hmota, atomy, molekuly
Základy obecné a anorganické chemie
Marek Nečas
Kontaktní informace: man@chemi.muni.cz, UKB, pavilon C12, místnost 315, tel. 549 49 6060
Literatura
Vacík J., Obecná chemie, SPN, Praha 1986.
Žúrková L., Všeobecná chémia, SPN, Bratislava 1985.
Příhoda J., Toužín J., Pomůcka pro seminář z obecné chemie, MU Brno 2012.
Gažo J. a kol., Všeobecná a anorganická chémia, ALFA, Bratislava 1978.
Klikorka J., Hájek B., Votinský J., Obecná a anorganická chemie, SNTL, Praha 1989.
Housecroft C. E., Sharpe A. G., Anorganická chemie, VŠCHT, Praha 2014.
Studijní materiály k předmětu C1601 v IS MU
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):
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).
Sloučenina obsahuje stejné relativní hmotnostní množství prvků, bez ohledu na způsob vzniku.
Zákon násobných slučovacích poměrů
(Dalton 1803):
H2O: m(H) : m(O) = 1 : 7,9362
H2O2: m(H) : m(O) = 1 : 15,8724
Hmotnosti jednoho prvku k určité neměnné hmotnosti druhého prvku jsou v poměru malých celých čísel.
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).
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(1H) = m(1H)/ mu = 1,00782
Ar(12C) = m(12C)/ mu = 12,00000
"Vazeni" atomu
Proces:
Vstup vzorku do ionizátoru.
Elektronový paprsek ionizuje částice.
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
Hmota uniformní v celém objemu?
Ano, ne, homogenní směs (roztok)
Lze ji rozdělit na jednodušší složky? Ano, ne
Směs vs. sloučenina
Směs:
Složky lze rozdělit fyzikálními technikami, složení je variabilní.
Sloučenina:
Složky nelze rozdělit fyzikálními technikami, složení je konstantní.
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 : 8,70 : 17,26
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).
Konformace
Typ izomerie související s lehce rušitelnými vazbami.
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.
Hmotnostní úbytek (defekt) a vazebná energie definována vzorcem.
Stabilita jader
Regiony stabilních nuklidů a souvislost s hmotností jader.
Přirozená radioaktivita
Schopnost některých nuklidů vysílat záření při přeměnách atomů.
Posuvový zákon
Emise částic při radioaktivitě a přeměny atomů.
Využití radioaktivních izotopů
V geologii, medicíně, energetice atd.
NMR = nukleární magnetická resonance
Důležité pro studium jádra s různými spins.
NMR experiment
Záznam včetně 1D a 2D spekter.
NMR spektrum
Chemický posun v závislosti na chemickém okolí jádra.
MRI
Zobrazovací metoda využívající kontrastní látky.