ÚVOD DO MATERIÁLOVÉ CHEMIE

1. ÚVOD DOMATERIÁLOVÉ CHEMIE Kombinované studium FST

2. Doc. Ing. Petr Duchek, CSc. duchekpe@kmm.zcu.cz • Ing. Tomáš Křenek, Ph.D. ttomekk@seznam.cz • UF 240 • Katedra materiálu a strojírenské metalurgie (KMM) STUDIJNÍ LITERATURA • Skripta : Duchek P., Šmídová H. : Chemie (2007) • Skripta : Duchek P., Šmídová H. : Řešené příklady z chemie • http:// portal.zcu.cz • http:// www.chemie.zcu.cz • INTERNET!!!

3. PROČ CHEMIE NA FST? • Vztah chemie – materiály (navazuje v 2. semestru předmět Nauka o materiálu) • Vztah chemie – životní prostředí • Obecná vzdělanost

4. KOVY Hliník (Al) Kadmium (Cd) Měď (Cu) Zinek (Zn)

5. KERAMIKA Kaolin Korund (Al2O3) Grafit (C) Vápenec (CaCO3)

6. PLASTY Silon (polyamid) Makrolon(polykarbonát) Polyethyletereftalát (PET) Polyvinylchlorid (PVC)

7. Základní pojmy, zákony a konstanty v chemii Principy názvosloví Atomistika Atomové jádro, izotopy, termonukleární syntéza, využití Elektronový obal, popis elektronu, orbitaly a jejich charakterizace Chemická vazby, typy a rozpoznávání Výpočty BLOK 1

8. Základní pojmy, zákony a konstanty • Základní hmotné částice JÁDRO : Proton (p) – náboj +, hmotnost 1,673 . 10-27 kg JÁDRO : Neutron (n) – náboj 0, hmotnost 1,675 . 10-27 kg OBAL :Elektron (e) – náboj -, hmotnost 1/1836 hmotnosti protonu • Nukleony = protony a neutrony • Protonové číslo (dříve atomové)Z = počet protonů v jádře a současně udává pořadí prvků v per. soustavě (1H, 2He, 3Li). U prvků určuje i počet elektronů v elektronovém obalu. • Neutronové číslo N = počet neutronů v jádře • Nukleonové (dříve hmotnostní) číslo A = počet nukleonů v jádře ( 1H, 2D, 3T, 3He, 4He) N = A – Z

9. Nuklidy – látky obsahující atomyjednoho druhu. Mononuklidické (např. F, Al) a polynuklidické látky (např. H, C). • Izotopy = látky se stejným protonovým, ale rozdílným nukleonovým číslem. Mají stejné chemické, ale rozlišné fyzikální vlastnosti (11H, 21D, 126C, 136C) obecně AZX • Izobary= látky s různým protonovým, ale stejným nukleonovým číslem (4820Ca, 4822Ti, 5826 Fe, 5828Ni) • Atomová hmotnostní konstanta mu(nebo jen u) • = m(126C) / 12 = u = 1, 661. 10-27 kg

10. Základy nomenklatury anorganických sloučenin Vzorec, náboj, oxidační číslo, předpony, koncovky Chemický vzorec se skládá ze značek prvků, indexů a dalších znaků (závorek, teček). Například vzorec dihydrátu vápenatého je     CaSO4.2H2O Názvosloví anorganických sloučenin vychází z oxidačního čísla prvku. Oxidační číslo prvku je rovno náboji skutečnému nebo pomyslnému (který by vznikl na atomu prvku, kdyby elektrony každé vazby vycházející z tohoto atomu byly přiděleny elektronegativnějšímu atomu). Oxidační číslo se označuje římskou číslicí se znaménkem (je-li záporné) vpravo nahoře u značky prvku , např S-IIPočet nábojů iontů se udává arabskými číslicemi se znaménkem náboje, tedy např. Al3+ , O2- (ionty jsou elektricky nabité částice, vzniklé z atomů odtržením (kationty) či přijetím (anionty) elektronů.

11. Určení oxidačního čísla Volný atom nebo atom v molekule prvku má oxidační číslo 0 (např. O2 , P4)!! Vodík ------- má oxidační číslo +I (výjimka -pouze v hydridech kovů má -I , např. LiH ,CaH2 )Kyslík -------má oxidační číslo -II (výjimka -pouze v peroxidech má -I , např. H2O2 , Na2O2 nebo v superoxidech – např. KO2 a fluoridu kyslíku OF2) Alkalické kovy----------------------------------------- mají oxidační číslo +I Kovy alkalických zemin ----------------------------- mají oxidační číslo +II Prvky IIIA (13.) skupiny ------------------------------ mají oxidační číslo +III Prvky IVA (14.) skupiny ------------------------------ mají oxid. číslo+IV, -IV Prvky VA (15.) skupiny ------------------------------- mají oxid. číslo+V, -III Prvky VIA (16.) skupiny ------------------------------ mají oxid. číslo+VI, -II Prvky VIIA (17.) skupiny ----------------------------- mají oxid. číslo+VII, -I Fluor má oxidační číslo -IPrvky VIIIA (18.) skupiny jsou vzácné plyny!! – inertní – mají jednoatomovou molekulu!!

12. Jednojaderný ion má oxidační číslo rovné náboji (např Al3+ má oxidační číslo +III) Součet oxidačních čísel všech atomů prvků obsažených v elektro-neutrální molekule je rovennule.   Příklad: H2SO4 --> oxidační čísla prvků HI , SVI , O-II Součet ox.čísel: 2.I + 1.VI + 4.(-II) = 0 Součet oxidačních čísel všech atomů prvků obsažených ve víceatomovém iontu je roven počtu elementárních nábojů   Příklad: PO43- --> oxidační čísla prvků PV , O-II Součet ox.čísel 1.V + 4.(-II) = -3

13. Oxidační číslo určuje název sloučeniny!! Záporné ox.číslo prvku vyjadřuje zakončení -id , připojené ke kmenu latinského názvu prvku (bez ohledu na velikost náboje). Například Br-I --> bromid , O-II --> oxid , N-III --> nitrid , C-IV --> karbid ). Tuto koncovku mají i některé anionty - hydroxid, peroxid, azid, kyanid apod.Nulové ox.číslo prvku vyjadřuje první nebo druhý pád názvu prvku ve sloučenině. Například Ni(CO)4 nazýváme tetrakarbonylnikl nebo tetrakarbonyl niklu.Kladné ox.číslo prvku vyjadřuje osm názvoslovných zakončení:

14. Vyjádření počtu – číslovkové předpony : Vyjádření počtu víceatomových částic – násobnéčíslovkové předpony :

15. OXIDY – MAOBA = buď 1 nebo 2, B = 1 – 5, 7O-IIHALOGENIDY – MXNN = 1 – 8 X-IHYDROXIDY – M(OH)N N = 1 – 4 OH-ISULFIDY – MASBA = buď 1 nebo 2, B = 1 – 5, 7S-IIHYDRIDY – a) iontové hydridy prvků I. a II. skupiny H-I( LiH hydrid lithný, CaH2 hydrid vápenatý, …) b) kovalentní ( III. až VI. skupiny) -koncovka –an (alan, silan ,boran, fosfan,..) c) kovové hydridy (často proměnlivé složení) (hydrid paladia, hydrid titanu – bez koncovky).PEROXIDY – (O2)-IIperoxid sodný, vápenatýHYPEROXIDY – (O2)-Ihyperoxid draselný

16. NITRIDY – N-IIInitrid vápenatý Ca3N2 , nitrid boritý BNFOSFIDY – P-IIIfosfid vápenatý Ca3P2KARBIDY – C-IVkarbid hlinitý Al4C3SILICIDY – Si-IVsilicid hořečnatý Mg2Si Nestechiometrické binární sloučeniny Fe3C karbid triželeza TaP2 difosfid tantalu W2Si3trisilicid diwolframu

18. NOMENKLATURA BEZKYSLÍKATÝCH SLOUČENIN

19. Jestliže prvek tvoří v témže oxidačním čísle několik oxokyselin s různým počtem vodíků, rozlišujeme je předponou hydrogen- s číslovkovou předponou, udávající počet vodíkových atomů v molekule kyseliny

20. Kyseliny s více atomy kyselinotvorného prvku A se stejným ox.číslem (isopolykyseliny) mají v názvu číslovkovou předponou udán počet těchto atomů.

21. KATIONTY, ANIONTY Jednoatomový kation má název vytvořen z názvu prvku a zakončení odpovídajícího oxidačnímu číslu. ( Pb4+ kation olovičitý Pb2+ kation olovnatý Ru8+ kation rutheničelý) Víceatomový kation je většinou tvořen prvkem se záporným ox.číslem od-povídajícím postavení ve skupině periodické soustavy a odpovídajícím počtem vodíků s ox.číslem +I, aby celkové ox.číslo kationtu bylo +I. Název tohoto kationtu se skláda z latinského názvu prvku a zakončení -oniový kation popř. pouze –onium. H3O+ hydroxoniový kation (hydroxonium) H3S+ sulfonium NH4+ amoniový kation (amonium)

22. Jednoatomový anion (i některé víceatomové) má název vytvořen z latinského názvu prvku s koncovkou -id nebo -idový anion. Záporný náboj aniontu je dán po- stavením prvku ve skupině periodické soustavy (přesněji rozdílem 8 - číslo skupiny, tj. počtem scházejících elektronů do el.oktetu). Br- bromidový anion (bromid) S2- sulfidový anion (sulfid) Víceatomové anionty (většina) mají také koncovku –id nebo –idový anion. S22- anion disulfidový I3- anion trijodidový Anionty oxokyselin mají název vytvořený z názvu kyselinotvorného prvku se zakončením odpovídajícím ox.číslu tohoto prvku. SO42- anion síranový SO32- anion siřičitanový NO2- anion dusitanový

23. SOLI Název mají složený z podstatného jména, odvozeného od názvu příslušného aniontu a přídavného jména, které odpovídá názvu kationtu. Podstatné jméno získáme z názvu příslušného aniontu odtržením koncovky -idový a nahrazením koncovkou -id.Např. bromid železitý = anion bromidový + kation železitýFeBr3 NH4 CN kyanid amonný CaHS hydrogensulfid vápenatý Ca(ClO)2 chlornan vápenatý KHCO3 hydrogenuhličitan draselný NaIO4 jodistan sodný Na5IO6 jodistan pentasodný KAl(SO4)2 síran hlinitodraselný CuSO4 . 5 H2O pentahydrát síranu měďnatého

24. PROCVIČENÍ NÁZVOSLOVÍ ANORG. SLOUČENIN : http://www.mojeskola.cz/Vyuka/Php/

25. ATOMISTIKA ATOM • Jádro (kladně nabité protony + elektroneutrální neutrony) • Elektronový obal (záporně nabité elektrony) • ION (množné číslo IONTY) • Kladně nabitý KATION (vznik odevzdáním elektronů) • Záporně nabitý ANION (vznik přijetím elektronů) • Příklady : Al3+ , H+ (= proton), H-

26. VAZEBNÁ ENERGIE JÁDRAu = atomová jednotka (1/12 hmotnosti isotopu uhlíku 12C)Vazebná energie jádra = Dmc2Pro částici alfa ( 42 He ) je Dm= 0.0304 u . To znamená vazebnou energii 28.3 MeV. 2 protony + 2 neutrony 42He (částice a)

27. Využití:Termonukleárnísyntéza • Podmínky : vysoká teplota ( min. 107K, elementární částice a následně lehké prvky) • 11H + 11H  21H + pozitron • 21H + 11H  32 He + záření gama • 32 He + 32 He  42He + 2 11H • 42He + 42He  84Be • 84Be + 42He  126 C

28. Radioaktivní rozpad jader • ROZPAD ALFA ( těžká jádra) - uvolňují se stabilní částice alfa (42 He) • ROZPAD BETA (-) (kde mají jádra nuklidů nadbytek neutronů – 31H, 20580Hg, ..) • Uvolňuje se neutron, ten se rozpadá na proton a elektron. Elektron opustí jádro. • ROZPAD BETA (+) (kde mají jádra nuklidů nadbytek protonů – u uměle připravených jader) • Proton se uvolňuje a rozpadá na neutron a pozitron (antielektron). Ten opouští jádro a anihiluje s elektronem za vzniku záření – fotonů. • ROZPAD GAMA (gama záření – fotony)

29. Radioaktivní izotopy Poločas rozpadu (přeměny) = doba, za kterou se přemění právě polovina z výchozích atomů. Široké meze. U izotopu 146 C je to 5 600 – 5 700 let. Využití – např. archeologie, radiodiagnostika a radioterapie

30. Nejspíše se jedná o nejdůkladněji prozkoumaný předmět v moderní historii. Jde o několik století staré plátno, na kterém je znázorněna silueta člověka. Věřící tvrdí, že v něm byl zavinut Ježíš Kristus a že na něm je jeho otisk, ale vědci jsou přesvědčeni, že se jedná o padělek ze třináctého století. Turínské plátno: ilustrovaný důkaz sepsaná Ianem Wilsonem a Barrie Schwortzem vyzývá katolickou církev, aby případ znovu otevřela. Využití radioizotopů v archeologii Turínské plátno

31. Využití radioizotopů v archeologii Použitá metoda : radiokarbonová - 14C Přírodně se vyskytují 3 izotopy uhlíku : 12C, 13C a14C Jejich zastoupení : 12C – 98.89% 13C – 1.11% 14C – 0.000 000 000 10% (1 atom 14C existuje v přírodě na každých 1 000 000 000 000 atomů 12C) (14C radioaktivní, nestabilní, poločas rozpadu 5 730 let) zjištěné stáří plátna :13. či 14. století (1260 až 1390)!! (Padělek artefaktu – „vyroben“ později??)

32. Radiografie (prozařování) – radiační defektoskopie • Radiografie kovových či nekovových látek poskytuje na filmu viditelný obraz dutin, prasklin, vměsků, cizích částic uvnitř materiálu nebo nepravidelností nepřístupných povrchu. • Prozařování • RTG-zářením (X-ray) o energii 60 – 200 keV • Gama-zářením z nuklidů 192Ir, 75Se, 60Co,169Yb, 137Cs, … • někdy tvrdé gama-záření z cyklotronu (energie až 10MeV)

33. Využití radioizotopů v medicíně • Radiodiagnostika • Radiotherapie ( ozařování) • ( 60Co 131I 192 Ir ) • NUKLEÁRNÍ MEDICÍNA • Radiodiagnostika • RTG diagnostika

34. Elektronový obal Vývoj názorů : 1897 Thomson : atomy všech prvků obsahují částice o hmotnosti 9,1 . 10-31 kg – elektrony Rutherfordův planetární model atomu – elektrony se pohybují po kruhových drahách kolem jádra.

35. Elektronový obal 1913 N. Bohr upravil tuto teorii tak, že se elektrony pohybují kolem jádra po uzavřených drahách o určitém poloměru bez vyzařování elmg záření. Energie elektronu se může měnit pouze nespojitě, ve skocích, v kvantech energie. (Počátek 20. stol. rozmach kvantové mechaniky – Einstein, Pauli, Schrödinger, Fermi, Heisenberg) ELEKTRON má duální charakter –jako částice (korpuskule) i jako vlnění Vlnová teorie elektronů (obecně vlnová mechanika) – elektrony se chovají jako stojaté vlnění

36. Oblast, kde je nejvyšší pravděpodobnost výskytu elektronu – orbital. Orbital a vlastnosti vlnové funkce charakterizují kvantová čísla:

37. http://sweb.cz/radek.jandora/f22.htm Hlavním kvantovým číslům odpovídají řádky – periody Mendělejevovy soustavy prvků. Pro elektrony stejně jako pro protony či neutrony platí Pauliho vylučovací princip: V daném atomu nemohou existovat dva elektrony ve stejném kvantovém stavu, tj. se stejnými kvantovými čísly n, l, m, s. Pro vyplňování orbitalů elektrony platí ještě Hundovo pravidlo: V každém orbitalu daném magnetickým kvantovým číslem vznikají elektronové páry až po zaplnění každého orbitalu jedním elektronem. Všechny nespárované elektrony mají stejný spin. → elektrony nejprve po jednom vstoupí do orbitalů se stejným n a l a s, ale různým m. Teprve potom vstoupí do těchto orbitalů i s druhým spinem.

38. Valenční (optické) elektrony – elektrony v orbitalech s a p v nejvyšší slupce – určují chemické a optické vlastnosti atomů. Jejich maximální počet je v orbitalech (s+p)8 → elektronový oktetoxidační čísla- buď doplnění do prázdných orbitalů – záporná oxidační č. - nebo odtržení elektronů z orbitalů – kladná oxidační č. Příklady : Na – 1 valenční elektron, vyplatí se mu jej odtrhnout a dostat se na elektronovou konfiguraci předchozího prvku (Ne), který má elektronový oktet. F – 7 valenčních elektronů, vyplatí se mu jej doplnit valenční sféru o 1 elektron a dostat se na elektronovou konfiguraci následujícího prvku (Ne), který má elektronový oktet.

39. Seřazení prvků v periodické soustavě prvků podle:1.    Počet elektronů je roven protonovému číslu prvku v periodické soustavě.2.    Stav každého elektronu v atomu je určen čtyřmi kvantovými čísly.3.    Energetické hladiny atomu v základním stavu se obsazují postupně, každý další elektron obsadí dosud volnou hladinu s nejmenší energií.4.    Musí být splněn Pauliho princip

40. Počet elektronů v orbitalu Žádný (prázdný čili vakantní orbital, 1 nebo 2 (s opačnými spiny – el. pár) Pauliho vylučovací princip V daném atomu nemohou existovat dva elektrony ve stejném kvantovém stavu, tj. se stejnými kvantovými čísly n, l, m, s. Hundovo pravidlo V každém orbitalu daném magnetickým kvantovým číslem vznikají elektronové páry až po zaplnění každého orbitalu jedním elektronem. Všechny nespárované elektrony mají stejný spin. → elektrony nejprve po jednom vstoupí do orbitalů se stejným n a l a s, ale různým m. Teprve potom vstoupí do těchto orbitalů i s druhým spinem. Llze lze lze nelze nelze

41. Obsazování orbitalů elektrony Orbitaly s nižší enetgií se obsazují elektrony dříve než orbitaly s energií vyšší. Příklad : 1s dříve než 2s; 2p dříve než 3p; 4s dříve než 3d Degenerované orbitaly Mají stejnou energii : p-orbitaly jsou 3 x degenerované, d-orbitaly jsou 5 x degenerované. Jejich zaplňování probíhá tak, že elektronové páry vznikají teprve po obsazení každého orbitalu jedním elektronem. Příklad : 3 – p orbitaly : Llze lze nelze nelze

42. Tvary orbitalů s, p, d

43. Výstavbový principudává postup zaplňování orbitalů

44. Výstavbový princippostup zaplňování orbitalů a jejich energie pro H až Be H : n = 1, l = 0, m = O, s = +1/2 1s1 He: n = 1, l = 0, m = O, s = -1/2 1s2 Li: n = 2, l = 0, m = O, s = +1/2 1s12s1 Be: n = 2, l = 0, m = O, s = +1/2 1s12s2 Následuje obsazování pro n = 2, l = 1, m = -1,0,1 a s = +1/2 n = 2, l = 1, m = -1,0,1 a s = -1/2, Tedy celkem 6 hodnot pro 6 prvků: B - Ne

45. Výstavbový princippostup zaplňování orbitalů a jejich energie pro B -Ne

46. LEWISOVY VZORCE

47. Vliv vzdálenosti valenčního elektronu od jádra • Stínící efekt uzavřených vnitřních elektronových slupek • Přebytek „jen“ jednoho elektronu, ten různou silou poután k jádru • Reaktivita stoupá od Li přes Na k K

48. Zápis vzniku kationtů a aniontů Lewisovými vzorci

49. ELEKTRONOVÁ AFINITA - EA Vyjadřuje, jak ochotně atom přijme elektron a stane se z něho anion (tj. jak velká energie se přitom uvolní ) E + e- = E-

50. IONIZAČNÍ ENERGIE (POTENCIÁL) - IEVyjadřuje, jak ochotně atom odevzdá elektron(y) a stane se z něho kation (tj. jak velkou energii je třeba přitom dodat )E - e- = E+