1
Mezimolekulové síly a skupenské stavy
Skupenství vody Teplota, oC
(tlak 1 bar)
Hustota, g cm1
pevné 0 0,9168
kapalné 25 0,9971
plynné 400 3,26 10 4
Plyn - volný pohyb
molekul, rotace, srážky
Kapalina - mezimolekulové síly
brání úniku molekul z kapaliny
Molekulový krystal - mezimolekulové
síly drží molekuly na mřížkových
pozicích, vibrace
2
Rozdíl mezi kovalentní vazbou a
mezimolekulovými silami
H2O  2 H + O H = + 920 kJ mol1
H2O(l)  H2O(g) při 100 oC H = + 41,2 kJ mol1
3
Typ vazby Energie, kJ mol1
Kovalentní 200 – 1000
Vodíková 10 – 50 (100)
Dipol-dipolová 2 – 10
Londonova disperzní > 5
4
Typy mezimolekulových vazeb
(van der Waalsových interakcí)
• ion – ion Coulombické interakce
• ion – dipol
• dipol – dipol  orientační, Keesom
• dipol – indukovaný dipol  indukční, Debye
• ion – indukovaný dipol
• indukovaný dipol – indukovaný dipol  disperzní, London
• van der Waalsova repulze (odpuzování)
J. D. van der Waals
(1837- 1923)
NP za chemii 1910
5
Interakce ion - ion
Coulombův zákon
r
qq
E 21
04
1


E = energie interakce
q = náboj iontu
r = meziiontová vzdálenost
6
Dipolový moment - 
proton a elektron, vzdáleny 1 Å
 = q  L = (1,60 1019 C)(1,00 1010 m)
= 1,60 1029 C m = 4,80 D
Dipolový moment 4,80 D
je referenční hodnota, čisté +1 a 1 náboje
vzdálené100 pm, vazba mezi nimi je 100
% iontová

CO2
H2O

 
7
Interakce ion - dipol
4
22
kTr
q
konstE


E = energie interakce
q = náboj iontu
 = dipolový moment
r = vzdálenost
T = teplota
k = Boltzmannova konstantakT = škálovací faktor energií v molekulárních procesech
při 298 K: kT = 4,11×10−21 J
8
Hydratace/solvatace iontů
Interakce klesá s rostoucí velikostí iontu
[Li(H2O)4]+
[Na(H2O)x]+
K+ slabá
Rb+ nulová
Cs+ negativní
Interakce roste s rostoucím nábojem iontu
[Na(H2O)x]+ [Mg(H2O)6]2+ [Al(H2O)6]3+
Ion-dipol Polární koord. vazba
Interakce klesá
Interakce roste
9
Solvatace elektronů
Sodík rozpuštěný v kapalném amoniaku
[Na(NH3)x] + + e (NH3)x

Modrý elektricky vodivý roztok, silné redukční činidlo
Solvatované elektrony (spinové páry)
Pomalá reakce
2 Na + 2 NH3  2 NaNH2 + H2
10
Interakce dipol - dipol
Keesom
6
22
kTr
konstE BA  

E = energie interakce
 = dipolový moment
r = vzdálenost
T = teplota
k = Boltzmannova
konstanta
Termální pohyb molekul
11
Interakce dipol - dipol
Sloučenina Butan Aceton
Mr 58 58
Teplota varu, °C  0,5 57
Dipolový
moment, C m
0 9,3 10 30

12
Interakce ion – indukovaný dipol
a dipol – indukovaný dipol
4
2
r
q
konstE


(indukovaný) = E
ion – indukovaný dipol
dipol – indukovaný dipol, Debye
6
2
r
konstE


polarizovatelnost
 = intenzita elektr. pole
E = energie interakce
q = náboj
 = polarizovatelnost
 = dipolový moment
r = vzdálenost
13
Londonovy disperzní síly
6
2
r
IE
konstE


IE = ionizační energie
 = polarizovatelnost
r = vzdálenost
Odpudivé Přitažlivé
síly síly
Interakce indukovaný dipol – indukovaný dipol
14
teplota varu, K teplota varu, K , Å3
F2 85,1 He 4,6 0,20
Cl2 238,6 Ne 27,3 0,39
Br2 332,0 Ar 87,5 1,62
I2 457,6 Kr 120,9 2,46
Vliv Londonových sil na
skupenství halogenů a
vzácných plynů
S velikostí molekul
roste polarizovatelnost
a disperzní síly
Vliv polarizovatelnosti molekuly
na velikost Londonových sil
Teplota varu vzácných plynů, K
15
Vliv velikosti molekuly
na velikost Londonových sil
teplota varu, K
U jednoduchých uhlovodíků
nacházíme jen Londonovy
disperzní síly
16
Vodíková vazba
O-H
O (Donorový atom)
O-H.....O
H s elektronegativními atomy (F, O, N, C,…)
Vazba E, kJ/mol
F−H ꞏꞏꞏꞏꞏ F 160
O−H ꞏꞏꞏꞏꞏ N 30
O−H ꞏꞏꞏꞏꞏ O 20
N−H ꞏꞏꞏꞏꞏ N 13
N−H ꞏꞏꞏꞏꞏ O 8
XHꞏꞏꞏꞏꞏY
17
Vodíková vazba
O
H
N
O
O
o-nitrofenol
Ka = 10
-7
O
H
N
O O
p-nitrofenol
Ka = 10
-4
Intramolekulární vodíková vazba
Snížená kyselost OH skupiny (konstanta kyselosti Ka)
v důsledku tvorby vodíkové vazby
  
 HA
AOH
Ka


.3
HA+ H2O ⇄ H3O+ + AKonstanta
kyselosti
18
Vodíková vazba
Intermolekulární Struktura ledu
Kapalná voda
19
Vodíková vazba
Vazba Vzdálenost (Å) Rozmezí (Å)
N-H...N 3.10 2.88-3.38
N-H...O
- Amid NH 2.93 2.55-3.04
- Amino NH 3.04 2.57-3.22
N-H...F 2.78 2.62-3.01
N-H...Cl 3.21 2.91-3.52
O-H…N 2.80 2.62-2.93
O-H...O
- Alkohol OH 2.74 2.55-2.96
- Voda OH 2.80 2.65-2.93
O-H...Cl 3.07 2.86-3.21
20
Vodíková vazba
Teploty varu, K,
hydridů 14., 15. a 16. skupiny
Molekulová hmotnost
21
HF2
 hydrogendifluorid
[F H F]
Lineární - vazebný úhel
F H F = 180
Nejsilnější známá H-vazba
155 kJ mol1
Symetrické rozložení
vazebných délek HF 114 pm
Autodisociace HF
2 HF ⇄ H2F+ + HF2
-
F-H
F(Donorový
atom)
[F-H-F]
-
MO
Třícenterní
4elektronová vazba
22
Vodíková vazba
Krystalové inženýrství
Samouspořádání
dimer
Supramolekulární
systémy - 3D
Vodíková vazba
23
Kyselina boritá
24
Struktura proteinů
Sekundární struktura
25
Struktura DNA
A-T
G-C
26
Rovnováha přitažlivých a odpudivých sil
Lennard-Jonesův potenciál
Odpudivé síly (Pauli)
Repulze elektronových oblaků
U = 1/ r12
Přitažlivé síly (v.d. Waals)
U = 1/ r6
612
11
r
B
r
AU JL 
A, B = konstanty závislé na elektrických
vlastnostech molekul
+
 Rovnovážná
vzdálenost
UL-J
27
Van der Waalsovy poloměry, Å
H 1.20 Ar 1.88 As 1.85 F 1.47
C 1.70 Zn 1.39 Ga 1.87 Cl 1.75
Cu 1.40 Cd 1.58 In 1.93 Br 1.85
He 1.40 Hg 1.55 Tl 1.96 I 1.98
K 2.75 Kr 2.02 Li 1.82 Mg 1.73
N 1.55 Na 2.27 Ne 1.54 Ni 1.63
O 1.52 P 1.80 Pb 2.02 Pd 1.63
Pt 1.72 S 1.80 Se 1.90 Si 2.10
Sn 2.17 Te 2.06 Xe 2.16
Ag 1.72 Au 1.66
Atomový poloměr O 0,73 Å
Iontový poloměr O2 1, 40 Å
Van der Waalsův
poloměr O 1,52 Å
Mikroskopie atomárních sil AFM
28
DOI: 10.1126/science.1176210
AFM zobrazení vodíkové vazby
29
8-hydroxychinolin na Cu(111)
Supramolekulární chemie
30
Cucurbiturily
Hostovská molekula uvnitř
hostitelské molekuly
Van der Waalsovy vazby
Supramolekulární chemie
31
Olympiadan
1983 Katenan – topologická/mechanická vazba
Jean-Pierre Sauvage
1944
NP za Chemii 2016
Supramolekulární chemie
32
1991 Rotaxan – topologická/mechanická vazba
Fraser Stoddart
1942
NP za Chemii 2016
Molekulární kyvadlová doprava
Supramolekulární chemie
33
1999 Molekulární motor
Bernard L. Feringa
1951
NP za Chemii 2016
Nanocar
Jednosměrný rotor
34
Pevné látky
Energy
r
typical neighbor
bond length
typical neighbor
bond energy
Energy
r
typical neighbor
bond length
typical neighbor
bond energy
Vazebná
energie
Vazebná
délka
Vazebná
délka
Vazebná
energie
Stabilní
MetastabilníAmorfní
 nepravidelné vnitřní
uspořádání
 izotropie fyzikálních
vlastností
 termodynamicky nestabilní
Krystalické
 pravidelné vnitřní
uspořádání
 anizotropie fyzikálních
vlastností = různé v různých
směrech (pro symetrii nižší
něž kubickou)
35
Krystalické látky
• Kovové (Cu, Fe, Au, Ba, slitiny CuAu)
atomy kovu, kovová vazba
• Iontové (NaCl, CsCl, CaF2, ... )
kationty a anionty, elektrostatická interakce
• Kovalentní (C-diamant, grafit, SiO2, AlN,... )
atomy, kovalentní vazba
• Molekulární (Ar, C60, HF, H2O, CO2, organické
sloučeniny, proteiny )
molekuly, van der Waalsovy a vodíkové interakce
36
Modely struktur
P4O10
O P
O
P
O
P
O
O P
O
O
O
O
O
O O
O
O
O
O
O
O O
O
O
O
O
O
Atomy a vazby
Atomy
vyplňující
prostor
Koordinační
polyedry
37
Krystalické látky
Pravidelné vnitřní uspořádání
Periodické opakování stejných stavebních jednotek na
krystalové mřížce
38
Přechod do pevného skupenství
Boltzmanovo rozdělení
– při ochlazování klesá kinetická energie
T1 > T2
Energie
Počet
molekul
Krystalizační
jadérka
39
Vznik nukleačních center
Ochlazení – nukleace =
náhodné a dočasné
vytvoření krystalizačního
jadérka
Roztok nebo tavenina
Krystalizační jadérko
Krystal
Ochlazování = klesá kinetická energie
Růst krystalu
Rozpad
40
Nukleace
Povrchová energie
roste s rostoucí
velikostí jadérka
= brání nukleaci
Objemová energie klesá
s rostoucí velikostí
jadérka
= hnací síla nukleace
Critical Radius
4/3 r 3Gv
r 2
G = 4/3 r 3Gv + r 2
Maximum = kritická
velikost jadérka
GNukleace
r, poloměr, m
41
Jan Czochralski
(1885–1953)
Příprava monokrystalů
monokrystal Si
průměr = 300 mm
délka = 2 m
m = 265 kg
42
Hydrotermální metoda
Teplotní gradient
Zárodečný krystal
Jeskyně Naica, Mexiko
CaSO4.2H2O
Vysokotlaký autokláv
43
Van Arkelova metoda
W-drátek (T2 = 1300 °C)
Ti-prášek (T1 = 580 °C)
I2 = transportní činidlo
Ti-krystaly
Ti (s) + 2 I2 (g) ⇄ TiI4 (g) H = 376 kJ mol-1
Rovnovážná reakce, exothermní:
transport z chladnějšího na horký konec
Ti
Bod tání 1668 °C
44
KDP krystaly
(KH2PO4)
Přesycený roztok
Očkování
Pomalé chlazení
Krystalizace z roztoku
45
Struktura kovů
BCC
Tělesně centrovaná kubická mřížkažka
CCP
Nejtěsnější kubické uspořádání
= FCC
Plošně centrovaná kubická mřížkažka
HCP
Nejtěsnější hexagonální uspořádání
BCC CCP = FCC
HCP
46
Slitiny kovů
Substituční Intersticiární
Tuhý roztok
Podobná velikost atomů
Plynulá řada složení
0 - 100 %Cu v Ni
Zaplnění mezer malými atomy
(C, N, H)
Rozpustnost H2 v Pd
Pokud stálý poměr kov/nekov
Intersticiární sloučenina (Fe3C)
Cu-Ni Ocel
nickel
47
Kovová vazba
Elektrická vodivost:
Elektrický odpor kovu roste s
teplotou – větší kmity atomů
Elektrický odpor kovu roste s
koncentrací nečistot – překážky
pohybu elektronů
Tepelná vodivost:
Přenos energie elektrony
Elektronový plyn
Elektrony se pohybují volně
v poli kladných nábojů jader
48
Pásová teorie
Protivazebné orbitaly = vodivostní pás
Vazebné orbitaly = valenční pás
MO pro 2, 3, 4,....NA atomů
Mnoho hladin
s velmi
blízkou energií
splyne a
vytvoří pás
49
Pásová teorie
3d
4s
4p
1 atom NA atomů
Energie elektronů je kvantována = mohou mít jen určité hodnoty
energie, obsazovat jen povolené hladiny, nesmí se vyskytovat v
zakázaných pásech
pás
pás
pás
zakázaný
zakázaný
50
Síla kovové vazby = Molární objemy
přechodných kovů
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
6
8
10
12
14
16
18
20 Molární objem
3d
4d
5d
Vm
[cm
3
/mol]
n
Malý nárůst velikosti
atomů při sestupu od
5. k 6. periodě –
zaplněné f-orbitaly
lanthanoidů špatně
stíní náboj jádra
51
Hustoty a teploty tání přechodných kovů
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
24
Hustota3d
4d
5d
[g/cm
3
]
n
Os 22,5 g cm3
Ir 22,4 g cm3
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
3d
4d
5d
pře chodné kovy
teploty tání
n
Tt
[°C]
Teplota tání = Síla kovové vazby
Zaplňování vazebných
orbitalů t2g (pásů)
Zaplňování protivazebných
orbitalů eg (pásů)
52
Pásy v grafitu
Grafit je elektrický vodič
Vodivost ve vrstvách vysoká
Kolmo na vrstvy nízká
Anisotropie
53
Pásy v diamantu
Diamant je elektricky
nevodivý
= izolant
Valenční
pás - zaplněný
Vodivostní
pás - prázdný
54
Fermiho hladina
Ef hladina má pravděpodobnost obsazení ½
hladiny
E < Ef obsazené
E > Ef prázdné
Obsazení hladin
Fermiho
hladina
Nad Fermiho hladinou volné
Pod Fermiho hladinou
obsazené
55
Kovy, vlastní polovodiče, nevodiče
Valenční
pás
Vodivostní
pás
Kov
Polovodič Nevodič
Kov
Fermiho hladina
56
Dopované polovodiče
Křemíkové polovodiče typu n a p
Elektrony ve
vodivostním pásu
Elektronové díry ve
valenčním pásuDonorové hladiny
Např. P (1 elektron)
Akceptorové hladiny
Např. B (volné)
57
Elektrická vodivost  a odpor R
A
l
R 
Kov
Supravodič
Polovodič
Specifická elektrická vodivost, 


1
R
, S cm
108
104
108
104
R = elektrický odpor, 
 = specifický elektrický odpor ,  m
l = délka vodiče, m
A = průžez vodiče, m2


1
