Transcript Chemie – její postavení v přírodních vědách

CHEMIE
Ing. Radim Škuta Ph.D.
Katedra chemie (617), kancelář: A 628
tel.: 597 324 323
e-mail: [email protected]
Rozsah předmětu:
přednášky: 2 hod. týdně
cvičení :
2 hod. týdně – výpočtové
Literatura:
Kostura, Gregorová: Základy chemie pro strojní obory,
VŠB-TUO, 2000.
Tržil, Ullrych, Slovák: Příklady z chemie, VŠB-TUO, 2005.
Kostura, Gregorová: Příklady z chemie pro bakalářské obory,
VŠB-TUO, 2004.
CHEMIE – POSTAVENÍ
V PŘÍRODNÍCH VĚDÁCH
Stavba látek a jejich
klasifikace
ČÍM SE CHEMIE ZABÝVÁ?
 vztahem složení a struktury látek k jejich vlastnostem,
 kvalitativními změnami látek, tj. změnami jejich podstaty
(chemické reakce).
Studuje:
 podmínky jejich průběhu – vliv teploty, tlaku,
katalyzátoru, koncentrace reagujících látek…atd.
 úkazy provázející tyto děje – vzrůst, nebo pokles
teploty, fluorescence, …atd.
ROZDĚLENÍ CHEMIE
Základní disciplíny:
 chemie obecná,
 chemie anorganická,
 chemie organická
Interdisciplinární a aplikované obory:
- fyzikální,
- analytická,
- jaderná,
- makromolekulární,
- biochemie..atd.
ZÁKLADNÍ VLASTNOSTI HMOTY
Klasifikace hmoty:
 Látka – forma hmoty s přetržitou strukturou:
Soustava samostatných částic, s nenulovou
klidovou hmotností.
 Pole – forma hmoty s nepřetržitou strukturou:
Uskutečňuje se prostřednictvím tzv. energetických
kvant, která se pohybují určitou rychlostí a mají
nulovou klidovou hmotnost.
STAVBA LÁTEK A JEJICH KLASIFIKACE
Elementární částice
Elektrony
Protony
Neutrony
Stavební jednotky chemických látek
Atomy
Ionty
Molekuly
Čisté látky (Chemická individua)
Prvky
Sloučeniny
Složené látkové systémy
Směsi
Roztoky
Chemické látky
ELEMENTÁRNÍ ČÁSTICE
částice
hmotnost
náboj
elektron
9,1091.10-31 kg
-1,602.10-19 C
proton
1,6725.10-27 kg
+1,602.10-19 C
neutron
1,6748.10-27 kg
0
Všimněme si, že protony a neutrony mají vzájemně zhruba
srovnatelnou hmotnost, avšak elektrony jsou mnohem lehčí.
Závěr – elektrony by mohly být klasickými elementárními
částicemi, avšak protony a neutrony jimi nebudou.
1964 – M.Gell-Mann a G.Zweig předpověděli kvarkovou
strukturu protonů a neutronů (r.1969 prokázána).
1974 – teorie, která počítá s preony – hypotetickými částicemi,
z nichž se mohou skládat kvarky (dodnes chybí důkaz).
STAVBA LÁTEK A JEJICH KLASIFIKACE
Elementární částice
Elektrony
Protony
Neutrony
Stavební jednotky chemických látek
Atomy
Molekuly
Ionty
Čisté látky (Chemická individua)
Prvky
Sloučeniny
Složené látkové systémy
Směsi
Roztoky
Chemické látky
STAVEBNÍ JEDNOTKY CHEMICKÝCH LÁTEK
Atom - základní částice běžných látek, kterou už
chemickými prostředky dále nelze dělit a která
definuje vlastnosti daného chemického prvku.
5.stol. př. n. l. (Demokritos) - filosofická teorie, podle které
nelze hmotu dělit donekonečna, neboť na nejnižší úrovni
existují dále nedělitelné částice - atomos.
Přelom 18. a 19. stol. - John Dalton – základ moderní
atomistiky
 Každý prvek má jiný atom.
 Atomy jednoho prvku mají stejné vlastnosti.
STAVEBNÍ JEDNOTKY CHEMICKÝCH LÁTEK
Molekula – nejmenší částice látky, která je schopna
samostatné existence v prostoru.
Je tvořena určitým počtem atomů:
• stejného druhu (v případě prvků)
např.: H2, Cl2, O2, P4, S8
• různého druhu (v případě sloučenin)
např.: H2SO4, CO2, Fe(OH)2….atd.
STAVEBNÍ JEDNOTKY CHEMICKÝCH LÁTEK
Ionty - elektricky nabité částice atomární velikosti
(atomy, molekuly, někdy i skupiny atomů či molekul).
Klasifikace iontů:
 kladně nabité (kationty) – např. Na+, K+, Ca2+
 záporně nabité (anionty) – např. Cl-, F-, O2 jednoduché – Cl-, O2-, Ag+, Cr3+
 složené – NH4+, OH-, PO43-
VLASTNOSTI MIKROČÁSTIC

Hmotnost - mat.,mmk ,mi - skutečné hmotnosti atomů,
molekul, iontů (cca 10-27-10-25 kg).
Relativní atomová hmotnost je určena vztahem:
Ar 
m at
mu
kde: mat je klidová hmotnost atomu,
mu je atomová hmotnostní
konstanta (1,661.10-27 kg)
Hodnota Ar pro každý prvek je tabelována v periodické
soustavě prvků (PSP). Ar je bezrozměrná veličina.
Relativní molekulová hmotnost Mr jakékoli molekuly je
dána součtem Ar všech atomů, které ji tvoří.
Elementární částice
Elektrony
Protony
Neutrony
Stavební jednotky chemických látek
Atomy
Molekuly
Ionty
Čisté látky (Chemická individua)
Sloučeniny
Prvky
Složené látkové systémy
Směsi
Roztoky
Chemické látky
ČISTÉ LÁTKY (CHEMICKÁ INDIVIDUA)
 Prvky - látky složené z atomů stejného druhu. Nelze je
chemicky dále dělit na látky jednodušší.
- nesloučené (jednoatomové prvky): He, Ne, Ar…,
- sloučené (víceatomové): H2, O2, P4, S8 …atd.,
- vázané v krystalové struktuře např.: C v diamantu, nebo grafitu
 Sloučeniny - látky tvořené stejnými molekulami, které vznikly
sloučením dvou, nebo více různých atomů.
- samostatné molekuly - v plynném skupenství, např. CO2,
- jednotlivé molekuly ve struktuře nelze identifikovat
(pevné skupenství) - např. SiO2 (křemen)
- soustava vzájemně se obklopujících iontů např. NaCl, CaF2, KNO3….atd.
Elementární částice
Elektrony
Protony
Neutrony
Stavební jednotky chemických látek
Atomy
Molekuly
Ionty
Čisté látky (Chemická individua)
Sloučeniny
Prvky
Složené látkové systémy
Směsi
Roztoky
Chemické látky
SLOŽENÉ LÁTKOVÉ SYSTÉMY
Soustavy dvou nebo více čistých látek (složek), které lze
fyzikálními metodami oddělit ze systému a které jsou
schopné samostatné existence.
 homogenní - má ve všech svých částech stejné vlastnosti.
např.: roztoky vzájemně dobře mísitelných látek
 heterogenní - skládá se z několika okem rozlišitelných
homogenních oblastí (fází). Na rozhraní fází se vlastnosti
soustavy mění skokem.
např.: soustava voda-led, směsi vzájemně omezeně
rozpustných, či nerozpustných látek
 Roztoky - vícesložkové, jednofázové (a tedy homogenní)
soustavy, bez ohledu na jejich skupenství.
- kapalné (např. kuchyňská sůl ve vodě, soustava benzentoluen,…atd.),
- plynné (směsi plynů - např. vzduch, propan-butan, apod.),
- pevné (např. slitiny kovů – mosaz, bronz, pájka,…atd.)
 Směsi – vícefázové (tudíž heterogenní), vícesložkové
soustavy (např. žula).
Rozlišení homogenity a heterogenity není vždy zcela
jednoznačné – při čím dál jemnější zrnitosti fází se
heterogenní soustavy blíží soustavám homogenním.
Za hraniční oblast homogenity se považuje rozmělnění
fází na částice o rozměrech 1- cca 500 nm.
Název
pravé roztoky
koloidní
disperze
hrubé disperze
Velikost
částic
 10-9 m
10-7 – 10-9 m
> 10-7 m
Typ částic
molekuly, atomy,
ionty
obří molekuly,
shluky atomů
zrnka samostatné
fáze
ZÁKLADNÍ CHEMICKÉ POJMY
Máme-li stanovit velikost určitého systému, lze uvést tři
údaje:
• hmotnost systému (m)
• objem systému (V)
• počet částic tvořících systém (N)
Množství hmoty v systému vyjádřené počtem základních
částic se označuje jako látkové množství (n), jednotkou
této veličiny je [mol].
Mol - je látkové množství soustavy, jejíž počet základních
částic (atomů,molekul, či iontů) je roven počtu atomů
ve 12g nuklidu uhlíku 12C.
Tento počet udává Avogadrova konstanta
NA = 6,022.1023 mol-1
Látkové množství soustavy (n) se vyjadřuje vztahem:
n
N
NA
kde N je celkový počet částic
v systému
Veličiny vztažené na látkové množství - molární veličiny.
 Molární hmotnost – hmotnost soustavy o látkovém
množství 1 mol.
M
B

mB
[g.mol-1]
nB
Molární hmotnost každého prvku je tabelovaná v periodické
tabulce a je číselně rovna jeho Ar. Liší se pouze jednotkou.
Molární hmotnost sloučeniny AxByCz = součet molárních
hmotností prvků vynásobených stechiometrickými koeficienty.
M(AxByCz) = xMA + yMB + zMC
 Molární objem – používá se u plynných látek.
Vm ( B ) 
V (B)
n(B )
[dm3.mol-1]
Tato veličina je silně závislá na tlaku a teplotě.
Za normálních podmínek (101 325 Pa; 273K) má molární
objem ideálního plynu hodnotu:
Vm,0= 22,4 dm3.mol-1
Avogadrův zákon:
Stejná látková množství různých plynů zaujímají za stejných
podmínek stejné objemy.
Oxidační číslo:
Elektrický náboj, který by byl přítomen na atomu prvku,
kdybychom rozbili všechny vazby ve sloučenině a vazebné
elektrony každé vazby, která z tohoto atomu vychází,
přidělili elektronegativnějšímu vazebnému partneru.
Oxidační čísla mohou být:
• kladná
• záporná
Označují se římskou číslicí vpravo nahoře,
za symbolem prvku.
• nula
• necelistvá - Označují se zlomkem
(arabskými číslicemi)