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. 23 = 6,0221367 ± 10 N A Látkové množství je dáno podílem N částic v systému a Avogadrovy konstanty NA N n = N A Molární hmotnost: M [kg mol-1] Molární hmotnost vyjadřuje hmotnost 1 molu chemicky homogenní látky. ma kde ma je hmotnost vzorku. n a = M a Atomární hmotnost: A [-] Vyjadřuje hmotnost 1 molu atomů daného prvku, tabelováno.
Základy chemie Látky Čisté Směsné Chemické prvky Chemické sloučeniny Heterogenní Homogenní Atom Molekula keramika, slitiny O, Si, Al, Fe atd. NaCl, NaOH atd. beton sklo Co je to chemie? Studium jevů
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 p 1 1 n 0 0 e 1 Náboj +1,602177.10-19C Hmotnost m p =1,67262.10-27 kg m p = 1836 m e Náboj Hmotnost Náboj Hmotnost 0C mn=1,67493.10-27kg mn= 1839 me 1,602177.10-19C me=9, 10939.10-31kg mp = 1839 me
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 Rozdíl elektronegativit typ vazby kovalentní iontový mezi vazebnými atomy charakter nulový střední kovalentní polárně kovalentní klesá stoupá velký iontová
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 velkámechanickápevnost Příklady látek s iontovou vazbou: NaCl, CaCl 2, MgBr 2, AlF 3, BaO, MnO 2
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 t t 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. N 2 + 3 H 2 2 NH 3 Dekompozice molekula se rozpadne na několik jednodušších látek 2 H 2 O 2 H 2 + O 2 Substituce část molekuly je nahrazena jným atomem nebo skupinou 2 Na + 2HCl 2 NaCl + H 2 Podvojná záměna dvě látky si při reakci vymění atomy nebo funkční skupiny. NaCl + AgNO 3 NaNO 3 + AgCl Hoření prudká oxidace (nejčastěji) kyslíkem. Jedná se o velmi exotermní reakci. C 10 H 8 + 12 O 2 10 CO 2 + 4 H 2 O
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)
Materiál: Základní pojmy 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: vdůsledku chemických procesů, hydratace, karbonatace, polymerace nebo jiná chemická reakce, tvoří hmoty směřitelnými 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)