Chemie pro KS Anorganická a analytická část

Chemie pro KS Anorganická a analytická část Ing. Matyáš Orsák, Ph.D. [email protected]

Obecná chemie. Stavba hmoty.

1

Program přednášek 1. přednáška a) atom, jádro, obal, elektron, radioaktivita b) názvosloví anorg. sloučenin včetně koordinačních 2. přednáška a) periodická tabulka prvků, per. zákon, typy vazeb, pH, disociace, pufry, rozpustnost b) vyčíslování rovnic, disociace 3. přednáška a) chemické metody anal. chemie b) výpočty z rovnic, roztoky 4. přednáška a) instrumentální metody anal. chemie b) výpočty – titrace, pH Obecná chemie. Stavba hmoty.

2

Několik užitečných informací: Na disku AF M:student\chemie nebo www.af.czu.cz/kch Naleznete zde zajímavé informace z přednášek a vyrovnávacího kurzu, případně ze cvičení. Lze si zde otevřít i program na opakování anorganické chemie – výukový program CHEMIE I. Obecná chemie. Stavba hmoty.

3

Literatura: Povinnou literaturou jsou skripta:

CHEMIE I. (Vybrané kapitoly z obecné, anorganické a analytické chemie) Kolektiv autorů: Dolejšková, Marek, Hejtmánková, Mader Praha 2000


4

OBECNÁ CHEMIE STAVBA HMOTY

© Praha, 2003 Obecná chemie. Stavba hmoty.

5

ELEMENTÁRNÍ ČÁSTICE ATOMU atom (z řeckého ατοµοσ = nedělitelný) tvoří 3 základní elementární částice elektron (Thompson, 1897) katodové záření ◆ elementární náboj e- = 1,602.10-19 C 0 ◆ hmotnost elektronu me= 9,1091. 10-31 kg -1

◆

e

proton (Rutherford, 1920)

◆

1 1

p

◆

elementární náboj p+ = 1,60210.10-19 C

◆

hmotnost protonu mp= 1,67252. 10-27 kg (1840krát těžší než elektron)

neutron (Chadwick, 1932) 1 ◆ bez náboje

◆

0

n

◆

hmotnost neutronu mn= 1,67482. 10-27 kg


6

ELEMENTÁRNÍ ČÁSTICE ATOMU

částice podle hmotnosti ◆ lehké – leptony (elektron, pozitron, neutrino,…) ◆ středně těžké (mezony π, K,…) ◆ těžké – baryony (proton, neutron, hyperony,…)

fotony základní částice elektromagnetického záření ◆ nulová klidová hmotnost ◆


7

MIKROČÁSTICE DUALISTICKÝ CHARAKTER HMOTY Chování mikročástic se zásadně liší od chování těles makrosvěta a nedá se vystihnout zákony klasické mechaniky. Pro popis jevů v atomovém měřítku byla vypracována obecnější teorie – kvantová mechanika.

Základní principy kvantové mechaniky energie je kvantována ◆ korpuskulárně vlnový charakter ◆ Heisenbergův princip neurčitosti (1926) ◆

Planckova konstanta h = 6,626.10–34 J.s m = hmotnost částice ν = frekvence λ = vlnová délka záření p = hybnost Obecná chemie. Stavba hmoty.

Δ E = hν

λ=

h h = mv p

h ΔxΔp = 4π

8

Energie mikročástic je kvantována

A

1

2

3

4

5

B

B

A a

b

Obr. 1.1: Kvantování a spojitá změna energie: a) pět diskrétních hladin energie mezi poschodími A a B, b) spojité hladiny energie mezi poschodími A a B.


9

MODELY ATOMU Rutherford (1911) – jádrový model atomu rozptyl α-částic na kovových fóliích (Au) ◆ odklon asi jen u 1/20000 všech částic ⇒ pozitivní náboj je soustředěn na velice malý objem ◆ v prostoru jádra je zřejmě také soustředěna téměř veškerá hmota atomu (hustota) ◆

α≡ He 4 2

4 1 2

3 Obecná chemie. Stavba hmoty.

10

CHARAKTERISTIKY ATOMU A, nukleonové (hmotnostní) číslo

oxidační číslo

udává počet nukleonů v jádře

elektronegativita

A Z Z, atomové (protonové) číslo udává počet protonů v jádře (také počet elektronů) Obecná chemie. Stavba hmoty.

X

Q X, chemická značka prvku

N = neutronové číslo N=A–Z nukleony = protony a neutrony 11

JSOU VŠECHNY ATOMY STEJNÉ?? Prvek ◆

je tvořen souborem atomů, jejichž atomové číslo Z je shodné

16 8

O+ 178 O+ 188 O

16 8

O

x 18 O

O

17 8

K

40 20

19 9

F

Nuklid ◆

atomy mají shodné atomové číslo Z a neutronové číslo N

8

Izotop ◆

mají shodné atomové číslo Z a různé neutronové číslo N

16 8

O

18 8

O

Izobar ◆

mají shodné nukleonové číslo A a různé atomové číslo Z


40 19

Ca 12

Stabilní izotopy S Prvek

Rel. at. hm

Rel. at.zastoupení %

H He Li Be B C N O

F Ne

Na

AI Si

P

1,00783 2,01400 3,01608 4,00280 8,01512 7,01600 9,01218 10,01294 11,00931 12,00000 13,00336 14,00307 15,00011 15,99492 16,99913 17,99918 18,99840 19,99244 20,99384 21,99138 22,98977 23,98504 24,98584 25,98259 28,98154 27,97893 28,97850 29,97377 30,97378


99,9850 0,0150 0,0001 99,9999 7,5000 92,5000 100,0000 19,9000 80,1000 98,9000 1,1000 99,6340 0,3660 99,7620 0,0380 0,2000 100,0000 90,5100 0,2700 9,2200 100,0000 78,9900 10,0000 11,0100 100,0000 92,2300 4,6700 3,1000 100,0000

CI Ar

K

Ca

Sc Ti

V Cr

Mn

31,97207 32,97146 33,98787 35,98708 34,96885 36,96590 35,96755 37,96273 39,96238 38,98371 39,96400 40,96183 39,96259 41,95862 42,95877 43,95548 45,95389 47,95253 44,95591 45,95263 46,95178 47,94795 48,94787 49,94479 49,94718 50,94398 49,94605 51,94051 52,94085 53,93888 54,93805

95,0200 0,7500 4,2100 0,0200 75,7700 24,2300 0,3370 0,0630 99,6000 93,2581 0,0117 6,7302 96,9410 0,8470 0,1350 2,0880 0,0040 0,1870 100,0000 8,0000 7,3000 73,8000 5,5000 5,4000 0,2500 99,7500 4,3450 83,7890 9,5010 2,3850 100,0000

13

JSOU VŠECHNY ATOMY STEJNÉ?? Poměrné zastoupení izotopů téhož prvku není přesně konstantní – (vodík, lehké prvky) ◆ využití – přírodovědné obory (koloběh vody, živin, …)

M(11H) = 1,67 . 10 -27 kg

Atomová hmotnost ◆ absolutní pro praxi nevhodné vyjádření ◆ relativní MR, jednotkou je 1 u ◆

relativní molární hmotnost – jednotkou je g.mol-1

Bez izotopů ≈ celá čísla

M(126 C) 1u = = 1,66 . 10 -27 kg 12

s izotopy

14 7

N+

15 7

N

MR (N) = 14,00307 × 0,99636 + 15,00011× 0,00364 = 14,0667 Obecná chemie. Stavba hmoty.

14

STABILITA ATOMOVÝCH JADER Atomové jádro – ◆

p+ n

1 1

1 0

vazebná energie, úbytek hmotnosti

ΔM = Z M(11p) + (A − Z) M( 01n) + Z M( − 01e) − M( AZ X) Vazebná energie ↔ štěpení

E = Δ Mc ≈ 0,7 − 0,9 % 2

Síly – ◆

přitažlivé jaderné

◆

odpudivé coulombovské


c = 3.10 ms 8

−1

15

STABILITA ATOMOVÝCH JADER Energie chemického procesu – 105 až 106krát menší ◆

nemůže ovlivnit jádro atomu

Fe U


16

STABILITA ATOMOVÝCH JADER 279 stabilních nuklidů v přírodě 56 radioaktivních stabilní nuklidy

2 1

D, 63 Li, 105 B, 147 N


17

STABILITA ATOMOVÝCH JADER magická čísla pro celkový počet protonů nebo neutronů

2, 8, 20, 28, 50, 82, 126 208 82

Pb

velmi stabilní nuklid !


18

RADIOAKTIVITA Objev H. Becquerel (1886) – expozice fotografické desky sloučeninou uranu ◆

spontánní emise subatomových částic

238 92

U→

α≡ 42 He,

0 -1

e,

0 +1

e

Th+ He

234 90

4 2

přeměna prvku Proč? Malá stabilita jádra ◆ ◆

nadbytek protonů nebo neutronů nízká vazebná energie


Pierre Curie (1867-1934) & Marie Curie-Skłodowska (1859-1906) 19

TYPY PŘEMĚN

Přeměny α (těžká jádra Z > 83)

Th→

232 90

228 88

Ra + He 4 2

Z →Z - 2 A →A-4

Přeměny β– (přebytek neutronů)

15 6

C→

15 7

N+ e 0 -1


n→ 11p+ −01e

1 0

Z→ Z+ 1

Důvod – změna poměru n/p

20

TYPY PŘEMĚN Přeměny β+ (rel. přebytek protonů)

12 7

N→

12 6

p→ 01n+ +01e

1 1

C+ e 0 +1

Z → Z -1

uměle připravené prvky

Přeměny γ (relativní přebytek protonů)

7 4

Be+ e→ Li 0 -1

7 3

doplnění elektronu z vyšší hladiny doprovází α, β, Obecná chemie. Stavba hmoty.

0 −1

e + 11p→ 01n

Z → Z -1

Δ E = hν

γ – samostatně výjimečně 21

RADIOAKTIVNÍ ŘADY – POSUVOVÉ ZÁKONY Sled radioaktivních prvků – 4 řady (1 umělá řada)

Radiometr je určen k proměřování pracovníků, pracovních ploch a pomůcek na pracovištích s radioaktivními látkami, kde se pracuje se zářiči gama. Může indikovat úroveň přirozeného pozadí, respektive jeho zvýšenou velikost. Při překročení nastavitelné úrovně se ozve zvukový signál. Vestavěná energeticky kompenzovaná GM trubice detekuje záření gama s energií vyšší než 30 keV gama. Naměřená hodnota je indikována na LCD zobrazovači v uSv/h. Každý registrovaný impuls je indikován zvukově a znakem na LCD displeji. Zvuková indikace se může vypnout tlačítkem. Přístroj je napájen z vestavěného akumulátoru Li-ion. Je umístěn v krabičce z umělé hmoty kapesního formátu.

současně emise α, β– částic jednotky radioaktivity 1 curie (Ci) – počet rozpadů za sekundu v 1 g Ra 1 becquerel (Bq) – 1 rozpad za sekundu 1 Ci = 3,7 . 1010 Bq Obecná chemie. Stavba hmoty.

22

RYCHLOST RADIOAKTIVNÍHO ROZPADU

−

dN = kN ⇒ N = N0e − kt dt

N – počet jader v čase t N0 – počet jader na počátku k – rozpadová konstanta (pravděpodobnost rozpadu jádra za jednotku času) T1/2 – poločas rozpadu 10 poločasů ~ 1/1000 N0 ⇒ prvek „vymře“ problém radioaktivního odpadu !!! Obecná chemie. Stavba hmoty.

23

ÚČINKY RADIOAKTIVNÍHO ZÁŘENÍ

α-záření vysoká ionizace nízká penetrace

β-záření nižší ionizace vyšší penetrace


γ-záření nízká ionizace vysoká penetrace

24

VÝSKYT RADIOAKTIVNÍCH PRVKŮ V PŘÍRODĚ Radioaktivní prvky – poločas rozpadu ≈ stáří Země

238 92 40 19

U

K

235 92 87 37

U

232 90

Rb

175 71

Th

Lu

zářiče α

103 45

Rh

115 49

In

zářiče β–

Radioaktivní prvky z rozpadových řad – poločas rozpadu relativně krátký


25

UMĚLÉ RADIOAKTIVNÍ PRVKY

Vznik: jadernými reakcemi tj. zasažením jádra částicí z radioaktivního zářiče (alfa záření) ◆ z urychlovače (neutrony) ◆

Jaderné přeměny ◆

N+ He→

11

4

prosté (transmutace) 7 2 ◆ Rutherford (1919) ◆ nové jádro se málo liší od původního ◆ vzniklé jádro se rozpadá ⇒ umělá radioaktivita


17 8

O+ p 1 1

26

UMĚLÉ RADIOAKTIVNÍ PRVKY http://sensor.feld.cvut.cz/bavig/

Jaderné přeměny ◆

štěpné – Fermi, Hahn, Joliot (1934 – 1939)

235 92

U+ n→ 1 0

140 56

Ba +

93 36

Kr + 3 n + E 1 0

Lavinovité štěpení ⇒ exploze ◆

princip atomové bomby (106 až 107 °C v epicentru)

Řízený průběh ◆

200 MeV

atomové reaktory ◆ moderátory (těžká voda D2O, grafit, bór,…)


27


28

TERMONUKLEÁRNÍ REAKCE Syntéza stálejších produktů z lehkých jader princip vodíkové bomby, Teller (1952, atol Eniwetok) ◆ Slunce a jiné hvězdy... ◆

4 p → 1 1

4 2

He + 2

e+ E

0 +1

teplota T > 106 °C


29

Tokamak – termojaderná fúze vodíku

www-troja.fjfi.cvut.cz/~drska/edu/webfyz/tokamak/index.html Obecná chemie. Stavba hmoty.

30

ITER (latinsky Iter - cesta) International Thermonuclear Experimental Reactor Mezinárodní termonukleární experimentální reaktor ITER je projekt připravovaného tokamaku, který by se měl stát předstupněm ke komerčnímu využití termonukleární fúze v energetice. Jde o druhý nejdražší mezinárodní vědecký projekt (po Mezinárodní vesmírné stanici) – celkový rozpočet projektu je €10 mld., z čehož polovinu uhradí Evropská unie a zbytek ostatní účastnické státy: USA, Rusko, Čína, Japonsko, Jižní Korea a Indie (v brzku se očekává přistoupení Brazílie k projektu). Výstavba ve francouzském městě Cadarache by měla začít v roce 2007 a reaktor by mohl být uveden do provozu v roce 2016. Plánovaný výkon by měl být 500 MW během zážehů plazmatu trvajících až 500 s. Obecná chemie. Stavba hmoty.

31

VYUŽITÍ RADIOIZOTOPŮ 1. Analytická chemie ◆

NAA – Neutronová Aktivační Analýza (stopová množství)

2. Chemie a biologie ◆ ◆

studium mechanismu reakcí (stopování) určování distribuce prvků v biologickém materiálu radioenzymová analýza (REA)

3. Medicína ozařování nádorů paprsky γ (gama) ◆ sterilizace krve ◆

4. Zemědělství ošetření potravin (ničení choroboplodných zárodků) ◆ prodloužení dormance brambor 238 ◆

5. Určení stáří

hornin ◆ organismů ◆


92

14 6

U

C 32

NEGATIVNÍ DŮSLEDKY ZÁŘENÍ Ionizace ◆ narušení chemických vazeb ◆ poškození tkání ◆ mutagenní, kancerogenní a teratogenní účinky ◆

!!! Nejvíce nebezpečné !!! Radioaktivní izotopy s poločasem rozpadu srovnatelným se stářím živých organismů 90 T1/2 = 28 roků 38 β– 0,53 MeV

Sr


33

Chemie pro KS Anorganická a analytická část

Recommend Documents