CHE 01: Uvod

transcript

UL | w

.kch.tul.cz

CHEMIE Jan Grégr & Martin Slavík

Obsah Snímek

Proč potřebují strojaři znát chemii 4

Témata přednášek 12

Základní pojmy 22

Atomy 36

Periodický zákon a tabulka 42

CHE 01

Katedra chemie FP TUL: http://www.kch.tul.cz

UL | w

.kch.tul.cz

Odkazy QR kód

Jan Grégr http://www.kch.tul.cz/people/jan-gregr

Martin Slavík http://www.kch.tul.cz/people/martin-slavik

Katedra chemie FP TUL http://www.kch.tul.cz

Materiály http://bit.ly/che-tul

UL | w

.kch.tul.cz

Jak se jmenují přednášející? Kde najdete texty?

Co si pamatujete?

Jak se jmenuje děkan FS TUL? Oslovování. prof. Dr. Ing. Petr Lenfeld

Prof. Dr. Winfried Vahland

předseda představenstva Škoda Auto (generální ředitel)

Pane profesore… (výuka) Pane děkane… (jednání)

Pane Vahlande…

UL | w

.kch.tul.cz

Na přednáškách

UL | w

.kch.tul.cz

Přednášky, testy, příklady; http://bit.ly/che-tul

Růžičková, K.; Kotlík, B.: Chemie v kostce pro střední školy. FRAGMENT, 2009. 1. vyd. ISBN: 978-80-253-0599-7.

Schejbalová H., Grégr J.: Příklady a úlohy z chemie (skripta). TUL, 2000.

Klikorka J., Hájek B., Votinský J.: Obecná a anorganická chemie, SNTL Praha 1985.

Brown, L.S. Holme, T.A. Chemistry for enginee-ring students. Belmont CA: Brooks. 2011. ISBN 143904791X.

samostudium

Materiály

UL | w

.kch.tul.cz

Jak na studium

Stáhnout, vytisknout, psát poznámky Nestahovat, ale vždy psát poznámky

slideshare.net/kchtul

UL | w

.kch.tul.cz

Dva navazující písemné testy 1) 45 minut, chemické názvosloví a výpočty

≥ 50 % správně postup do dalšího kola 2) 25 minut, teorie, ≥ 50 % správně Termíny KZ – zkouškové období, přihlašování STAG

Povinné vědomosti – pokud je nebude vědět, nezachrání Vás nic

Splněním podmínek KZ získáte 3 kredity

Co je klasifikovaný zápočet?

UL | w

.kch.tul.cz

Pište si poznámky, co si nenapíšete zapomenete

Zjistěte, co je důležité – informace (Z, KZ, Zk), jména, laboratoře, cvičení, termíny…

Udělejte to, co nejdříve – jednejte

Choďte do školy (aspoň tehdy, když to je nutné)

Obecné tipy

Pozor! Zkoušíme všechna témata (otázek je více)

Kolující odpovědi na otázky obsahují chyby.

UL | w

.kch.tul.cz

Odpočinková literatura

UL | w

.kch.tul.cz

přírodovědný základ vlastností konstrukčních materiálů

Proč potřebují strojaři znát chemii

Al plast

UL | w

.kch.tul.cz

poškozování konstrukcí vlivem vnějšího prostředí, způsoby ochrany proti korozi

UL | w

.kch.tul.cz

domluva s chemiky, laboratořemi a dodavateli materiálů

Borax Tetraboritan disodný CAS: 1303-96-4 EINECS: 215-540-4 Na2B407 ∙10H2O

UL | w

.kch.tul.cz

výpočty pro přípravu např. roztoků na povrchové úpravy a látkové bilance probíhajících dějů

Zřeďte v poměru…

UL | w

.kch.tul.cz

moderní trendy v materiálo-vém inženýrství, např. kompozity a nanomateriály

Lotosový efekt. Kapičky vody

na lístku řeřichy zobrazené

pomocí environmentálního

rastrovacího elektronového

mikroskopu (ESEM)

UL | w

.kch.tul.cz

tipy, fígle, porozumění ušetříte čas minimum chyb

Proč chodit na přednášky

UL | w

.kch.tul.cz

Ethanol

UL | w

.kch.tul.cz

Methanol Ethanol

Co má menší teplotu varu?

Co je toxičtější a proč?

H3COH H3CCH2OH

Propanol

H3CCH2CH2OH

H3CCHCH3

UL | w

.kch.tul.cz

Úvod, zákony, periodická tabulka

Chemické vazby a nevazebné interakce, vlastnosti látek

Názvosloví. Výpočty složení , rovnice

Chemické reakce, energetika, kinetika, katalyzátory, rovnováha

Přednášky 01–04

UL | w

.kch.tul.cz

Elektrolyty. Kyseliny, zásady, pH indikátory, pufry

Kovy, koroze + ochrana

Elektrochemie, články, elektrolýza

Skla, keramika, tvrdé a žáru-vzdorné materiály, tvrdokovy

UL | w

.kch.tul.cz

Složení roztoků, výpočty

Organika, názvosloví, reakce

Polymery, reakce, názvosloví, rozdělení, vlákna

Moderní chemie, kompozity, nanomateriály

UL | w

.kch.tul.cz

Procvičení výpočtů. Vlastnosti látek v souvislosti s jejich chemickou strukturou.

Závěr. Technické plyny. Shrnutí.

UL | w

.kch.tul.cz

CHEMIE

UL | w

.kch.tul.cz

1630 –1692 (1710) Hamburg

Hypotéza: Au ve zlatavé tekutině Verifikace: vem 5 500 l moči nech ji zkvasit destilovat, destilovat, destilovat (bez O2)… zchladit bílé páry → bílá látka, která sama svítí = Kámen mudrců

Alchymista hledá Kámen mudrců Joseph Wright | 1771

UL | w

.kch.tul.cz

přírodní věda

zkoumá látky a jejich přeměny při reakcích

zkoumá vnitřní stavbu látek, která podmiňuje jejich vlastnosti

CHEMIE

UL | w

.kch.tul.cz

atomy molekuly

nejmenší elektroneutrální částice, která se účastní elementárních reakcí (tvoří prvky)

nejmenší elektroneutrální částice složená ze dvou či více atomů, má složení a chemické vlastnosti dané látky

Základní stavební částice hmoty

UL | w

.kch.tul.cz

atomy molekuly

Nejdůležitější vlastnosti částic hmoty:

pohyb a hmotnost

UL | w

.kch.tul.cz

atomy molekuly

Jsou navenek elektricky neutrální

UL | w

.kch.tul.cz

kationty anionty

Elektricky nabité částice hmoty

Na+ Cl-

UL | w

.kch.tul.cz

prvky sloučeniny

jsou složeny ze stejných atomů

složeny z molekul s různými atomy

Základní formy hmoty

Fe Fe2O3

UL | w

.kch.tul.cz

sloučeniny směsi

složeny z molekul nebo iontů v konstantním

poměru a s definovanou strukturou, vyznačují se konkrétními fyzikálními

vlastnostmi

soustava tvořená alespoň dvěma

složkami, složená z různých molekul nebo

krystalických fází v proměnném poměru

Základní formy hmoty

O2, N2, NO2… Vzduch: N2 + O2 + …

UL | w

.kch.tul.cz

homogenní heterogenní

roztoky, plynné směsi – není přítomno fázové rozhraní

slitiny, koloidní soustavy, suspenze – definované fázové rozhraní

Směsi

UL | w

.kch.tul.cz

Schéma základních pojmů

UL | w

.kch.tul.cz C2

Fulleren C60

nanotrubice

grafit

Velikosti částic

UL | w

.kch.tul.cz

Zákon zachování energie

Celková energie soustavy je stálá nezávisí na změnách, které v ní probíhají, tj. energii nelze vytvořit, ani ji nelze zničit.

Příklad:

Při vzniku 9 g vody z vodíku a kyslíku se uvolní 1,4 . 105 J a hmotnost soustavy klesne o 1,6 . 10-9 g

Zákon zachování energie: E = mc2

UL | w

.kch.tul.cz

Zákon o zachování hmotnosti (Lavoisier) Při každé chemické reakci je součet hmotností zúčastněných látek nezměněn

Základní chemické zákony

C3H8 + 5O2 = 4H2O + 3CO2

3C | 8H | 10O = 3C | 8H | 10O Rovnají se počty částic i hmotnosti

Zákon zachování energie: E = mc2

UL | w

.kch.tul.cz

Zákon stálých poměrů slučovacích (Proust) Poměr hmotností prvků, z kterých vzniká sloučenina je stálý

2H2 + 1O2 → 2H2O

4H2 + 2O2 → 4H2O

2:1=2 4:2=2

UL | w

.kch.tul.cz

Zákon množných poměrů slučovacích (Dalton) Tvoří-li dva prvky více sloučenin, pak hmotnosti jednoho prvku, který se slučuje se stejným množstvím prvku druhého, jsou vzájemně v poměrech, které lze vyjádřit malými celými čísly

C1O1 C1O2

nestechiometrické sloučeniny!

Fe0,95–1O; SnO2-x

UL | w

.kch.tul.cz

Zákon objemových poměrů slučovacích (Gay Lussac) Při chemických reakcích jsou objemy reagujících plynů v poměru malých celých čísel

1N2 + 1O2 2NO 1N2 + 2O2 2NO2

2N2 + 5O2 2N2O5

UL | w

.kch.tul.cz

Avogadrův zákon (Avogadro) Za stejného tlaku a teploty je ve stejných objemech různých plynů stejný počet částic NA = 6,023.1023 mol–1

[ID] T, p: Vm=V/n = konst.

Ideální plyn: p V = n R T

VM (0 °C, 101 325 Pa) = 22,41 dm3 .mol-1

UL | w

.kch.tul.cz

Látkové množství o velikosti 1 mol obsahuje tolik částic, kolik je atomů ve 12 g uhlíku 12C

NA = 6,023.1023 mol–1

Látkové množství

Avogadrovo číslo

UL | w

.kch.tul.cz

Velikost jádra

přibližně 0,01 . 10–12 m

Hustota jádra

řádově 1012 g.cm–3

Velikost atomu

100 až 600 . 10–12 m

10–14 m

10–10 m

UL | w

.kch.tul.cz

42 http://cs.wikipedia.org/wiki/Atom

Proton složený ze dvou „u“ kvarků a

jednoho „d“ kvarku

http://cs.wikipedia.org/wiki/Kvark

Struktura atomu

105 × dále!

UL | w

.kch.tul.cz

Rutherford (1906) – experiment s Au-fólií

a částicemi α(He2+) vedl k planetární

představě o atomu

Thomson (1897) – v řadě

experimentů s katodovými

trubicemi dokázal existenci

elektronů, atom je „kladně

nabitá koule s rozptýlenými

elektrony“

atom ~10-10 m = 1 Å jádro ~10-15 m, ρ ~1012 kg/m3

UL | w

.kch.tul.cz Millikan (1909) – experiment

s olejovými kapkami k ověření

existence elektronů a jejich

náboje

Chadwick (1932) - jádro obsahuje kromě protonů ještě elektroneutrální

neutrony

UL | w

.kch.tul.cz

Je to složitější!

http://observatory.cz/static/vystavy/castice/6-castice.php

http://hp.ujf.cas.cz/~wagner/popclan/higgs/higgs.html

http://cs.wikipedia.org/wiki/Kvark

UL | w

.kch.tul.cz

AFM = Atomic Force Microscopy

UL | w

.kch.tul.cz

Struktura atomu

Atomové (protonové) číslo: Z počet protonů v jádře

U elektroneutrálních atomů rovno počtu elektronů

v elektronovém obalu

Neutronové číslo: N počet neutronů v jádře

Nukleonové (hmotnostní) číslo: A = Z + N

Izotopy - atomy se stejným Z, mohou se lišit v N(A)

Nuklid - prvek obsahující pouze atomy s daným Z a N(A)

UL | w

.kch.tul.cz

238U 235U

A= Z= A= Z=

Stavba atomu: příklad

UL | w

.kch.tul.cz

Radioizotopy v medicíně • 1/3 pacientů v nemocnicích využije některou z procedur

nukleární medicíny

• 24Na, t½ = 14.8 hod, b emise

• 31I, t½ = 14.8 hod, b emise

• 123I, t½ = 13.3 hod, g emise

• 18F, t½ = 1.8 hod, b+ emise

• 99Tc, t½ = 6 hod, g emise

Zobrazení mozku

značkovaného

sloučeninou s 123I

UL | w

.kch.tul.cz

Bohrův model

Kvantově mechanický model atomu

Hustota pravděpodobnosti

Emise (vyzáření) ↓ →

Absorpce (pohlcení) ↑ ←

Spektra (AAS, AES, XRF…)

http://vladimirkalitvianski.wordpress.com/2010/12/02/zoom-in-atom-or-

unknown-physics-of-short-distances/

UL | w

.kch.tul.cz

Bohrův model

Sodíková výbojka

UL | w

.kch.tul.cz

Je charakterizována čtyřmi kvantovými čísly

• Hlavní kvantové číslo (energie – 1, 2…)

• Vedlejší kvantové číslo (tvar orbitu – s, p, d, f)

• Magnetické kvantové číslo (orientace orbitu)

• Spinové kvantové číslo (moment rotace)

Výstavba elektronového obalu 1

-1/2 ↑

+1/2 ↓

6C 1s2 2s2 2p2

„adresa“

elektronu

Valenční elektrony

UL | w

.kch.tul.cz

Svazek vodíkových atomů se po průchodu magnetickým polem rozštěpí na

dva paprsky, které korespondují se spinem na příslušných atomech.

Sternův-Gerlachův experiment

UL | w

.kch.tul.cz

1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p 5s 4d 5p 6s 4f 5d 6p 7s 5f…

Orbitaly

Max. počet elektronů

Stabilní konfigurace

1s 2s 3s

UL | w

.kch.tul.cz

Orbitaly s, p, d

UL | w

.kch.tul.cz

Výstavba elektronového obalu

UL | w

.kch.tul.cz

Pomůcka

http://demonstrations.wolfram.com/NLRuleForAtomicElectronConfigurations/

1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p 5s 4d 5p 6s 4f 5d 6p 7s 5f…

Max. počet elektronů

Stabilní konfigurace

UL | w

.kch.tul.cz

Výstavba elektronového obalu 3

s2, p6, d10, f14 nebo 0

Všichni touží po plné/prázdné slupce:

UL | w

.kch.tul.cz

helium neon argon

Oktetové pravidlo

Energeticky nejvýhodnější je

konfigurace vzácných plynů

Zaplněná slupka s2, p6, d10, f14

nebo prázdná slupka 0

UL | w

.kch.tul.cz

Výstavba elektronového obalu

s2, p6, d10, f14

+1e- nebo -1e-

-4e- nebo +4e-

H- nebo H+

Na ≠ Na+ Na+ + H2O = Na+ + H2O

Na0 + H2O → Na+ + OH- + ½H2

UL | w

.kch.tul.cz

Existuje několik výjimek z výstavbového principu.

Stabilní konfigurace jsou např. také:

– Z poloviny zaplněná podslupka d: d5:

• Cr má konfiguraci [Ar]4s13d5;

• Mo má konfiguraci [Kr] 5s14d5

– Zcela zaplněná podslupka d: d10:

• Cu má konfiguraci [Ar]4s13d10

• Ag má konfiguraci [Kr]5s14d10.

• Au má konfiguraci [Xe]6s14f145d10

Výjimky se objevují u větších prvků které mají blízké

energie orbitalů.

Anomální konfigurace

UL | w

.kch.tul.cz

konfigurace nejbližšího vzácného plynu + valenční elektrony ve valenční

sféře

Na: [Ne] 3s1

Elektronové konfigurace iontů obdobné

Elektronová konfigurace atomu

UL | w

.kch.tul.cz

Vznik vazby

1s2 2s2 2p6

UL | w

.kch.tul.cz

Ionizační energie atomu je definována jako práce potřebná k odtržení a úplnému vzdálení nejslaběji poutaného elektronu z atomu v základním stavu.

Nejnižší ionizační energie mají alkalické kovy (Na, K, Rb, Cs) jsou také označovány jako elektropositivní

Ionizace – vznik kationtů

UL | w

.kch.tul.cz

Elektronegativita = empiricky nalezené číslo vyjadřující schopnost atomu prvku přitahovat vazebné elektrony kovalentní vazby.

Elektronová afinita je energie, která se uvolní při připoutání elektronu k atomu za vzniku aniontu. Nejvyšší elektronovou afinitu mají halogeny a dále chalkogeny (O, S atd.)

Elektronová afinita – vznik aniontů

UL | w

.kch.tul.cz

Vazby a vlastnosti sloučenin

Iontová vazba

Elektrostatické přitahování opačně nabitých iontů (NaCl = kov-nekov)

Kovalentní vazba

Sdílení jednoho nebo více valenčních

elektronů (O2 = nekov-nekov)

Kovová vazba

valenční elektrony sdíleny atomy v krystalické mřížce kovu

(Ag = kov-kov)

UL | w

.kch.tul.cz

Dmitrij Ivanovič Mendělejev

(1834-1907)

1868-1870 «Основы химии»

http://canov.jergym.cz/rencin/rencin.htm

UL | w

.kch.tul.cz

Objevy prvků předpovězených Mendělejevem

Paul-Émile Lecoq de Boisbaudran (1838–1912) 1875 Ga

Lars Frederik Nilson (1840–1899) 1879 Sc

Clemens Alexander Winkler (1838–1904) 1886 Ge

UL | w

.kch.tul.cz

Fyzikální a chemické vlastnosti prvků jsou

periodickou funkcí jejich protonového čísla.

Periodická tabulka

Pořadí v tabulce je dáno výstavbovým principem (po řádcích).

Prvky ve stejných sloupcích mají stejnou elektronovou konfiguraci valenční

slupky (podobné vlastnosti).

Nejstálejší (nejméně reaktivní) jsou atomy prvků s plně obsazenými valenčními vrstvami (vzácné plyny). Nejreaktivnější jsou prvky, které se uspořádáním elektronového obalu nejvíce blíží k vzácným plynům.

UL | w

.kch.tul.cz

UL | w

.kch.tul.cz

http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/chemical/eleorb.html

butane.chem.uiuc.edu

UL | w

.kch.tul.cz

www.meta-synthesis.com

UL | w

.kch.tul.cz

UL | w

.kch.tul.cz

Kovový a nekovový charakter prvků Kovový a nekovový charakter prvků

elektropozitivita = kovový charakter elektronegativita = nekovový charakter

UL | w

.kch.tul.cz

Atomové poloměry pro hlavní prvky

UL | w

.kch.tul.cz

Kovový a nekovový charakter prvků Kovový a nekovový charakter prvků

UL | w

.kch.tul.cz

UL | w

.kch.tul.cz

Valenční orbitaly – vedlejší kvantové číslo Vedlejší kvantové číslo valenčních orbitalů

UL | w

.kch.tul.cz

Zvláštní skupiny prvků Zvláštní skupiny prvků

UL | w

.kch.tul.cz

Skupenství prvků při 20°C

UL | w

.kch.tul.cz

Elektronegativita prvků Elektronegativita prvků

UL | w

.kch.tul.cz

Radioaktivní prvky Radioaktivní prvky

UL | w

.kch.tul.cz

Periodická tabulka – vztahy

UL | w

.kch.tul.cz

Valenční elektrony

Valence (počet vazeb)

Oxidační stav

ns1-2| ns2 (n-1)d1-10 | ns2(n-1)d10np1-6

UL | w

.kch.tul.cz

Magnetické vlastnosti

http://poozacreations.blogspot.cz/2012/04/magnetic-materials.html htt

3/levita

http://en.wikipedia.org/wiki/Ferromagnetism

UL | w

.kch.tul.cz

elektrony fungují jako magnety – 2 elektrony s opačným spinem se v magnetickém účinku ruší

Látky obsahující nepárové elektrony zesilují intenzitu magnetického pole – paramagnetické (vtahovány do magnetického pole) – magnetizmus v přítomnosti pole

Látky ferromagnetické – vykazují magnetizmus v nepřítomnosti vnějšího magnetického pole, příčinou je neúplně obsazená vnitřní vrstva (Fe, Co, Ni).

Látky diamagnetické jsou magnetickým polem odpuzovány, magnetizují se opačně – zeslabují intenzitu magnetického pole.

Magnetické vlastnosti

http://en.wikipedia.org/wiki/Diamagnetism

UL | w

.kch.tul.cz

NdFeB Magnety

Spékaná směs neodym-železo-bór Geomag

UL | w

.kch.tul.cz

Děkuji za pozornost

Příští přenáška se bude zabývat

chemickou vazbou

nevazebnými interakcemi

mezi molekulami

významem chemické vazby

pro vlastnosti látek

Katedra chemie FP TUL: http://www.kch.tul.cz

CHE 01: Uvod

Education