Chemie pro KS Anorganická a analytická část

Transkript

1 Chemie pro KS Anorganická a analytická část Ing. Matyáš Orsák, Ph.D. ORSAK@AF.CZU.CZ

2 Program přednášek. 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 2

3 Několik užitečných informací: Na disku AF M:student\chemie nebo 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. 3

4 Literatura: Povinnou literaturou jsou skripta: CHEMIE I. (Vybrané kapitoly z obecné, anorganické a analytické chemie) Kolektiv autorů: Dolejšková, Marek, Hejtmánková, Mader Praha

5 OBECNÁ CHEMIE STAVBA HMOTY Praha,

6 ELEMENTÁRNÍ ČÁSTICE ATOMU atom (z řeckého ατοµοσ = nedělitelný) tvoří 3 základní elementární částice elektron (Thompson, 897) katodové záření elementární náboj e- =, C 0 hmotnost elektronu me= 9, kg - e proton (Rutherford, 920) p elementární náboj p+ =, C hmotnost protonu mp=, kg (840krát těžší než elektron) neutron (Chadwick, 932) bez náboje 0 n hmotnost neutronu mn=, kg 6

7 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

8 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 (926) Planckova konstanta h = 6, J.s m = hmotnost částice ν = frekvence λ = vlnová délka záření p = hybnost Δ E = hν λ= h h = mv p h ΔxΔp = 4π 8

9 Energie mikročástic je kvantována A B B A a b Obr..: 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

10 MODELY ATOMU Rutherford (9) jádrový model atomu rozptyl α-částic na kovových fóliích (Au) odklon asi jen u /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

11 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) X Q X, chemická značka prvku N = neutronové číslo N=A Z nukleony = protony a neutrony

12 JSOU VŠECHNY ATOMY STEJNÉ?? Prvek je tvořen souborem atomů, jejichž atomové číslo Z je shodné 6 8 O+ 78 O+ 88 O 6 8 O x 8 O O 7 8 K F Nuklid atomy mají shodné atomové číslo Z a neutronové číslo N 8 Izotop mají shodné atomové číslo Z a různé neutronové číslo N 6 8 O 8 8 O Izobar mají shodné nukleonové číslo A a různé atomové číslo Z 40 9 Ca 2

13 Stabilní izotopy S Prvek Rel. at. hm Rel. at.zastoupení % H He Li Be B C N O F Ne Na AI Si P, ,0400 3,0608 4, ,052 7,0600 9,028 0,0294,0093 2, , , ,000 5, ,9993 7,9998 8, , , , , , , , , , , , , ,9850 0,050 0,000 99,9999 7, , ,0000 9, ,000 98,9000,000 99,6340 0, ,7620 0,0380 0, , ,500 0,2700 9, , ,9900 0,0000,000 00, ,2300 4,6700 3,000 00,0000 CI Ar K Ca Sc Ti V Cr Mn 3, , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , ,0200 0,7500 4,200 0, , ,2300 0,3370 0, , ,258 0,07 6, ,940 0,8470 0,350 2,0880 0,0040 0,870 00,0000 8,0000 7, ,8000 5,5000 5,4000 0, ,7500 4, ,7890 9,500 2, ,0000 3

14 JSOU VŠECHNY ATOMY STEJNÉ?? Poměrné zastoupení izotopů téhož prvku není přesně konstantní (vodík, lehké prvky) využití přírodovědné obory (koloběh vody, živin, ) M(H) =, kg Atomová hmotnost absolutní pro praxi nevhodné vyjádření relativní MR, jednotkou je u relativní molární hmotnost jednotkou je g.mol- Bez izotopů celá čísla M(26 C) u = =, kg 2 s izotopy 4 7 N+ 5 7 N MR (N) = 4, , ,000 0,00364 = 4,0667 4

15 STABILITA ATOMOVÝCH JADER Atomové jádro p+ n 0 vazebná energie, úbytek hmotnosti ΔM = Z M(p) + (A Z) M( 0n) + Z M( 0e) M( AZ X) Vazebná energie štěpení E = Δ Mc 0,7 0,9 % 2 Síly přitažlivé jaderné odpudivé coulombovské c = 3.0 ms 8 5

16 STABILITA ATOMOVÝCH JADER Energie chemického procesu 05 až 06krát menší nemůže ovlivnit jádro atomu Fe U 6

17 STABILITA ATOMOVÝCH JADER 279 stabilních nuklidů v přírodě 56 radioaktivních stabilní nuklidy 2 D, 63 Li, 05 B, 47 N 7

18 STABILITA ATOMOVÝCH JADER magická čísla pro celkový počet protonů nebo neutronů 2, 8, 20, 28, 50, 82, Pb velmi stabilní nuklid! 8

19 RADIOAKTIVITA Objev H. Becquerel (886) expozice fotografické desky sloučeninou uranu spontánní emise subatomových částic U α 42 He, 0 - e, 0 + e Th+ He přeměna prvku Proč? Malá stabilita jádra nadbytek protonů nebo neutronů nízká vazebná energie Pierre Curie ( ) & Marie Curie-Skłodowska ( ) 9

20 TYPY PŘEMĚN Přeměny α (těžká jádra Z > 83) Th Ra + He 4 2 Z Z - 2 A A-4 Přeměny β (přebytek neutronů) 5 6 C 5 7 N+ e 0 - n p+ 0e 0 Z Z+ Důvod změna poměru n/p 20

21 TYPY PŘEMĚN Přeměny β+ (rel. přebytek protonů) 2 7 N 2 6 p 0n+ +0e C+ e 0 + Z Z - uměle připravené prvky Přeměny γ (relativní přebytek protonů) 7 4 Be+ e Li doplnění elektronu z vyšší hladiny doprovází α, β, 0 e + p 0n Z Z - Δ E = hν γ samostatně výjimečně 2

22 RADIOAKTIVNÍ ŘADY POSUVOVÉ ZÁKONY Sled radioaktivních prvků 4 řady ( 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 curie (Ci) počet rozpadů za sekundu v g Ra becquerel (Bq) rozpad za sekundu Ci = 3,7. 00 Bq 22

23 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) T/2 poločas rozpadu 0 poločasů ~ /000 N0 prvek vymře problém radioaktivního odpadu!!! 23

24 ÚČINKY RADIOAKTIVNÍHO ZÁŘENÍ α-záření vysoká ionizace nízká penetrace β-záření nižší ionizace vyšší penetrace γ-záření nízká ionizace vysoká penetrace 24

25 VÝSKYT RADIOAKTIVNÍCH PRVKŮ V PŘÍRODĚ Radioaktivní prvky poločas rozpadu stáří Země U K U Rb 75 7 Th Lu zářiče α Rh 5 49 In zářiče β Radioaktivní prvky z rozpadových řad poločas rozpadu relativně krátký 25

26 UMĚLÉ RADIOAKTIVNÍ PRVKY Vznik: jadernými reakcemi tj. zasažením jádra částicí z radioaktivního zářiče (alfa záření) z urychlovače (neutrony) Jaderné přeměny N+ He 4 prosté (transmutace) 7 2 Rutherford (99) nové jádro se málo liší od původního vzniklé jádro se rozpadá umělá radioaktivita 7 8 O+ p 26

27 UMĚLÉ RADIOAKTIVNÍ PRVKY Jaderné přeměny štěpné Fermi, Hahn, Joliot ( ) U+ n Ba Kr + 3 n + E 0 Lavinovité štěpení exploze princip atomové bomby (06 až 07 C v epicentru) Řízený průběh 200 MeV atomové reaktory moderátory (těžká voda D2O, grafit, bór, ) 27

28 28

29 TERMONUKLEÁRNÍ REAKCE Syntéza stálejších produktů z lehkých jader princip vodíkové bomby, Teller (952, atol Eniwetok) Slunce a jiné hvězdy... 4 p 4 2 He + 2 e+ E 0 + teplota T > 06 C 29

30 Tokamak termojaderná fúze vodíku www-troja.fjfi.cvut.cz/~drska/edu/webfyz/tokamak/index.html 30

31 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 0 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 206. Plánovaný výkon by měl být 500 MW během zážehů plazmatu trvajících až 500 s. 3

32 VYUŽITÍ RADIOIZOTOPŮ. 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 Určení stáří hornin organismů U C 32

33 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 T/2 = 28 roků 38 β 0,53 MeV Sr 33