stu dziesięciu.
Rys. 3. Opór właściwy metali w zależności od temperatury
Co można na jej podstawie zauważyć? Na przykład to, że wraz ze wzrostem temperatury opór metalu rośnie oraz że zależność ta nie jest liniowa. Można też stwierdzić, że opór właściwy miedzi jest mniejszy niż żelaza czy glinu.
R10i0AqY0tgBf
Rys. 4. Ilustracja zawiera tabelę, w której zawarte są informacje na temat dawek szkodliwych biologicznie. W tabeli widoczne są cztery kolumny. W pierwszej od lewej oraz trzeciej od lewej kolumnie znajduje się dawka, wyrażona w sivertach wielka litera S i mała litera v. W drugiej kolumnie od lewej strony zapisane są skutki działania dawki u człowieka. W czwartej ostatniej kolumnie po prawej stronie zapisany został skutek działania dawki na inne organizmy biologiczne. W sivertach wyrażona jest dawka promieniowania jonizującego szkodliwego biologicznie. Dawka promieniowania poniżej dwudziestu pięciu setnych siverta nie wywołuje widocznych zmian u człowieka. Dawka od dwudziestu pięciu setnych do jednego siverta wywołuje u człowieka zmiany obrazu krwi. Dawka od jednego do dwóch sivertów u człowieka wywołuje mdłości i wymioty. Dawka od dwóch do czterech sivertów u człowieka wywołuje silne osłabienie, a niekiedy zgon. Napromieniowanie człowieka dawką od czterech do sześciu sivertów w pięćdziesięciu procentach przypadków powoduje zgon w ciągu kilku tygodni. Napromieniowanie człowieka dawką powyżej sześciu sivertów powoduje stuprocentowy zgon w ciągu dwóch tygodni. Napromieniowanie człowieka dawką powyżej dwustu sivertów powoduje śmierć w ciągu doby. Następnie pojawiają się informacje dotyczące innych stworzeń, niż człowiek. Dawka promieniowania od jednego do dziesięciu sivertów zabija większość roślin wyższych. Promieniowanie w dawce od czterech do dziesięciu sivertów zabija większość ssaków. Od dziesięciu do dwudziestu jest zabójcza nawet dla żółwi. Dawka promieniowania pomiędzy osiemdziesięciu do dwustu sivertów jest zabójcza dla węży. Promieniowanie w dawce tysiąca sivertów zabija ameby oraz mrówki. Promieniowanie w dawce siedmiu tysięcy sivertów zabija pięćdziesiąt procent bakterii Deinococcus radiodurans. W takich warunkach zniszczeniu ulegają nawet tranzystory i niektóre tworzywa sztuczne.
Innym, ciekawym zestawieniem są dawki promieniowania szkodliwe biologicznie (Rys. 4.). Na ich podstawie możemy zauważyć, że dawki poniżej 0,25 SvSiwert (Sv)Sv nie wywołują u ludzi dostrzegalnych zmian. Dodatkowo widać, że człowiek jest bardziej wrażliwy na promieniowanie jonizujące, niż żółwie, węże, mrówki czy ameby.
To tylko kilka przykładów. Tablic zawierających różne stałe wielkości jest o wiele więcej. Pierwszym krokiem, jaki należy uczynić korzystając z nich, jest określenie celu poszukiwań. Jeśli będzie to na przykład odczytanie gęstości gliceryny w temperaturze 25°C, musimy najpierw odszukać właściwe zestawienie (Rys. 5.).
R1YfEMYWdLzGY
Rys. 5. Ilustracja przedstawia tabelę, w której zawarto informacje o gęstości wybranych substancji w temperaturze dwudziestu pięciu stopni Celsjusza. W tabeli zawarte są informacje dla wody, jako jedynej w różnych temperaturach . Gęstość wody maleje wraz ze wzrostem temperatury, przy czym należy pamiętać o pewnym odstępstwie. Gęstość wody jest najmniejsza dla temperatury około czterech stopni Celsjusza. Jako ciekawostkę, możesz zapamiętać że na dnie głębokich zbiorników wodnych zawsze panuje temperatura około czterech stopni Celsjusza, pomimo tego, że spadek temperatury wraz z głębokością wskazywałby na coś innego. W tabeli zawarto również informacje na temat gęstości innych cieczy takich jak eter dietylowy, benzyna, benzen, gliceryn, chloroform, brom, rtęć i wiele innych. Dostępne są również informacje na temat skroplonych gazów, takich jak wodór, hel, powietrze, tlen i chlor. Innymi materiałami, dla których informacje umieszczono w tabeli są czyste metale i stopy metali, tworzywa sztuczne, drewno różnych gatunków drzew, inne ciała stałe, gęstość nasypowa dla na przykład trocin, koksu, cementu i piasku suchego oraz mokrego i substancji sklasyfikowanych, jako różne.
Rys. 5. Tabela gęstości rożnych substancji w temperaturze 25°C; a – z wyjątkiem gazów; b – w normalnej temperaturze skraplania.
Następnie, pośród podanych substancji, znajdujemy interesującą nas glicerynę i odczytujemy znajdującą się obok niej wartość wraz z jednostką zapisaną w nagłówku kolumny tabeli. Można więc stwierdzić, że gliceryna w temperaturze 25°C ma gęstość 1258,2 kg/mIndeks górny 33. Podobnie z innymi, potrzebnymi nam wielkościami.
Słowniczek
Jednostka masy atomowej
Jednostka masy atomowej
(ang.: unified atomic mass unit) zwyczajowo: atomowa jednostka masy, dalton, potocznie: unit – niemianowana stała fizyczna, używana ze względów praktycznych jako jednostka masy i zdefiniowana jako 1/12 masy atomu węgla Indeks górny 1212C, oznaczana u.
Liczba masowa
Liczba masowa
(ang.: mass number) oznaczana literą A, wartość równa liczbie nukleonów (czyli protonów i neutronów) w jądrze atomu danego izotopu pierwiastka.
Siwert (Sv)
Siwert (Sv)
(ang.: sievert) jednostka pochodna układu SI odnosząca się do działania promieniowania jonizującego na organizmy żywe.
Tablice stałych fizycznych
Tablice stałych fizycznych
(ang.: tables of physical constants) uporządkowany spis wielkości fizycznych, które nie zmieniają się w czasie i przestrzeni.
Tablice właściwości fizykochemicznych
Tablice właściwości fizykochemicznych
(ang.: tables of physicochemical properties) uporządkowany spis cech substancji, włącznie z tymi, które można zaobserwować podczas reakcji chemicznych.
