MO 1 - Základní chemické pojmy Hmota, látka, atom, prvek, molekula, makromolekula, sloučenina, chemicky čistá látka, směs. Hmota • Filozofická kategorie, která se používá k označení objektivní reality v jejím ustavičném pohybu a vývoji. • Hmota působí na naše smyslové orgány, a tím se odráží v našem vědomí. • Přírodní formy zkoumají jednotlivé formy existence hmoty, které lze rozdělit do dvou hlavních skupin - na pole a látky. • Formy hmoty mají dualistický charakter. U polí převládá vlnový charakter, u látek částicový charakter (korpuskulární). Pole • Všechna známá fyzikální pole: jaderné, elektrické, magnetické, gravitační, ... • Elektromagnetické pole se prostřednictvím elementárních kvant (fotonů záření) účastní většiny chemických, fyzikálních i biologických procesů. Z elektromagnetického záření různých vlnových délek je nejvýznamnější světlo - záření o vlnové délce přibližně 400 až 760 nm.
Látky • Formy hmoty, mají částicový (korpuskulární) charakter. • Vnímáme je jako konkrétní objekty (tělesa) • Liší se navzájem liší druhem stavebních částic a jejich uspořádáním - strukturou, určuje vlastnosti látek. • Vlastnosti látek se projeví při dějích. Rozlišujeme • Děje fyzikální - nemění se kvalita látky (např. změna skupenství) . Vlastnosti charakterizující fyzikální děj jsou fyzikální vlastnosti (např. teplota tání, varu). • Děje chemické (chemické reakce) - látka se při ději změní (např. koroze, tepelný rozklad CaCO3, reakce vodíku s kyslíkem).Vlastnosti charakterizující chemický děj jsou vlastnosti chemické.
Atom • Z chemického hlediska základní stavební jednotka látky. • Kladně nabité jádro (protony a neutrony = nukleony) a záporně nabitý elektronový obal (elektrony) • V jádře je soustředěná téměř veškerá hmotnost atomu, jeho rozměry jsou však ve srovnání s obalem nepatrné. • ...můžete také vysvětlit pojmy ion, kation, anion. Molekula • Částice vzniklá sloučením dvou nebo více atomů (iontů) • dělení dál v textu Makromolekula • Makromolekula je rozsáhlá molekula s velkou molární hmotností. Chemicky čistá látka (chemické individuum) • Látka tvořená stejnými částicemi (atomy, molekulami, skupinami iontů). Má stálé charakteristické vlastnosti (teplotu varu, teplotu tání, hustotu) v celém objemu. • Patří sem prvky a sloučeniny • prvek - chemicky čistá látka složená z atomů o stejném protonovém čísle. Atomy mohou být nesloučené (u vzácných kovů), mohou tvořit molekuly (např. H 2), nebo jsou vázány v krystalové struktuře (např. v diamantu). (můžete se zmínit také o pojmech nuklid, izotop) • sloučenina - chemicky čistá látka tvořená stejnými molekulami složenými ze dvou nebo více různých atomů. Molekula • prvku - např. H2, O2, ... • sloučeniny - např. H2O, CuCl2, ... • molekulový ion - např. NH4+ Směs • Soustava složená z několika různých chemicky čistých látek - složek, které lze od sebe oddělit fyzikálně chemickými metodami. • Dělení • Homogenní směs • Má ve všech svých částech stejné vlastnosti, velikost částic menší než 10-9m. • Např roztoky solí • Heterogenní směs • Skládá se ze dvou, případně více homogenních oblastí, velikost částic větší než 10-7m. • Např zinek se sírou • Disperzní soustavy • Někdy se přiřazují k heterogenním soustavám • Hrubě disperzní soustavy • průměr částic větší než 5.10-7 m. • suspenze, emulze, pěna, aerosol (dým, mlha) (vysvětlit, uvést příklady) • Jemně disperzní soustavy • velikost částic 10-9 až 5.10-7 m • nepravé, tzv koloidní roztoky (částice se neusazují) • např vaječný bílek
Vzorce a názvy sloučenin, oxidační číslo Názvosloví (nomenklatura) • soubor pravidel, podle kterých se tvoří názvy a vzorce chem. látek • v anorganické chemii jsou základem názvosloví názvy prvků a zakončení odpovídající ox. číslům atomů prvků ve sloučenině. Chemický vzorec • se skládá ze značek prvků, indexů a dalších znaků (závorky, tečky, ...) Oxidační číslo • konvence • ox. č. je elektrický náboj, který by byl přítomen na atomu prvku, kdybychom vazebné elektrony v každé vazbě, která vychází z tohoto atomu, přidělili atomu elektronegativnějšímu prvku. Při určování ox. č. se vychází ze strukturních vzorců sloučenin a elektronegativit prvků • oxidační čísla mohou být kladná, záporná i nulová a nemusí to být vždy čísla celá • označujeme je římskou číslicí, znaménko (-) píšeme před číslici, necelistvá ox. č. píšeme zlomkem arabskými číslicemi (-1/2, 2/3) Počet nábojů • označujeme arabskou číslicí, znaménko (+,-) píšeme za číslicí Pravidla pro určování oxidačních čísel 1. Volný elektroneutrální atom nebo atomy v molekule prvku mají oxidační číslo nula (např. Zn0, H20). 2. Součet oxidačních čísel všech atomů a) v elektroneutrální molekule je roven nule, b) v iontu je číselně roven náboji iontu. 3. U dvouprvkových sloučenin platí, že kladné oxidační číslo má atom prvku s menší elektronegativitou, záporné oxidační číslo má atom prvku s větší elektronegativitou. 4. Některé prvky mají ve všech sloučeninách (nebo ve většině) stejná oxidační čísla: H I (ale H-I v hydridech), O-II (ale O-I v peroxidech), F-I, prvky 1. skupiny ox.č. I, prvky 2. skupiny ox.č. II … Typy vzorců Stechiometrický, empirický vzorec • Vyjadřuje základní (stechiometrické) složení sloučeniny • Udává, ze kterých prvků se sloučenin skládá a v jakém poměru jsou atomy zastoupeny • Píše se do složených závorek • Např. hydroxid vápenatý {CaH2O2}, dusitan amonný {H2NO}, peroxid vodíku {HO}, voda {H2O} Molekulový, souhrnný, sumární vzorec • Udává druh počet atomů v molekule dané sloučeniny. • Může být totožný se stechiometrickým vzorcem nebo je jeho celistvým násobkem. • Vyjadřuje i Mr • Např. peroxid vodíku H2O2, monomerní oxid dusičitý NO2, dimerní oxid dusičitý N2O4, voda H2O
Geometrický vzorec • Udává geometrické uspořádání atomů nebo iontů v molekule. • Např. voda , methan Konstituční vzorec • Zobrazuje konstituci molekuly, tj. pořadí a způsob, jakým jsou atomy v molekule vázány. Nemusí zobrazovat délky vazeb ani vazebné úhly. Obvykle nepostihuje rozmístění atomů v prostoru. • rozvinutý konstituční vzorec = strukturní, např. cyklohexan
•
racionální konstituční vzorec, např. cyklohexan
, nebo
•
(racionální) funkční vzorec - racionální konstituční vzorec, který zobrazuje funkční skupiny atomů, např. dusitan amonný NH4NO2,
Elektronový strukturní vzorec • Varianta konstitučního vzorce. • Vyjadřuje graficky uspořádání valenčních elektronů (vazebných i nevazebných) kolem všech atomů ve sloučenině. Jedná-li se o nepárový elektron, pak jej vyznačujeme tečkou u symbolu příslušného atomu, volný elektronový pár pak krátkou úsečkou podél symbolu atomu. • Náboje a parciální náboje na atomech spojených kovalentní vazbou se vyznačují znaménky +, -, δ+, δ• Kovalentní vazbu symbolizují čárky − (jednoduchá vazba), = (dvojná vazba), ≡ (trojná vazba) mezi sloučenými atomy. • Např. oxid uhličitý , oxid uhelnatý , chlorovodík Konfigurační vzorce • Zvláštní případ konstitučního vzorce. Znázorňuje různá prostorová uspořádání molekul sloučenin se stejnou konstitucí. Jednu formu molekuly nelze převést ve druhou bez přerušení některé (některých) vazeb • Např. cis-but-2-en , trans-but-2-en Konformační vzorce • Vystihují různá prostorová uspořádání molekul téže sloučeniny vznikající vnitřní rotací jejich částí kolem jednoduché vazby. • Např. zákrytová a nezákrytová konformace ethanu Základní chemické zákony Zákon zachování hmotnosti, Lomonosov (1748), Lavoisier (1774) • Hmotnost všech látek do reakce vstupujících je rovna hmotnosti všech produktů. Zákon zachování energie, Lomonosov (1748), Mayer (1842) • Celková energie izolované soustavy je v průběhu chemické reakce konstantní.
Oba uvedené zákony do jednoho zákona zachování hmotnosti a energie. Zákon stálých poměrů slučovacích, Proust (1799) (první zákon Daltonův). • Hmotnostní poměr prvků či součástí dané sloučeniny je vždy stejný a nezávislý na způsobu přípravy této sloučeniny. Zákon násobných poměrů slučovacích, Richter (1791), Dalton (1802) (druhý zákon Daltonův). • Tvoří-li dva prvky více sloučenin, pak hmotnosti jednoho prvku, který se slučuje se stejným množstvím prvku druhého, jsou vzájemně v poměrech, které lze vyjádřit malými celými čísly. Daltonova atomová teorie (odvodil ji poč. 19. století ze slučovacích zákonů) rozšířená o Avogadrovu teorii o molekulách: 1. Prvky jsou látky složené z atomů. Atomy jsou velmi malé, dále nedělitelné částice (Leukippos a Démokritos). 2. Atomy téhož prvku jsou stejné, atomy různých prvků se liší. 3. V průběhu chemických dějů se atomy spojují, oddělují nebo přeskupují. Nemohou však vzniknout nebo zaniknout. 4. Slučováním dvou nebo více atomů vznikají molekuly nové látky - sloučeniny. Molekuly vznikají sloučením celistvých počtů (stejných nebo různých) atomů. Zákon stálých poměrů objemových, Gay-Lussac (1805) • Plyny se slučují v jednoduchých poměrech objemových. Např. jeden objem kyslíku a dva objemy vodíku poskytují dva objemy vodní páry. Z Daltonovy teorie nebylo možno vysvětlit, proč v uvedeném příkladu celkem ze tří stejných objemů vodíku a kyslíku vzniknou právě dvě objemové jednotky. Tento nesoulad vedl Avogadra (1811) k zavedení pojmu molekula. Molekuly prvků mohou být v plynném stavu složeny z více stejných atomů, podobně jako je sloučenina složena z více různých atomů. Reakci, při níž vodík reaguje s kyslíkem za vzniku vodní páry, lze pak popsat rovnicí 2 H2 + O2 -> 2H2O , ze které vyplývá, že plynný vodík a plynný kyslík tvoří biatomické molekuly. Avogadrův zákon • Ve stejných objemech různých plynů a par je za stejného tlaku a teploty stejný počet molekul. Elementární částice Mikročástice Klidová hmotnost Klidová hmotnost Náboj (C) (kg) (u)
Objeven
elektron
9,109 . 10-31
5,486 . 10-4
-1,602 . 10-19
1897 Joseph J.Thomson
proton
1,673 . 10
−27
1,007 27
+1,602 . 10
1918 Ernest Rutherford
neutron
1,675 . 10−27
1,008 66
0
-19
1932 James Chadwick.
Hmotnost atomů a molekul, atomová hmotnostní konstanta. Relativní atomová hmotnost Ar(X) • Je dána poměrem hmotnosti m(X) atomu X a atomové hmotnostní konstanty mu : m( X ) Ar ( X )= mu • Je to bezrozměrná veličina, která udává, kolikrát je hmotnost atomu X vetší než atomová hmotnostní konstanta. • V PSP je tzv. střední relativní atomová hmotnost.
Relativní molekulová hmotnost Mr(Y) • Je dána poměrem hmotnosti m(Y) molekuly Y a atomové hmotnostní konstanty : m(Y ) M r ( Y )= mu • Je to bezrozměrná veličina, která udává, kolikrát je hmotnost molekuly Y větší než atomová hmotnostní konstanta. • Prakticky ji určíme součtem Ar všech atomů tvořících molekulu. Atomová hmotnostní konstanta mu • je rovna dvanáctině hmotnosti nuklidu uhlíku 12C 12 m (C ) • mu = =1,660565⋅10−27 kg =1u 12 Pozn: • K vyjadřování hmotností atomů a molekul lze použít i vedlejší jednotku hmotnosti - atomovou hmotnostní jednotku u. • Ta je definována vztahem: l u = (1,660 565 5 ± 0,000 008 6) . 10-27 kg tak, aby hmotnost mu atomové hmotnostní konstanty byla právě 1 u. • Například: 1 H má hmotnost m(1H) = 1,673 55 . 10-27 kg = l,00782 u 12 C má hmotnost m(12C) = 1,992 67 . 10-26 kg = 12,0000 u Látkové množství • jednotka 1 mol • počet částic (atomů, molekul, iontů) připadajících na 1 mol látky udává Avogadrova konstanta NA = (6,022 045 ± 0,000 31). l023 mol-1 , odpovídá počtu atomů ve vzorku nuklidu uhlíku 12C o hmotnosti 12 g. m • n= M • Veličiny vztažené na jednotkové látkové množství se nazývají molární. Molární hmotnost M •
je určena podílem hmotnosti m a látkového množství n dané látky.
• •
jednotka g.mol-1, případně kg.mol-1 udává hmotnost 1 molu dané látky
M=
m n
Molární objem Vm • udává objem jednotkového látkového množství látky (tzn. objem 1 molu). • jednotka m3.mol-1, dm3.mol-1 V V m= • , kde V je objem tělesa a n je látkové množství. n • molární objem ideálního plynu při teplotě 273,15 K (bod tání vody) a tlaku 101,325 kPa je 0,022414 m3.mol-1 tj. 22,414 dm3.mol-1.
