Úvod do chemie Literatura
description
Transcript of Úvod do chemie Literatura
![Page 1: Úvod do chemie Literatura](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062304/56814031550346895dab9414/html5/thumbnails/1.jpg)
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.
![Page 2: Úvod do chemie Literatura](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062304/56814031550346895dab9414/html5/thumbnails/2.jpg)
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
![Page 3: Úvod do chemie Literatura](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062304/56814031550346895dab9414/html5/thumbnails/3.jpg)
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…)
![Page 4: Úvod do chemie Literatura](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062304/56814031550346895dab9414/html5/thumbnails/4.jpg)
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“
![Page 5: Úvod do chemie Literatura](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062304/56814031550346895dab9414/html5/thumbnails/5.jpg)
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
![Page 6: Úvod do chemie Literatura](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062304/56814031550346895dab9414/html5/thumbnails/6.jpg)
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)
![Page 7: Úvod do chemie Literatura](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062304/56814031550346895dab9414/html5/thumbnails/7.jpg)
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.
![Page 8: Úvod do chemie Literatura](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062304/56814031550346895dab9414/html5/thumbnails/8.jpg)
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.
![Page 9: Úvod do chemie Literatura](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062304/56814031550346895dab9414/html5/thumbnails/9.jpg)
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
![Page 10: Úvod do chemie Literatura](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062304/56814031550346895dab9414/html5/thumbnails/10.jpg)
Veličiny a jednotky Přirozené jednotky (např.
Planckova konstanta h(trans) je přirozenou jednotkou momentu hybnosti), Rydbergova konstanta je přirozenou jednotkou vlnočtu apod.)
![Page 11: Úvod do chemie Literatura](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062304/56814031550346895dab9414/html5/thumbnails/11.jpg)
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.
![Page 12: Úvod do chemie Literatura](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062304/56814031550346895dab9414/html5/thumbnails/12.jpg)
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).
![Page 13: Úvod do chemie Literatura](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062304/56814031550346895dab9414/html5/thumbnails/13.jpg)
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 %).
![Page 14: Úvod do chemie Literatura](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062304/56814031550346895dab9414/html5/thumbnails/14.jpg)
Pokračování Molarita počet molu v jednom litru
roztoku (nb/Vs) Molalita podíl látkového množství
rozpuštěné látky B a hmotnosti rozpouštědla (mB =nB/mr).
![Page 15: Úvod do chemie Literatura](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062304/56814031550346895dab9414/html5/thumbnails/15.jpg)
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
![Page 16: Úvod do chemie Literatura](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062304/56814031550346895dab9414/html5/thumbnails/16.jpg)
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)
![Page 17: Úvod do chemie Literatura](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062304/56814031550346895dab9414/html5/thumbnails/17.jpg)
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.
![Page 18: Úvod do chemie Literatura](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062304/56814031550346895dab9414/html5/thumbnails/18.jpg)
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.
![Page 19: Úvod do chemie Literatura](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062304/56814031550346895dab9414/html5/thumbnails/19.jpg)
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.
![Page 20: Úvod do chemie Literatura](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062304/56814031550346895dab9414/html5/thumbnails/20.jpg)
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)
![Page 21: Úvod do chemie Literatura](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062304/56814031550346895dab9414/html5/thumbnails/21.jpg)
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.
![Page 22: Úvod do chemie Literatura](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062304/56814031550346895dab9414/html5/thumbnails/22.jpg)
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.
![Page 23: Úvod do chemie Literatura](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062304/56814031550346895dab9414/html5/thumbnails/23.jpg)
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.
![Page 24: Úvod do chemie Literatura](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062304/56814031550346895dab9414/html5/thumbnails/24.jpg)
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.
![Page 25: Úvod do chemie Literatura](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062304/56814031550346895dab9414/html5/thumbnails/25.jpg)
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.
![Page 26: Úvod do chemie Literatura](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062304/56814031550346895dab9414/html5/thumbnails/26.jpg)
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
![Page 27: Úvod do chemie Literatura](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062304/56814031550346895dab9414/html5/thumbnails/27.jpg)
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
![Page 28: Úvod do chemie Literatura](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062304/56814031550346895dab9414/html5/thumbnails/28.jpg)
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.
![Page 29: Úvod do chemie Literatura](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062304/56814031550346895dab9414/html5/thumbnails/29.jpg)
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
![Page 30: Úvod do chemie Literatura](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062304/56814031550346895dab9414/html5/thumbnails/30.jpg)
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