YCHS, XCHS I.•
Úvod: plán přednášek a cvičení, podmínky udělení
zápočtu a zkoušky.•
Základní
pojmy: jednotky a veličiny, základy
chemie.•
Stavba atomu a chemická
vazba.
•
Skupenství
látek, chemické
reakce, fyzikální chemie.
•
Historický vývoj: pojiv, stavebních látek a architektury.
Veličiny-
základníLátkové
množství: n [mol]
Jeden mol je takové
množství
látky, které
obsahuje právě
tolik částic, kolik atomů
obsahuje přesně
12 g nuklidu
uhlíku . Tento počet
udává
Avogadrovo
číslo.
Látkové
množství
je dáno podílem N částic v
systému a Avogadrovy konstanty NA
Molární
hmotnost: M [kg mol-1]Molární
hmotnost vyjadřuje hmotnost 1 molu chemicky homogenní
látky.kde ma
je hmotnost vzorku.
Atomární
hmotnost: A [-]Vyjadřuje hmotnost 1 molu atomů
daného prvku, tabelováno.
23100221367,6 ±=AN
ANNn =
a
aa M
mn =
Základy chemie
LátkyČisté
Směsné
Chemické
prvky Chemické
sloučeniny
Heterogenní
HomogenníAtom
Molekula
keramika, slitiny
O, Si, Al, Fe
atd.
NaCl, NaOH
atd. beton
sklo
Co je to chemie?
Studium jevů
Stavba atomu
hmotnost elektronu je pouhá
1/1837 hmotnosti protonu → většina hmotnosti atomu je soustředěna do jeho jádra
výsledný rozměr celého atomu je až 100 tisíckrát větší
než
je rozměr
jádra
velikost atomu lze zaznamenat pomocí
maximálního zvětšení
na
transmisním elektronovém mikroskopu
Základní
částice mikrosvěta
11 p
10 n
01e−
Proton:Náboj
+1,602177.10-19C
Hmotnost mp
=1,67262.10-27kg– mp
= 1836 me
Neutron: Náboj 0CHmotnost mn=1,67493.10-27kg
–
mn= 1839 meElektron:
Náboj –1,602177.10-19CHmotnost me=9, 10939.10-31kg
–
mp
= 1839 me
John Alexander Reina
Newlands
(1864)-anglický analytický chemik, navrhl první
periodickou tabulku prvků, v které
byly prvky uspořádány podle atomové
hmotnosti.
Tvrdil, že jsou-li prvky takto uspořádány, jako by se u nich opakovaly určité
vlastnosti na
každém osmém místě
–
tzv. zákon oktáv
a přirovnal uspořádání
prvků
k oktávám na
klávesnici klavíru. Dmitrij
Ivanovič
Mendělejev
(1869)
Dnes je známo, že prvky nejsou uspořádány podle relativní
atomové
hmotnosti, ale podle stoupajícího
protonového čísla. Mendělejevův
periodický zákon však byl zpočátku
přijat se značným skepticismem a nebyl dlouhou dobu uznáván. Až
s objevením prvků
gallia
(1875), skandia
(1879) a germania (1886), které
Mendělejev předpověděl již
v roce 1871, byl periodický zákon
všeobecně
přijat.
Chemická
vazbaInterakce s vazebnými elektrony
Iontová
vazbaKovalentní
vazba
Kovová
vazba
Slabší
vazebné
interakceVodíková
vazba
Van der Waalsova
vazba
Ve výjimečných případech se v
přírodě
vyskytují
volné
atomy, např. jednoatomové
molekuly vzácných plynů, ostatní
se slučují
pomocí
valenčních sil do složitějších útvarů.
Chemická
vazba je síla, která
drží
skupinu dvou či více atomů pohromadě
a uděluje jim funkci základní
jednotky.
Podstatou slučování
jsou změny ve valenční
sféře atomů
vedoucí ke vzniku společného přetvořeného elektronového systému, který
má
nižší
energii a je tedy stabilnější.
Chemickou vazbu charakterizuje disociační
energie, která odpovídá
práci potřebné
k rozštěpení
vazby mezi atomy (=množství
energie ovolněné
při vzniku vazby), a délka vazby.
Vztah mezi elektronegativitou
a typem vazby
Rozdíl elektronegativit typ vazby kovalentní iontovýmezi vazebnými atomy charakter
nulový
kovalentní
střední
polárně
kovalentní
velký
iontová
klesá
stoupá
NaCl
Iontová
vazba: •velmi pevná•energie 2-5 eV•snadno se rozruší
rozpouštědly, např. vodou,
dochází
k uvolnění
iontů, tzv. disociace
Co způsobuje iontová
vazba?•vysoký bod tání
-
NaCl
asi 800°C
•velmi vysoký bod varu -
NaCl
1442°•roztoky iontových sloučenin vedou dobře elektrický proud •velká mechanická pevnost
Příklady látek s iontovou vazbou: NaCl, CaCl2
, MgBr2
, AlF3
, BaO, MnO2
Kovalentní
vazba:•energie je řádově
3-7 eV
•nepolární•tvoří
molekulové
krystalové
mřížky
•ve vodném roztoku nepodléhají
elektrolytické
disociaci•obvyklé
zejména u organických sloučenin
Kovalentní
vazby jsou prostorově
orientované.
Jednoduchá
vazba dvou atomů
vodíku.
Trojná
vazba v
molekule N2.
Kovová
vazba
typická pro kovyod atomů
kovů
se oddělí
elektrony a zůstanou volné
→
pohyblivé
→
přenáší
elektrický proud ve vodičíchnejjednodušší model kovové vazby: krystal kovu se skládá
z kationtů
rozmístěných v pravidelné
prostorové
mřížce, mezi nimiž
se volně pohybují
valenční
elektrony, tzv. elektronový plyn.
Energie kovových vazeb:
~1.5-4 eV
Typické
fyzikální
vlastnosti kovů: •Lesk•Vodivost•Magnetické
vlastnosti
•Kujnost•Tažnost•Vysoký bod tání
a varu
Slabší
vazebné
interakceVazba vodíková
(vodíkový můstek)
atom vodíku vázaný na atom fluóru, dusíku nebo kyslíku, tj. na prvky s vysokou elektronegativitou
a volným elektronovým párem → atom vodíku
je zde vázán silně
polární
kovalentní
vazbou a vazbou vodíkovou
Pevnost vazby:
20 kJ/molVodíkové
můstky:
intramolekulární
-
uvnitř
téže molekuly, např. DNA
intermolekulární
–
mezi dvěma molekulami, např. voda, čpavekCo způsobuje?•mění
fyzikální
vlastnosti látek
•omezuje volnou pohyblivost molekul, tím zvyšuje bod varu, měrné
teplo a viskozitu. Látky s vodíkovou vazbou vytvářejí
určité
shluky částic. Zvláště
důležité
jsou pro tvrdnutí
maltovin.
Van der Waalsovy
sílynejslabší
mezimolekulové
síly
vysvětluje se jimi odlišné
chování
částic v plynném stavu od stavu teoretického (ideálního)
Interakce nepolárních atomů → vznik
okamžitého dipólu, přičemž
směr a jeho velikost se rychle mění, tzv. indukovaný dipól
Nejsnadněji se polarizují
nepolární
molekuly, obtížněji ionty a nejhůře anorganické
ionty.
Vysvětlení
řady jevů: zvýšení
teploty varu vzácných plynů, tvorba roztoků, soudržnost molekul v molekulových krystalech
Skupenství
látek
Krajní
stavy látek podle vzájemných vazeb a vztahů
mezi atomy, ionty a
molekulami:1.
Stav ideálního plynu
2.
Stav ideálního krystalu3.
Reálné
látky v plynném, kapalném a
pevném skupenství
Plynné
skupenství
•
potenciální
energie už
je menší
než
kinetická energie, proto se molekuly pohybují
volně
prostorem, dokud nenarazí
na jinou molekulu•
nemají
stálý tvar ani objem
Kapalné
skupenství
•
Potenciální
energie molekul je trochu větší
než
jejich kinetická energie, proto se
molekuly mohou pohybovat a vzájemně
se
po sobě
smýkat, ale nemohou se odpoutat
•
nemají
stálý tvar, ale zachovávají
stálý objem
Pevné
skupenství•
Látky krystalické: krystalová
mřížka -
pevná
struktura, v
níž
se pravidelně
opakuje geometrické
uspořádání
atomů. •
zachovávají
tvar a objem
•
potenciální
energie molekul je značně
větší
než
jejich kinetická
energie, proto se molekuly pohybují
jen v
blízkosti
jednoho bodu, nemohou se vzájemně
vyměňovat.•
Látky amorfní
•
Izotropní
a anizotropní
látky•
MOHSOVA STUPNICE TVRDOSTI
Fyzikální
děj, při kterém se mění skupenství
látky, se nazývá
změna
skupenství.•
Tání:
zahříváme těleso z
pevné
látky, při dosažení
teploty tání
tt
se přestane zvyšovat teplota a pevná
látka se začne přeměňovat na kapalinu
stejné
teploty. •
Tuhnutí:
ochlazujeme kapalinu, mění
se při teplotě
tuhnutí
v
pevnou látku téže teploty. •
Teplota tuhnutí
je rovna teplotě
tání.
•
Látky při tání
nebo tuhnutí
mění
svůj objem. •
Když
zvýšíme tlak na pevnou látku, zmenší
se
teplota tání.
•
Sublimace
je přeměna pevné
látky přímo ve skupenství plynné
a desublimace
je přeměna látky ve skupenství
plynném na skupenství
pevné. •
Při vypařování
se musí
molekulám, které
se uvolňují
z
kapaliny, dodat kinetická
energie –
skupenské
teplo vypařování
–, ale při tom látce nedodáváme žádné
teplo
zvnějšku. Při vypařování
se snižuje teplota kapaliny
⇒
toho se využívá
pro konstrukci chladniček.
•
Obrácený děj k
vypařování
a varu je kapalnění
(kondenzace). Při tomto ději se pára v
důsledku zmenšování
svého objemu
nebo snížení
teploty přemění
na kapalinu. •
Při kapalnění
se uvolní
skupenské
teplo kondenzační,
vztaženo na kilogram
měrné
skupenské
teplo kondenzační. Je stejně
velké
jako skupenské
teplo varu a měrné
skupenské
teplo varu.
Chemické
reakce
•
proces vedoucí
ke změně
chemické
struktury chemických látek.
•
Látky, které
do reakce vstupují
nazýváme reaktanty, látky z reakce vystupující
jsou produkty.
•
Při tomto procesu dochází
ke změnám v rozmístění elektronové
hustoty v molekule, zjednodušeně řečeno
dochází
k zániku a vzniku chemických vazeb. •
Chemické
reakce popisujeme pomocí
chemických rovnic.
Typy reakcí
•
Syntéza
–
ze dvou nebo více prvků
nebo sloučenina vznikne produkt, který je většinou složitější
než
výchozí
látky. N2
+ 3 H2
→ 2 NH3
•
Dekompozice
–
molekula se rozpadne na několik jednodušších látek 2 H2
O → 2 H2
+ O2
•
Substituce
–
část molekuly je nahrazena jným
atomem
nebo skupinou 2 Na + 2HCl → 2 NaCl
+ H2
•
Podvojná
záměna –
dvě
látky si při reakci vymění
atomy nebo funkční skupiny.
NaCl
+ AgNO3
→ NaNO3
+ AgCl
•
Hoření
–
prudká
oxidace
(nejčastěji) kyslíkem. Jedná
se o velmi exotermní reakci.
C10
H8
+ 12 O2
→ 10 CO2
+ 4 H2
O
Tepelné
zabarvení
reakcí
•
exotermické reakce – během reakce se teplo uvolňuje, tzn. energie reaktantů
je vyšší
než
energie produktů
(např.
hoření) •
endotermické reakce – během reakce se teplo spotřebovává
(musí
se do soustavy dodávat), tzn. energie reaktantů
je nižší
než
energie produktů
(např. tepelný rozklad uhličitanu
vápenatého)
Základní pojmyMateriál:látka nebo směs látek v
pevném stavu, která
plní
určitou fyzikální
funkci –
charakterizují
ji -
pevný stav, tvar,
fyzikální
funkce ), za normálních podmínek stabilní
Stavební
pojiva: skupina látek, která
s
vodou tvoří zpracovatelnou směs. Po zatvrdnutí
získávají
potřebné
mechanické, fyzikálně
chemické
a chemické
vlastnosti a spolu s
plnivy tvoří
složené
neboli kompozitní
materiály.
–
mají
schopnost přecházet ze stavu viskózního či plastického do stavu pevného beze ztráty celistvosti, nejlépe bez objemové
změny
–
základní
vlastností
je vaznost, tedy schopnost spojovat částice cizích hmot v
pevný celek (=schopnost smáčet
povrchy v
kapalném i tuhém stavu)–
dělí
se na maltoviny, lepy(spojují
kusy tuhé
látky) a tmely
(vyplňují
dutiny a upravují
nerovnosti povrchů).
Anorganická
pojiva:v důsledku chemických procesů, hydratace,
karbonatace, polymerace nebo jiná
chemická reakce, tvoří hmoty s měřitelnými mechanickými
vlastnostmi, především pevností–
Patří sem maltoviny, fosfátová, hořečnatá
pojiva, pojiva na bázi vodního skla atd.
Maltovina:
společný název pro anorganická
stavební
pojivaúčinná
složka malt
pojivo, které
umožňuje tvárlivost maltDělení maltovin podle jejich chování v zatvrdlém stavu vůči vodě (hydrauličnosti):
1.vzdušné
(nehydraulické)
–
jíly, hlína, sádra a sádrová pojiva, vápno, hořečnatá
maltovina (po zatuhnutí
se ukládají
na
vzduchu)2. směsné
s
hydraulickými přísadami
–
skládají
se ze dvou
složek, z
nichž
ani jedna sama o sobě
není
hydraulická, po smísení
a rozdělání
s
vodou se chovají
hydraulicky (vápeno-pucolánové
maltoviny)3. skrytě
(latentně) hydraulické
–
po přidání
vhodných
urychlovačů
(budiče) se vzbudí
hydrauličnost (zásadité vysokopecní
strusky)
4. hydraulické
(vodní)
–
hydraulické
vápno, románský cement, cement na bázi portlandského slínku, speciální
pojiva
(tuhnou ve vlhkém prostředí, tvrdnou a zvyšují
pevnost ve vodě)
