Obecná chemie C1020 Jiří Pinkas r Ustav chemie - Univerzitní kampus Bohunice Budova A12, 2. patro, místnost 224 Tel. 54949 6493 jpinkas@chemi.muni.cz i Obecná chemie C1020 Přednáška - All/132 • Út 12-14.00 • Čt 10-12.00 Odpadne 4.10. a 17.11., poslední Po 19.12. Materiály z přednášky budou vystaveny v ISu v Řešené úlohy Zkouška písemná - leden a únor 2017 Každý týden jeden zk. termín Nebudou předtermíny Seminář C1040 - Test 0 (0 -100 %) Konzultace: Pátek od 13 -14.00 v A12/311 (od 14.10.) Obecná chemie C1020 Příhoda - Toužín. Pomůcka pro seminář z obecné chemie. Brno : Masarykova univerzita, 2012. KUK - 225 ks a v ISu jako pdf Klikorka - Hájek - Votinský. Obecná a anorganická chemie 1989 a. 2. nezměň, vyd. 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. 3 Obecná chemie C1020 KUK Zumdahl, Steven S. - Zumdahl, Susan A. Chemistry Hill, John W. General Chemistry Bruce E. Bürsten, Catherine Murphy, H. Eugene H. LeMay, H. Eugene Lemay Jr., Patrick Woodward, Theodore E. Brown, Theodore L. Brown, Chemistry The Central Science 4 Počátky chemie První písemná zmínka o chemii Mezopotámie 1200 př. n. 1. Tapputi-Belatekallim - výrobkyně parfémů Věda a výzkum Technologie - aplikace znalostí k přeměně okolí, výrobky k prodeji a použití 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 - výzkumné skupiny Ústavu chemie, biochemie, RECETOX, NCBR a CEITEC Věda a vědecká metoda Věda - Kvantitativní studium přírody a přírodních zákonů. Proces, při kterém se získávají nové poznatky a formulují zákony popisující přírodní jevy. Empirické postupy řešení problému - pokusy a pozorování. Zabývá se pouze racionálními výroky, které lze potvrdit nebo vyvrátit pozorováním nebo experimenty. Sir Francis Bacon (1561-1626) Zakladatel e empirismu Věda • Systematizovaný soubor znalostí, vědomostí a zobecnění, které jsou považovány za pravdivé • Vědecká metoda, jíž jsou tyto znalosti získávány - pozorování, pokus, dedukce - vedoucí k objektivním zákonům • Vědecký jazyk - přesně definované pojmy 1605 - Francis Bacon The Proficiency and Advancement of Learning Formulace vědecké metody Věda a vědecká metoda Pozorování (kvalitativní) Měření (kvantitativní) 4 _ 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. Pozorování a vysvětlení První vysvětlení přírodního jevu - hypotéza úspěšně testovaná vyplněnou předpovědí: Tháles Milétský (624 - 543 př. n. 1.) Vysvětlil zatmění Slunce - měsíc v novu přejde přes sluneční kotouč Předpověď dalšího zatmění Slunce 585 př. n. 1. (21.8.2017 USA) Počátek vědeckého myšlení, racionální přístup bez mystiky a náboženských představ Chemie - Základní prvek je VOdci io ^Geocentrický ModifiBfce teori Předpová Pohyb Venušemi ru Helioc* ický Nicolaus Copernicus 1 112^n Pozorování a vysvětlení Johann Joachim Becher (1635 - 1682) První konzistentní vysvětlení několika přírodních jevů: Georg Ernst Stahl (1660- 1734) 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) Počátky kvantitativních experimentů PROBLÉM: Kov hoří = oxid + flogiston Při oxidaci kovů je hmotnost produktů vyšší negativní hmotnost © flogiston m^ Pozorování a vysvětlení Vyvracením flogistonové teorie se vytvářela moderní chemie. Nesprávná teorie je postupně vyvracena na základě experimentů, které odpovídají nové teorii. ^^B^^H hoření = slučování s 02, vyšší hmotnost produktů - vážení Zákon zachování hmoty flogiston = -O 2 Zahřívání HgO (redukce na kov bez flogistonu z uhlíku) Antoine Laurent Lavoisier (1743- 1794) Tři objevitelé kyslíku vzduch Zahřívání HgO, Ag2CQ3, 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 Jevů Periodický zákon 1 IUPAC Periodic Table of the Elements 2 H He hydrogen helium [1.007, 1.00.91 2 Key 13 14 15 16 17 4.003 3 4 atomic number 5 6 7 e S 10 Li Be Symbol B C N O F Ne lithium beryllium nam boron carbon nitrogen oxygen fluorine neon 13.939,0.997] 9.012 .: pi: 110 30, 10.33] |12.00,12 jOZ] [14JMX 14.01] 115.99,10.00] 15 20.1 a 11 12 13 14 15 16 17 18 Na Mg Al Si P s CI Ar sodium magnesium ID aluminium z yy-\ phosphorus sulfur chlorine argon 22.99 P430,24.31] 3 4 5 8 7 B 9 11 12 20.9 a pa.oa,2aiH] 30.97 P 2.0=5,32.«] |3544,35.4fl] 39.95 13 20 21 22 23 24 25 26 27 2B 29 30 31 32 33 34 35 34 K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr patassiu m calcium scandium titanium vanadium chromium manganese total nickel copper zinc gallium germanium arsenic selenium bromine krypfcin 39.1 a jo as 44.90 47.8? M .94 54.94 5 5.£5 53.09 6355 :.: 13(21 09.72 72.í 3 74.92 TB .90(3 \ [79.90,79.91] B3 37 36 39 40 41 42 43 44 45 46 47 4o 4d 50 51 52 53 $4 Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te 1 Xe rubidium strontium yttrium zirconium niabium ma rybden um technetium ruthenium rhodium palladium silver cadmium indium tin antimony tellurium xenon SÄ47 8&.91 91.22 S2 91 101.1 102.9 100.4 107fl 112J 1141 121 £ 127.0 12&9 131 3 55 56 57-71 72 73 74 75 76 77 76 79 61 82 63 64 65 66 Cs Ba lantha raids Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg TI Pb Bi Po At Rn caesium barium hafnium tantalum tunaste n rhenium asmium iridium platinum gold mercury thallium lead bismuth pslanium astatine radon 132.9 137.3 1785 140.9 103 JS M&32 1902 1922 19&1 200.0 |2u4 ,\ 2QA A] 2D7.2 its a a? aa 39-103 104 1DB 107 108 109 110 111 112 114 "8 Fr Ra actinoids Rf Db Sg Bh Hs Mt Ds Rg Cn Fl Lv francium radium ruths rfordium dubnium Eeeborgium bohrium ha&tium meitnerium dannsladtium roenlgenium co pernici urn flefovium liverrnarium 57 5B 59 60 61 62 03 04 65 00 67 08 09 70 71 La Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu lanthanum praseodymium neodymium promathium samarium europium gadolinium terbium dysprosium hoJmium erbium thulium yťta rb iu m 1 úletům 13.9 140.1 1445 1442 13) .4 1520 1573 13,9 1623 1045 1675 160.9 173.1 1740 39 90 91 92 93 94 95 96 97 90 99 100 101 102 103 Ac Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr actinium thorium protactinium uranium neptunium plutonium americium curium berkelium californium einsteinium termium mendelevium nobel ium lawrencium 232:0 231.0 23S .0 Vědecký jazyk - přesná definice pojmů i 1 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) P = Kostík, Cr = Barvík English IUPAC Red Book - názvosloví anorganické chemie Blue Book - názvosloví organické chemie Green Book - názvosloví fyzikální chemie White Book - názvosloví biochemie Gold Book - kompendium chemické terminologie Model je zjednodušený obraz skutečnosti, který usnadní vysvětlení problému. Používá idealizace a aproximace. 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. 19 Model Nový přesnější model s příchodem přesnějších metod měření. Pokročilejší model obsahuje předešlé (správné) modely jako zvláštní případy (poloměr H atomu). Model Jednoduché modely obsahují mnoho zjednodušujících a omezujících podmínek a předpokladů, mohou tedy poskytnout jen kvalitativní informace Atom H - Bohrův model 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. 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 !n Richard P. Feynman ÉĚĚĚ' (1918 - 1988) ' NP za fyziku 1965 * Manhattan Project « W m% Nanotechnologie TS*. Teorie a experiment Mdihänttci Cď&rei iwty (ntiyiiii'm. 'tMttítfíSSj !t!|iS,..HÍ!ii \ řitíiniks íWsKíí.}-tiV\ Ubi matéria, ibi geometria Kde je hmota, tam je geometrie měření Johannes Kepler (1571 - 1630) Aby byl experiment přijat za pravdivý, musí být nezávisle verifikovaný, zopakovaný. Samočisticí vlastnost vědecké metody 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 = měření Hmotnost, délka, čas - od nepaměti Teplota - 1724 Daniel Fahrenheit (1686-1736) 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) Kvantitativní experiment = měření 28 Veličiny, Rozměry, Jednotky Příklad: Veličina: E, energie Rozměr: kg m2 s-2 Jednotka: J, e V, kalorie,..... http://www.labo.cz/mftabulky.htm 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 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 (jediná jednotka definovaná na materiálním objektu) 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 31 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 32 Základní jednotky SI 1 mol = látkové množství soustavy, která obsahuje právě tolik částic (atomů, molekul, elektronů, nebo jiných entit), kolik je atomů v 0,012 kilogramu (přesně) nuklidu uhlíku 12C tj.........6,022 1023 Počítání atomů vážením 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 33 Násobky - předpony 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 (ig v 11 nebo 1 atom v 1012 atomech 35 Hmotnost m I kg Atomová hmotnostní jednotka 1/12 hmotnosti atomu nu klidu 12C 1 u = (1 amu) = 1.6606 10"27 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 Budoucí definice 1 kg ? i Koule z velmi čistého 28Si Objem koule změřen laserovou interferometru Objem na jeden atom Si z rtg. difrakce Počet atomů v kouli Avogadrova konstanta 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 /?, 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 Am(l2C) = 12 x u x NA = = 12 x 1.6606 10-27kg x 6.022 lO^mol"^ = 0.01200 kg mol-1 = 12.00 g mol"1 39 Délka lim 1 Ángstrôm = 10~10 m (není SI jednotka) ^^^^ ^^^H .■ 1 Á = 100 pm = 0.1 nm ■ ■ ^aĚĚ 1 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 40 Í7 Atomové poloměry (pm) 152 113 B C N 0 Í2 No SS 77 70 W <>4 69 is* igo 143 117 110 104 99 97 227 197 122 122 121 117 114 110 d d d d ^ 247 215 163 140 141 143 133 130 ^^^^^ ^^^^ 2tf5 217 170 175 155 1*7 140 145 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 Objem V 1 pm3 = 10"6 Á3 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) VM = 22.414 1 mol"1 při teplotě 0 °C a tlaku 100 000 Pa (1 bar) K, = 22.71 1 mol"1 g cm ó Hustota závisí na teplotě a tlaku Hustota p Látka Hustota při 20 °C / g cm3 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 gem Merení 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 io-15 Excitace elektronu fotonem, femtosekundová sp. io-12 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) NP za fyziku 1907 47 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 48 Frekvence, vlnová délka, vlnocet v A = c c = 2.998 K^ms-1 Visible spectrum 100 Vlnová délka, m ICH 10 ^ radio micro™ ve infrared Frekvence, Hz r 10* 101 10- 10^ 10- IflH 10 IQ-13 L6 10* 10 * 10 n Energie fotonu, J AE = h v Ctyri 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) LIGO - Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory 2015 50 Síla F 1 Newton = gravitační síla působící na jablko Elektrický náboj q Elementárni náboj, e e = 1.602 10-19C 1 C= 1 A s Všechny náboj e j sou celistvým násobkem e , « q=Z e Coulombův zákon Charles Augustin Coulomb (1736 - 1806) Přitažlivá síla F mezi dvěma náboji opačného znaménka je nepřímo úměrná druhé mocnině vzdálenosti r mezi nimi a přímo úměrná velikosti nábojů q. Tlak/? 1 Pascal = tlak kterým působí jablko na 1 m2 1 Pa = 1 N ni"2 1 atm = 101 325 Pa = 760 mm Hg (Torr) = 1.01325 bar 1 bar= 105 Pa= lOOkPa Standardní tlak = 1 bar = 100 000 Pa 53 % . Teplota T Kelvin, K F Absolutní nula 0 K je nedosažitelná Entropie dosahuje minima -273.15 °C Současný rekord: -100 pK Kvantové efekty T[°C]=T[K]-273.15 Celsius, °C Lord Kelvin 0 °C = 273 15 K (William Thomson) (1824- 1907) 54 Standardní teplota (termodynamika) = 25 °C = 298 K 1 1592 Galileo Teploměr 1629 teploměr plněný brandy Joseph Solomon Delmedigo, lékař a rabín * „-M 1724 Daniel Fahrenheit (1686-1736) Hg i Změna fyzikální vlastnosti závislé na teplotě: • Objemová roztažnost rtuti • Délková roztažnost kovů i—, . , , , , o Definice Celsiovy stupnice • Elektricky odpor kovu Teplota tání ledu při x atm = 0 oC • Stav kapalných krystalů Teplota varu vody při 1 atm = 100 Rozděl na 100 dílků °c ITS-90 Mezinárodní teplotní stupnice Trojný bod vody = 273.16 K 55 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 56 Energie E 1 Joule = energie úderu lidského srdce Zákon ekvivalence mechanické práce a tepla 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) žák J. Daltona 1 eV (molekula)"1 = 1 eV x NA = 96 485 J mol"1 58 Energie E E = mc2= 1.66 10-27kgx (3.00 108 ms-1)2= 1.49 10~10 J 1 amu = 931.4 MeV Ekin = Vi m v2 £kin = 3/2 k T 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 59 Vazebné energie, kJ mol-1 (jednoduché vazby) Br 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 -i—1- 74 100 200 (Hz bond iength) ,nternuc,ear distance (pmJ O 3 *5jd u a jg c o Plh Vazebná vzdálenost v molekule H 62 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% £L, = 942 kJ mol1 NP za chemii 1918 63 N-Mo-Cl- CIA R -N-Mo- ^—rf—Nv N-Mo-N2 \—-f^— r [Cpfio}( ' A[cp2Ců], BPh3 L J (LutH)BAri -Mo—N=NH R 28 >ii-\-\\}— nn -i