hmota, atomy, molekuly

Hmota

• Hmota:

  • Látka (m0 > 0, převážně částicový charakter)

  • Pole (m0 = 0, převážně vlnový charakter)

• Vlastnosti látek:

  • Fyzikální – při jejich studiu se nemění identita látek

  • Chemické – při jejich studiu se látky mění

Zákony zachování

• Hmotnosti (Lomonosov 1748, Lavoisier 1774):

  • Hmotnost všech látek do reakce vstupujících = hmotnost všech reakčních produktů.

• Energie (Lomonosov 1748, Mayer 1842):

  • Energie izolované soustavy = konstantní, nezávislá na změnách v ní probíhajících.

Zákon stálých slučovacích poměrů

• (Proust 1799, Dalton 1803):

• Sloučenina obsahuje stejné relativní hmotnostní množství prvků, bez ohledu na způsob vzniku.

  • 1 g Mg se vždy sloučí s 0,658 g O2 na MgO (poměr 1 : 0,658).

  • Poměr hmotnosti S : Hg v HgS = 1 : 6,256 (nadbytek S nebo Hg zůstane vždy nezreagovaný).

Zákon násobných slučovacích poměrů

• (Dalton 1803):

• Tvoří-li spolu dva prvky více sloučenin, jsou hmotnosti jednoho prvku, připadající na určitou neměnnou hmotnost druhého prvku, k sobě v poměru malých celých čísel.

  • H2O: m(H) : m(O) = 1 : 7,9362

  • H2O2: m(H) : m(O) = 1 : 15,8724

Oxidy dusíku

• m(N) [g] m(O) [g] poměr atomů

  • N2O - 1,000 / 0,571

  • NO - 1,000 / 1,142

  • N2O3 - 1,000 / 1,713

  • NO2 - 1,000 / 2,284

  • N2O5 - 1,000 / 2,855

Daltonova atomová teorie

• (1808):

  • Každý prvek se skládá z atomů, které jsou malé, nedělitelný a nezničitelné.

  • Atomy stejného prvku mají identické vlastnosti a hmotnost, zatímco atomy různých prvků se liší.

  • Sloučeniny jsou tvořeny spojením atomů různých prvků ve stejném poměru.

  • Chemické reakce jsou reorganizace atomů.

    • Neplatí pro jaderné přeměny.

    • Neplatí pro izotopy.

    • Neplatí pro izobary.

Richard P. Feynman

• Nobelova cena za fyziku 1965:

  • „Kdyby zanikly všechny vědecké poznatky a uvádělo se pouze jedno tvrzení o atomech. Všechny věci se skládají z atomů – malých částic neustále v pohybu.“

Atomová čísla

• Atom nucleanové (hmotnostní) číslo A - například C (6)

Nuklid a izotopy

• Nuklid = soubor atomů se stejným Z a A.

• Prvek = soubor atomů se stejným Z.

• Izotopy = dva a více nuklidů téhož prvku.

• Izobary = soubory atomů se shodným A.

Látkové množství

• Základní jednotka soustavy SI.

• Avogadrova konstanta NA = 6,022 × 10²³ mol−1.

• 1 mol látky obsahuje tolik částic, kolik je atomů v 12 g nuklidu uhlíku (12C).

• n = = N/NA = m/Mr

Atomová hmotnost

• Absolutní hmotnost:

  • Atom 1H: m(1H) = 1,67355 × 10−27 kg

  • Atom 12C: m(12C) = 1,99267 × 10−26 kg

• Atomová hmotnostní jednotka mu = m(12C) / 12 = 1,66054 × 10−27 kg

• Relativní atomová hmotnost:

  • Ar(X)=m(X)/mu

  • Ar(1H) = m(1H)/ mu = 1,00782

  • Ar(12C) = m(12C)/ mu = 12,00000

"Vazeni" atomu

• Proces:

  1. Vstup vzorku do ionizátoru.

  2. Elektronový paprsek ionizuje částice.

  3. Magnetické pole odděluje nabité částice podle poměru hmotnosti a náboje.

Hmotnostní spektrum

• Izotopy B a jejich zastoupení.

• Rél. 10B (19,9%), 11B (19,9%) má 80,1% zastoupení.

Střední relativní atomová hmotnost

• Týká se přirozeného zastoupení izotopů.

• Např.:

  • Ar stř(H) = 1,00797/f( g/H)

• Ar stř(C) = 12,01112/f( g/C)

Molární hmotnost

• Hmotnost jednoho molu částic, která se rovná relativní atomové hmotnosti.

• Am(1H) = 1,00782 g.mol−1, Am(12C) = 12,00000 g.mol−1, Am stř(C) = 12,01112 g.mol−1.

Molekula

• Částice tvořená více atomy spojenými chem. vazbami.

  • Molekuly prvků (homoatomické) a molekuly sloučenin (heteroatomické).

Hmotnosti molekul

• Mr(CO2) = Ar(C) + 2 × Ar(O) = 44,01

• Mm(CO2) = 44,01 g.mol−1

Hrátky s molem (I)

• Vypočítejte látkové množství P v 10 g fosforu.

  • n(P) = 10 / 30,97376 = 0,323 mol

Hrátky s molem (II)

• Vypočítejte hmotnost 0,25 molu CH4 a počet molekul

  • m(CH4) = 0,25 × 16,04076 = 4,01 g

  • N(CH4) = 0,25 × 6,022 × 10²³ = 1,506 × 10²³

Směs vs. sloučenina

• Směs:

  • Složky lze rozdělit fyzikálními technikami, složení je variabilní.

  • vlastnosti úzce souvisejí s vlastnostmi jejích složek

  • během vzniku se produkuje jen malé množství tepla (výjimky, např. H2SO4 s vodou)

• Sloučenina:

  • Složky nelze rozdělit fyzikálními technikami, složení je konstantní.

  • vlastnosti jsou odlišné od jejích složek

  • během vzniku se produkuje znatelné množství tepla

Vzorce

• Molekulový vzorec – udává skutečné zastoupení jednotlivých atomů v molekule

• Empirický vzorec – udává pouze poměrné zastoupení jednotlivých atomů v molekule

  • Např. benzen: C6H6 (molekulový) vs. CH (empirický)

Výpočet empirického vzorce z elementární analýzy

• Elementární analýza: 74,04% C; 8,70% H; 17,26% N

• C5H7N

• Poměr hmotností: 74,04/Ar(C) : 8,70/Ar(H) : 17,26/Ar(N)

• pomer hmotnostní obecně: %(X)/Ar(X) : %(Y)/Ar(Y)

Strukturní vzorec

• Ukazuje, jak jsou atomy v molekule vzájemně spojeny, neříká nic o prostorovém uspořádání atomů.

3D reprezentace molekul

• Drátěný model, kulový model, prostorový model.

Izomerie

• Strukturní - řetězová, polohová, tautomerie; prostorová - geometrická, optická

• Izomery mají stejné stechiometrické složení, ale odlišné fyzikální a chemické vlastnosti.

Strukturni izomerie

• Příklady pro různé sloučeniny.

Prostorová izomerie

• Geometrická (cis/trans) a optická (enantiomery).

  • optická otáčivost α ▪ polarimetrie: α = [α] · c · L

Konformace

• Typ izomerie související s lehce protočitelnými vazbami.

  • nazákrytová/zákrytová nebo vaničková/židličková

Stavba atomu

• Protony (kladný náboj), neutrony (bez náboje), elektrony (záporný náboj).

Thomson a Rutherford

• Thomson (1897) odhalil elektrony, Rutherford (1911) odhalil jádro atomu.

Vazebná energie jádra

• Energie uvolněná při vzniku jádra z volných nukleonů.

• Ej = ΔM . c**^**2

• Hmotnostní úbytek (defekt) a vazebná energie definována vzorcem.

Hmotnostní defekt

• Hmotnost jádra je menší než součet hmotností všech nukleonů (ve volném stavu), z nichž se jádro skládá.

• Příčinou hmotnostního defektu je skutečnost, že při vzniku jádra z nukleonů se uvolňuje energie (tato energie se nazývá vazebná energie jádra).

• ΔM = Z . M(p) + (A – Z) . M(n) + Z . M(e) – Mexp

Stabilita jader

• Regiony stabilních nuklidů a souvislost s hmotností jader.

Přirozená radioaktivita

• Schopnost některých nuklidů vysílat záření při přeměnách atomů.

• zaření α je proud rychle letících jader atomu helia 4/2He (částice α) 11; proniká několikacentimetrovou vrstvou vzduchu, má silné ionizační účinky; při vydávání záření se původní jádro rozpadá tzv. rozpadem α

  • rozpad α: A/ZX →A-4/Z-2Y + 4/2He, nově vzniklý prvek má nukleonové číslo o 4 jednotky menší a protonové číslo o 2 jednotky menší než původní atom

• záření β: je proud elektronů (částice β-), u které se uvolňují v jádře při přeměně neutronu na proton, je asi stokrát pronikavější než záření α, ale má menší ionizační účinky; při vydávání záření se původní jádro rozpadá tzv. rozpadem β-

  • rozpad β-: A/ZX →A/Z+1Y + 0/-1e, nově vzniklý prvek má protonové číslo o 1 jednotku větší než původní atom

  • rozpad β+: vznikají pozitrony 0/1e

• záření γ: je elektromagnetické vinění podobně jako světlo, ale s mnohokrát větší energií, je nejpronikavějším jaderným zářením a obvykle doprovází záření α nebo β

Umělá radioaktivita

• působením jiných částic nebo záření na stabilní nuklidy se mohou získat umělé radionuklidy, tímto způsobem byly získány i transurany (všechny aktinoidy s vyšším z než uran) a další prvky, např. Te, Pm, At, Fr. je známo více než 1 000 umělých radionuklidů, umělá radioaktivita = samovolný rozpad těchto umělých radionuklidů

Využití radioaktivních izotopů

• datování v geologii, paleontologii a archeologii

• léčba nádorových onemocnění

• značkování při studiu reakčních mechanismů

• diagnostika v nukleární medicíně

• energetika (štěpná jaderná reakce)

NMR = nukleární magnetická resonance

• Důležité pro studium jádra s různými spins

NMR experiment

• Záznam včetně 1D a 2D spekter.

NMR spektrum

• každé jádro absorbuje elektromagnetické záření o jiné frekvenci, v závislosti na svém chemickém okolí

MRI

• Zobrazovací metoda využívající kontrastní látky.

  • Magnevist

  • Omniscan

  • Gadovist