Obecná chemie C1020
Jiří Pinkas
Ustav chemie - Univerzitní kampus Bohunice Budova A12, 3. patro, místnost 321 Tel. 54949 6493 jpinkas@chemi.muni.cz
i
Obecná chemie C1020
Přednáška - AI 1/132
St 12 -14.00 Čt 10 - 12.00
Materiály z přednášky budou vystaveny v ISu Zkouška písemná - leden a únor 2013 Seminář C1040
Obecná chemie C1020
Klikorka - Hájek - Votinský. Obecná a anorganická chemie 1989 a. 2. nezměň, vy d. Praha : SNTL
Hála. Pomůcka ke studiu obecné chemie. Brno : Masarykova univerzita, 1993.
Růžička - Toužín. Problémy a příklady z obecné chemie. Názvosloví anorganických sloučenin Brno : Masarykova univerzita, 2000 - 2010.
Příhoda - Toužín. Pomůcka pro seminář z obecné chemie. Brno : Masarykova univerzita, 2012. 3
Věda - Kvantitativní studium přírody a přírodních zákonů. Proces, při kterém se získávají nové poznatky. Empirické postupy řešení problému.
Zabývá se pouze racionálními výroky, které lze potvrdit nebo vyvrátit pozorováním nebo experimenty.
Věda
• Soubor znalostí, vědomostí a zobecnění,
které j sou považovány za pravdivé
• Vědecká metoda, jíž jsou tyto znalosti získávány - pozorování, pokus, dedukce
• Vědecký jazyk - přesně definované pojmy
5
Věda a výzkum
Technologie - aplikace znalostí k přeměně okolí,
výrobky k prodeji
Aplikovaný výzkum - krátkodobý, používá poznatky
základního výzkumu, praktické aplikace
Základní výzkum - dlouhodobý, cílem nejsou aplikace ale objevování nových přírodních zákonů a získávání nových poznatků a principů
Počátky chemie
První písemná zmínka o chemii
Mezopotámie 1200 př. n. 1. Tapputi-Belatekallim - výrobkyně parfémů
Věda a vědecká metoda
Pozorování (kvalitativní)
Měření (kvantitativní)      4    í_ Přírodní zákon
I (co se děje)
Hypotéza, vysvětlení, předpověď
Experiment, ověření
Teorie, model
(proč se to děje)
Modifikace teorie
Správně navržený pokus (např. měřit jednu proměnnou, ostatní konstantní) potvrdí nebo vyvrátí pravdivost hypotézy. Hypotéza, která neobstojí musí být odmítnuta. Pokusy potvrzující hypotézu musí být reprodukovatelné.
Věda a vědecká metoda
Teorie,   o tlel
Předpověď v*
■ >
Experiment,
Modifikace teorie
Cn
ereni
Pozorování a vysvětlení
První vysvětlení přírodního jevu - hypotéza úspěšně testovaná vyplněnou předpovědí:
Tháles Milétský (624 - 543 př.n.l.)
Vysvětlil zatmění Slunce - měsíc v novu přejde přes sluneční kotouč
Předpověď dalšího zatmění Slunce 585 př. n. 1.
Počátek vědeckého myšlení, racionální přístup bez mystiky a náboženských představ
Chemie - Základní prvek je voda n
(1635 - 1682) Georg Ernst Stáhl
První konzistentní vysvětlení několika (1660 - 1734)
přírodních jevů: Flogiston
1) Hoření uhlí = uvolnění flogistonu
2) Hoření kovů = uvolnění flogistonu + vznik oxidu
3) Reakce uhlí s oxidy kovů (rudy) = redukce na kov přenos flogistonu z uhlí na oxid (kov = oxid + flogiston)
PROBLÉM: Kov hoří = oxid + flogiston
Při oxidaci kovů je hmotnost produktů vyšší = flogiston má
negativní hmotnost ©
to . 12
Počátky kvantitativních experimentů
Pozorování a vysvětlení
Vyvracením flogistonové teorie se vytvářela moderní chemie. Nesprávná teorie je postupně vyvracena na základě experimentů.
vyšší hmotnost produktů - vážení P^^ř-^U Zákon zachování hmoty i ^íl 1
flogiston = -O 2 Zahřívání HgO
(redukce na kov bez flogistonu z C)
Antoine Laurent Lavoisier (1743- 1794)
Tři objevitelé kyslíku
Carl Wilhelm Schelle      Joseph Priestley
(1742- 1786) 1771 připravil 02 publikoval až 1777 (ochutnával chemikálie)
(1733 - 1804) přípravu publikoval 1774, plyn nazval deflogistonovaný vzduch
Antoine Lavoisier (1743- 1794) 1783
Oxygen = prvek
Zahřívání HgO, Ag2C03, Mg(N03)2, NaN03
Přírodní zákony a teorie
Přírodní zákon
- tvrzení, které sumarizuje opakovaná pozorování přírodních jevů, mění se jen zřídka (Coulombův zákon, Periodický zákon, Trestní) Pravdivý, univerzální, absolutní, stabilní, reverzibilní, jednoduchý.
Teorie
- tvrzení, které vysvětluje známá fakta a zákony z nich vyplývající, j sou produktem lidského myšlení a mohou se měnit nebo být úplně odmítnuty pod vlivem vývoje nových experimentálních metod, přesnějších měření
Objektivita - platí vždy při splnění potřebných podmínek Schopnost předpovědi - předpoví existenci dosud nepozorovaných
• o
vy-ívw ŕn-ÍH-'rlVpn^<gm
Vědecký jazyk- přesná definice pojmů
Joachim Jungius (1587 - 1657)
Zakladatel vědeckého jazyka Potřeba přesné definice pojmů
Základem vědy je experiment a závěry z něho vyvozené
• Chemické názvosloví
(jména prvků, obecné a systematické názvy sloučenin)
• Názvy laboratorního nádobí a přístrojů (Bunsenův kahan, Erlenmeyerova baňka, Soxletův extraktor)
• Jmenné reakce (Grignard, Wittig, Heck, Suzuki)
• Názvy zákonů, rovnic a principů (Boyle, Schroedinger, Boltzman, Avogadro, Arrhenius)
Vědecký jazyk- přesná definice pojmů
Guyton de Morveau 1782
Počátky systematického chemického názvosloví Lavoisier, Berthollet, de Fourcroy, Berzelius, Werner
Jan Svatopluk Presl - Lučba čili chemie zkusná (1791-1849)
IUPAC
Red Book - názvosloví anorganické chemie Blue Book - názvosloví organické chemie
18
Model
Zjednodušený obraz skutečnosti Usnadní vysvětlení problému Idealizace
Aproximace
Ml
Nový přesnější model s příchodem přesnějších metod měření
Model
Reálný svět existuje. (Matrix)
Model je pokus popsat reálné objekty pomocí myšlených ideálních objektů. Vysvětlit přírodní jevy na mikroskopické úrovni (např. atomy) pomocí pozorování a zkušeností na makroskopické úrovni.
Model není totožný s realitou, je to lidský výtvor založený na nedokonalém poznání a pochopení přírody.
Modely se stávají komplikovanějšími a podrobnějšími s vývojem našeho poznání.
20
Model
Jednoduché modely obsahují mnoho zjednodušujících a omezujících podmínek a předpokladů, mohou tedy poskytnout jen kvalitativní informace (Atom H)
Pro efektivní použití modeluje nutno znát jeho předpoklady a omezení, jeho přednosti a slabiny. Lze klást jen takové otázky, na které může daný model odpovědět.
I když je model užitečný pro vysvětlení velkého počtu jevů, nelze předpokládat, že bude fungovat v každém případě.
21
Model
"Jediné, co mě zajímá, je najít soubor pravidel, která by souhlasila s chováním přírody, a nezkoušet jít příliš daleko za to. Zjistil jsem, že většina filozofických diskuzí je psychologicky užitečná, ale nakonec, když se podíváte zpátky do historie, zjistíte, že to, co bylo kdysi řečeno s takovou pádností, je téměř vždy - do jisté míry -nesmyslné'!"
Richard P. Feynman
(1918 - 1988) NP za fyziku 1965
!!\\sK K f ľi'i n\í
Teorie a experiment
Ubi materia, ibi geometria Kde je hmota, tam je geometrie
měření
Johannes Kepler (1571 - 1630)
Aby byl experiment přijat za pravdivý, musí být nezávisle verifikovaný, zopakovaný.
Kvantitativní experiment	
Johann Baptista van Helmont	
(1579- 1644)	
Robert Boyle	
(1627- 1691)	
	Objemy plynů
Joseph Black	
(1728 - 1799)	Hmotnost reaktantů a produktů
Henry Cavendish	
(1731 - 1810)	
	26
Kvantitativní experiment
Messen heist Wissen
"When you can measure what you are speaking about, and express it in numbers, you know something about it; but when you cannot measure it, when you cannot express it in numbers, your knowledge is of a meagre and unsatisfactory kind. It may be the beginning of knowledge, but you have scarcely, in your thoughts, advanced to the stage of science."
Lord Kelvin (William Thomson) (1824- 1907)
27
Veličiny, Rozměry, Jednotky
r rikiaa: h^p ://WWWi iabo. cz/mftabulky .htm
Veličina: E, energie Rozměr: kg m2 s-2 Jednotka: J, e V, kalorie,.....
Základní rozměry: délka, čas, hmotnost, elektrický náboj, mol,... Složené rozměry: rychlost = délka x (čas)-1
Frekvence?
Bezrozměrné veličiny:
Poměry dvou stejných veličin (např. molární zlomek) Argumenty ln, exp, sin, cos, tan
28
Základní jednotky SI
Základní jednotky SI
1 m = délka dráhy, kterou proběhne světlo ve vakuu za 1/299 792 458 sekundy
1 kg = hmotnost mezinárodního prototypu kilogramu uloženého v Mezinárodním úřadě pro váhy a míry v Sévres u Paříže
1 s = doba rovnající se 9 192 631 770 periodám záření, které odpovídá přechodu mezi dvěma hladinami velmi jemné struktury základního stavu atomu cesia-133
30
Základní jednotky SI
1 A = stálý elektrický proud, který při průchodu dvěma přímými rovnoběžnými nekonečně dlouhými vodici zanedbatelného kruhového průřezu umístěnými ve vakuu ve vzájemné vzdálenosti 1 metr vyvolá mezi nimi stálou sílu 2.10-7 newtonu na 1 metr délky vodice
1 K = 1/273.16 termodynamické teploty trojného bodu vody
31
Základní jednotky SI
1 mol = látkové množství soustavy, která obsahuje právě tolik elementárních částic (entit), kolik je atomů v 0.012 kilogramu nuklidu uhlíku 12C (přesně)
1 cd = svítivost zdroje, který v daném směru vysílá monochromatické záření o kmitočtu 540 1012 hertzů a jehož zářivost v tomto směru je 1/683 wattu na steradián
32
Y	Yotta	1024
Z	Zetta	1021
E	Exa	1018
P	Peta	1015
T	Tera	1012
G	Giga	109
M	Mega	106
k	kilo	103
1		10°
	10°
mili	10 3
mikro	10 6
nano	10 9
piko	10 12
fem to	10 15
atto	10 18
zepto	10 21
yokto	10 24
Násobky - předpony	
% = 0,01 = 1 v 102	
%o = 0,001 = 1 v 103	
ppm = 1 g v 11 nebo 1 atom v 106 atomech (part per million)	
ppb = 1 mg v 11 nebo 1 atom v 109 atomech	
ppt = 1 jLig v 11 nebo 1 atom v 1012 atomech	35
36
Hmotnost m I kg
Atomová hmotnostní jednotka
1/12 hmotnosti atomu nuklidu 12C
1 u = (1 amu) = 1.6606 1027 kg
A. Einstein: hmotnost tělesa v pohybuje větší než hmotnost v klidu
Rychlost tělesa v
^Klidová hmotnost tělesa m0 Rychlost světla c = 2.9979 108 m s"1
■
Koule z velmi čistého 28Si Objem koule změřen laserovou interferometru Objem na jeden atom Si z rtg. difrakce Počet atomů v kouli
Avogadrova konstanta 38
Látkové množství n I mol
Avogadrova konstanta = počet atomů uhlíku v0.012kg(12g)nuklidu 12C
NA = 6.022 140 78 (18) 1023 moľ1
Látkové množství n, jednotka mol
n = podíl počtu částic N (atomů, molekul, elektronů,....) a iVA
Atomová a molární hmotnost	
Atomová Am a molární hmotnost Mm	
Hmotnost 1 molu látky, kg mol-1	
^m(12C) = 12x^xiVA =	
= 12 x 1.6606 10-27 kg x 6.022 lO^mol"^	
= 0.01200 kg mol-1 = 12.00 g mol"1	
	40
		
Délka lim		
1 Ángstrôm = 10-10 m		
(zakázaná jednotka)		
1 Á = 100 pm = 0.1 nm		
Bohrův poloměr                                 Anders Jonas Ángstrôm		
a0 = 5.3 10-11 m = 0.53 Á                     (1814 - 1874)		
Délky vazeb v molekulách 1 až 4 Á		
Průměr atomu Cu je 2.55 Á		
Průměr vesmíru: 17 miliard světelných let = 1.6 1026 m		
Průměr atomového jádra = 10-15 m		
		41
Vazebné vzdálenosti Vazebné vzdálenosti (v Á)
Vazba CC    CN    CO    CH    NH OH
Jednoduchá    1.53    1.47    1.42    1.09    1.00 0.96
Dvojná 1.34    1.27 1.21
Trojná 1.20    1.15 n
Objem V
1 pm3= 10"6Á3
Objem molekuly fullerenu C60 asi 500 Á3
Molární objem ideálního plynu = objem 1 molu plynu při teplotě 0 °C a tlaku 101 325 Pa (STP)
Vu = 22.414 lmok1
při teplotě 0 °C a tlaku 100 000 Pa (1 bar)
Vy, = 22.71 1 mok1 u
Hustota p
g cm
Hustota závisí na teplotě a tlaku
Látka	Hustota při 20 °C / g cm 3	Stav
Kyslík	0.00133	g
Benzen	0.880	1
Lithium	0.535	s
Voda	0.9982 (1.00 pro lab. výpočty)	1
Hliník	2.70	s
v Železo	7.87	s
Olovo	11.34	s
Rtuť	13.6	1
Zlato	19.32	s
Iridium	22.65	s
						
	m p=v\		Měření hustoty		*****	
						
Hustota závisí na teplotě Pyknometr Při 20 °C Nádoba na dolití IN Nádoba na vylití EX					^^^^^^^^	
Cas
Kinetika dějů, chemických reakcí
t/s	Událost
io-21	Jaderné srážky
1015	Excitace elektronu fotonem, fs
1012	Radikálové reakce, přenos energie, valenční vibrace
10-9	Fluorescence, rotace, přenos protonu
10"6	Fosforescence, difúze, konformační
10-3	Rychlé bimolekulární reakce
10°	r Uder srdce, pomalé bimolekulární reakce
Rychlost
Rychlost světla ve vakuu
c = 2.99792458 108 m s -1
(přesně)
3 108 ms-1 300 000 km s -1
E = m c2     v A = c
Albert Abraham Michelson (1852- 1931) NPza fyziku 1907
48
Frekvence, vlnová délka, vlnočet
Počet periodických dějů za časový interval Frekvence v = 1/1, Hz = s_1
Kmity Vibrace Rotace
Srážky molekul
Vzdálenost mezi dvěma maximy Vlnová délka A, m
Počet vln na jednotku délky Vlnočet v = 1 / A. cm-1
' 49
Frekvence, vlnová délka, vlnočet
50
Čtyři základní síly - interakce
Gravitační
Elektromagnetická (e-e repulze, p-e přitažlivost) Silné interakce (jaderné, drží protony pohromadě) Slabé interakce (drží p a e pohromadě v neutronu)
Síla F
Elektrický náboj q
Elementárni náboj, e
e = 1.602 10-19C     1 C= 1 A s
- WŘ'
Všechny náboje jsou celistvým násobkem e     tfS      , V q=Z e
^   i    i o    r, Charles Augustin Coulomb
Coulombuv zákon &
(1736 - 1806)
Přitažlivá síla F mezi dvěma náboji ^^^^^^K^^BHIH opačného znaménka j e nepřímo ^fí^^^^M^^MSBSĚm
úměrná druhé mocnině vzdálenosti r IÍ^^HMV^^H^^I
mezi nimi a přímo úměrná velikosti       I I nábojů q. 53
Coulombův zákon
			
M			
Tlak/?	
1 Pascal = tlak kterým působí jablko na 1	m2
1 Pa = 1 N m"2	
1 atm = 101 325 Pa = 760 mm Hg (Torr)	= 1.01325 bar
1 bar= 105 Pa= 100 kPa	
Standardní tlak = 1 bar = 100 000 Pa	
	54
, . Teplota T
Kelvin, K F Absolutní nula 0 K je nedosažitelná Entropie dosahuje minima
-273.15 °C
Současný rekord: -100 pK Kvantové efekty
Celsius, °C Lord Kelvin
0 °C = 273 15 K (William Thomson)
(1824- 1907)
T[°C] = T[K]-273.15
Standardní teplota = 25 °C = 298 K
55
	i 1 A	
1592 Galileo Teploměr	A*	
1629 teploměr plněný brandy Joseph Solomon Delmedigo, lékař a rabín	* vkffl * w ■	
Změna fyzikální vlastnosti závislé na teplotě: • Objemová roztažnost rtuti • Délková roztažnost kovů • Elektrický odpor kovů	ľ	
• Stav kapalných krystalů Definice Celsiovy stupnice Teplota tání ledu při 1 atm = 0 °C Teplota varu vody při 1 atm =100 Rozděl na 100 dílků		°c
ITS-90 Mezinárodní teplotní stupnice Trojný bod vody = 273.16 K	56	
ITS-90
ITS-90 Mezinárodní teplotní stupnice T = Trojný bod
Interpolace Kalibrace
T,K
e-Hydrogen (T)	13,8033
Neon (T)	24,5561
Oxygen (T)	54,3584
Aigon (T)	83,8058
Mercury (T)	234,3156
Water (T)	273,16
Gallium	302,9146
Indium	429,7485
Tin	505,078
Zinc	692,677
Aluminium	933,473
Silver	1234,93
Gold	3337,33
Copper	1357,77
57	
Energie E
1 Joule = energie úderu lidského srdce 1 cal = 4.184 J
1 eV = kinetická energie elektronu, který je urychlen potenciálem 1 V
E = eU= 1.60210 10"19Cxl V = = 1 eV= 1.60210 10-19 J
James Prescott Joule (1818 - 1889)
1 eV (molekula)-1 = 1 eV x NA = 96 485 J moľ
59
Energie E
E = mc2= 1.66 10"27kgx (3.00 108 m s -1)2 = 1.49 10~10J 1 amu = 931.4 MeV
^kin = K tn v2
£kin = 3/2kT
k = 1.3 80662 10"23 J Kr1     Boltzmannova konstanta kT= 1 zJ pro laboratorni teplotu
E = h v
h = 6.626176 10 ~34 J s        Planckova konstanta
60
Energie E
EceXk = ^(elektronová) + ^(vibrační) + ^(rotační) + Ec
^(elektronová)
100 kJ mol
^(vibrační)
1.5-50kJ mol
^(rotační)
0.1- 1.5 kJ moH
Vazebné energie, kJ mol"1 (jednoduché vazby)
H	432								
C	411	346							
N	386	305	167						
O	459	358	201	142					
S	363	272	---	---	226				
F	565	485	283	190	284	155			
Cl	428	327	313	218	255	249	240		
Br	362	285	---	201	217	249	216	190	
I	295	213	---	201	---	278	208	175	149
(H2bondtengft) |ntemuciear distanw (pn)
Vazebná vzdálenost v molekule FT
Vazebná energie N2
Použití NH3     80% hnojiva 10% plasty 5% výbušniny
1909 Fritz Haber
N2(g) + H2(g) exo
500 °C, 250 atm, Fe katalyzátor
výtěžek 20%
N-Mo-N = N-L
N-Mo—Cl-
R
N-Mp-N2
\-|r--N
N-Mp-N2
[Cp2Co] [Cp2Co]( B PIV,    ^      J (LutH)BAr;
-Mp—N=I\IH
R 28
N-Mp-NH,
NC za chemii 1918