Keemiaseadused
Keemiaseadused on keemiavaldkonnaga seotud loodusseadused. Keemia põhiseadusteks loetakse alljärgnevaist esimest kolme. Keemia-, füüsikalise keemia ja füüsikaseadused võimaldavad teha stöhhiomeetria arvutusi, reaktsioonide tasakaalu, kineetika, soojusefektide ja termodünaamika arvutusi. Reaalsete gaaside käitumine sarnaneb tavaliste tingimuste korral ideaalse gaasi käitumisega, seega on ideaalse gaasi seadused üsna hästi rakendatavad reaalsetele gaasidele ja nende lahustele. Massi jäävuse seadus väidab, et isoleeritud (suletud) süsteemi mass on ajas muutumatu suurus. Seega suletud süsteemi kogumass on jääv, seda ei lisandu ega hävi süsteemi sees toimuvate protsesside käigus. Seega keemilise reaktsiooni käigus ei muutu reagentide summaarne mass. Koostise püsivuse seadus väidab, et iga puhas aine sisaldab alati neidsamu keemilisi elemente kindlas kaalulises proportsioonis. Teiste sõnadega: elementide massivahekord keemilises ühendis ei sõltu selle ühendi saamisviisist. Kordsete suhete seadus väidab, et kui kaks keemilist elementi moodustavad teineteisega mitu keemilist ühendit, siis ühe elemendi mingi kindla massiga ühinenud teise elemendi massid suhtuvad omavahel kui lihtsad täisarvud. Perioodilisusseadus seisneb selles, et keemiliste elementide omadused on perioodilises sõltuvuses aatomite tuumalaengust. See kajastub keemiliste elementide perioodilisussüsteemis. Avogadro arv on aineosakeste (aatomite, molekulide või ioonide) arv ühes moolis ainehulgas (tähis on NA ja ligikaudne väärtus 6,0221415 × 1023 mol−1) Energia jäävuse seadus väidab, et isoleeritud süsteemi energia on ajas muutumatu suurus (energia on jääv). Sellest seadusest järeldub, et energia ei teki ega kao, ta võib vaid muunduda ühest liigist teise ning kanduda ühelt kehalt teisele. Hessi seaduse kohaselt keemilise reaktsiooni soojusefekt (ΔH) sõltub ainult süsteemi alg- ja lõppolekust, mitte reaktsiooni käigust (vahestaadiumidest). Reaktsioonientalpia on selle vaheetappide entalpiamuutuste summa. van't Hoffi võrrand seob keemilise protsessi tasakaalukonstandi (Keq) muutuse temperatuuri (T) ja standardse entalpia muutusega (ΔHo): dlnKeq/dT = ΔHo/RT2. Arrheniuse võrrand väljendab keemilise reaktsiooni kiiruskonstandi (k) sõltuvust temperatuurist (T), seega reaktsiooni kiiruse sõltuvust temperatuurist. See seos avaldub eksponentfunktsioonina ja võimaldab arvutada reaktsiooni aktivatsioonienergiat (Ea): k = A e − E a / R T {\displaystyle k=Ae^{{-E_{a}}/{RT}}} Ekvivalentide seadus ütleb, et ained reageerivad ekvivalentsetes suhetes: m1E2 = m2E1. Reaktsioonivõime-selektiivsuse printsiip väidab, et suurema reaktsioonivõimega keemiline ühend või aktiivne vaheühend on väiksema selektiivsusega. See on seotud konkureerivate reaktsioonisuundade suhteliste kiirustega. NB! Tänapäeval loetakse see printsiip vananenuks, kuna paljudel juhtudel see ei kehti. Hammondi postulaat (Hammondi-Leffleri postulaat) puudutab orgaanilise reaktsiooni siirdeseisundit: kui reaktsiooni käigus siirdeseisund ja ebapüsiv intermediaat järgnevad teineteisele ja mõlemad on ligilähedase energiatasemega, siis nende omavaheline üleminek on seotud vaid vähese molekulaarstruktuuri muutusega. Massitoimeseaduse kohaselt homogeenne keemiline reaktsioon ei kulge reaktsiooni võrrandi järgi lõpuni, vaid saavutab varem tasakaaluoleku. Mikroskoopilise pöörduvuse printsiip väidab, et pöörduva reaktsiooni päri- ja vastassuunalise reaktsiooni siirdeolekud ja vaheolekud on identsed, kuid esinevad vastupidises järjekorras. Seega iga üksikprotsessi korral esineb ka tema pöördprotsess ja tasakaaluolekus on iga protsessi keskmine kiirus võrdne tema pöördprotsessi keskmise kiirusega. Le Chatelier' printsiip väidab, et iga tasakaaluline süsteem püüab minimeerida sellele toimivate tegurite mõju. Teiste sõnadega keemilise tasakaalu korral (tasakaalusüsteemis) kutsub tingimuste (kontsentratsioon, temperatuur, ruumala või (kogu)rõhk) muutumine esile tasakaalu nihkumise suunas, mis paneb süsteemi avaldama vastupanu tekitatud muutusele. Selle järgi saab ennustada keemilise tasakaalu nihkumist reaktsiooni tingimuste muutudes. Charlesi seadus väidab, et antud gaasikoguse ruumala on konstantsel rõhul võrdeline absoluutse temperatuuriga. Avogadro seadus on ideaalsete gaaside seadus, see väidab, et kindlal temperatuuril ja kindla rõhu all on kõikide gaaside moolruumalad võrdsed. Normaalrõhul on null kraadi Celsiuse juures igasuguse gaasi ühe mooli ruumala 22,414 dm3•mol−1. Gaaside segu, mille komponendid üksteisega ei reageeri, käitub nagu ühest ainest koosnev gaas. Daltoni seadus ehk gaaside osarõhkude seadus väidab, et gaaside segu kogurõhk on tema komponentide osarõhkude summa (P = PA + PB + ...). Ideaalgaasi olekuvõrrand ehk ideaalse gaasi olekuvõrrand ehk Clapeyroni-Mendelejevi võrrand PV = nRT on olekuvõrrand, mis kirjeldab ideaalgaasi käitumist rõhu, ruumala, temperatuuri ja ainehulga muutuse korral. Siin R on universaalne gaasikonstant (R = 8,314 J•K−1•mol−1 ja n on gaasi moolide arv). Ühendatud gaasiseaduse (Charles'i seadus + Boyle'i-Mariotte'i seadus + Gay-Lussaci seadus) järgi süsteemi rõhu (p) ja ruumala (V) korrutise suhe temperatuuriga (T, kelvinites) on konstantne suurus (k). [pV/T = k ehk sama gaas kahesugustes tingimustes, siis p1V1/T1 = p2V2/T2] Henry-Daltoni seadus (see on Henry seaduse edasiarendus) väidab, et gaasi lahustuvus vedelikus on jääval temperatuuril võrdeline gaasi rõhuga või gaaside segu korral komponendi osarõhuga. Ficki seadused kirjeldavad difusiooni ja võimaldavad leida difusioonikoefitsienti. Aurumisseadus väitab, et aurumine vedeliku vabalt pinnalt toimub kiirusega, mis on võrdeline aurumispinnaga ning küllastunud auru rõhu ja ümbritsevas gaasis tegelikult leiduva auru osarõhu vahega. Raoult'i seadus väidab, et ideaalse lahuse aururõhk sõltub iga keemilise komponendi aururõhust ja komponendi moolosast lahuses. Beeri seadus ehk Bougueri-Lamberti-Beeri seadus väidab, et kindlatel tingimustel on valguse neelduvus lahuses võrdeline aine kontsentratsiooniga (A = ε•L•c); rakendatakse spektrofotomeetrias. Täppisteadustes on kasutusel mitmeid kokkuleppelisi seisukohti: Normaaltingimusteks ehk standardtingimusteks nimetatakse katsetingimusi, mille korral temperatuur on 0 °C (273,15 K, 32 °F) ja rõhk 101,3 kPa (1,0 atm, 760 mmHg, 1 bar). Standardtingimused standardrõhk ja standardtemperatuur on 25 °C (298,15 K) ja 100 kPa (0,987 atm). SI-süsteemi ühikud on rahvusvahelises mõõtühikute süsteemis antud mõõtühikud. absoluutne temperatuur on teoreetiline nulltemperatuur (Kelvini skaala nulltemperatuur T = t + 273,15), mille juures süsteem ei eralda ega neela energiat (aatomid on liikumatud). Soojushulkade korral on kalori täpseks väärtuseks defineeritud 4,1868 džauli. Ideaalgaas on gaas, mis käitub vastavalt ideaalgaasi seadusele. Kõik gaasid käituvad vastavalt sellele, kui rõhk on piisavalt madal. Ideaalne lahus on hüpoteetiline lahus, mis allub Raoult'i seadusele. Kõik lahused käituvad ideaalselt väga madalatel kontsentratsioonidel. IUPACi nomenklatuur ehk süstemaatiline keemianomenklatuur on keemiliste elementide ja ühendite nimetuste süsteem, mille järgi igale struktuurile vastab kindel reeglipärane nimetus ja igale nimetusele vastab kindel struktuur. Cahni, Ingoldi ja Prelogi süsteemi (CIP-süsteemi) reeglid määravad orgaanilises molekulis esinevate aatomite või aatomirühmade vanusejärjestuse (prioriteedi) alusel alates vanimast molekuli absoluutse konfiguratsiooni deskriptorid E ja Z (cis-trans-isomeeria korral) ning R ja S (optiliste isomeeride korral)