Úvod do chemie. Petra Kührová

Transkript

1 Úvod do chemie Petra Kührová

2 Vymezení chemie Nauka o vlastnostech, složení a přeměnách látek Studium chemických jevů (změny látek a energeecké přeměny)

3 Chemické jevy Chemické reakce zánik vazeb (zánik výchozích látek) vznik nových vazeb (vznik produktů) rychlost chemických reakcí kineeka reakcí energeeka reakcí poloha rovnováhy rovnovážný stav mechanismus reakcí reakční stechiometrie

4 Látka a pole Tradiční rozdělení hmoty ve fyzice Pole zprostředkovává interakci mezi hmotnými čásecemi. Nositeli jsou čásece s nulovou klidovou hmotnosn (fotony) Látka vlastní materiální kostra hmoty. tvořena čásecemi s nenulovou klidovou hmotnosn (elektrony, protony a neutrony) tvoří hadrony protony, neutrony, mesony, baryony silné interakce elektromagneecké interakce slabé interakce

5 Popis látek KvalitaEvní vs. kvanetaevní vlastnose (popis pomocí standardů - jednotek) Jednotky SI Veličina název jednotky značka čas sekunda s délka metr m elektrický proud ampér A hmotnost kilogram kg látkové množství mol mol svíevost kandela cd teplota kelvin K

6 Fyzikální veličiny Extenzivní stavové veličiny, jejichž hodnoty lze získat jako součet dílčích složek. Extenzivní vlastnose jsou závislé na velikose (hmotnose) soustavy. hmotnost látkové množství (1 mol je takové množství čásec, jako je 12 atomů v kg nuklidu uhlíku 6 C ) hyps://catalog.flatworldknowledge.com/bookhub/4309?e=averill_1.0-ch03_s01

7 Fyzikální veličiny Extenzivní objem délka 1 metr je délka dráhy, kterou urazí světlo ve vakuu za 1/ sekundy čas 1 sekunda je doba rovnající se periodám záření, které odpovídá přechodu mezi dvěma hladinami velmi jemné struktury základního stavu atomu cesia při 0 K elektrický náboj vnitřní energie

8 Fyzikální veličiny Intenzivní veličina závisející pouze na stavu soustavy nikov na počtu čásec, které ji tvoři (na hmotnose či látkovém množství) teplota 1 kelvin je roven 1/ termodynamické teploty trojného bodu vody tlak hustota koncentrace molární zlomek, molární hmotnost, molární objem, molární tepelná kapacita, molární Gibbsova energie vztažené na jednotkové látkové množství

9 hyps://cs.wikipedia.org/wiki/přirozená_soustava_jednotek Přirozené jednotky Voleny tak, aby vybrané základní konstanty měly číselnou hodnotu 1

10 Bezrozměrné veličiny Číselné hodnoty bez jednotek relaevní tlak p r =p/p 0 relaevní koncentrace látky X [X]=c(x)/c 0 zlomky hmotnostní, objemový, molární transmitance T(Φ/Φ 0 ) absorbance A=-logT

11 Základní zákony Zákon zachování hmotnose (M. V. Lomonosov a A. L. Lavoisier ) V uzavřené soustavě se hmotnost látek do reakce vstupujících rovná hmotnose látek z reakce vystupujících. Zákon zachování energie (M. V. Lomonosov 1748) Energii nelze vytvořit a ani zničit. Einsteinův vztah ekvivalence mezi hmotnosn a energií E =mc 2 sjednocuje oba zákony v zákon jediný: Celková hmotnost a energie izolované soustavy se nemění.

12 Základní zákony Zákon stálých poměrů slučovacích (Proust a Dalton ) Hmotnostní poměr prvků či součásn dané sloučeniny je vždy stejný a nezávislý na způsobu přípravy sloučeniny. Poměr kyslíku a vodíku je ve vodě přibližně 8:1 Zákon násobných poměrů slučovacích (Richter 1791 a Dalton -1802) Tvoří-li dva prvky více podvojných sloučenin, pak hmotnose jednoho prvku slučujícího se vždy se stejným množstvím prvku druhého jsou pro tyto sloučeniny v poměrech, které lze vyjádřit přibližně podílem malých čísel. Kyslík, který se sloučí bezezbytku s 1 g vodíku na vodu, má hmotnost asi 8 g. Kyslík, který se sloučí bezezbytku s 1 g vodíku na peroxid vodíku, má hmotnost asi 16 g. Poměr hmotnosn kyslíku je tedy 1:2.

13 Základní zákony Zákon stálých poměrů objemů (Gay-Lussac ) Při stálém tlaku a teplotě jsou objemy plynů vstupujících spolu do reakce, popřípadě též objemy plynných produktů reakce, vždy ve stejném poměru, který je možné vyjádřit malými celými čísly. Jeden objem kyslíku a dva objemy vodíku poskytují dva objemy vodní páry. Avogadrův zákon Ve stejných objemech různých plynů či par je za stejného tlaku a teploty stejný počet molekul.

14 Základní zákony Faradayův zákon elektrolýzy Hmotnost látky m přeměněné při elektrolýze na elektrodě je přímo úměrná prošlému náboji Q.

15 Mikrosvět vs. makrosvět makrosvět poznatelný našimi smysly mikrosvět elementární čásece poznatelné pouze nepřímo (mikroskop, ) Bruno de la Torre, RCPTM

16 Stavba hmoty An3ka svět se skládá z jediné pralátky Demokritos a Leukippos - AtomisEcká teorie Veškerá hmota se skládá z drobných nepatrných dále již nedělitelných částeček atomů. Aristoteles a Empedokles Pralátka je tvořená kombinací čtyř základních elementů (oheň, voda, vzduch a země) Uznávána až do 17. stolen

17 Demokritova AtomisEcká teorie rozšířena J. Daltonem (i) (ii) (iii) Atomy nelze dále dělit ani chemicky ani fyzikálně Atomy různých prvků se od sebe liší Při slučování dochází ke sdružování celistvého počtu atomů Zpochybnění nedělitelnose atomu

18 Objev elektronu - J. J. Thomson (1897) Katodové záření katoda je el. vytápěna dojde k emisi záření toto záření je urychleno anodou malá frakce projde skrz perforovanou anodu paprsek dopadne na fluorescenční desečku a záření se stane viditelným (paprsek se ohýbá od záporně nabité desečky) pudinkový model atomu zssepa.cz

19 Objev atomového jádra planetární model atomu - E. Rutherford Elektrony se pohybují podle zákonů klasické fyziky

20 N. Bohr a počátky kvantové chemie (i) (ii) Elektron se může bez vyzařování E pohybovat kolem jádra jen po určitých drahách (orbitalech) Elektron přijímá nebo vyzařuje E pouze při přeskoku z jedné energeecké hladiny na druhou (kvantování energie)

21

22 Kvantová teorie W. Heisenberg a E. Schrödinger (1925, 1926) vlnová funkce hyp://dingercatadventures.tumblr.com Vlnová funkce popisuje pravděpodobnost výskytu elektronu v elektronovém obalu atomu. Vlnovou funkci lze získat řešením Schrödingerovy rovnice. Kvantově-mechanický model atomu využívající dualisecký princip a vlnovou funkci

23 Elektron: hmotnost: 9, kg Proton: hmotnost: 1, kg Neutron hmotnost: 1, kg atom Jádro Rozměr se udává v nm (nm = 10-9 m) nebo angströmech (Å = m). Hmotnost se uvádí ve formě relaevní atomové hmotnose (A R ). A R je rovna podílu hmotnose atomu a hmotnose atomové hmotnostní jednotky u (1, kg 1/12 hmotnose 1 atomu nuklidu uhlíku ) 12 6C

24 Atomy A X Z Každý atom je charakterizován: atomovým protonovým číslem Z (udává počet protonů v jádře, počet elektronů v neutrálním stavu a pořadí v periodickém systému) Nukleonové (hmotnostní) číslo udává celkový počet nukleonů v jádře (celkový počet protonů a neutronů) Izotop liší se nukleonovým číslem Izobar liší se protonovým číslem Izoton liší se protonovým i nukleonovým číslem při stejném počtu neutronu 138 Ba Xe 56

25 Stabilita atomových jader čásece vázány jadernými silami s dosahem m (síly krátkého dosahu síla coulombické repulze mezi kladně nabitými protony je proe silné interakci držící jádro pohromadě zanedbatelná) jádro modely kapkový, slupkový Stabilita jader záleží na poměru počtu neutronů a protonů u lehčích atomů A = 2 Z (přibližně stejný počet protonů a neutronů) u těžších atomů A > 2 Z stabilnější nuklidy sudo sudé (magické čísla 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126, 184 počet protonů a neutronů) pouze čtyři stabilní licho lichá 2 H 6 Li 10 B 14 N

26 Jádra se speciálním názvem proton (značka p, jádro atomu 1 1H ) deuteron (značka d, jádro atomu 2 H ) triton (značka t nebo τ, je jádro atomu 3 1H ) helion (značka h, jádro atomu 3 He) čásece alfa (značka α, je jádro atomu ) He 2

27 Jaderné reakce Ke štěpení jádra může docházet i samovolně (radioakevní přeměny) RadioakEvní přeměny: α záření 4 2 He β záření β -, β + - elektrony, pozitrony γ záření 14 7 N + 24 α 17 8 O p 14 7 N(α, p) 17 8 O

28 Jaderné reakce Štěpení jader vyvolané vnějším zásahem (interakcí štěpeného jádra jinou čásecí fotonem, protonem, neutronem) řízená řetězová reakce endoenergeecká (po iniciaci probíhají samovolně) nebo exoenergeecká (pouze pro jádra těžší než je Fe a Ni) štěpení uranu (energie reakce 200 MeV) U n Ba Kr n U n La Br n hyp://artemis.osu.cz/mmfyz/jm/jm_2_3_3.htm

29 Jaderná fúze Reakce při které dochází ke sloučení lehkých atomových jader za uvolnění energie. Probíhají za vysokých teplot. proe slučování jader působí odpudivá elektrická interakce. Při dostatečném přiblížení převládne přitažlivá jaderná síla a obě jádra se sloučí. Rozdíl mezi klidovými hmotnostmi jader před a po sloučení se uvolní ve formě energie. menší hvězdy slučování samotných protonů (jader vodíku) na helium ve větších hvězdách fúzí vznikají i další prvky neon, kyslík, křemík, železo při nahromadění železa dojde ke gravitačnímu kolapsu a explozi supernovy

30 Jaderná fúze Reakce při které dochází ke sloučení lehkých atomových jader za uvolnění energie. Probíhají za vysokých teplot. proe slučování jader působí odpudivá elektrická interakce. Při dostatečném přiblížení převládne přitažlivá jaderná síla a obě jádra se sloučí. Rozdíl mezi klidovými hmotnostmi jader před a po sloučení se uvolní ve formě energie. menší hvězdy slučování samotných protonů (jader vodíku) na helium ve větších hvězdách fúzí vznikají i další prvky neon, kyslík, křemík, železo při nahromadění železa dojde ke gravitačnímu kolapsu a explozi supernovy

31 Kvantový pohled na atom V mikrosvětě dochází k tzv. kvantování energie. Přípustné energie vytvářejí soubor oddělených (diskrétních) energeeckých hladin. Přechod mezi hladinami je spojen s přijenm nebo odevzdáním E, která odpovídá energeecké vzdálenose hladin. E hν

32 Od tepelného záření ke kvantování energie Elektromagnetické záření vydávají všechna tělesa Chladná vyzařují okem neviditelné infračervené záření Zahřátá tělesa (asi nad 500 C) pak záření viditelné

33 Od tepelného záření k absolutně černému tělesu a zpět ke kvantování energie Konec 19. století se nesl ve znamení absolutně černého tělesa. Spousta fyziků podalo dílčí vysvětlení jeho záření, ale až Max Planck jej popsal přesně.

34 Absolutně černé těleso? Dokonale pohlcuje veškerou dopadající energii a následně tuto energii vyzařuje zpět ve formě elektromagneeckých vln. Nedochází k žádnému odrazu záření, čímž se za nízké teploty jeví dokonale černé měření E dopadajícího záření pro jednotlivé vlnové délky při nižší teplotě (600 C) zahřáté těleso se jeví jako červené C se jeho barva mění na bílou, poněvadž jsou v záření zastoupeny všechny vlnové délky viditelné čáse spektra při ještě vyšších teplotách se barva tělesa mění v modrobílou a těleso vyzařuje i ultrafialové záření (elektrody při obloukovém svařování)

35 Od černého tělesa ke kvantování M. Planck těleso vyzařuje jen záření určitých vlnových délek. Světelná energie je vyzařována po kvantech a ne spojitě (elementární kvantum foton quantum množství). E = hν ν je frekvence záření a h je Planckova konstanta (h = 6,626 *10-34 J.s)

36 Princip komplementarity Heisenbergův princip neurčitos5 Není možno současně určit hybnost a polohu čás9ce s libovolnou přesnos=. Podobně energie a čas

37 Částice nebo vlna?

38 Částice nebo vlna? Částice! Důkaz měření energií elektronů vznikajících při fotoelektrickém jevu. Fotoelektrický jev (NC 1921) pokud na fotokatodu, záporně nabitou kovovou elektrodu umístěnou spolu s anodou v evakuované skleněné trubici, dopadá záření vhodné energie, lze pozorovat, že obvodem začne protékat proud (zvýší-li se intenzita, roste také proud).

39 Částice! Snižuje-li se frekvence světla po dosažení určité energie proud v obvodě přestane protékat. Minimální E fotonu (výstupní práce W elektronu potřebná k vyražení elektronu z kovu, záleží na materiálu řádově jednotky ev). Energie fotonu se transformuje do kineecké energie elektronu a výstupní práce E = hν = E k + W

40 Ne je to vlna! C. Davissonem a L. Germerem pozorovali difrakci elektronů na krystalu. Zopakováno i s molekulami (vodíkem). Difrakce je charakterisecká vlastnost vln nastává při interferenci vln.

41 Ne je to vlna! L. de Broglie navrhl, že každá čásece pohybující se s hybnosn p má vlnovou délku λ danou vztahem: λ= h/p

42 Ne je to vlna! L. de Broglie navrhl, že každá čásece pohybující se s hybnosn p má vlnovou délku λ danou vztahem: λ= h/p λ=10-35 m Pro difrakci musí být λ srovnatelná v řádech s velikosn! Čím vyšší rychlost, Nm kratší λ.

43 Takže DUALISMUS! A. Einstein světelné kvantum nese hybnost De Broglie hmotná čásece mající hybnost je popsatelná vlnovou délkou Jak danou čáseci popíšeme záleží jen na uspořádání experimentu a způsobu pozorování!

44 Vítejte v mikrosvětě Pro popis chování sytému podle počátečního stavu nelze použít klasickou Newtonovskou mechaniku kvantová mechanika Klasický pojem trajektorie je v kvantové mechanice nahrazen pojmem vlna vlnová funkce ψ.

45 Vlnová funkce Obsahuje všechny informace o čáseci Čím více vln pro jednu čáseci máme, Nm lépe ji můžeme lokalizovat, ale ztranme informaci o hybnose.

46 Jak získáme vlnovou funkci? Vyhovuje Schrödingerově rovnici HΨ=EΨ (bezčasová S. rovnice) Pokud vlnová funkce čásece nabývá hodnotu ψ v určitém bodě x, pravděpodobnost, že najdeme čáseci mezi x a x+dx je úměrná ψ 2 dx ψ 2 je hustota pravděpodobnose

47 Schrödingerova rovnice HΨ=EΨ Diferenciální rovnicí druhého řádu, kde řešením jsou dvojice (ψ,ε), které splňují tuto rovnici. ψ je vlastní funkcí hamiltoniánu a konstanta E je vlastní hodnotou hamiltoniánu. Exaktně je možno řešit pouze vodíkovské atomy (H, He +, Li 2+, )

48 Schrödingerova rovnice HΨ=EΨ Diferenciální rovnicí druhého řádu, kde řešením jsou dvojice (ψ,ε), které splňují tuto rovnici. ψ je vlastní funkcí hamiltoniánu a konstanta E je vlastní hodnotou hamiltoniánu. Exaktně je možno řešit pouze vodíkovské atomy (H, He +, Li 2+, ) Toužíte-li poznat víc, je tu kvantová chemie! KFC / QCH

49 A k čemu vůbec vlnová funkce je? Určuje pravděpodobnost výskytu elektronu v atomu (vymezuje existenční oblast elektronu v atomu - AO) Každá vlnová funkce obsahuje 3 charakterisecká celá čísla (kvantová čísla): Hlavní kvantové číslo (n) charakterizuje energii AO nabývá hodnot: n = 1, 2, 3,... Vedlejší kvantové číslo (l) určuje tvar AO nabývá hodnot: l = 0, 1, 2,..., n-1

50 MagneEcké kvantové číslo (m l ): určuje orientaci AO k souřadnému systému nabývá hodnot: m l = -l, -l+1,..., -1, 0, 1,..., l-1, l

51 Spinové kvantové číslo (m s ) nabývá hodnot ±1/2 popisuje vnitřní moment rotace elektronu Spinová muleplicita 2S+1 Singlet (1), dublet (2), triplet (3) S=1/2(n α -n β )