Úvod do chemie Literatura

1. 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.

2. Struktura přednášky • Úvod • Struktura atomového jádra • Elektronová struktura atomu vodíku, víceelektronových atomů, molekul. • Klasická fyzikální chemie – vlastnosti (velkého) souboru částic. Ideální plyn, reálné plyny. • Ostatní skupenské stavy hmoty. • Rovnováhy-vlastnosti souboru molekul v rovnováze (termodynamika). • Kinetika – popis rychlosti chemických dějů (kinetika). • Základy elektrochemie • Elektrické, magnetické a optické vlastnosti látek

3. 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…)

4. 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“

5. 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

6. 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)

7. 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.

8. 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.

9. Základní fyzikální veličiny a jejich jednotky SI

10. Veličiny a jednotky • Přirozené jednotky (např. Planckova konstanta h(trans) je přirozenou jednotkou momentu hybnosti), Rydbergova konstanta je přirozenou jednotkou vlnočtu apod.)

11. 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 Dm c2 = D E (ekvivalence hmoty a energie viz. stabilita atomových jader). Změna (zvýšení) energie je na úkor (snížení) hmoty.

12. 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).

13. 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 %).

14. Pokračování • Molarita počet molu v jednom litru roztoku (nb/Vs) • Molalita podíl látkového množství rozpuštěné látky B a hmotnosti rozpouštědla (mB =nB/mr).

15. Jak vyjadřit množství hmoty • Jednotky hmoty (kg, atomová hmotnostní jednotka, 1/12 nuklidu 12C • Látkové množství vyjádřené počtem, jednotky počtu: • Pár, tucet a…. mol • Avogadrovo číslo NA = 6,022.1023 • Počet molů n =N/NA, n = m/M (kde M je molární hmotnost molekuly. • M = Mr x 10-3 v kg/mol

16. 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)

17. 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.

18. 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 = 9,109x10-31kg. • Náboj elektronu se nyní pokládá za (přirozenou) jednotku (záporného) náboje.

19. 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.

20. 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)

21. 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 , 23592U 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 13856Ba.

22. 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: ΔE= m 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.

23. 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.

24. 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.

25. Rychlost spontánních radioaktivních přeměn • Rychlost rozkladu je v každém okamžiku úměrná jeho aktuálnímu (okamžitému) množství: • dN = k1 Ndt • 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.

26. Jaderné reakce a umělá radioaktivita • První přeměnu at. jader uskutečnil E. Rutherford (1919) „bombardováním“ jádra dusíku  částicemi. • 147N + 42 = 178O + 11p resp. • 147N (, p) 178O

27. Jaderné reakce • Některá atomová jádra se mohou rozpadat samovolně (spontánně) ale také indukovaným štěpením at. jader. Nejčastějšími štěpnými materiály jsou • 23592U a 23994Pu. • 235 92U + 10n  14556Ba + 8836Kr + 3 10n

28. Termonukleární reakce • Atomovou energii lze získat nejen štěpením jader, ale i reakcemi syntetickými (jaderné tavení) • Lze realizovat explosivní průběh • 63Li + 21H  2 42He • Tyto reakce potřebují velkou „aktivační“ energii.

29. 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

30. 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