Přednáška 1

YCHS, XCHS I.
• Úvod: plán přednášek a cvičení, podmínky udělení
zápočtu a zkoušky.
• Základní pojmy: jednotky a veličiny, základy
chemie.
• Stavba atomu a chemická vazba.
• Skupenství látek, chemické reakce, fyzikální
chemie.
• Historický vývoj: pojiv, stavebních látek a
architektury.
Veličiny- základní
Látkové množství: n [mol]
Jeden mol je takové množství látky, které obsahuje právě tolik částic,
kolik atomů obsahuje přesně 12 g nuklidu uhlíku . Tento počet
udává Avogadrovo číslo.
N A = 6,0221367 ± 10 23
Látkové množství je dáno podílem N částic v systému a Avogadrovy
konstanty NA
N
n=
NA
Molární hmotnost: M [kg mol-1]
Molární hmotnost vyjadřuje hmotnost 1 molu chemicky homogenní
látky.
ma
n
=
a
kde ma je hmotnost vzorku.
Ma
Atomární hmotnost: A [-]
Vyjadřuje hmotnost 1 molu atomů daného prvku, tabelováno.
Základy chemie
Látky
Čisté
Chemické prvky Chemické sloučeniny
Atom
Molekula
O, Si, Al, Fe atd. NaCl, NaOH atd.
Co je to chemie?
Studium jevů
Směsné
Heterogenní
keramika,
beton
Homogenní
slitiny
sklo
Stavba atomu
hmotnost elektronu je pouhá 1/1837
hmotnosti protonu → většina
hmotnosti atomu je soustředěna do
jeho jádra
výsledný rozměr celého atomu je až
100 tisíckrát větší než je rozměr
jádra
velikost atomu lze zaznamenat
pomocí maximálního zvětšení na
transmisním elektronovém
mikroskopu
Základní částice mikrosvěta
Proton:
Neutron:
Elektron:
1
1
p
1
0
Náboj
Hmotnost
+1,602177.10-19C
mp=1,67262.10-27kg
– mp = 1836 me
Náboj
Hmotnost
0C
mn=1,67493.10-27kg
– mn= 1839 me
Náboj
Hmotnost
–1,602177.10-19C
me=9, 10939.10-31kg
– mp = 1839 me
n
0
−1
e
John Alexander Reina Newlands (1864)
-anglický analytický chemik, navrhl první
periodickou tabulku prvků, v které byly prvky
uspořádány podle atomové hmotnosti.
Tvrdil, že jsou-li prvky takto uspořádány, jako
by se u nich opakovaly určité vlastnosti na
každém osmém místě – tzv. zákon oktáv a
přirovnal uspořádání prvků k oktávám na
klávesnici klavíru.
Dmitrij Ivanovič Mendělejev (1869)
Dnes je známo, že prvky nejsou uspořádány podle
relativní atomové hmotnosti, ale podle stoupajícího
protonového čísla.
Mendělejevův periodický zákon však byl zpočátku
přijat se značným skepticismem a nebyl dlouhou dobu
uznáván. Až s objevením prvků gallia (1875), skandia
(1879) a germania (1886), které Mendělejev
předpověděl již v roce 1871, byl periodický zákon
všeobecně přijat.
Chemická vazba
Interakce s vazebnými elektrony
Iontová vazba
Kovalentní vazba
Kovová vazba
Slabší vazebné interakce
Vodíková vazba
Van der Waalsova vazba
Ve výjimečných případech se v přírodě vyskytují volné atomy,
např. jednoatomové molekuly vzácných plynů, ostatní se slučují
pomocí valenčních sil do složitějších útvarů.
Chemická vazba je síla, která drží skupinu dvou či více atomů
pohromadě a uděluje jim funkci základní jednotky.
Podstatou slučování jsou změny ve valenční sféře atomů vedoucí
ke vzniku společného přetvořeného elektronového systému, který
má nižší energii a je tedy stabilnější.
Chemickou vazbu charakterizuje disociační energie, která
odpovídá práci potřebné k rozštěpení vazby mezi atomy (=množství
energie ovolněné při vzniku vazby), a délka vazby.
Vztah mezi elektronegativitou a
typem vazby
nulový
kovalentní
střední
polárně kovalentní
velký
iontová
kovalentní
iontový
charakter
stoupá
typ vazby
klesá
Rozdíl elektronegativit
mezi vazebnými atomy
Iontová vazba:
•velmi pevná
•energie 2-5 eV
•snadno se rozruší rozpouštědly, např. vodou,
dochází k uvolnění iontů, tzv. disociace
NaCl
Co způsobuje iontová vazba?
•vysoký bod tání - NaCl asi 800°C
•velmi vysoký bod varu - NaCl 1442°
•roztoky iontových sloučenin vedou dobře
elektrický proud
•velká mechanická pevnost
Příklady látek s iontovou vazbou:
NaCl, CaCl2, MgBr2, AlF3, BaO, MnO2
Kovalentní vazba:
•energie je řádově 3-7 eV
•nepolární
•tvoří molekulové krystalové mřížky
•ve vodném roztoku nepodléhají elektrolytické disociaci
•obvyklé zejména u organických sloučenin
Kovalentní vazby jsou prostorově orientované.
Jednoduchá vazba dvou atomů vodíku.
Trojná vazba v molekule N2.
Kovová vazba
typická pro kovy
od atomů kovů se oddělí elektrony a zůstanou volné → pohyblivé →
přenáší elektrický proud ve vodičích
nejjednodušší model kovové vazby: krystal kovu se skládá z kationtů
rozmístěných v pravidelné prostorové mřížce, mezi nimiž se volně
pohybují valenční elektrony, tzv. elektronový plyn.
Energie kovových vazeb: ~1.5-4 eV
Typické fyzikální vlastnosti kovů:
•Lesk
•Vodivost
•Magnetické vlastnosti
•Kujnost
•Tažnost
•Vysoký bod tání a varu
Slabší vazebné interakce
Vazba vodíková (vodíkový můstek)
atom vodíku vázaný na atom fluóru, dusíku nebo kyslíku, tj. na prvky s
vysokou elektronegativitou a volným elektronovým párem → atom vodíku
je zde vázán silně polární kovalentní vazbou a vazbou vodíkovou
Pevnost vazby: 20 kJ/mol
Vodíkové můstky: intramolekulární - uvnitř téže molekuly, např. DNA
intermolekulární – mezi dvěma molekulami, např. voda, čpavek
Co způsobuje?
•mění fyzikální vlastnosti látek
•omezuje volnou pohyblivost molekul, tím zvyšuje bod varu, měrné teplo
a viskozitu.
Látky s vodíkovou vazbou vytvářejí určité shluky částic. Zvláště důležité
jsou pro tvrdnutí maltovin.
Van der Waalsovy síly
nejslabší mezimolekulové síly
vysvětluje se jimi odlišné chování částic v plynném stavu od stavu
teoretického (ideálního)
Interakce nepolárních atomů → vznik okamžitého dipólu, přičemž směr a
jeho velikost se rychle mění, tzv. indukovaný dipól
Nejsnadněji se polarizují nepolární molekuly, obtížněji ionty a nejhůře
anorganické ionty.
Vysvětlení řady jevů: zvýšení teploty varu vzácných plynů, tvorba roztoků,
soudržnost molekul v molekulových krystalech
Skupenství látek
Krajní stavy látek podle vzájemných
vazeb a vztahů mezi atomy, ionty a
molekulami:
1.
Stav ideálního plynu
2.
Stav ideálního krystalu
3.
Reálné látky v plynném, kapalném a
pevném skupenství
Plynné skupenství
• potenciální energie už je menší než kinetická
energie, proto se molekuly pohybují volně
prostorem, dokud nenarazí na jinou molekulu
• nemají stálý tvar ani objem
Kapalné skupenství
• Potenciální energie
molekul je trochu větší
než jejich kinetická
energie, proto se
molekuly mohou
pohybovat a vzájemně se
po sobě smýkat, ale
nemohou se odpoutat
• nemají stálý tvar, ale
zachovávají stálý objem
Pevné skupenství
• Látky krystalické: krystalová mřížka - pevná struktura, v níž
se pravidelně opakuje geometrické uspořádání atomů.
• zachovávají tvar a objem
• potenciální energie molekul je značně větší než jejich
kinetická energie, proto se molekuly pohybují jen v blízkosti
jednoho bodu, nemohou se vzájemně vyměňovat.
• Látky amorfní
• Izotropní a anizotropní látky
• MOHSOVA STUPNICE TVRDOSTI
Fyzikální děj, při kterém se mění
skupenství látky, se nazývá změna
skupenství.
• Tání: zahříváme těleso z pevné látky, při dosažení
teploty tání tt se přestane zvyšovat teplota a
pevná látka se začne přeměňovat na kapalinu
stejné teploty.
• Tuhnutí: ochlazujeme kapalinu, mění se při teplotě
tuhnutí v pevnou látku téže teploty.
• Teplota tuhnutí je rovna teplotě tání.
• Látky při tání nebo tuhnutí mění svůj objem.
• Když zvýšíme tlak na pevnou látku, zmenší se
teplota tání.
• Sublimace je přeměna pevné látky přímo ve skupenství
plynné a desublimace je přeměna látky ve skupenství
plynném na skupenství pevné.
• Při vypařování se musí molekulám, které se uvolňují
z kapaliny, dodat kinetická energie – skupenské teplo
vypařování –, ale při tom látce nedodáváme žádné teplo
zvnějšku. Při vypařování se snižuje teplota kapaliny ⇒ toho
se využívá pro konstrukci chladniček.
• Obrácený děj k vypařování a varu je kapalnění (kondenzace).
Při tomto ději se pára v důsledku zmenšování svého objemu
nebo snížení teploty přemění na kapalinu.
• Při kapalnění se uvolní skupenské teplo kondenzační,
vztaženo na kilogram měrné skupenské teplo kondenzační.
Je stejně velké jako skupenské teplo varu a měrné
skupenské teplo varu.
Chemické reakce
• proces vedoucí ke změně chemické struktury chemických
látek.
• Látky, které do reakce vstupují nazýváme reaktanty, látky z
reakce vystupující jsou produkty.
• Při tomto procesu dochází ke změnám v rozmístění
elektronové hustoty v molekule, zjednodušeně řečeno
dochází k zániku a vzniku chemických vazeb.
• Chemické reakce popisujeme pomocí chemických rovnic.
Typy reakcí
•
Syntéza – ze dvou nebo více prvků nebo sloučenina vznikne produkt, který
je většinou složitější než výchozí látky.
N2 + 3 H2 → 2 NH3
•
Dekompozice – molekula se rozpadne na několik jednodušších látek
2 H2O → 2 H2 + O2
•
Substituce – část molekuly je nahrazena jným atomem nebo skupinou
2 Na + 2HCl → 2 NaCl + H2
•
Podvojná záměna – dvě látky si při reakci vymění atomy nebo funkční
skupiny.
NaCl + AgNO3 → NaNO3 + AgCl
•
Hoření – prudká oxidace (nejčastěji) kyslíkem. Jedná se o velmi exotermní
reakci.
C10H8 + 12 O2 → 10 CO2 + 4 H2O
Tepelné zabarvení reakcí
• exotermické reakce – během reakce se teplo uvolňuje, tzn.
energie reaktantů je vyšší než energie produktů (např.
hoření)
• endotermické reakce – během reakce se teplo spotřebovává
(musí se do soustavy dodávat), tzn. energie reaktantů je
nižší než energie produktů (např. tepelný rozklad uhličitanu
vápenatého)
Základní pojmy
Materiál:
látka nebo směs látek v pevném stavu, která
plní určitou fyzikální funkci
– charakterizují ji - pevný stav, tvar,
fyzikální funkce ), za normálních
podmínek stabilní
Stavební pojiva: skupina látek, která s vodou tvoří
zpracovatelnou směs. Po zatvrdnutí získávají potřebné
mechanické, fyzikálně chemické a chemické vlastnosti a
spolu s plnivy tvoří složené neboli kompozitní materiály.
– mají schopnost přecházet ze stavu viskózního či
plastického do stavu pevného beze ztráty celistvosti,
nejlépe bez objemové změny
– základní vlastností je vaznost, tedy schopnost spojovat
částice cizích hmot v pevný celek (=schopnost smáčet
povrchy v kapalném i tuhém stavu)
– dělí se na maltoviny, lepy(spojují kusy tuhé látky) a tmely
(vyplňují dutiny a upravují nerovnosti povrchů).
Anorganická pojiva:
v důsledku chemických procesů, hydratace,
karbonatace, polymerace nebo jiná chemická
reakce, tvoří hmoty s měřitelnými mechanickými
vlastnostmi, především pevností
– Patří sem maltoviny, fosfátová, hořečnatá
pojiva, pojiva na bázi vodního skla atd.
Maltovina: společný název pro anorganická stavební pojiva
účinná složka malt
pojivo, které umožňuje tvárlivost malt
Dělení maltovin podle jejich chování v zatvrdlém stavu vůči
vodě (hydrauličnosti):
1.vzdušné (nehydraulické) – jíly, hlína, sádra a sádrová
pojiva, vápno, hořečnatá maltovina (po zatuhnutí se ukládají na
vzduchu)
2. směsné s hydraulickými přísadami – skládají se ze dvou
složek, z nichž ani jedna sama o sobě není hydraulická, po smísení a
rozdělání s vodou se chovají hydraulicky (vápeno-pucolánové
maltoviny)
3. skrytě (latentně) hydraulické – po přidání vhodných
urychlovačů (budiče) se vzbudí hydrauličnost (zásadité
vysokopecní strusky)
4. hydraulické (vodní) – hydraulické vápno, románský
cement, cement na bázi portlandského slínku, speciální pojiva
(tuhnou ve vlhkém prostředí, tvrdnou a zvyšují pevnost ve vodě)