Obecná chemie C1020 Jiří Pinkas Ustav chemie - Univerzitní kampus Bohunice budova A12, 3. patro, místnost 321 Tel. 549496493 jpinkas(g)chemi.muni.cz Přednáška Aula + Fl (TV přenos) Po 15 -17.00 St 10 -12.00 Materiály z přednášky budou vystaveny v ISu Zkouška písemná (+ ústní) 1 Obecná chemie C1020 Doporučená literatura Zumdahl - Zumdahl. Chemistry. 6th ed. Boston : Houghton Mifflin Company, 2003. ISBN 0618221565. Hill, John W. General chemistry. 4th ed. Pearson Prentice Hall, 2005. ISBN 0131180037. Klikorka - Hájek - Votinský. Obecná a anorganická chemie 1989 a. 2. nezměň, vyd. Praha : SNTL Hála. Pomůcka ke studiu obecné chemie. Brno : Masarykova univerzita, 1993. Růžička - Toužín. Problémy a příklady z obecné chemie. Názvosloví anorganických sloučenin Brno : Masarykova univerzita, 2000. 2 Věda a vědecká metoda Věda - Kvantitativní studium přírody a přírodních zákonů. Proces, při kterém se získávají nové poznatky. Empirické postupy řešení problému. Zabývá se pouze racionálními výroky, které lze potvrdit nebo vyvrátit pozorováním nebo experimenty. Věda a výzkum Výzkum základní - dlouhodobý, cílem nejsou aplikace Aplikovaný výzkum - krátkodobý, používá poznatky základního výzkumu, praktické aplikace Technologie - aplikace znalostí k přeměně okolí •Soubor znalostí, vědomostí a zobecnění, které jsou považovány za pravdivé •Vědecká metoda, jíž jsou tyto znalosti získávány - pozorování, pokus, dedukce •Vědecký jazyk - přesně definované pojmy 4 Věda a vědecká metoda Pozorování (kvalitativní) Měření (kvantitativní) Hypotéza, vysvětlení, předpověď Přírodní zákon (co se děje) Teorie, model (proč se to děje) Experiment, ověření ------ Správně navržený pokus (např. měřit jednu proměnnou, ostatní konstantní) potvrdí nebo vyvrátí pravdivost hypotézy. Hypotéza, která neobstojí musí být odmítnuta. Pokusy potvrzující hypotézu musí být reprodukovatelné. Pozorování a vysvětlení První vysvětlení přírodního jevu - hypotéza úspěšně testovaná vyplněnou předpovědí: Tháles Milétský Vysvětlil zatmění Slunce - měsíc v novu přejde přes sluneční kotouč Předpověď dalšího zatmění Slunce 585 př. n. 1. Počátek vědeckého myšlení, racionální přístup bez mystiky a náboženských představ Základní prvek je voda e (1635 - 1682) Georg Ernst stahl Vysvětlení přírodního jevu: (1660 - 1734) Hoření uhlí = uvolnění flogistonu Hoření kovů = uvolnění flogistonu + vznik oxidu Reakce uhlí s oxidy kovů (rudy) = redukce na kov přenos flogistonu z uhlí na oxid Kov hoří = oxid + flogiston Při oxidaci kovů je hmotnost produktů vyšší = flogiston má negativní hmotnost Počátky kvantitativních experimentů Pozorování a vysvětlení Vyvracením flogistonové teorie se vytvářela moderní chemie. Antoine Laurent Lavoisier (1743-1794) hoření = slučování s 02, vyšší hmotnost produktů Zákon zachování hmoty flogiston = -02 Zahřívání HgO 3 objevitelé kyslíku: Schelle, Pristley, Lavoisier 8 Přírodní zákony a teorie Přírodní zákon - tvrzení, které sumarizuje opakovaná pozorování přírodních jevů, mění se jen zřídka Teorie - tvrzení, které vysvětluje známá fakta a zákony z nich vyplývající, jsou produktem lidského myšlení a mohou se měnit nebo být úplně odmítnuty pod vlivem vývoje nových experimentálních metod, přesnějších měření Objektivita - platí vždy při splnění potřebných podmínek Schopnost předpovědi 9 Model Zjednodušený obraz skutečnosti Usnadní vysvětlení problému Idealizace Aproximace Nový přesnější model s příchodem přesnějších metod měření Model Model je pokus vysvětlit přírodní jevy na mikroskopické úrovni pomocí pozorování a zkušeností na makroskopické úrovni. Model není totožný s realitou, je to lidský výtvor založený na nedokonalém poznání a pochopení přírody. Modely se stávají komplikovanějšími a podrobnějšími s vývojem našeho poznání. Jednoduché modely obsahují mnoho zjednodušujících a omezujících podmínek a předpokladů, mohou tedy poskytnout jen kvalitativní informace. 11 Model Pro efektivní použití modeluje nutno znát jeho předpoklady a omezení, jeho přednosti a slabiny. Lze klást jen takové otázky, na které může daný model odpovědět. I když je model užitečný pro vysvětlení velkého počtu jevů, nelze předpokládat, že bude fungovat v každém případě. 12 Model ''Jediné, co mě zajímá, je najít soubor pravidel, která by souhlasila s chováním přírody, a nezkoušet jít příliš daleko za to. Zjistil jsem, že většina filozofických diskuzi je psychologicky užitečná, ale nakonec, když se podíváte zpátky do historie, zjistíte, že to, co bylo kdysi řečeno s takovou pádností, je téměř vždy - do jisté míry -nesmyslné'!" Richard P. Feynman (1918-1988) NP za fyziku 1965 13 Kvantitativní experiment Johann Baptista van Helmont (1579 - 1644) Měření Robert Boyle (1627-1691) Joseph Black (1728-1799) Objemy plynů Hmotnost reaktantů a produktů Henry Cavendish (1731 -1810) 14 Kvantitativní experiment Messen heist Wissen "When you can measure what you are speaking about, and express it in numbers, you know something about it; but when you cannot measure it, when you cannot express it in numbers, your knowledge is of a meagre and unsatisfactory kind. It may be the beginning of knowledge, but you have scarcely, in your thoughts, advanced to the stage of science." Lord Kelvin (William Thomson) (1824-1907) 15 Veličiny, Rozměry, Jednotky Příklad: h^p: //www. labo. cz/mftabulky. htm Veličina: E, energie Rozměr: kg m Jednotka: J, e V, kalorie,..... Základní rozměry: délka, čas, hmotnost, elektrický náboj, mol,... Složené rozměry: rychlost = délka x (čas)-1 Bezrozměrné veličiny: Poměry dvou stejných veličin (např. molární zlomek) Argumenty ln, exp, sin, cos, tan 16 Základní jednotky SI Veličina Jednotka Zkratka Hmotnost Kilogram kg Délka Metr m Čas Sekunda s Teplota Kelvin K Elektrický proud Amper A Látkové množství Mol mol Svítivost Kandela cd 1 m = délka dráhy, kterou proběhne světlo ve vakuu za 1/299 792 458 sekundy 1 kg = hmotnost mezinárodního prototypu kilogramu uloženého v Mezinárodním úřadě pro váhy a míry v Sévres u Paříže 1 s = doba rovnající se 9 192 631 770 periodám záření, které odpovídá přechodu mezi dvěma hladinami velmi jemné struktury základního stavu atomu cesia 133 1 A = stálý elektrický proud, který při průchodu dvěma přímými rovnoběžnými nekonečně dlouhými vodiči zanedbatelného kruhového průřezu umístěnými ve vakuu ve vzájemné vzdálenosti 1 metr vyvolá mezi nimi stálou sílu 2.10-7 newtonu na 1 metr délky vodiče 1 K = 1/273.16 termodynamické teploty trojného bodu vody lmol = látkové množství soustavy, která obsahuje právě tolik elementárních částic (entit), kolik je atomů v 0.012 kilogramu nuklidu uhlíku 12C (přesně) 1 cd = svítivost zdroje, který v daném směru vysílá monochromatické záření o kmitočtu 540 1012 hertzů a jehož zářivost v tomto směru je 1/683 wattu na steradián 18 Násobky - předpony Y Yotta 1024 Z Zetta 1021 E Exa 1018 P Peta 1015 T Tera 1012 G Giga 109 M Mega 106 k kilo 103 1 10° Násobky - předpony 1 10° m mili 10 3 H mikro 10 6 n nano 10 9 P piko 10 12 f femto 10 15 a atto 10-18 z zepto 10 21 y yokto 10 24 20 Násobky - předpony % = 1 v ÍO2 %o = 1 v 103 ppm = 1 g v 11 nebo 1 atom v 106 atomech ppb = 1 mg v 11 nebo 1 atom v 109 atomech ppt = 1 jag v 11 nebo 1 atom v 1012 atomech 21 Hmotnost Atomová hmotnostní jednotka 1/12 hmotnosti atomu nuklidu 12C 1 amu = 1 u = 1.6606 1027 kg A. Einstein: hmotnost tělesa v pohybuje větší než hmotnost v klidu Rychlost tělesa v Klidová hmotnost tělesa m o Rychlost světla c = 2.9979 108 m s"1 22 Látkové množství, mol Avogadrova konstanta = počet atomů uhlíku v0.012kg(12g)nuklidu12C NA = 6.022 KFmoH Látkové množství, jednotka mol n = podíl počtu částic N (atomů, molekul, elektronů,....) a N _ N n- ~NA m n = M Y 23 Atomová a molární hmotnost Atomová Am a molární hmotnost Mm Hmotnost 1 molu látky [kg mol-1] Am (12C) = 12 x u x NA = = 12 x 1.6606 10"27 kg x 6.022 lO^mol^ = 0.01200 kg mol1 = 12.00 g mol1 24 Délka 1 Angström = 10~10 m 1 Á = 100 pm = 0.1 nm Bohrův poloměr a o = 5.3 ÍO-11 m = 0.53 Á Anders Jonas Angström (1814-1874) Délky vazeb v molekulách 1 až 4 Á Průměr atomu Cu 2.55 Á Průměr vesmíru: 17 miliard světelných let = 1.6 1026 m Průměr atomového jádra = 10~15 m 25 Atomové poloměry (pm) 4-------------------------------------- lÁ=100pm H Ke a g 37 32 -^ B C N O F Ne 152 113 SS 77 70 66 M (59 OS de o 9 e e ISO 1(5* 143 117 110 104 99 97 ^9 d d d • • • 227 197 122 122 121 117 114 110 Kb I Sr B In Sn Sfe .ť I Xe 247 215 1Ö3 140 141 143 133 130 99 OOdOO- 26 :W5 217 170 175 155 1*7 MO 145 Vazebné vzdálenosti Vazebné vzdálenosti (v Á) Vazba CC CN CO CH NH OH Jednoduchá 1.53 1.47 1.42 1.09 1.00 0.96 Dvojná 1.34 1.27 1.21 Trojná 1.20 1.15 Objem lpm3= 10"6Á3 Objem molekuly C60 asi 500 Á3 Molární objem ideálního plynu = objem teplotě 0 °C a tlaku 101325 Pa Vx„ = 22.414 1 mol"1 m p = v [ g cm3] Hustota závisí na teplotě a tlaku Hustota Látka Hustota při 20 °C, g cm3 Stav Kyslík 0.00133 g Benzen 0.880 I Lithium 0.535 s Voda 0.9982 (1.00 pro lab. výpočty) I Hliník 2.70 s Železo 7.87 s Olovo 11.34 s Rtuť 13.6 I Zlato 19.32 s Irídium 22.65 s Čas Doba, s Událost 10-15 Excitace elektronu fotonem, fs 10-12 Radikálové reakce, přenos energie, valenční vibrace 10 9 Fluorescence, rotace, přenos protonu 10 6 Fosforescence IO-3 Rychlé bimolekulární reakce 10° Úder srdce, pomalé bimolekulární reakce 30 Rychlost Rychlost světla ve vakuu c = 2.99792458 108 m s"1 = 3 108 ms-1 = 300 000 km s"1 Frekvence, vlnová délka, vlnočet Počet periodických dějů za časový interval Frekvence v = 1/1 [Hz = s_1] Kmity Vibrace Rotace Srážky molekul Vzdálenost mezi dvěma maximy Vlnová délka [m] Počet vln na jednotku délky Vlnočet —. c í & O) (V, Qř O C _, c 1 5 g í 2 * S v A,= c c = 2.998 K^ms-1 32 Frekvence, vlnová délka, vlnočet v X = c c = 2.998 K^ms-1 Visible spectrum Vlnová délka, m 100 ÍO2 10< Frekvence, Hz microwave infraned IQ-IQ IQL2 J_ Ultraviolet X-ray Gamma-ray ltf —r-10* 10- 1Q"> 10-^ 1C 1G1: ÍQH to* 11 10 10 101« 10 l6 10 w 10* Energie fotonu, J 33 Síla 1 Newton = gravitační síla působící na jablko F = m g g = 9.80665 m s -2 Isaac Newton (1642- 1727) 34 Čtyři základní síly - interakce Gravitační Elektromagnetická (e-e repulze, p-e přitažlivost) Silné interakce (jaderné, drží protony pohromadě) Slabé interakce (drží p a e pohromadě v neutronu) 35 Tlak 1 Pascal = tlak kterým působí jablko na 1 1 Pa = 1 N m"2 1 atm =101 325 Pa = 760 mm Hg (Torr) lbar=105Pa=100kPa Standardní tlak = 1 bar Teplota Kelvin, K Absolutní nula 0 K je nedosažitelná Současný rekord: ~10~9 K Celsius, °C 0°C = 273.15 K T[°C] = T[K]-273.15 Standardní teplota 25 °C = 298 K Lord Kelvin (William Thomson) (1824- 1907) 37 Teploměr Fyzikální vlastnost závislá na teplotě: •Objemová roztažnost rtuti •Délková roztažnost kovů •Stav kapalných krystalů Definice Celsiovy stupnice Teplota tání ledu při 1 atm = 0 °C Teplota varu vody při 1 atm = 100 °C Rozděl na 100 dílků ITS-90 Trojný bod vody = 273.16 K 38 Teplota tání Teploty tání prvků i ^üoo- WB 2CC.C. JSflfi I :-ihhi 1UÜ 10W 500 C Energie 1 Joule = energie úderu lidského srdce leal = 4.184 J 1 eV kinetická energie elektronu, který j e urychlen potenciálem 1 V E = e U = 1.60210 10"19C xlV = 1.60210 10"19J=leV 1 eV (molekula)-1 = 96.485 kJ mol-1 James Prescott Joule (1818-1889) 40 Energie E = m c2= 1.66 ÍO"27 kg x (3.00 ÍO8 m s"1)2 = 1.49 10"10 J 1 amu = 931.4 MeV Ekin = y2 m v2 Ekin = 3/2 k T k= 1.380662 10 23JK l Boltzmannova konstanta kT = 1 zJ pro laboratorní teplotu E = hv h = 6.626176 10-34 J s Planckova konstanta 41 Energie Ecelk = E(elektronová) + E(vibrační) + E(rotační) + E E(elektronová) 100 kJ mol-1 E(vibrační) 1.5 - 50 kJ mol-1 E(rotační) 0.1 - 1.5 kJ mol-1 Vazebné energie, kJ moh (jednoduché vazby) H C N O S F CI Br I H 432 C 411 346 N 386 305 167 O 459 358 201 142 S 363 272 ___ — 226 F 565 485 283 190 284 155 Cl 428 327 313 218 255 249 240 Br 362 285 ---- 201 217 249 216 190 I 295 213 ---- 201 ---- 278 208 175 149 43 ^00 Vazebná energie molekuly H2 T 74 100 (H2 bond length) ,ntemuC|ear dJ$Njnw (pm) 200 Vazebná vzdálenost v molekule FT Vazebná 942 kJ mol -i N=N / N-----Mo—N = N-L \------fr-----r .a N-----Mo—CI- LA R 25 red ,R -i y' N I Mo----N, la R 26 I N-----Mo—N=MH LA R 23 oxid. ,' ,N-----Mo----N2 V R j (LutH)BAr; BPh fľ N-----Mp----NH^ H -■11 ľlV \ 29 energie N2 Použití I NH3 80% hnojiva 10% plasty 5% výbušniny 1909 Fritz Haber N2(g) + H2(g) 500 °C, 250 atm, Fe katalyzátor výtěžek 20% 45 Elektrický náboj Elementární náboj e=1.602 10-19C [1 C=l As] Všechny náboje jsou celistvým násobkem e q = Z e Charles Augustín Coulomb (1736-1806) Coulombův zákon Přitažlivá síla F mezi dvěma náboji opačného znaménka je nepřímo úměrná druhé mocnině vzdálenosti r mezi nimi a přímo úměrná velikosti nábojů q. Měření, platné číslice Měření = určení velikosti veličiny v daných jednotkách Měření = odečtení hodnot na stupnici + odhad posledního místa výsledku na desetinu nejmenšího dílku stupnice Platné číslice = čísla odečtená ze stupnice + poslední odhadnuté místo Chybu měření předpokládáme minimálně ±1 posledního místa 47 Měření Před měřením určit 32.33 °C Kolik je nejmenší dílek na stupnici _ _ - 5Ž.3-C 32.3 °C 48 Odečtení z digitální stupnice Chybu měření předpokládáme ±1 posledního místa 49 Přesnost a správnost měření Měření každé fyzikální veličiny je spojeno s určitou nepřesností - chybou. Opakovaná měření se od sebe liší - drobné odchylky jsou obvykle na posledním místě výsledku. Přesnost = rozdíl mezi jednotlivými výsledky měření, závisí na schopnostech experimentátora Správnost = rozdíl mezi výsledky měření a skutečnou hodnotou, závisí na kvalitě měřícího přístroje Přesné, nesprávné Přesné, správné Nepřesné, nesprávné Nepřesné, správné 50 Platné číslice Nuly mezi desetinnou čárkou a první nenulovou číslicí platné číslice 0.0034 Nuly za nenulovými číslicemi ve výsledku vyjádřeném desetinným číslem jsou platnými číslicemi 0.003400 Nuly na konci výsledku, který neobsahuje desetinnou čárku, MOHOU, ale NEMUSÍ být platnými číslicemi, záleží na přesnosti měření 1200 Proto pro jednoznačnost se používá EXPONENCIÁLNI zápis: jedno místo před desetinnou čárkou, desetinná místa odpovídající přesnosti měření, exponent, jednotka: 1.2 103 51 Platné číslice Odečtení ze stupnice - počet platných číslic určen kvalitou přístroje 10— 9-1- B-l-f ■ 5+ 9-=- 8 i-i- 9^ 8-^ .- 8.75 cm3 8.00 cnv NE 8 cm3 !!!! 52 Platné číslice Exaktní čísla = nekonečný počet platných míst (nuly), nemají chybu měření - počet lidí, pokusů, ... - převodní faktory 1 týden = 7 dní 7.000000000 1 inch = 2.54 cm -definice 0 °C = 273.15 K 53 Operace s platnými číslicemi r Násobení a dělení: výsledek má tolik PLATNÝCH číslic jako má číslo s nejmenším počtem platných číslic pV = nRT p = 748 Torr = 99.7 103 Pa V =1254 ml =1.254 10"3m3 T = 298 K R = 8.314 J K"1 mol"1 n = pV/RT = 5.0462226 10"2 mol = 5.05 10"2 mol Zaokrouhlování - zaokrouhlovat až konečný výsledek. 54 Operace s platnými číslicemi Sčítání a odčítání: výsledek má tolik DESETINNÝCH míst jako má číslo s nejmenším počtem desetinných míst Příklad: Naměříme 2.5 cm pomocí pravítka a 1.2 |um pomocí mikrometru sečteme 2.5 cm s chybou ±0.1 cm +0.00012 cm s chybou ±0.00001 cm výsledek není 2.50012 cm ale 2.5 cm protože chyba prvního měření převyšuje řádově hodnotu druhého měření Hmota Cokoliv zabírá prostor a má hmotnost je hmota Veškerá hmota sestává z pozitivně a negativně nabitých částic, které jsou v neustálém pohybu, na krátké vzdálenosti se vzájemně přitahují, odpuzují se pokud jsou stlačeny příliš blízko k sobě. Richard P. Feynman (1918-1988) NP za fyziku 1965 56 Rozdělení hmo Pole Čistá látka Dělení Prvek Nuklid Sloučenina 1 Molekuly -------Atomy Jednoatomové Víceatomové Homogenní Směs Heterogenní Obal —►Elektrony jr i __ Protony Jadro —* J Neutrony 57 Zákon zachování hmoty Lavoisierův zákon 1785 Hmota se netvoří ani nemůže být zničena Při chemických reakcích zůstává hmotnost všech zúčastněných sloučenin konstantní. Výsledek přesného měření: vážení reaktantů a produktů Zákon zachování hmotnosti a energie Hmotnost je mírou gravitačních vlastností a setrvačnosti Ekvivalence hmoty a energie E = m c2 1 amu = 1.66 K)-27 kg = 931.4 MeV Hmotnost a energie v uzavřené soustavě je konstantní Úbytek hmotnosti při uvolnění energie: •Chemické reakce ng na mol •Jaderné reakce mg na mol 59 1#- o Zákon stálých slučovacích poměi Proustův zákon konstantního složení 1799 Prokázal konstantní složení vody, CuCO Joseph Proust (1754-1826) Daná sloučenina vždy obsahuje přesně stejná relativní hmotnostní množství prvků, ze kterých se skládá. Nezáleží na způsobu vzniku nebo postupu přípravy. 1.000 g UHLÍKU se vždy sloučí s 1.333 g KYSLÍKU na CO 60 Zákon násobných slučovacích poměru Daltonův zákon 1803 Tvoří-li dva prvky řadu sloučenin (N20, NO, N203, N02, N205) hmotnosti druhého prvku, který se slučuje s 1 g prvního prvku lze vždy vyjádřit malými celými čísly Tabulka relativních atomových hmotností 14 prvků vzhledem k H jako standardu. John Dalton (1766-1844) 61 Oxidy chromú r = m(0)CrxO x y m(0)CrO Sloučenina m(Cr), g m(O), g Poměr, r CrO 1.000 0.3077 1.000 Cr203 1.000 0.4615 1.499 Cr02 1.000 0.6154 2.000 Cr03 1.000 0.9231 3.000 62 Nestechiometrické sloučeniny-bertholidy Sloučeniny s kovem ve více oxidačních stavech Oxidy, sulfidy, nitridy,... Fe^O x = 0.05-0.15 3 Fe2+ = 2 Fe3+ + 1 vakance (Fe) Fe2+ = modrá Fe3+ = červená C. L. Berthollet (1748-1822) Vakance = neobsazená pozice 63 Daltonova atomová teorie 1805 Každý prvek se skládá z malých nedělitelných a nezničitelných částic - atomů (ne pro jaderné přeměny). Atomy stejného prvku mají identické vlastnosti a hmotnost (ne pro nuklidy), atomy různých prvků se podstatně liší ve vlastnostech a hmotnosti (ne pro izobary). Sloučeniny jsou tvořeny spojením atomů různých prvků, pro danou sloučeninu vždy stejné typy atomů ve stejném poměru. Chemická reakce je reorganizace vzájemného uspořádání atomů. 64 Zákon stálých objemů Joseph Louis Gay-Lussac | (1778-1850) 1809 Plyny se slučují v jednoduchých poměrech objemových 2 objemy vodíku + 1 objem kyslíku —» 2 objemy vodní páry 65 Zákon stálých objemů + 9 66 Avogadova hypotéza 1811 Z Daltonovy atomové teorie a Gay-Lussakova zákona vyvodil: Při stejné teplotě a tlaku obsahují stejné objemy různých plynů stejný počet částic. Plyny jsou dvouatomove molekuly. H2, N2, 02 Objem 1 molu plynuje 22.4 litru při 0°C a 101325 Pa VM = 22.4 1 mol-1 Amadeo Avogadro (1776-1856) 67 Zákon stálých objemů H2o ► H20 H H + Avogadrova molekula Molekuly = nejmenší částice látky schopné samostatné existence Určují chemické vlastnosti látek. Hmotnost - mol - Avogadrova konstanta Prvky se slučují ve stálých hmotnostních poměrech: NaCl 23.0 g Na s 35.5 g chloru Skála relativních atomových hmotností: H =1.0, C =12.0, O = 16.0 Definice molu: 12.0 g C = 1 mol Pak23.0gNa=lmol 1 mol = 22.4 litru Změřit kolik částic je v 1 molu (Loschmidt, Perrin,...) NA = 6.022 1023 moH 70 Látkové množství 1 mol = takové množství částic (atomů, molekul, elektronů,...) jako ve 12 g uhlíku 12C NA = 6.022 1023 moH Chemické vzorce Stechiometrie chemických rovnic 71 Výpočet Avogad rovy konstanty Loschmidtovo číslo = počet molekul v jednotce objemu ideálního plynu 1865 z kinetické teorie plynů vypočetl n0 = 2.6 1019 molekul cm-3 Dnešní hodnota: 2.686 7775 1025 nr3 \ Avogadrova konstanta NA = 6.022 141 99 1023 mol"1 Johann Josef Loschmidt (1821 - 1895) Počerný u KV Výpočet Avogad rovy konstanty Brownův pohyb částic v kapalině Důkaz existence molekul Zavedl pojem Avogadrova konstanta a experimentálně zjistil její hodnotu Jean Baptisté Perrin (1870-1942) NP za fyziku 1926 6.82 1023 molekul ve 2 g vodíku 73 Výpočet Avogad rovy konstanty Z rentgenové strukturní analýzy Si monokrystalů Příklad: Ti tělesně centrovaná kubická buňka Z = 2, a = 330.6 pm Hustota Ti p = 4.401 g cm-3 A(Ti) = 47.88 g mol-1 2 Ti na 1 buňku o objemu V = a3 pa3 = ZA(Ti)/N A NA = Z A(Ti) / V p 74 Pojem prvku v historii chemie 6. st. př. n. 1. Thaies, Anaximander, Anaximenes, Herakleitos Hmota sestává z neměnitelných jednoduchých základních kamenů - prvků Tháles Miletský (640 - 546 př. n. 1.) základní prvek = voda Anaximenes (-570 př. n. 1.) základní prvek = vzduch Herakleitos (540 - 475 př. n. 1.) základní prvek = oheň 75 Pojem prvku v historii chemie Empedokles (490 - 430 př. n. 1.) 4 základní prvky = oheň, voda, vzduch, země a 2 základní síly: přitažlivá a odpudivá (až 1783 H. Cavendish dokázal, že voda je sloučenina H a O) Aristoteles (384 - 322 př. n. L) 4 základní prvky + ether Oheň Teplo Vzduch Sucho m Zem Vlhko Chlad Voda 76 Pojem prvku v historii chemie Alexandrie: řecká teorie + egyptská praktická "chemie" Arabská alchymie, přenesena do Evropy Alchymistické prvky: země, voda, oheň, vzduch a navíc Au, Ag, Hg, Fe, Sn, Cu, S, sůl Au Slunce Ag Měsíc electrum (Sn amalgam) Jupiter Fe Mars Cu Venuše Sn Merkur Pb Saturn 77 Pojem prvku v historii chemie Philippus Aureolus Paracelsus (1493-1541) tři elementární substance: rtuť, síra a sůl Rtuť = tekutost a kovový charakter Síra = hořlavost Sůl = inertní element 78 Pojem prvku v historii chemie 1661 Robert Boyle: přírodovědecká definice prvku: Prvek je látka, která se nedá rozložit na jiné látky. 1789 Lavoisier 21 prvků 1808 Dalton 36 prvků 1813-14 Berzelius 47 prvků 1869 Medělejev tabulka 63 prvků 2007 Periodický tabulka 118 prvků (chybí 117) 79 Vývoj definice atomových hmotností J. Dalton H = 1 J. J. BerzeliusO=100 J. S. Stas 0=16 (pro přírodní směs izotopů) chemická stupnice fyzikální stupnice 160 = 16 ZMATEK 1961 Atomová hmotnostní jednotka =1/12 hmotnosti atomu nuklidu 12C lamu=lu= 1.6606 10"27 kg 80 Atomová hmotnost 1814 Tabulka relativních atomových hmotností 41 prvků 0 = 100 Vzorce sloučenin 1811 Zavedení zkratek jako symbolů prvků Li Lithium Be Beryllium Ga Gallium (ne Galium) Y Yttrium Te Tellur Ti Thallium Jons Jacob Berzelius Ds Darmstadtium (1779-1848) 81 Definice prvku Soubor atomů se stejným protonovým číslem A, Nukleonové číslo --------------► 19 _____9 Z, Protonové číslo F Nuklid = soubor atomů se stejným A a Z Prvek = soubor atomů se stejným Z 82 Chemické látky Druh atomů A nebo B A a B nebo A a C Relativní počet atomů —» empirický vzorec Absolutní počet atomů —» molekulový vzorec - složení prvky sloučeniny AB nebo AB2 (CO nebo C02) A2B2 nebo A6B6 (C2H2 nebo C6H6) [CoN6H1502]2+ Prvky - struktura - allotropie Struktura strukturní vzorec Vazebná topologie allotropie (prvky): 02, O >2 S / \ / S' s. L j n 84 Sloučeniny - struktura - konstituce Vazebná topologie strukturní (konštituční) vzorec topologická (konštituční, vazebná) izomerie (sloučeniny) A-B-C nebo A-C-B C5H10O HOCN, HNCO, HONC [Co(NH3)5N02]2+ [Co(NH3)5ONO]2+ Topologická (konštituční, vazebná) izomerie fr*tíV»D* ^ ř*>v">} Dl* Y10 W*f*fs*wty NUD O-ty.K* gj'<$ ^EDW Ät«>IX>Ľ&=t-L:><3fl3l"ftfPVi «rO b «1*1 33 «Ttí ÍJQW^ ¥p*iaV^ 17 izomerů C6H6 86 Molekulární tvar Molekulární tvar (geometrický vzorec) — 2+ —i HoN------C • H3N t .NH3 ^ 6------N ^H3 NH3 .NH3 H3N------Co-----0 0 h3n' .N. NH3 _ n 2+ Vazebná izomerie N02 skupiny 87 Sloučeniny - struktura - konstituce 88 89 90 Molekulární tvar Molekulární tvar (geometrický vzorec) geometrické izoméry .ci H3N—PČ----Cl ci H3N^ H cis H H H R R R R H Z E Molekulární tvar Molekulární tvar (geometrický vzorec) Optické izoméry - enantiomery x 11' ■ ,C w X V w 'Z Optické izoméry - enantiomery H,C- Cl / -C////,,.. i H Cl Br Br \ ,„u\\C-----CH3 H 93 Optické izoméry - enantiomery Molekulární tvar konformery R \ R Me. 'N N' -Me 95 Krystalová struktura Polymorfie -jen pro pevné látky Stejné stavební (vzorcové) jednotky, stejné vazby, různé uspořádání v prostoru Kubický diamant Hexagonální diamant 96 Krystalová struktura ZnS sfalerit ZnS wurzit , , . , , Á , Á hexagonální struktura kubická struktura