MO 1 - Základní chemické pojmy Hmota, látka, atom, prvek, molekula, makromolekula, sloučenina, chemicky čistá látka, směs. Hmota Filozofická kategorie, která se používá k označení objektivní reality v jejím ustavičném pohybu a vývoji. Hmota působí na naše smyslové orgány, a tím se odráží v našem vědomí. Přírodní formy zkoumají jednotlivé formy existence hmoty, které lze rozdělit do dvou hlavních skupin - na pole a látky. Formy hmoty mají dualistický charakter. U polí převládá vlnový charakter, u látek částicový charakter (korpuskulární). Pole Všechna známá fyzikální pole: jaderné, elektrické, magnetické, gravitační,... Elektromagnetické pole se prostřednictvím elementárních kvant (fotonů záření) účastní většiny chemických, fyzikálních i biologických procesů. Z elektromagnetického záření různých vlnových délek je nejvýznamnější světlo - záření o vlnové délce přibližně 400 až 760 nm. Látky Formy hmoty, mají částicový (korpuskulární) charakter. Vnímáme je jako konkrétní objekty (tělesa) Liší se navzájem liší druhem stavebních částic a jejich uspořádáním - strukturou, určuje vlastnosti látek. Vlastnosti látek se projeví při dějích. Rozlišujeme Děje fyzikální - nemění se kvalita látky (např. změna skupenství). Vlastnosti charakterizující fyzikální děj jsou fyzikální vlastnosti (např. teplota tání, varu). Děje chemické (chemické reakce) - látka se při ději změní (např. koroze, tepelný rozklad CaCO 3, reakce vodíku s kyslíkem).vlastnosti charakterizující chemický děj jsou vlastnosti chemické.
Atom Z chemického hlediska základní stavební jednotka látky. Kladně nabité jádro (protony a neutrony = nukleony) a záporně nabitý elektronový obal (elektrony) V jádře je soustředěná téměř veškerá hmotnost atomu, jeho rozměry jsou však ve srovnání s obalem nepatrné....můžete také vysvětlit pojmy ion, kation, anion. Molekula Částice vzniklá sloučením dvou nebo více atomů (iontů) dělení dál v textu Makromolekula Makromolekula je rozsáhlá molekula s velkou molární hmotností. Chemicky čistá látka (chemické individuum) Látka tvořená stejnými částicemi (atomy, molekulami, skupinami iontů). Má stálé charakteristické vlastnosti (teplotu varu, teplotu tání, hustotu) v celém objemu. Patří sem prvky a sloučeniny prvek - chemicky čistá látka složená z atomů o stejném protonovém čísle. Atomy mohou být nesloučené (u vzácných kovů), mohou tvořit molekuly (např. H 2 ), nebo jsou vázány v krystalové struktuře (např. v diamantu). (můžete se zmínit také o pojmech nuklid, izotop) sloučenina - chemicky čistá látka tvořená stejnými molekulami složenými ze dvou nebo více různých atomů. Molekula prvku - např. H 2, O 2,... sloučeniny - např. H 2 O, CuCl 2,... molekulový ion - např. NH 4 + Směs Soustava složená z několika různých chemicky čistých látek - složek, které lze od sebe oddělit fyzikálně chemickými metodami. Dělení Homogenní směs Má ve všech svých částech stejné vlastnosti, velikost částic menší než 10-9 m. Např roztoky solí Heterogenní směs Skládá se ze dvou, případně více homogenních oblastí, velikost částic větší než 10-7 m. Např zinek se sírou Disperzní soustavy Někdy se přiřazují k heterogenním soustavám Hrubě disperzní soustavy průměr částic větší než 5.10-7 m. suspenze, emulze, pěna, aerosol (dým, mlha) (vysvětlit, uvést příklady) Jemně disperzní soustavy velikost částic 10-9 až 5.10-7 m nepravé, tzv koloidní roztoky (částice se neusazují) např vaječný bílek
Vzorce a názvy sloučenin, oxidační číslo Názvosloví (nomenklatura) soubor pravidel, podle kterých se tvoří názvy a vzorce chem. látek v anorganické chemii jsou základem názvosloví názvy prvků a zakončení odpovídající ox. číslům atomů prvků ve sloučenině. Chemický vzorec se skládá ze značek prvků, indexů a dalších znaků (závorky, tečky,...) Oxidační číslo konvence ox. č. je elektrický náboj, který by byl přítomen na atomu prvku, kdybychom vazebné elektrony v každé vazbě, která vychází z tohoto atomu, přidělili atomu elektronegativnějšímu prvku. Při určování ox. č. se vychází ze strukturních vzorců sloučenin a elektronegativit prvků oxidační čísla mohou být kladná, záporná i nulová a nemusí to být vždy čísla celá označujeme je římskou číslicí, znaménko (-) píšeme před číslici, necelistvá ox. č. píšeme zlomkem arabskými číslicemi (-1/2, 2/3) Počet nábojů označujeme arabskou číslicí, znaménko (+,-) píšeme za číslicí Pravidla pro určování oxidačních čísel 1. Volný elektroneutrální atom nebo atomy v molekule prvku mají oxidační číslo nula (např. Zn 0, H 20 ). 2. Součet oxidačních čísel všech atomů a) v elektroneutrální molekule je roven nule, b) v iontu je číselně roven náboji iontu. 3. U dvouprvkových sloučenin platí, že kladné oxidační číslo má atom prvku s menší elektronegativitou, záporné oxidační číslo má atom prvku s větší elektronegativitou. 4. Některé prvky mají ve všech sloučeninách (nebo ve většině) stejná oxidační čísla: H I (ale H -I v hydridech), O -II (ale O -I v peroxidech), F -I, prvky 1. skupiny ox.č. I, prvky 2. skupiny ox.č. II Typy vzorců Stechiometrický, empirický vzorec Vyjadřuje základní (stechiometrické) složení sloučeniny Udává, ze kterých prvků se sloučenin skládá a v jakém poměru jsou atomy zastoupeny Píše se do složených závorek Např. hydroxid vápenatý {CaH 2 O 2 }, dusitan amonný {H 2 NO}, peroxid vodíku {HO}, voda {H 2 O} Molekulový, souhrnný, sumární vzorec Udává druh počet atomů v molekule dané sloučeniny. Může být totožný se stechiometrickým vzorcem nebo je jeho celistvým násobkem. Vyjadřuje i M r Např. peroxid vodíku H 2 O 2, monomerní oxid dusičitý NO 2, dimerní oxid dusičitý N 2 O 4, voda H 2 O
Geometrický vzorec Udává geometrické uspořádání atomů nebo iontů v molekule. Např. voda, methan Konstituční vzorec Zobrazuje konstituci molekuly, tj. pořadí a způsob, jakým jsou atomy v molekule vázány. Nemusí zobrazovat délky vazeb ani vazebné úhly. Obvykle nepostihuje rozmístění atomů v prostoru. rozvinutý konstituční vzorec = strukturní, např. cyklohexan racionální konstituční vzorec, např. cyklohexan, nebo (racionální) funkční vzorec - racionální konstituční vzorec, který zobrazuje funkční skupiny atomů, např. dusitan amonný NH 4 NO 2, Elektronový strukturní vzorec Varianta konstitučního vzorce. Vyjadřuje graficky uspořádání valenčních elektronů (vazebných i nevazebných) kolem všech atomů ve sloučenině. Jedná-li se o nepárový elektron, pak jej vyznačujeme tečkou u symbolu příslušného atomu, volný elektronový pár pak krátkou úsečkou podél symbolu atomu. Náboje a parciální náboje na atomech spojených kovalentní vazbou se vyznačují znaménky +, -, δ+, δ- Kovalentní vazbu symbolizují čárky (jednoduchá vazba), = (dvojná vazba), (trojná vazba) mezi sloučenými atomy. Např. oxid uhličitý, oxid uhelnatý, chlorovodík Konfigurační vzorce Zvláštní případ konstitučního vzorce. Znázorňuje různá prostorová uspořádání molekul sloučenin se stejnou konstitucí. Jednu formu molekuly nelze převést ve druhou bez přerušení některé (některých) vazeb Např. cis-but-2-en, trans-but-2-en Konformační vzorce Vystihují různá prostorová uspořádání molekul téže sloučeniny vznikající vnitřní rotací jejich částí kolem jednoduché vazby. Např. zákrytová a nezákrytová konformace ethanu Základní chemické zákony Zákon zachování hmotnosti, Lomonosov (1748), Lavoisier (1774) Hmotnost všech látek do reakce vstupujících je rovna hmotnosti všech produktů. Zákon zachování energie, Lomonosov (1748), Mayer (1842) Celková energie izolované soustavy je v průběhu chemické reakce konstantní.
Oba uvedené zákony do jednoho zákona zachování hmotnosti a energie. Zákon stálých poměrů slučovacích, Proust (1799) (první zákon Daltonův). Hmotnostní poměr prvků či součástí dané sloučeniny je vždy stejný a nezávislý na způsobu přípravy této sloučeniny. Zákon násobných poměrů slučovacích, Richter (1791), Dalton (1802) (druhý zákon Daltonův). Tvoří-li dva prvky více sloučenin, pak hmotnosti jednoho prvku, který se slučuje se stejným množstvím prvku druhého, jsou vzájemně v poměrech, které lze vyjádřit malými celými čísly. Daltonova atomová teorie (odvodil ji poč. 19. století ze slučovacích zákonů) rozšířená o Avogadrovu teorii o molekulách: 1. Prvky jsou látky složené z atomů. Atomy jsou velmi malé, dále nedělitelné částice (Leukippos a Démokritos). 2. Atomy téhož prvku jsou stejné, atomy různých prvků se liší. 3. V průběhu chemických dějů se atomy spojují, oddělují nebo přeskupují. Nemohou však vzniknout nebo zaniknout. 4. Slučováním dvou nebo více atomů vznikají molekuly nové látky - sloučeniny. Molekuly vznikají sloučením celistvých počtů (stejných nebo různých) atomů. Zákon stálých poměrů objemových, Gay-Lussac (1805) Plyny se slučují v jednoduchých poměrech objemových. Např. jeden objem kyslíku a dva objemy vodíku poskytují dva objemy vodní páry. Z Daltonovy teorie nebylo možno vysvětlit, proč v uvedeném příkladu celkem ze tří stejných objemů vodíku a kyslíku vzniknou právě dvě objemové jednotky. Tento nesoulad vedl Avogadra (1811) k zavedení pojmu molekula. Molekuly prvků mohou být v plynném stavu složeny z více stejných atomů, podobně jako je sloučenina složena z více různých atomů. Reakci, při níž vodík reaguje s kyslíkem za vzniku vodní páry, lze pak popsat rovnicí 2 H 2 + O 2 -> 2H 2 O, ze které vyplývá, že plynný vodík a plynný kyslík tvoří biatomické molekuly. Avogadrův zákon Ve stejných objemech různých plynů a par je za stejného tlaku a teploty stejný počet molekul. Elementární částice Mikročástice Klidová hmotnost (kg) Klidová hmotnost (u) Náboj (C) Objeven elektron 9,109. 10-31 5,486. 10-4 -1,602. 10-19 1897 Joseph J.Thomson proton 1,673. 10 27 1,007 27 +1,602. 10-19 1918 Ernest Rutherford neutron 1,675. 10 27 1,008 66 0 1932 James Chadwick. Hmotnost atomů a molekul, atomová hmotnostní konstanta. Relativní atomová hmotnost Ar(X) Je dána poměrem hmotnosti m(x) atomu X a atomové hmotnostní konstanty m u : A r ( X )= m( X ) m u Je to bezrozměrná veličina, která udává, kolikrát je hmotnost atomu X vetší než atomová hmotnostní konstanta. V PSP je tzv. střední relativní atomová hmotnost.
Relativní molekulová hmotnost Mr(Y) Je dána poměrem hmotnosti m(y) molekuly Y a atomové hmotnostní konstanty : M r (Y )= m(y ) m u Je to bezrozměrná veličina, která udává, kolikrát je hmotnost molekuly Y větší než atomová hmotnostní konstanta. Prakticky ji určíme součtem Ar všech atomů tvořících molekulu. Atomová hmotnostní konstanta m u je rovna dvanáctině hmotnosti nuklidu uhlíku 12 C m u = m 12 (C ) =1,660565 10 27 kg=1u 12 Pozn: K vyjadřování hmotností atomů a molekul lze použít i vedlejší jednotku hmotnosti - atomovou hmotnostní jednotku u. Ta je definována vztahem: l u = (1,660 565 5 ± 0,000 008 6). 10-27 kg tak, aby hmotnost m u atomové hmotnostní konstanty byla právě 1 u. Například: 1 H má hmotnost m( 1 H) = 1,673 55. 10-27 kg = l,00782 u 12 C má hmotnost m( 12 C) = 1,992 67. 10-26 kg = 12,0000 u Látkové množství jednotka 1 mol počet částic (atomů, molekul, iontů) připadajících na 1 mol látky udává Avogadrova konstanta N A = (6,022 045 ± 0,000 31). l0 23 mol -1, odpovídá počtu atomů ve vzorku nuklidu uhlíku 12 C o hmotnosti 12 g. n= m M Veličiny vztažené na jednotkové látkové množství se nazývají molární. Molární hmotnost M je určena podílem hmotnosti m a látkového množství n dané látky. M = m n jednotka g.mol -1, případně kg.mol -1 udává hmotnost 1 molu dané látky Molární objem V m udává objem jednotkového látkového množství látky (tzn. objem 1 molu). jednotka m 3.mol -1, dm 3.mol -1 V m = V, kde V je objem tělesa a n je látkové množství. n molární objem ideálního plynu při teplotě 273,15 K (bod tání vody) a tlaku 101,325 kpa je 0,022414 m 3.mol -1 tj. 22,414 dm 3.mol -1.