KAPITOLA 2: PRVEK Vysoká škola technická a ekonomická v Českých Budějovicích Institute of Technology And Business In České Budějovice
Tento učební materiál vznikl v rámci projektu "Integrace a podpora studentů se specifickými vzdělávacími potřebami na Vysoké škole technické a ekonomické v Českých Budějovicích" s registračním číslem CZ.1.07./2.2.00/29.0019. Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky.
KLÍČOVÉ POJMY: atom, molekula, zákon zachování energie a hmoty, slučovací zákon CÍLE KAPITOLY: vysvětlit souvislosti mezi stupněm poznání filozofie a znalostmi vlastností látek, podat stav znalostí současné vědy.
2.1 HISTORIE POZNÁNÍ porozumět vlastnostem a chováním hmoty se lidstvo snažilo po celou dobu svého vývoje a to ať podvědomě nebo vědomě. počátky úvah o skladbě hmoty se odehrávaly v oblasti filosofie úvahy filozofů vedly k domněnce, že hmota jako látka není homogenní ale je složena z malých okem nepozorovatelných částí, které nazvali ATOM. Ten chápaly jako dále nedělitelnou částici, která je nositelem vlastností hmoty krokem zpět bylo učení Aristotela s jeho prohlášením, že hmota je homogenní a spojitá, vyplňuje celý vesmír a je složena z jediné pralátky. Tato myšlenka bohužel vyhovovala i středověkému náboženskému myšlení, které zabrzdilo další vývoj teorie skladby hmoty
k myšlenkovému posunu došlo až v létech 1750 1765, kdy Michail Vasiljevič Lomonosov prokázal existenci atomů jako v té době nejmenších částic hmoty a definoval prvek jako látku složenou z několika druhů atomů teorii chemické struktury postavili v 1. pol. 19. století zejména Baeyer, Kekule a Butler. Základem jejich teorie je definice, že vlastnosti sloučenin nezávisí jen na druhu a počtu atomů v molekule, ale i na jejich vzájemné poloze. Ve stejném období v 1. Pol. 19. stol. dospěl Dalton k počátku atomové teorie, kterou charakterizoval těmito definicemi: - atomy jsou nejmenší, dále již nedělitelné částice hmoty, atomů je tolik druhů kolik je prvků, atomy se spolu slučují tak, že na 1 atom prvků jednoho připadá 1 nebo více atomů prvků druhého
toto vědecky velmi úspěšné období završil D. I. Mendělejev v období 1880 1907 a to objevením periodického zákona, který dnes známe v podobě Mendělejevovy soustavy prvků atom přestává být chápán jako jednoduchá nedělitelná částice a objevem radioaktivity v roce 1896 H. Bequerelem, Marií Curie Sklodowskou a Pierre Curiem se stává částicí složeno z dalších částic. následuje v roce 1869 objev elektronu J. W. Hittorfovem, objev protonu E. Goldsteinem a v roce 1932 objev neutronu Chadwickem. současná doba vedla k objevu kvarků a dalších částic.
2.2 ZÁKLADNÍ ČÁSTICE ATOMU ATOM je základní stavební jednotkou látky o hmotnosti 10-22 10-24 g s velikostí v desetinách nanometru. Základní částice: ELEKTRON je částice se záporným nábojem o velikosti 1,602. 10-19 coulombů. Klidová hmotnost elektronu je 9, 108. 10-28 g. PROTON je částice s kladným nábojem o stejné velikosti jako elektron + 1,602. 10 19 coulombů, ale klidová hmotnost je výrazně vyšší 1, 672. 10 24 g. NEUTRON je částice bez elektrického náboje s klidovou hmotností přibližně stejnou jako proton 1,675. 10 24 g.
Základní částice: POSITRON je částice s kladným nábojem o stejné klidové hmotnosti jako elektron. Spojení elektronu a positronu je základním kamenem záření ANTIPROTON je záporně nabitá částice o stejné klidové hmotnosti jako proton: 1,672. 10 24 g. MEZONY jsou částice různě nabité. Mohou mít kladný nebo záporný náboj, nebo mohou být zcela bez náboje. Jejich klidová hmotnost leží v oblasti mezi klidovou hmotností elektronu a klidovou hmotností protonu KVARKY a další částice, jejich průzkum a objasňování v současné době probíhají
2.3 ATOM Částice atomu tvoří dvě formace JÁDRO a OBAL. 1) JÁDRO atomu - převažují v něm kladně nabité částice ( protony) a tedy celkový jeho náboj je kladný - počet protonů v jádře udává atomové číslo to je základní konstantou prvku a určuje jeho postavení v Mendělejevově periodické tabulce - počet nukleonů v jádře udává hmotové číslo - čísla jsou v Mendělejevově soustavě prvků označena takto: hmotové číslo atomové číslo značka prvku
2.3 ATOM Částice atomu tvoří dvě formace JÁDRO a OBAL. 2) OBAL - převažují v něm záporně nabité částice (elektrony) - má základní význam pro chemické pochody mezi prvky a tedy pro slučování prvků do podoby výsledné hmoty - neutrality atomu musí být dosaženo stejným počtem protonů v jádře a stejným počtem neutronů v obalu - elektrony se pohybují v obalu jádra v prostorových kruhových drahách, elektrony s vysokým obsahem energie, pohybující se v poslední nejvzdálenější dráze nazýváme valenčními
2.4 MOLEKULA - molekula vzniká chemickou vazbou valenčních elektronů v poslední obalové vrstvě dvou a více atomů - každá molekula je charakteristická počtem atomů jednotlivých prvků ale také jejich vzájemnou polohou. Obě tyto charakteristiky určují vlastnosti sloučeniny - látky jejichž chemické složení bude stejné ale budou se lišit vzájemnou prostorovou polohou jednotlivých atomů, budou mít diametrálně odlišné vlastnosti TYPY VAZEB VALENČNÍCH ELEKTRONŮ V OBALECH ATOMŮ: 1) vazba iontová 2) vazba kovalentní 3) vazba kovová
2.4.1 VAZBA IONTOVÁ Vazba iontová je charakterizována nábojem ve sloučenině - na jejím vzniku se podílí působení elektrostatických sil, které se řídí Coulombovým zákonem - velikost síly kterou jsou elektrony připoutány k jádru atomu se nazývá ionizační energií. Její hodnota klesá s rostoucím atomovým číslem - nejvyšší hodnotu ionizující energie mají např. vzácné plynu - sloučeniny vzniklé na základě iontové vazby se vyznačují zejména těmito vlastnostmi: - vysoká pevnost, vysoký bod tání, vysoký bod varu a dobrá elektrická vodivost
2.4.2 VAZBA KOVALENTNÍ Vazba kovalentní je velmi různorodá a složitá - je založena na tom, že jednotlivé atomy jednotlivých prvků společně sdílejí své valenční elektrony - dělení kovalentních vazeb: a) jednoduchá atomy jsou vzájemně spojeny jedním párem sdílených valenčních elektronů b) dvojná poutání dvěma páry elektronů c) trojná poutání třemi páry elektronů - přechodný stupeň mezi iontovou a kovalentní vazbou je polární vazba - sloučeniny vzniklé na základě kovalentní vazby se vyznačují zejména těmito vlastnosti: vysoká tvrdost (kovalentní vazbou uhlíku je diamant)
2.4.3 VAZBA KOVOVÁ Vazba kovová - je vazbou atomů kovů, které se v krystalických mřížkách obklopují větším počtem atomů jiných prvků - část valenčních elektronů se váže na valenční sféru jiného atomu, část elektronů zůstává volná ty se volně pohybují v krystalové mřížce - vnitřní síly s nižší hodnotu umožňují záměnu atomů kovů za jiné kovy - volně pohyblivé elektrony v krystalické mřížce zlepšují: - plasticitu - tepelnou i elektrickou vodivost - schopnost tvorby slitin
2.5 SLUČOVACÍ ZÁKONY Slučování prvků v molekuly látky, případně jejich koroze a rozklad podléhá následujícím chemickým zákonitostem. ZÁKON O ZACHOVÁNÍ HMOTY A ENERGIE Einsteinův vztah E = m. c 2 Vyjadřuje, že při reakcích v uzavřené molekulové stavbě se jejich uhrnná hmotnost a energie nemění ZÁKON STÁLÝCH POMĚRŮ SLUČOVACÍCH DEF. Prvky se slučují ve sloučeninu vždy v určitých, neměnných váhových poměrech. Znamená to, že použije-li se nadbytku jednoho prvku, sloučí se vždy jen takové jeho množství, které odpovídá příslušnému váhovému poměru atomů ve sloučenině, zbytek zůstane nesloučen.
OTÁZKY A ÚKOLY 1) Co věděly o materiálech ve starověku? 2) Co přinesl do vědy Lomonosov? 3) V čem byla převratná Mendělejova tabulka prvků? 4) Jaké znáte části atomu? 5) Jaké jsou základní vazby mezi molekulami a jaké dávají látkám vlastnosti? 6) Co říká zákon zachování energie a hmoty? 7) Jaká je podstata slučovacího zákona?