====== Obecná chemie ====== ===== Pojmy ===== * **Avogadrova konstanta** - počet částic v 1 molu látky, Na = 6,023 . 10^23 mol^-1 * **Molární objem** - 22,414 l/mol (při teplotě 273.15 K (bod tání vody) a tlaku 101325 Pa) * **Atomová hmotnostní konstanta** je 1/12 klidové hmotnosti atomu uhlíku {}^{12}_{ 6}{C} * **Relativní atomová hmotnost** - poměr skutečné hmotnosti atomu k atomové hmotnostní konstantě ===== Atom ===== * Protonové (atomové) číslo: počet protonů, Z, dolní index * Neutronové číslo: počet neutronů, N, u značky prvku se neuvádí * Nukleonové (hmotnostní) číslo: počet nukleonů, A, horní index, A= Z + N * Nuklid: množina atomů, mající stejné protonové a neutronové číslo * Izotop: atomy téhož prvku, které se liší pouze neutronovým číslem * Radioizotopy : umělé izotopy * Izobary: Stejné nukleonové číslo, Různé protonové číslo ==== Radioaktivita ==== * Radioaktivita neboli radioaktivní rozpad je samovolná přeměna jader nestabilních nuklidů na jiná jádra, při níž vzniká radioaktivní záření, což je ionizující záření vznikající při radioaktivním rozpadu. * důležitým faktorem stability nuklidu je poměr neutronů N a protonů Z === Jaderné záření === * rozpad nestabilních jader je doprovázen uvolňováním některých částic z prostoru jádra == Záření alfa == * je tvořeno částicemi alpha , což jsou kladně nabitá jádra helia * má malý dosah, zachytí ho papír, nebo tenké hliníková folie == Záření beta == * je proud záporně nabitých elektronů * někdy se rozlišuje záření β- (elektrony) a β+ (kladně nabité pozitrony) * lze ho zachytit 1 cm plexiskla nebo 1 mm olova. == Záření gamma == * je elektromagnetické záření vysoké frekvence, neboli proud velmi energetických fotonů * nemá elektrický náboj, a proto nereaguje na elektrické pole * jeho pronikavost je velmi vysoká, pro odstínění se používají velmi tlusté štíty z kovů velké hustoty (např. olovo) a nebo slitin kovů velké hustoty === Radioaktivní rozpady === == Rozpad alfa == * z jádra je vymrštěna částice {}^{4}_{ 2}{He} * rozpadem vzniklý nuklid je v periodické soustavé prvků posunut o dvě místa vlevo oproti původnímu jádru * A-4, Z-2 == Rozpad beta + == * Je emitován elektron. * Z+1 == Rozpad beta - == * Dochází k emisi pozitronu (antičástice k elektronu) * Z-1 == Elektronový záchyt == * Jádro pohltí jeden z elektronů z vnitřních slupek svého obalu a jaderný proton se mění na neutron za současné emise neutrina. * Elektronový obal je po tomto ději v excitovaném (základním) stavu; místo po zachyceném elektronu nezůstane prázdné, nýbrž je zaplněno elektronem z některého z vyšších atomových orbitalů. Současně dojde k emisi kvanta elektromagnetického záření, tj. fotonu. * Z-1 == Poločas rozpadu == * doba, za kterou dojde k rozpadu poloviny z původního počtu atomů radionuklidu * T = ln{2}/lambda approx 0,693.lambda^{-1} ==== Kvantová čísla ==== * popis elektronů a jejich orbitalů v atomovém obalu - Hlavní kvantové číslo * udává energii a příslušnost v jedné ze 7 vrstev (vzdálenost od jádra, velikost orbitalu) – K,L,M,N,O,P,Q, nabývá hodnot 1,2,3,4,5,6,7 - Vedlejší kvantové číslo * udává tvar orbitalu a také určuje energii e - hodnoty 0 až (n-1), značí se písmeny s,p,d,f - Magnetické kvantové číslo * udává vzájemnou polohu orbitalů v prostoru, nabývá hodnot -l ,0,+l, (1 s, 3 p, 5 d a 7 f), všechny orbitaly se stejným m mají stejnou energii, liší se prostorovou orientací = degenerované - Spinové kvantové číslo * rotační impuls , nabývá hodnot –1/2 a +1/2 === Výstavbový princip === * říká, že orbitaly s nižší energií se zaplňují elektrony dříve než orbitaly s energií vyšší * v základním stavu atomu tedy elektrony obsazují jednotlivé slupky a podslupky tak, aby měly co nejnižší energii * orbitaly se tady zaplňují v následujícícm pořadí: 1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d, 4p, 5s, 4d, 5p, 6s, 4f, 5d, 6p, 7s, 5f, 6d, … === Pauliho princip === * v elektronovém obalu daného atomu může být v konkrétním kvantovém stavu popsaném kvantovými čísly n, l, m, s nejvýše jeden elektron (neboli v daném kvantovém stavu nemohou existovat dva elektrony současně * každé dva elektrony v obalu se liší v hodnotě alespoň jednoho kvantového čísla === Hundovo pravidlo === * Orbitaly se stejnou energií (= degenerované) se obsazují nejprve po jednom elektronu. === Orbitaly === * typ orbitalu: s, p , d a f * s - koule, p - osmička, d a f mají složité tvary ==== Poloha prvku v periodické soustavě prvků ==== {{ :school:fbmi:bbchm:periodicka_tabulka_easy.gif |}} * periodická sostava prvků je rozdělena do: - vodorovných řad = period - svislých sloupců = skupin === Periodický zákon === * Vlastnosti prvků se periodicky mění v závislosti na czrůstajícím protonovém čísle. === Periody === * Pořadové číslo periody je totožné s hlavním kvantovým číslem poslední obsazované vrstvy. === Skupiny === * V každé skupině jsou pod sebou seřazeny prvky, které mají stejné počty elektronů v poslední případně předposlední vrstvě el. obalu * podobné chemické vlastnosti těchto prvků * poslední vrstva el obalu může obsahovat max 8 el (ns^2np^6) * zcela zaplněná poslední vrstva je charakteristická vysokou stabilitou * I – alkalické kovy – Li, Na, K, Rb, Cs, Fr * II – kovy alkalických zemin – Ca, Sr, Ba, Ra * III – triely – B. Al, Ga, In, Tl * IV – tetrely – C, Si, Ge, Sn, Pb * V – pentely – N, P, As, Sb, Bi * VI – chalkogeny – O, S, Se, Te, Po * VII – halogeny – F, Cl, Br, I, At * VIII – vzácné plyny – He, Ne, Ar, Kr, Xe ===== Chemická vazba ===== * spojení mezi atomy, realizované pomocí valenčních elektronů * atomy prvků (ne vzácné plyny) nemohou trvale samostatně existovat * Energie chemické vazby: energie, která se uvolní při vzniku chemické vazby * Disociační energie: energie, potřebná ke zrušení chemické vazby * Vazba * jednoduchá (jeden vaz. pár) * násobná (dva a více vaz. párů) === Vaznost === * udává kolik kovalentních vazeb tvoří prvek v molekule === Excitovaný stav === * Stav energeticky výhodný pro slučování * Dochází k němu vlivem energie – teplo, světlo: * Roztržení elektronového páru * Vypuzení na vyšší orbital * Tím se např. uhlík stane čtyřvazný === Elektronegativita === * Elektronegativita (Pauling): schopnost vázaného atomu přitahovat elektrony chemické vazby * rozdíl elektronegativit atomů Δ X: nabývá hodnot od 0 do 4, určuje druh vazby a předpovídá vlastnosti látek === Kovaletní vazba === * mezi stejnými prvky, Δ X = 0 * elektronová hustota rovnoměrně rozložena mezi atomy === Polární vazba === * Δ X = 0,4 - 1,7 …. HCl * el. pár blíže elektronegativnějšímu prvku (Cl) === Iontová vazba === * Δ X > 1,7 ….. NaCl * Vpodstatě extrémně polární kovalentní vazba - úplný přesun elektronové dvojice na elektronegativnější prvek * snadná disociace iontů * tvorba krystalů === Další typy vazeb === * vazba koordinační * stejný charakter jako kovalentní, jiný vznik * celý vazebný pár poskytuje jeden atom (Donor ….. akceptor) * vazba kovová * vzniká mezi kovovými prvky ( vlevo a uprostřed periodické tabulky): mají malý počet e v poslední vrstvě a malou elektronegativitu * má vliv na fyzikální a chemické vlastnosti sloučenin kovů === Van der Waalsovy síly === * jsou přitažlivé nebo odpudivé interakce (síly) mezi molekulami * nízká energie * síly columbické, indukční, disperzní * působení molekulových dipólů (kladné a záporné konce se přitahují) === Vodíkový můstek === * Protože má atom vodíku pouze jeden elektron, dojde při vytvoření vazby k elektronegativnímu prvku ke značnému odhalení atomového jádra. Vzniklý parciální kladný náboj na atomu vodíku může poutat nevazebné elektronové páry okolních molekul (v případě intramolekulární vazby jde o elektronové páry stejné molekuly). * vzniká když: * volný e pár na některém z atomů v molekule * atom H, vázaný s atomem, který má vysokou elektronegativitu, H má kladný náboj * ovlivňuje fyzikální vlastnosti látek (např. bod varu) ===== Homogenní a heterogenní směsi ===== ==== Směsi ==== * látka, obsahující min. 2 složky, je možné je oddělit fyzikálně-chem. metodami * Homogenní: má ve všech svých částech stejné vlastnosti (př.: vzduch, roztoky solí), částice < 10-9 m * Heterogenní: skládá se ze dvou nebo více homogenních oblastí ( fází), (př.: směs práškového zinku a práškové síry) ==== Dělení roztoků podle skupenství ==== * Plyny (malá hustota, vyplňují celý prostor, značná tepelná roztažnost, značná stlačitelnost) * Kapaliny (vyšši hustota, určity objem, prizpusobuji tvar) * Tuhé látky (objem i tvar, největší hustota, minimální roztažnost a stlačitelnost) === Avogadrův zákon === * Stejné objemy plynů za stejných podmínek (p, T) obsahují stejný počet molekul ==== Dělení roztoků podle vlastností rozpouštěné látky ==== * Roztoky neelektrolytů - při rozpouštění látek, jejichž molekuly obsahují nepolární, nebo slabě polární kovaletní vazby * Roztoky elektrolytů - při rozpouštění iontových sloučenin v polárních rozpouštědlech === Elektolyty === * Silné elektrolyty: alfa -> 1 , HCl, HNO3, NaOH, KOH, řada solí * Slabé elektrolyty: alfa < 0,1 H2S, HCN, organické kyseliny a zásady * Iontové sloučeniny a sloučeniny s polárními kovalentními vazbami ve vodných roztocích disociují na ionty * Míra štěpení – disociační stupeň a disociační konstanta ( alpha ) * alpha = počet disociovaných molekul/počet všech rozpuštěných molekul == Disociační konstanta == * Vyjadřuje rovnováhu mezi disociovanými a nedisociovanými látkami * BA right B+ + A- * K = (B+).(A-)/(BA) * Velikost pK - rozpoznání slabých a silných elektrolytů === Rozpouštění === * Rozpustnost: hmotnost látky, která se za daných podmínek rozpustí v určitém množství rozpouštědla za vzniku nasyceného roztoku === Rozpouštědla === * Polární – např. voda, methanol: dobře rozpouští látky s iontovou vazbou, dochází k hydrataci volných iontů * Nepolární – např.chloroform, uhlovodíky: nemísí se s vodou === Látky rozpustné ve vodě === * Oxidy alkalických kovů a kovů alkalických zemin * Oxidy nekovů mimo SiO2 * Hydroxidy alkalických kovů a kovů alkalických zemin * Všechny dusičnany, většina síranů a chloridů * Uhličitany draslíku a sodíku === Nerozpustné === * Oxidy ostatní * Hydroxidy ostatní * Dusičnan Bi * Sírany Ba, Sr, Ca, Ag, Ra * Chloridy Ag, Pb, Hg * Většina uhličitanů a fosforečnanů ===== Chemické reakce ===== === dělení podle vnějších změn === * skladné - syntézy (jednodušší molekuly -> složitější molekuly) * 2H_2 + O_2 right 2H_2O * rozkladné (složitější molekuly -> jednodušší molekuly) * CaCO_3 right CaO + CO_2 * substituční - vytěsňovací (jedna skupina nahradí jinou) * Zn + CuSO_4 right ZnSO_4 + Cu * konverze - podvojná záměna ( výměna skupin) * neutralizace NaOH + HCl right NaCl + H_2O * srážecí reakce === rozdělení podle skupenství reaktantů === * Reakce homogenní plyn + plyn -> plyn * Reakce heterogenní plyn + kapalina -> kapalina === rozdělení podle přenášených částic === * Reakce acidobazické: kyselina + zásada -> sůl * Reakce oxidačně-redukční: přenos elektronů mezi reagujícími látkami (změna oxidačních čísel některých atomů) * Komplexotvorné: tvorba koordinačně kovalentní vazby === rozdělení podle tepelného zabarvení === * exotermní - teplo se uvolňuje * andotermní - teplo se spotřebovává ==== Roztoky ==== * Kyselé, zásadité, neutrální * Koncentrace OH- nebo H_3O+ * Neutrální roztok: molární konc. OH- nebo H3O+ je stejná * Kyselé roztoky: molární koncentrace H3O+ je větší než 1,0.10-7 mol/l * Zásadité roztoky: molární koncentrace H3O+ je menší než 1,0.10-7 mol/l * konstanta acidity K_A = ([H_3O^+].[B^- ])/([HB]) * konstanta bazicity K_B = ([Z^+].[OH^- ])/([ZOH]) * pH - koncentrace oxoniových kationtů * pOH - koncentrace hydroxidových aniontů * pH + pOH = 14 * Kyselé roztoky: pH < 7 * Zásadité roztoky: pH > 7 * Kyselina: látka, schopná ve vodných roztocích odštěpovat vodíkový kation H+, odštěpující proton (donor protonů) * Zásada: látka, schopná ve vodných roztocích poskytovat anion OH-, schopná přijmou proton (akceptor protonů) * Protolytická reakce: dochází k výměně protonů nebo H+ * Protolyt: kyseliny a zásady * Amfolyt: chová se jako kyselina i zásada === Neutralizace === * v roztoku kyseliny H+, v roztoku zásady OH- * vzájemnou reakcí H+ a OH- vzniká voda, reakci kaniontu kovu s aniontem kyseliny vzniká sůl H^+ + OH^- -> H_2O \\ K^+ + Cl^- -> KCl ==== Hydrolýza ==== * Protolytická reakce solí s vodou * Dochází k posunu pH * Silná kyselina + slabá zásada -> kyselý roztok * Slabá kyselina + silná zásada -> zásaditý roztok * Silná kyselina + silná zásada -> neutrální roztok * Ovlivnění teplotou a ředěním ==== Oxidace a redukce ==== * oxidace je děj při kterém se zvyšuje oxidační číslo * redukce je děj při kterém se snižujeoxidační číslo == Oxidační číslo == * náboj, který by byl přítomen na atomu prvku, kdybychom elektrony všech vazeb přidělili vždy elektronegativnějšímu atomu == Oxidační činidlo== * látka, která dokáže jiné lárce odebrat elektrony a tím ji oxidovat == Redukční činidlo == * dodává do systému elektrony, čímž se redukuje ===== Chemická termodynamika ===== === Soustava === * otevřená * uzavřená ==== Termochemie ==== * zabývá se studijem tepelného zabarvení chem. reakcí * **Standardní stav** = takový stav látky, ve kterém je při teplotě 168,15 K a tlaku 101,325kPa látka nejstálejší. * exotermní děj - Delta H * endotermní děj Delta H === Termochemické zákony === == 1. termochemický zákon (Laplaceův-Lavoisierův) == * Hodnota reakčního tepla přímé nebo protisměrné reakce je stejná, mění se však hodnota jeho znaménka (+/-). == 2. termochemický zákon (Hessův) == * Výsledná hodnota reakčního tepla nezáleží na průběhu chemické reakce, ale pouze na jeho počátečním a konečném stavu. == Standardní slučovací teplo == * Teplo, při kterém vzniká 1 mol látky přímo z prvků, reakční látky musí být ve standardním stavu. Standardní slučovací tepla prvků jsou rovna nule. == Standardní spalné teplo == * Teplo, při kterém se spálí 1 mol látky v nadbytku kyslíku. === Teorie aktivních srážek === - nutná srážka mezi reag. molekulami - částice musí mít dostatečnou energii - částice musí mít vhodnou prostorovou orientaci - minimální účinná energie  aktivační - aktivační energie = součtu energií všech zanikajících vazeb