Úvod do chemieLiteratura

Žúrková, L.: Všeobecná chémia, SPN, Bratislava 1985.Fischer, O. a kol.: Fyzikální chemie , SPN . Praha 1983.

Polák R., Zahradník R.: Obecná chemie, ACADEMIA, 2000.Nevěčná, T.: Příklady a úlohy z fyzikální chemie, PřF UP, 1994, Olomouc. Atkins P., W.: Physical Chemistry, Oxford Univ. Press, 1998.

Brdička R., Kalousek M., Schutz A.: Úvod do fyzikální chemie, SNTL, SVTL, 1963.

Struktura přednášky Úvod Struktura atomového jádra Elektronová struktura atomu vodíku,

víceelektronových atomů, molekul. Klasická fyzikální chemie – vlastnosti (velkého)

souboru částic. Ideální plyn, reálné plyny.1. Ostatní skupenské stavy hmoty.2. Rovnováhy-vlastnosti souboru molekul v rovnováze

(termodynamika). 3. Kinetika – popis rychlosti chemických dějů (kinetika).4. Základy elektrochemie5. Elektrické, magnetické a optické vlastnosti látek

Postavení chemie Chemii je možné charakterizovat jako

vědu, která se zabývá zkoumáním vlastností, struktury a kvalitativní přeměny látek

Při chemických dějích dochází ke změně struktury, tedy složení a vnitřního uspořádání látky.

Většinou však nelze přesně vymezit hranice jednotlivých disciplin (biochemie, adsorpční jevy a další a další a…)

Chemie v přírodních vědách

Chemie zkoumá složení látek. Zkoumá chemické reakce, t. je reakce při kterých

dochází ke změně struktury a změněn kvality. Rychlost chemických dějů Polohu rovnováhy Nelze vymezit ostrou hranici mezi „sousedními“,

obory hlavně fyzikou a biologií (biochemie, biofyzika)

Chemie věda, kterou se zabývají studenti chemie. Na naší katedře bylo akreditováno magisterské studium „biofyzikální chemie“

Obecná chemie je úvodem chemie a většinou je chápána jako „zjednodušená“ fyzikální

chemie

Někdy se říkalo, že fyzikální děje jsou takové, při kterých nenastává látková přeměna. O chemických dějích se měnilo složení látky.

Uvidíte sami, že ve fyzikální chemie toto rozdělení neplatí a že je nevhodné fyziku oddělit ad chemie a také od biologie a informatiky a dalších oborů

Hmota a a energie, zákony zachování

Součet hmotností všech složek, které účastní chemické reakce je konstantní-zákon zachování hmoty.

Celková energie izolované soustavy zůstává během chemických dějů konstantní.

V klasické fyzice pro rovnoměrně přímočarý pohyb nezávisí na rychlosti tělesa. Při velkých rychlostech to neplatí.

m =m0/((1- v2/c2)

Zákony zachování a chemie

Celková energie izolované soustavy zůstává během chemických dějů konstantní.

Vnitřní energie soustavy se zachovává a to i případě, že soustava koná práci nebo se mění její teplota. Vnitřní energie jako totální diferenciál.

Nezachovává se jenom hmota a energie energie. Uslyšíte o tom, že se zachovává orbitalová symetrie AO a MO, že se zachovává multiplicita spinu a další.

Mezinárodní soustava jednotek Obsahuje základní jednotky SI a z nich

odvozené druhotné veličiny Zásada pro každou veličinu jen jedna

jednotka Koherentní systém jednotek (vychází se

z fyzikálního výrazu pro veličinu a vynechají se číselné hodnoty. Nesmíme zapomenout, že každá veličina je vyjádřena jako násobek své jednotky.

J=/kg.m2.s-2/,R=pV/RT= 8,314 J.mol-1K-1.

Základní fyzikální veličiny a jejich jednotky SI

svítivost kandela cd

délka metr m

hmotnost kilogram kg

Čas sekunda s

El. Proud ampér A

Term. Teplota

kelvin K

Látkové množství

mol mol

Veličiny a jednotky Přirozené jednotky (např.

Planckova konstanta h(trans) je přirozenou jednotkou momentu hybnosti), Rydbergova konstanta je přirozenou jednotkou vlnočtu apod.)

Zákony se mohou měnit, lépe řečeno nemuseli jsme je

zpočátku pochopit správně Zákon zachování hmotnosti. Součet hmotností

všech složek soustavy (a to i v případě, že spolu reagují a jedna přechází na druhou) se zachovává. Dvě poznámky:

nezachovává se počet částic a tedy ani koncentrace v molaritě,

Teorie relativity tvrdí, že hmotnost těles závisí na rychlosti pohybu příslušná změna je dána výrazem m c2 = E (ekvivalence hmoty a energie viz. stabilita atomových jader). Změna (zvýšení) energie je na úkor (snížení) hmoty.

Látková množství, koncentrace Jak vyjadřovat složení soustav. Lze to

provést pomocí hmoty soustavy a hmoty jejich složek nebo pomocí počtu částic soustavy a počtu částic jednotlivých složek.

Výsledek nezávisí na volbě jednotek a tak postatě je to jedno. Nicméně častěji budeme využívat počet částic a jeho jednotku (mol).

Seznam nejběžnějších vyjádření složení soustav Hmotnostní zlomek podíl

hmotnosti jedné vybrané složky ke hmotnosti soustavy (bezrozměrné lze vyjádřit v %).

Molární zlomek podíl látkového množství (v molech) jedné látky k celkovému látkovému množství (bezrozměrné lze vyjádřit v %).

Pokračování Molarita počet molu v jednom litru

roztoku (nb/Vs) Molalita podíl látkového množství

rozpuštěné látky B a hmotnosti rozpouštědla (mB =nB/mr).

Jak vyjadřit množství hmoty Jednotky hmoty (kg, atomová

hmotnostní jednotka, 1/12 nuklidu 12C Látkové množství vyjádřené počtem,

jednotky počtu:o Pár, tucet a…. molo Avogadrovo číslo NA = 6,022.1023

o Počet molů n = N/NA, n = m/M (kde M je molární hmotnost molekuly.

o M = Mr x 10-3 v kg/mol

Vyjadřování složení u soustav Hmotnostní zlomek (bezrozměrný, v

%) Molární zlomek (bezrozměrný, v %) Objemový zlomek (bezrozměrný, v

objemových %) Molární koncentrace(molarita,

mol.dm-3) Molalita (kg/m-3)

Struktura atomu atomové jádro I

Atom je elektroneutrální částice W. Crookes (1879) studoval výchylky

katodových paprsků v elektrickém a magnetickém poli, zjistil že:

mají záporný náboj šíří se přímočaře (v homogenním

prostoru) mají kinetickou energii a pronikají tenkými vrstvami kovů.

Atomy – atomové jádro II G.J. Stoney (1891) je nazval elektrony J.J. Thomson (1897)stanovil měrný náboj

(poměr poměr náboje a hmotnosti (e/me = 1,795 x 1011 C/Kg

R.S. Mulliken (1909) stanovil náboj 1,602x10-19C. Z těchto hodnot lze vyčíslit klidovou

hmotnost elektronu me = 9,109x10-31 kg. Náboj elektronu se nyní pokládá za

(přirozenou) jednotku (záporného) náboje.

Atomy – atomové jádro II Atom je navenek neutrální Po objevu elektronů se hledalo, kde se nalézá

kladná část atomu Pudingový model (nepohyblivé částice) a jeho

vyvrácení E. Ruthefordem (1909-1911) Orbitální model ve středu je oblast s poloměrem

(r=10-14 m), která je asi 104 x menší než poloměr atomu a v této oblasti je prakticky celá hmota atomu.

Elektrony musí být na „periferii“ atomu. Protože atomy jsou stálé musí elektrony kroužit kolem jádra a odstředivou silou kompensovat atrakční sílu k at. jádru.

Atomy – atomové jádro III Roentgenovo záření (1895, 0,01 až 10 nm), princip

evakuovaná trubice s katodou a antikatodou. Katoda je zdrojem elektronů, které jsou urychlovány vysokým napětím. Tyto elektrony reagují s atomy antikatody a vysílají rentgenové záření.

Záření je jednak spojité (stejné pro všechny atomy a charakteristické (energie-vlnová délka ) závisí na materiálu antikatody.

Moseley studoval R. spektra u antikatod s různých prvků a zjistil že:

vlnočet = 1/λ a (Z- b), kde a,b, jsou konstanty, Z protonové (atomové,

pořadové) číslo a 1/λvlnočet. Moseleyův posunový zákon dovolil objev neznámých atomů (Tc, Pm, Hf a Re)

Atomové jádro- izotopy, izobary, izotony Každý atom je charakterizován pořadovým (atomovým,

protonovým číslem Z). Udává počet protonů v jádře, počet elektronů v neutrálním atomu a zároveň pořadí v periodickém systému. Píše se vlevo dole před značkou prvku.

Každý atom je chrakterizován nukleárním číslem počet nukleonů (protonů a neutronů). Píše se vlevo nahoře před značkou prvku.

168O , 235

92U apod. Izotopy je liší jen nukleárním číslem Izobary se liší protonovým číslem (jedná se o různé prvky) Izotony se liší protonovým i nukleárním číslem, ale mají

stejný počet neutronů. 13654Xe a 138

56Ba.

Stabilita atomových jader Protony, neutrony a další částice jsou vázány jadernými

silami (dosah 10-15m). Částice jádra se mohou nacházet v různých

energetických stavech podobně jako elektrony v atomech a molekulách (spektra NMR, mohou mít fluorescenci – Mesbauerova spektra).

Celková hmotnost nukleonů (protonů a neutronů v jádře) je menší než součet jejich klidových hmot (mimo at. jádro).

Hmotnostní úbytek odpovídá stabilizační energii at. jader: ΔEm c2

Např. při při vzniku jádra deuteria se uvolní energie 1,8 x 10-13 J. Pro tvorbu jednoho molu deuteria to je 1,09 x 1011 J mol-1 , resp. 6,8 x 1023 MeV.

Stabilita atomových jader II

Vazebná energie se uvolní při tvorbě at. Jádra a je nutné ji vynaložit aby se jádro rozložilo na nukleony a je mírou stability at. jader.

Stabilita at. jader závisí na neutronech a jejich počtu. U jáder „lehkých“ atomů je poměr neutronů a protonů 1:1. Na stabilizování „těžších“ jader je tento poměr přibližně 3:2.

Závislost ΔE/A má typický průběh s maximem u Fe a Ni s nejstabilnějšími at. jádry periodické soustavy.

Přirozená radioaktivita Nestálé nuklidy ( s deficitem neutronů)

podléhají spontánnímu rozkladu. Prakticky je tohoto „nedostatku“ neutronů dosaženo u prvků s pořadovým číslem větším než 83.

α– záření jsou ionizované atomy helia, jejich rychlost asi 10% rychlosti světla, mají velké ionizační účinky,

β- záření jsou rychlé elektrony 40 až 99% rychlosti světla,

γ- elektromagnetické záření je nejpronikavějším zářením.

Rychlost spontánních radioaktivních přeměn

Rychlost rozkladu je v každém okamžiku úměrná jeho aktuálnímu (okamžitému) množství:

dN = k1 N dt Po separaci proměnných dN/N = k1 dt a čas

který 50% rozkladu se nazývá poločas a t½

= 0,693/ k1 (kde ln 2 = 0,693). Poznámka: Tento formalismus patří i

chemickým spontánním reakcím a proto je použitý symbol rychlostní konstanty 1. řádu.

Jaderné reakce a umělá radioaktivita

První přeměnu at. jader uskutečnil E. Rutherford (1919) „bombardováním“ jádra dusíku částicemi.

147N + 4

2 = 178O + 1

1p

resp. 14

7N (, p) 178O

Jaderné reakce Některá atomová jádra se mohou

rozpadat samovolně (spontánně) ale také indukovaným štěpením at. jader. Nejčastějšími štěpnými materiály jsou

23592U a 239

94Pu.

235 92U + 1

0n 14556Ba + 88

36Kr + 3 10n

Termonukleární reakce Atomovou energii lze získat nejen

štěpením jader, ale i reakcemi syntetickými (jaderné tavení)

Lze realizovat explosivní průběh 6

3Li + 21H 2 42He

Tyto reakce potřebují velkou „aktivační“ energii.

Periodická soustava prvků Vlastnosti prvků jsou periodickými funkcemi

atomového čísla: Horizontální uspořádání vede k periodám (7) Vertikální uspořádání - skupiny (8) Na počátku každé periody se začíná zaplňovat

nové elektronová sféra a číslo periody je totožné s maximálním hlavním kvantovým číslem.

Počet prvků v první periodě je 2. Ve druhé a třetí 8, ve čtvrté a páté 18 a v šesté 32.

Sedmá perioda je nedokončená

Periodická soustava prvků II Elektronové struktury valenčních

slupek atomů se periodicky opakují a budou se tedy opakovat vlastnosti těchto prvků.

Periodicky se mění dále ionizační energie, efektivní atomové poloměry, orbitalové poloměry atomů, elektronová afinita, elektronegativita