CHE 01: Uvod

KatedrachemieFPTUL|www.kch.tul.cz
CHEMIEJan Grégr & Martin Slavík
Obsah
Témata přednášek
Proč potřebují strojaři znát chemii
Základní pojmy
Atomy
Periodický zákon a tabulka
CHE 01
Katedra chemie FP TUL: http://www.kch.tul.cz

2
Odkazy QR kód
Jan Grégr
http://www.kch.tul.cz/people/jan-gregr
Martin Slavík
http://www.kch.tul.cz/people/martin-slavik
Katedra chemie FP TUL
http://www.kch.tul.cz
Materiály
http://bit.ly/che-tul

3
Jak se jmenují přednášející?
Kde najdete texty?
Co si pamatujete?
Jak se jmenuje děkan FS TUL? Oslovování.
prof. Dr. Ing. Petr Lenfeld
Bernhard Maier, Dr. Ing. h.c.
předseda představenstva Škoda Auto (generální ředitel)
Pane profesore… (výuka)
Pane děkane… (jednání)
Pane Maiere…

4
Na přednáškách

5
 Přednášky, testy, příklady; http://bit.ly/che-tul
 Růžičková, K.; Kotlík, B.: Chemie v kostce pro
střední školy. FRAGMENT, 2009. 1. vyd. ISBN:
978-80-253-0599-7.
 Schejbalová H., Grégr J.: Příklady a úlohy z
chemie (skripta). TUL, 2000.
 Klikorka J., Hájek B., Votinský J.: Obecná
a anorganická chemie, SNTL Praha 1985.
 Brown, L.S. Holme, T.A. Chemistry for enginee-
ring students. Belmont CA: Brooks. 2011. ISBN
143904791X.
samostudium
Materiály

6
Jak na studium
 Stáhnout, vytisknout, psát poznámky
 Nestahovat, ale vždy psát poznámky
slideshare.net/kchtul

7
Dva navazující písemné testy
1) 45 minut, chemické názvosloví a výpočty
≥ 50 % správně postup do dalšího kola
2) 25 minut, teorie, ≥ 50 % správně
Termíny KZ – zkouškové období, přihlašování STAG
Povinné vědomosti – pokud je nebude vědět,
nezachrání Vás nic
Splněním podmínek KZ získáte 3 kredity
Co je klasifikovaný zápočet?

8
Pište si poznámky, co si nenapíšete zapomenete
Zjistěte, co je důležité – informace (Z, KZ, Zk),
jména, laboratoře, cvičení, termíny…
Udělejte to, co nejdříve – jednejte
Choďte do školy (aspoň tehdy, když to je nutné)
Obecné tipy
Pozor! Zkoušíme všechna témata (otázek je více)
Kolující odpovědi na otázky obsahují chyby.

Odpočinková literatura

10
Úvod, zákony, periodická tabulka
Chemické vazby a nevazebné
interakce, vlastnosti látek
Názvosloví. Výpočty složení ,
rovnice
Chemické reakce, energetika,
kinetika, katalyzátory, rovnováha
Přednášky 01–04
O
OH
S
OH
O

11
Elektrolyty. Kyseliny, zásady, pH
indikátory, pufry
Kovy, koroze + ochrana
Elektrochemie, články, elektrolýza
Skla, keramika, tvrdé a žáru-
vzdorné materiály, tvrdokovy

12
Složení roztoků, výpočty
Organika, názvosloví, reakce
Polymery, reakce, názvosloví,
rozdělení, vlákna
Moderní chemie, kompozity,
nanomateriály

13
Procvičení výpočtů. Vlastnosti
látek v souvislosti s jejich
chemickou strukturou.
Závěr. Technické plyny. Shrnutí.

14
přírodovědný základ
vlastností konstrukčních
materiálů
Al plast

15
poškozování konstrukcí
vlivem vnějšího prostředí,
způsoby ochrany proti
korozi

16
domluva s chemiky,
laboratořemi
a dodavateli materiálů
Borax
Tetraboritan disodný
CAS: 1303-96-4
EINECS: 215-540-4
Na2B407 ∙10H2O

17
výpočty pro přípravu např.
roztoků na povrchové
úpravy a látkové bilance
probíhajících dějů
Zřeďte v poměru…

18
moderní trendy v materiálo-
vém inženýrství, např.
kompozity a nanomateriály
Lotosový efekt. Kapičky vody
na lístku řeřichy zobrazené
pomocí environmentálního
rastrovacího elektronového
mikroskopu (ESEM)

19
tipy, fígle, porozumění
ušetříte čas
minimum chyb
pokusy
Proč chodit na přednášky

20
Pokus

Ethanol

http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/chemical/eleorb.html
113 14 15 16 17 18

Methanol Ethanol
Co má menší teplotu varu?
Co je toxičtější a proč?
H3COH H3CCH2OH
Propanol
H3CCH2CH2OH
I
OH
H3CCHCH3

n
Makromolekula polyesteru
PET

Vlastnosti atomů
Radioaktivita
Hustota
Ferromagnetismus
Chemické vlastnosti
Tepelné vlastnosti
Elektrické vlastnosti
Paramagnetismus
Pružnost

26
Pokus
 Hoření, exploze, reakce
 Atom
 Molekula
 Vazba
 Směs
 Kyslík
 Teplo, teplota (varu), vůně, vypařování
 Velikost částic
 …

27
CHEMIE

1630 –1692 (1710) Hamburg
Hypotéza: Au ve zlatavé tekutině
Verifikace:
 vem 5 500 l moči
 nech ji zkvasit
 destilovat, destilovat, destilovat (bez O2)…
 zchladit bílé páry
→ bílá látka, která sama svítí = Kámen mudrců
Alchymista hledá Kámen mudrců
Joseph Wright | 1771

29
 přírodní věda
 zkoumá látky a jejich přeměny při
reakcích
 zkoumá vnitřní stavbu látek, která
podmiňuje jejich vlastnosti
CHEMIE

30
atomy molekuly
nejmenší
elektroneutrální
částice, která se
účastní
elementárních reakcí
(tvoří prvky)
nejmenší
elektroneutrální
částice složená ze
dvou či více atomů,
má složení
a chemické vlastnosti
dané látky
Základní stavební částice hmoty
P P4

31
atomy molekuly
Nejdůležitější vlastnosti
částic hmoty:
pohyb a hmotnost

32
atomy molekuly
Jsou navenek elektricky
neutrální

33
kationty anionty
ionty
+ –
Elektricky nabité částice hmoty
Na+ Cl-

34
prvky sloučeniny
jsou složeny
ze stejných atomů
složeny z molekul
s různými atomy
Základní formy hmoty
Fe Fe2O3

35
sloučeniny směsi
složeny z molekul nebo
iontů v konstantním
poměru a s definovanou
strukturou, vyznačují se
konkrétními fyzikálními
vlastnostmi
soustava tvořená
alespoň dvěma
složkami, složená
z různých molekul nebo
krystalických fází
v proměnném poměru
Základní formy hmoty
O2, N2, NO2… Vzduch: N2 + O2 + …

36
homogenní heterogenní
roztoky,
plynné směsi
– není přítomno
fázové rozhraní
slitiny,
koloidní soustavy,
suspenze
– definované fázové
rozhraní
Směsi

37
Schéma základních pojmů

C2
Fulleren C60
nanotrubice
grafit
Velikosti částic

39
Zákon zachování energie
Celková energie soustavy je stálá nezávisí
na změnách, které v ní probíhají, tj. energii
nelze vytvořit, ani ji nelze zničit.
Příklad:
Při vzniku 9 g vody z vodíku a kyslíku se
uvolní 1,4 . 105 J a hmotnost soustavy
klesne o 1,6 . 10-9 g
Zákon zachování energie: E = mc2

40
Zákon o zachování hmotnosti
(Lavoisier)
Při každé chemické reakci je
součet hmotností zúčastněných
látek nezměněn
Základní chemické zákony
C3H8 + 5O2 = 4H2O + 3CO2
3C | 8H | 10O = 3C | 8H | 10O
Rovnají se počty částic i hmotnosti
Zákon zachování energie: E = mc2

41
Zákon stálých poměrů slučovacích
(Proust)
Poměr hmotností prvků,
z kterých vzniká sloučenina je stálý
2H2 + 1O2 → 2H2O
4H2 + 2O2 → 4H2O
2:1=2
4:2=2

42
Zákon množných poměrů slučovacích
(Dalton)
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 C1O1
C1O2
C3O2
nestechiometrické sloučeniny!
Fe0,95–1O; SnO2-x

43
Zákon objemových poměrů
slučovacích (Gay Lussac)
Při chemických reakcích jsou objemy
reagujících plynů v poměru malých
celých čísel
1N2 + 1O2  2NO
1N2 + 2O2  2NO2
2N2 + 5O2  2N2O5

44
Avogadrův zákon (Avogadro)
Za stejného tlaku a teploty je
ve stejných objemech různých plynů stejný
počet částic
NA = 6,023.1023 mol–1
[ID] T, p: Vm=V/n = konst.
Ideální plyn: p V = n R T
VM (0 °C, 101 325 Pa) = 22,41 dm3 .mol-1

45
Látkové množství o velikosti 1 mol obsahuje
tolik částic, kolik je atomů ve 12 g uhlíku 12C
NA = 6,023.1023 mol–1
Látkové množství
Avogadrovo číslo

46
Velikost jádra
přibližně 0,01 . 10–12 m
Hustota jádra
řádově 1012 g.cm–3
Velikost atomu
100 až 600 . 10–12 m
Atomy
10–14 m
10–10 m
∙

47http://cs.wikipedia.org/wiki/Atom
Struktura atomu
105 × dále!

Rutherford (1906) – experiment s Au-fólií
a částicemi α(He2+) vedl k planetární
představě o atomu
Thomson (1897) – v řadě
experimentů s katodovými
trubicemi dokázal existenci
elektronů, atom je „kladně
nabitá koule s rozptýlenými
elektrony“
atom ~10-10 m = 1 Å jádro ~10-15 m, ρ ~1012 kg/m3

Millikan (1909) – experiment
s olejovými kapkami k ověření
existence elektronů a jejich
náboje
Chadwick (1932) - jádro obsahuje kromě protonů ještě elektroneutrální
neutrony

50
Je to složitější!
http://observatory.cz/static/vystavy/castice/6-castice.php
http://hp.ujf.cas.cz/~wagner/popclan/higgs/higgs.html
http://cs.wikipedia.org/wiki/Kvark

51
NaCl
AFM = Atomic Force Microscopy

Struktura atomu
Atomové (protonové) číslo: Z počet protonů v jádře
U elektroneutrálních atomů rovno počtu elektronů
v elektronovém obalu
Neutronové číslo: N počet neutronů v jádře
Nukleonové (hmotnostní) číslo: A = Z + N
Izotopy - atomy se stejným Z, mohou se lišit v N(A)
Nuklid - prvek obsahující pouze atomy s daným Z a N(A)

53
238U
235U
XA
Z
A= Z=
A= Z=
Stavba atomu: příklad

Radioizotopy v medicíně
• 1/3 pacientů v nemocnicích využije některou z procedur
nukleární medicíny
• 24Na, t½ = 14.8 hod, b emise
• 31I, t½ = 14.8 hod, b emise
• 123I, t½ = 13.3 hod, g emise
• 18F, t½ = 1.8 hod, b+ emise
• 99Tc, t½ = 6 hod, g emise
Zobrazení mozku
značkovaného
sloučeninou s 123I

55
Bohrův model
Kvantově mechanický model atomu
Hustota pravděpodobnosti
Emise (vyzáření) ↓ →
Absorpce (pohlcení) ↑ ←
Spektra (AAS, AES, XRF…)
http://vladimirkalitvianski.wordpress.com/2010/12/02/zoom-in-atom-or-
unknown-physics-of-short-distances/

56
Bohrův model
Sodíková výbojka

Proč jsou prvky v tabulce?

58
Je charakterizována čtyřmi kvantovými čísly
• Hlavní kvantové číslo (energie – 1, 2…)
• Vedlejší kvantové číslo (tvar orbitu – s, p, d, f)
• Magnetické kvantové číslo (orientace orbitu)
• Spinové kvantové číslo (moment rotace)
Výstavba elektronového obalu 1
-1/2 ↑
+1/2 ↓
6C 1s2 2s2 2p2
„adresa“
elektronu
Valenční elektrony

59
Svazek vodíkových atomů se po průchodu magnetickým polem rozštěpí na
dva paprsky, které korespondují se spinem na příslušných atomech.
Sternův-Gerlachův experiment

1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p 5s 4d 5p 6s 4f 5d 6p 7s 5f…
s2
p6
d10
f14
d5
Orbitaly
Max. počet elektronů
Stabilní
konfigurace
1s 2s 3s

61
Orbitaly s, p, d

62
Výstavba elektronového obalu

Pomůcka
http://demonstrations.wolfram.com/NLRuleForAtomicElectronConfigurations/
1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p 5s 4d 5p 6s 4f 5d 6p 7s 5f…
s2
p6
d10
d5
Max. počet elektronů
Stabilní
konfigurace

64
Výstavba elektronového obalu 3
s2, p6, d10, f14 nebo 0
Všichni touží po plné/prázdné
slupce:

65
helium neon argon
Oktetové pravidlo
Energeticky nejvýhodnější je
konfigurace vzácných plynů
Zaplněná slupka s2, p6, d10, f14
nebo prázdná slupka 0

66
Výstavba elektronového obalu
s2, p6, d10, f14
+1e- nebo -1e-
OK
-1e-
-2e-
-3e-
-4e- nebo +4e-
…
H- nebo H+
Li+
Be2+
B3+
K+
Na ≠ Na+
Na+ + H2O = Na+ + H2O
Na0 + H2O → Na+ + OH- + ½H2

67
Existuje několik výjimek z výstavbového principu.
Stabilní konfigurace jsou např. také:
– Z poloviny zaplněná podslupka d: d5:
• Cr má konfiguraci [Ar]4s13d5;
• Mo má konfiguraci [Kr] 5s14d5
– Zcela zaplněná podslupka d: d10:
• Cu má konfiguraci [Ar]4s13d10
• Ag má konfiguraci [Kr]5s14d10.
• Au má konfiguraci [Xe]6s14f145d10
Výjimky se objevují u větších prvků které mají blízké
energie orbitalů.
Anomální konfigurace

68
konfigurace nejbližšího vzácného plynu +
valenční elektrony ve valenční
sféře
Na: [Ne] 3s1
Elektronové konfigurace iontů obdobné
Elektronová konfigurace atomu

69
Vznik vazby
1s2 2s2 2p6

70
Ionizační energie atomu je definována jako práce
potřebná k odtržení a úplnému vzdálení nejslaběji
poutaného elektronu z atomu v základním stavu.
Nejnižší ionizační energie mají alkalické kovy (Na, K, Rb, Cs)
jsou také označovány jako elektropositivní
Ionizace – vznik kationtů

71
Elektronegativita = empiricky nalezené číslo vyjadřující
schopnost atomu prvku přitahovat vazebné elektrony kovalentní
vazby.
Elektronová afinita je energie, která se uvolní při připoutání
elektronu k atomu za vzniku aniontu. Nejvyšší elektronovou afinitu
mají halogeny a dále chalkogeny (O, S atd.)
Elektronová afinita – vznik aniontů

Vazby a vlastnosti sloučenin
Iontová vazba
Elektrostatické přitahování opačně nabitých iontů (NaCl = kov-nekov)
Kovalentní vazba
Sdílení jednoho nebo více valenčních
elektronů (O2 = nekov-nekov)
Kovová vazba
valenční elektrony sdíleny atomy v krystalické mřížce kovu
(Ag = kov-kov)

73
Dmitrij Ivanovič
Mendělejev
(1834-1907)
1868-1870 «Основы химии»
http://canov.jergym.cz/rencin/rencin.htm

74
Objevy prvků předpovězených Mendělejevem
Paul-Émile Lecoq de Boisbaudran
(1838–1912) 1875 Ga
Lars Frederik Nilson
(1840–1899) 1879 Sc
Clemens Alexander Winkler
(1838–1904) 1886 Ge

75
Fyzikální a chemické vlastnosti prvků jsou
periodickou funkcí jejich protonového čísla.
Periodická tabulka
 Pořadí v tabulce je dáno výstavbovým principem (po řádcích).
 Prvky ve stejných sloupcích mají stejnou elektronovou konfiguraci valenční
slupky (podobné vlastnosti).
 Nejstálejší (nejméně reaktivní) jsou atomy prvků s plně obsazenými valenčními
vrstvami (vzácné plyny). Nejreaktivnější jsou prvky, které se uspořádáním
elektronového obalu nejvíce blíží k vzácným plynům.

76

13 14 15 16 17 18

www.meta-synthesis.com

79

Kovový a nekovový charakter prvkůKovový a nekovový charakter prvků
elektropozitivita = kovový charakter
elektronegativita = nekovový charakter

81
Atomové poloměry pro hlavní prvky

Kovový a nekovový charakter prvkůKovový a nekovový charakter prvků

83

Valenční orbitaly – vedlejší kvantové čísloVedlejší kvantové číslo valenčních orbitalů

Zvláštní skupiny prvkůZvláštní skupiny prvků

Skupenství prvků při 20°C

Elektronegativita prvkůElektronegativita prvků

Radioaktivní prvkyRadioaktivní prvky

Periodická tabulka – vztahy

Valenční elektrony
Valence (počet vazeb)
Oxidační stav
ns1-2| ns2 (n-1)d1-10 | ns2(n-1)d10np1-6

91
Magnetické vlastnosti
http://poozacreations.blogspot.cz/2012/04/magnetic-materials.html
http://skullsinthestars.com/2009/04/13/levitation-and-diamagnetism-or-leave-
earnshaw-alone/
http://en.wikipedia.org/wiki/Ferromagnetism

92
elektrony fungují jako magnety – 2 elektrony s opačným
spinem se v magnetickém účinku ruší
Látky obsahující nepárové elektrony zesilují intenzitu
magnetického pole – paramagnetické (vtahovány do
magnetického pole) – magnetizmus v přítomnosti pole
Látky ferromagnetické – vykazují magnetizmus
v nepřítomnosti vnějšího magnetického pole,
příčinou je neúplně obsazená vnitřní vrstva (Fe, Co, Ni).
Látky diamagnetické jsou magnetickým polem
odpuzovány, magnetizují se opačně –
zeslabují intenzitu magnetického pole.
Magnetické vlastnosti
http://en.wikipedia.org/wiki/Diamagnetism

93
NdFeB Magnety
Spékaná směs neodym-železo-bórGeomag

94
Děkuji za pozornost
Příští přenáška se bude zabývat
chemickou vazbou
nevazebnými interakcemi
mezi molekulami
významem chemické vazby
pro vlastnosti látek
Katedra chemie FP TUL: http://www.kch.tul.cz

CHE 01: Uvod

Empfohlen

Empfohlen

Weitere ähnliche Inhalte

Mehr von Department of Chemistry FP TUL

Mehr von Department of Chemistry FP TUL (20)

CHE 01: Uvod