Obecná chemie C1020
Sylabus přednášky
prof. RNDr. Jiří Pinkas, Ph. D.
L1. Věda a vědecká metoda. Pozorování a vysvětlení. Vědecký jazyk. Přírodní zákony, teorie, model,
experiment. Historie chemie. Veličiny, rozměry a jednotky SI: hmotnost, látkové množství, délka, objem,
hustota, čas, frekvence, síla, elektrický náboj, tlak, teplota, energie. Planckova a Einsteinova rovnice. Základní
pojmy vazby: izolované částice, vázaný stav, potenciálová křivka, energie vazby.
L2. Měření, přesnost a správnost měření, platné číslice, operace s platnými číslicemi. Hmota, látka. Vlastnosti a
stavy hmoty. Chemické látky, fyzikální a chemické vlastnosti a změny, čisté látky, směsi, dělení směsí. Základní
chemické zákony: zákon zachování hmoty, ekvivalence energie a hmoty, zákon stálých slučovacích poměrů,
zákon násobných poměrů. Nestechiometrické sloučeniny. Daltonova atomová teorie. Zákon stálých slučovacích
objemů. Avogadrův zákon. Látkové množství, Avogadrova konstanta. Pojem prvku a atomu v historii. Prvky a
sloučeniny. Prvek, allotropie, atomová hmotnost. Sloučeniny. Konstituce, topologie, izomerie. Molekula,
chemické vzorce, krystalová struktura. Molární, molekulové, elektronové a atomové vlastnosti. Složení atomu,
historie, objev elektronu, Thomsonův model atomu.
L3. Elektron, náboj elektronu. Rutherfordův nukleární model atomu. Složení atomu, základní elementární
částice, protonové, neutronové a nukleonové číslo. Roentgenovo záření. Mosleyho zákon. Hmotnostní
spektrometrie, stanovení relativních atomových hmotností a izotopového složení prvků. Atomová hmotnostní
jednotka, hmotnost atomů a molekul, relativní nuklidová a atomová hmotnost. Látkové množství, molární
hmotnost, Avogadrova konstanta. Procentové složení, výpočet empirického vzorce. Chemické rovnice,
stechiometrické výpočty, limitní reagent, teoretický a praktický výtěžek reakce, vyjadřování koncentrace.
Názvosloví chemických sloučenin. Difrakce a rentgenová strukturní analýza. Jaderný spin, magnetický moment
jader a NMR spektroskopie.
L4. Atomové jádro, pojem prvku, nuklidu, izotopu, izotonu a izobaru, vazebná energie jádra. Radioaktivita:
základní podmínka, typy radioaktivních přeměn, posunové zákony, hmotnostní úbytek, stabilita jader, alfa-,
beta- a gama- radioaktivita, spontánní štěpení, Fajans-Soddyho posunová pravidla, jaderné reakce a jejich
symbolika. Radioaktivní nuklidy a prvky. Syntéza jader ve vesmíru. Štěpení jader, řetězová reakce. Kinetika
radioaktivního rozpadu, poločas rozpadu. Datování pomocí 14
C. Leptony, kvarky, hadrony, mezony, baryony,
zákony zachování baryonového a leptonového čísla.
L5. Elektronový obal atomu. Spektrum elektromagnetického záření, vlnová délka, vlnočet, frekvence. Čárová
spektra prvků, záření černého tělesa, kvantování energie, fotoelektrický jev. Bohrův a Sommerfeldův model
atomu, Bohrova teorie vodíkového atomu, emisní spektra atomu vodíku. Fyzikální rozdíly mikro- a makrosvěta,
vlnově-částicový charakter mikročástic, elektronu, dualismus hmoty. Heisenbergův princip neurčitosti.
Kvantování energie elektronů v atomu. Schrödingerova vlnová rovnice, vlnová funkce.
L6. Vlnová funkce atomu vodíku, radiální a azimutální část, kvantová čísla n, l, m a s. Atomový orbital, typy
atomových orbitalů, jejich tvar, hraniční plocha. Znázornění výskytu elektronu v atomovém orbitalu:
pravděpodobnost výskytu částice, hustota pravděpodobnosti, elektronová hustota a distribuční funkce, maxima a
uzlové roviny. Energie atomových orbitalů ve vodíkovém atomu. Efektivní náboj jádra, stínění vnějších
elektronů, odstranění degenerace energetických stavů, energie atomových orbitalů v atomech s dvěma a více
elektrony. Elektronová konfigurace valenční slupky, Výstavbový princip, Pauliho princip, Hundovo pravidlo,
stabilita zpola a úplně zaplněných atomových orbitalů, změna pořadí energií atomových orbitalů 4s a 3d u první
skupiny přechodných prvků. Závislost energie atomových orbitalů na atomovém čísle: Rentgenovo záření,
Moseleyho zákon.
L7. Periodická tabulka, historický vývoj. Periodický zákon, skupiny, periody, elektronové konfigurace
přechodných a nepřechodných prvků, lanthanoidů a aktinoidů. Vlastnosti atomů a jejich periodicita: atomové,
iontové a kovalentní poloměry, lanthanoidová kontrakce, ionizační energie, elektronová afinita,
elektronegativita, polarizovatelnost. Kovy, polokovy, nekovy. Binární sloučeniny, polyatomické sloučeniny.
Chemické názvosloví.
L8. Chemická vazba, potenciálová křivka. Typy chemických vazeb: Kovalentní, kovová, iontová. Van Arkelův
trojúhelník. Iontová vazba, mřížková energie, Born-Haberův cyklus. Kovalentní vazba, Lewisovy strukturní
vzorce, oktetové pravidlo, rezonanční struktury, formální náboj. Tvar molekul, metoda VSEPR, deformace
vazebných úhlů.
L9. Vlnově-mechanický model vazby, překryv atomových orbitalů, integrál překryvu, typy překryvů (σ, π, δ).
Hybridizace. Molekuly s násobnými vazbami, řád vazby. Delokalizované p-systémy, aromatické sloučeniny,
rezonance, vazebné poměry v uhličitanovém iontu a v benzenu. Hypervalentní sloučeniny. Sloučeniny s
nedostatkem elektronů, borany, klastry. Polární kovalentní vazba, indukční a mezomerní efekt. Fotoelektronová
spektroskopie. Symetrie. Prvky a operace symetrie, symetrie molekul a iontů, chiralita, asymetrický atom,
spirála, polarita. Dipólový moment.
L10. Molekulové orbitaly (MO), LCAO-lineární kombinace atomových orbitalů, výstavbový princip MO, řád
vazby, multiplicita, typy molekulových orbitalů, mísení s-p orbitalů. Interakční molekulové diagramy
biatomických homo- a heteronukleárních molekul, víceatomové molekuly, polarita, stupeň iontovosti, vazebný
řád, délka kovalentní vazby, vazebná energie, disociační energie. Vibrační spektroskopie. Základní a excitované
stavy atomu, deexcitace, atomová spektra, výběrové pravidlo, spektrum vodíkového atomu. Excitace molekul:
elektronová, rotační a vibračně-rotační. Molekulová spektra, infračervená a Ramanova spektroskopie.
Deexcitace molekul: luminiscence (fosforescence a fluorescence).
L11. Koordinační sloučeniny. Donor-akceptorová vazba. Centrální atom, ligand, geometrie komplexů,
koordinační polyedry, cheláty, chelátový efekt, vícejaderné komplexy, strukturní izomerie (vazebná, koordinační
a ionizační); prostorová izomerie (geometrická, optická). Názvosloví koordinačních sloučenin. Donorakceptorové
vlastnosti ligandů, spektrochemická řada. Elektronové konfigurace d-elektronů, rozštěpení dhladin.
Základy teorie ligandového pole, oktaedrické, tetraedrické a tetragonální komplexy, vysoko- a
nízkospinové komplexy, Jahn-Tellerův efekt, spektrální a magnetické vlastnosti komplexů. Magnetické
vlastnosti látek, magnetický moment atomu a jádra, dia- a s, ferro- a antiferromagnetismus.
L12. Slabé vazebné interakce. Slabé interakce (van der Waalsovy síly, vazba vodíkovým můstkem).
Potenciálová křivka slabých interakcí. Interakce van der Waalsovy: disperzní síly, interakce molekul s
permanentním dipólem, interakce dipól - indukovaný dipól. Vodíková vazba. Krystalové mřížky molekulárních
látek. Slabé vazebné interakce a skupenské přeměny. Interakce ion - dipól: hydratace iontů. Organizace, kapalné
krystaly, mesoporézní látky. Pevné skupenství a vlastnosti pevných látek. Krystalické, amorfní látky.
Krystalizace, nukleace. Struktura kovů, kovová vazba, pásová teorie vazby v pevných látkách, delokalizované
orbitaly v krystalu kovu, síla vazby. Elektrická a tepelná vodivost kovů, kapalný stav rtuti za normální teploty.
Slitiny: substituční tuhé roztoky, slitiny s omezenou mísitelností složek v tuhém stavu, intersticiární tuhé
roztoky, slitiny obsahující intermetalické sloučeniny. Vodiče, polovodiče a izolanty.
L13. Krystalová mřížka, strukturní motiv, elementární buňka. Kubické buňky, krystalové mřížky kovů,
nejtěsnější uspořádání. Základní strukturní typy. Mezery v nejtěsnějším uspořádání, krystalové mřížky
jednoduchých iontových sloučenin (CsCl, NaCl, ZnS). Pásová teorie tuhých látek v~iontových krystalech,
vodivost a barevnost iontových krystalů. Krystalové mřížky kovalentních látek: molekulové a kovalentní
krystaly, nevodivost diamantu, vodivost grafitu, polovodiče. Allotropie, polymorfie, izomorfie. Zjišťování
krystalové struktury: difrakce rentgenova záření. Rentgenová strukturní analýza. Madelungova konstanta,
mřížková energie.
L14. Energie v chemii. Základní pojmy chemické termodynamiky: soustava, okolí, extenzivní a intenzivní
vlastnosti, stav soustavy, stavová funkce. Formy energie v chemii, objemová práce plynu. Vnitřní energie, první
věta termodynamiky. Reakční teplo při konstantním objemu a konstantním tlaku, enthalpie. Standardní stav.
Exo- a endotermické děje. Enthalpie prvků, slučovací a reakční enthalpie. Hessovy zákony. Určování energie
vazby pomocí Hessova zákona. Born-Haberův cyklus, mřížková energie.
L15. Entropie, uspořádanost soustavy. Gibbsova volná energie. Samovolný průběh reakce. Druhá a třetí věta
termodynamiky. Energetické změny při průběhu chemických reakcí, základní thermodynamické veličiny (U, H,
G, S), thermodynamické podmínky průběhu chemických reakcí. Vratné reakce, Guldberg-Waagův zákon
rovnováhy, reakční kvocient, rovnovážná konstanta, vliv změny koncentrace, tlaku a teploty na rovnováhu, Le
Chatelier-Brownův princip.
L16. Chemické reakce. Reakční kinetika, rychlost reakce, rychlostní rovnice (zákon), rychlostní konstanta, řád
reakce. Reakce 0., 1. a 2. řádu, poločas reakce. Srážková teorie reakční rychlosti, Arrheniova rovnice, MaxwellBoltzmannovo
rozdělení rychlostí, účinné srážky, aktivační energie, reakční koordináta. Teorie aktivovaného
komplexu, Eyringova rovnice. Mechanizmus reakce, molekularita reakce, krok určující rychlost reakce.
Katalýza: katalyzátory, reakční koordináta katalyzované reakce, homogenní katalýza (reakce v plynech,
acidobázická a oxidoredukční katalýza). Adsorpce a chemisorpce, heterogenní katalýza. Fotochemické reakce.
Řetězové reakce, radikálové reakce. Kinetika a chemická rovnováha, faktory ovlivňující chemickou rovnováhu,
Le Chatelierův princip.
L17. Kapaliny, struktura kapalin, Eyringova děrová teorie kapalin. Povrchové napětí, viskozita. Vypařování v
otevřeném a uzavřeném prostoru, tenze par kapaliny. Fázový diagram. Ideální kapaliny. Difúze, Fickův zákon.
L18. Roztoky, vyjadřování koncentrace, solvatace a asociace iontů. Typy roztoků a rozpouštědel. Proces
rozpouštění: změna volné energie, mezimolekulární a meziiontové interakce. Rozpustnost plynů v kapalinách,
kovalentních látek, iontových látek, hydratační a rozpouštěcí enthalpie, vliv teploty na rozpustnost solí.
Mísitelnost kapalin, parametr rozpustnosti. Elektrolytická disociace iontových látek, silné a slabé elektrolyty,
elektrolytická vodivost, aktivita elektrolytu, aktivitní koeficient, iontová síla roztoku. Iontové sloučeniny málo
rozpustné ve vodě: součin rozpustnosti, srážení, LeChatelier-Braunův princip v rovnováhách málo rozpustných
iontových sloučenin. Koligativní vlastnosti. Vypařování směsi dvou ideálních kapalin, Raoultův zákon, snížení
tenze páry. Vypařování směsi neideálních kapalin - odchylky od Raoultova zákona. Souvislost vlastností kapalin
s mezimolekulárními silami. Tenze páry rozpouštědla nad roztokem. Vypařování roztoků netěkavých látek, tenze
páry rozpouštědla nad roztokem. Snížení bodu tání, zvýšení bodu varu, ebulioskopie a kryoskopie. Osmotický
tlak zředěného roztoku. Koloidní soustavy.
L19. Acidobázické reakce. Arrheniova, Brønstedova-Lowryho a Lewisova teorie kyselin a zásad, síla kyselin a
zásad, disociační konstanta, vícesytné kyseliny, vytěsňování slabých kyselin a zásad, konjugovaný pár. Acidita a
bazicita vodných roztoků, autoionizace vody, stupnice pH, pH roztoků silných a slabých kyselin. Neutralizace.
Amfiprotní látky. Acidobázické indikátory. Hydrolytické rovnováhy, hydrolýza solí. Tlumivé roztoky, kapacita
tlumivých roztoků. HSAB Pearsonova teorie kyselin a zásad. Acidobázické reakce v nevodných protických
rozpouštědlech. Acidobázické reakce v aprotických rozpouštědlech: solvoteorie kyselin a zásad, superkyselá
prostředí, síla kyselin, stupnice H.
L20. Oxidačně-redukční reakce a základy elektrochemie. Oxidace a redukce. Redoxní páry. Vyčíslování
redoxních rovnic. Elektroda prvního druhu, Nernstova rovnice, vodíková elektroda, galvanický článek,
standardní redukční potenciál, elektrochemická řada napětí. Koncentrační článek. Oxidoredukční elektroda,
Petersova rovnice. Změna Gibbsovy volné energie a rovnovážná konstanta elektrochemických reakcí.
Disproporcionační reakce. Elektrolytický článek, elektrolýza roztavených solí a vodných roztoků, anodické a
katodické reakce, Faradayův zákon. Elektrochemické zdroje proudu, primární, sekundární, palivový článek.
L21. Plynné skupenství. Boyleův zákon, Charlesův-Gay-Lussakův zákon, Avogadrův zákon. Ideální plyn,
stavová rovnice ideálního plynu. Daltonův zákon parciálních tlaků. Chování neideálního plynu, van der
Waalsova stavová rovnice neideálního plynu. Zkapalňování plynů. Kinetická teorie plynů, MaxwellBoltzmannova
funkce rozdělení rychlostí, střední kinetická energie a rychlost molekul plynu, počet srážek
molekul plynu. Transportní jevy v plynech, Grahamův zákon.
L22. Rovnováha ve vícefázovém systému, chemický potenciál, Gibbsovo pravidlo fází, základní pojmy
fázových rovnováh, definice fáze, složky a stupně volnosti. Základní fázové diagramy jednosložkových systémů.
Fázový digram vody, síry a helia, CO2, metastabilní stavy. Fázové diagramy dvousložkových soustav: dvě
neomezeně mísitelné kapaliny s malými odchylkami od Raoultova zákona, frakční destilace, rektifikace,
destilace s vodní parou, azeotropické směsi. Fázový diagram soustavy voda rozpustná látka, chladicí směsi,
tvorba hydrátů. Fázový diagram směsi dvou kovů, dokonale mísitelné a nemísitelné v pevné fázi, pákové
pravidlo, eutektikum.