Obecná chemie C1020 Jiří Pinkas r Ustav chemie - Univerzitní kampus Bohunice Budova C12, 2. patro, místnost 224 Tel. 54949 6493 jpinkas@chemi.muni.cz Dotazy - email, MS Teams i Obecná chemie C1020 Přednáška - Bll/132 • Út 12:00-14:00 a Čt 10:00-12:00 • Prezentace s výkladem z přednášky v IS v • Řešené úlohy v IS • Zkouška písemná - leden - únor 2023 • Každý týden jeden zkouškový termín • Nebudou předtermíny • Poslední opravný termín - květen 2023 • Seminář C1040 - Test 0 • Konzultace - domluva, osobně, MS Teams Obecná chemie C1020 Příhoda - Toužín. Pomůcka pro seminář z obecné chemie Brno : Masarykova univerzita, 2012 KUK - 225 ks a v IS 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 Anorganická chemie ANORGANICKÁ CHEMIE Catherine E. Housecraft Alan G. Sharpe fallie ri n b E. Híiiietrifl Vydavatel VŠCHT Praha (1. vydání, 2014) ISBN 978-80-7080-872-6 Počet stran 1152 Cena 1350 Kč 950 Kč (pro studenty VŠCHT) Výpůjčka z KUK Obecná chemie C1020 NÁZVOSLOVÍ J ľ ANORGANlCKÉ*S g* CHEMIE_ Názvosloví anorganické chemie podle IUPAC: Doporučení 2005 Connelly Neil G., Damhus Ture, Hartshorn Richard M., Hutton Alan T. Vydavatel VŠCHT Praha (1. vydání, 2018) ISBN 978-80-7080-998-3 Počet stran 380 Cena 450 Kč 240 Kč (pro studenty VŠCHT) Obecná chemie C1020 Učebnice v angličtině C. E. Housecroft, A. G. Sharpe Inorganic Chemistry S.S. Zumdahl, S. A. Zumdahl Chemistry J. W. Hill Angličtina = liqua franca chemie General Chemistry B. E. Bürsten, C. Murphy, H. E. LeMay, H. E. LeMay Jr., P. Woodward, T. E. Brown, T. L. Brown Chemistry The Central Science 6 Počátky chemie První písemná zmínka o chemii - popis destilace Mezopotámie 1200 př. n. 1. Tapputi-Belatekallim a (—)ninu - výrobkyně parfémů Věda - výzkum - aplikace - technologie Technologie - aplikace znalostí k přeměně okolí, výrobky k prodeji a použití Aplikovaný výzkum - krátkodobý, používá poznatky základního výzkumu, praktické aplikace 7, — 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 • 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 - Sir Francis Bacon The Proficiency and Advancement of Learning Formulace vědecké metody 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 vrátit pozorováním nebo experimenty Sir Francis Bacon (1561 - 1626) Zakladatel empirismu Vědecká metoda Pozorování (kvalitativní) Měření (kvantitativní) « Přírodní zákon (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: I 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. (nebližší zatmění v Česku - 25. 10. 2022) Počátek vědeckého myšlení, racionální přístup bez mystiky a náboženských představ Chemie - Základní prvek je voda 12 Klí j| Pozorování a vysvětlení ;,1 Johann Joachim Becher ®m$i (1635 - 1682) První konzistentní vysvětlení několika souvisejících 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 vyvrácena na základě experimentů, které odpovídají nové teorii ^HP^H Hoření = slučování s 02 I KSfl i Vyšší hmotnost produktů - vážení t ftJBl Zákon zachování hmoty Antoine Laurent Lavoisier (1743- 1794) Flogiston = -O 2 Banícka akadémia 1763 Zahřívání 2 HgO 2 Hg + 02 Banská Štiavnica (redukce na kov bez flogistonu z uhlíku) Mikuláš Jozef von Jacquin Který další oxid lze použít? 15 Tři objevitelé kyslíku vzduch Zdroj kyslíku - zahřívání HgO, Ag2C03, Mg(N03)2, NaN03 16 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 j evů Periodický zákon IUPAC Periodic Table of the Elements 1 H 11 li^ ■ .^i. 2 13 14 15 1e 17 2 He l-i -- =:.■■■ 3 Li Inhum -1-1 4 Be twnrlpum atomic lumber Symbol umbil rt. w. mz\T s B barer* IUI [lOSM "(.Si- C carbon IľMl ľ2 m 1ů Ne nscfi 20- 11 Na sodium 22.390 12 Mq rräf/iÉiluifl I24 3M. 34.3371 3 4 5 6 7 a a fO 11 12 13 Al akuninlurn 2G.£K 14 Si SUICŮll nm I2H;: :■:.i 15 p 3337"+ 16 S sulfur ŕZÍ* |J2 rm 32.0-7QI 17 Cl chlorine pul I3B.4+Ů JS4G7I 18 Ar ar^rxi 39.9+fl 19 K ]fl.33S J. '• Ca 4flii7a^ i 21 Sc 22 Ti LI.T-jm 47.B&7 V ■/m adiuT 5D.LU2 24 Cr chrcrriim 51JKK Mn rang anc r-r.-£4 233 li, Fe H.B4M| 27 Co cobalt =ß :i-ř:- 2b Ni 2s Cu cep per E3.^b|ď| 30 Zn 31 Ga SS1.72J 32 Ge 33 As 7 A au 34 Se 35 Br 1 ir -'!"■ 'i ■ ľ?S.W1.79!M7| 36 Kr 37 Rb rut:iduin Sr t1 ■jn:iu i ET.tľ as Y ■.[ ■ u-BE OK 40 Zr zirconium ľi 41 Nb niobium K MM 42 Mo i- ■ ir ii:ii 21Z 43 Tc [Bdi neum 14 Ru UiTieriuT r. .or-r; Rh íl. h: mi 45 Pd fUcLüluni IDC.42 47 Ag silver ■o? rrj 4b Cd drn Lüh "ľJ I IS In l-J Uli m.Bi 50 Sn -.n 11 51 Sb anUrYurr^ 121 55 Te laHurlum J.2T.fiDi3i 53 1 Ij-ij M 54 Xe xčnon i ?\j 55 Cs cůůaiuím iz.b- 56 Ba _p:s i i.ii-i 13T.33 57-71 lan^HunflQE 72 Hf *TB4í|ľŕ Ta Itdiilůhjfii lj3 w tungsten ■i: j.i 7s Re rhenium lBTU-t 76 Os oamlum Ir Iridium 1EE7Í ?s Pt pltrlüijui 153JW 7Í1 Au goki fin Hg i-i. i í. v 3341.EB 81 Tl nulluni CľMJfl. ZIM.3B1 81? Pb iiiM.j ?TJ7 J b3 Bi bitiľuih 3MBB 64 Po pdúniun as At Rn r&dtti 87 Fr franc jjm es Ra red um 89-1D3 hl.: »!'. 104 Rf 106 Db 114 Fl brnvturj] 115 Mc tie Lv lw Sitne n u m 117 Ts [■»IMI^M 118 Og ofjenewon INTERNATIONAL UNION OF PURE AND APPLIED CHEMISTRY 57 La 5B Ce CBTOrn- 59 Pr prasflorlvniium Kl Nd rfluflyTnlu-m Pm prornctniLTn 52 Sni šamanům Ě3 Eu "I1-- l-i: I". 04 Gd aantliriirr 65 Tb iTjrtiíurn BÉ - Dy Ö^PTKUirr 0' Ho rtömim 58 Ef Brmjm Tm IhUlurr 70 Yb yttflftrium 71 Lu luteum i«i.iř -|Sľ.2E©© ^^^^^^r ^^^^ ^^^^ ^^^^ ^^^^^ (SR APE 30 Fyzikální vlastnosti Aditivní - závisí na počtu a druhu atomů v molekule molekulová hmotnost, .... Konstitutivní - závisí na uspořádání atomů v molekule optická rotace, dipólový moment,..... Koligativní - závisí jen na počtu atomů nebo molekul v soustavě tlak plynu, osmotický tlak,..... 31 Veličiny, Rozměry, Jednotky Příklad: Veličina: E, energie http://www.labo.cz/mftabulky.htm 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 Bezrozměrové veličiny: Poměry dvou stejných veličin (např. molární a hmotnostní zlomek) Argumenty log (např. pH), ln, exp, sin, cos, tan Rozměrová kontrola výpočtu: např. molární koncentrace c = n / V [mol / 1] Základní jednotky SI Výsledek výpočtu = číselná hodnota + jednotka Základní jednotky SI Mezinárodní výbor pro míry a váhy Nové definice (2019) - konstanty: v(133Cs), c, /f, kB, e, 7VA, K{ Sekunda [s] = doba rovnající se 9 192 631 770 periodám záření, které odpovídá přechodu mezi dvěma hladinami velmi jemné struktury základního stavu atomu 133Cs Metr [m] = rychlost světla ve vakuu, c 299 792 458 m s1 (c = ^xv) Kilogram [kg] = Planckova konstanta, h 6,626 070 15 x 10 34 kg m2 s1 měření pomocí tzv. wattové váhy, které porovnávají tíži tělesa s magnetickou silou 3A Základní jednotky SI Ampér [A] = elementárni elektrický náboj, e, 1,602 176 634 x 10 19 C (= A x s), náboj = proud x čas Kelvin [K] = Boltzmannova konstanta, kB 1,380 649 x 10"23 J K1 (= kg m2 s"2 K1) kinetická energie plynu = 3/2 kB x teplota Kandela [cd] = světelná účinnost monochromatického záření o frekvenci 540 x 1012 Hz, Kcú 683 Im W 1 (= cd sr kg1 m 2 s3) 35 Základní jednotky SI Látkové množství [1 mol] = soustava, která obsahuje právě tolik částic (atomů, molekul, elektronů, nebo jiných entit), NOVÁ DEFINICE: - jako Avogadrova konstanta, NA = 6,022 140 76 x 1023 mol-1 STARÁ DEFINICE: - kolik je atomů v 12 g (přesně) nu klidu 12C Počítání atomů vážením Kolik atomů je v 1 kg Si? 36 Základní konstanty a základní jednotky SI Násobky - předpony Bezrozměrové jednotky Procento % = 0,01 = 1 atom v 102 atomech Promile %o = 0,001 = 1 atom v 103 atomech ppm = 1 g v 11 nebo 1 atom v 106 atomech (part per million) Obsah Li v rudách na Cínovci ppb = 1 mg vit nebo 1 atom v 109 atomech Obsah Au v mořské vodě ppt = 1 |4,g v 11 nebo 1 atom v 1012 atomech 39 Hmotnost m I kg 1 kg - jediná jednotka, která byla do roku 2018 definovaná fyzickým obj ektem „ ^ Nová definice (2019): P^*J^U Planckova konstanta je přesně ■ Z ■ 6.626 070 15 x 10 34 kg m2 s"1 Wattový váhy - hmotnost ^^^^fci^^^M 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 Af) Chemická definice 1 kg ? Koule z velmi čistého 28Si Objem koule změřen laserovou interferometru Objem na jeden atom Si z rtg. difrakce Počet atomů v kouli Avogadrova konstanta Kolik atomů je v 1 kg Si? Látkové množství n I mol Počet častíc (atomů, molekul, elektronů, nebo jiných entit) Avogadrova konstanta NA = 6,022 140 76 x 1023 moľ1 Počet atomů uhlíku v 0,012 kg (12 g) nuklidu 12C Látkové množství n, jednotka mol n = podíl počtu částic N (atomů, molekul, elektronů,....) a 7VA Látkové množství n I mol Počítání atomů vážením A) Jaké látkové množství vlašských ořechů je v 10 kg pytli, když 1 ořech váží 10 g? B) Jaké látkové množství máku je v 10 kg pytli, když 1 zrnko váží 1 mg? C) Jaké látkové množství Si je v 10 kg Si? 44 Atomová a molární hmotnost Atomová Am a molární hmotnost Mm Hmotnost 1 molu látky, kg mol-1 Am(12C) = 12 xuxNA = = 12 x 1,6606 10"27 kg x 6,022 lO^mol^ = 0,01200 kg mol1 = 12,00 g mol1 45 Délka lim 1 Angström = 10~10 m (není SI jednotka) 1 Á = 100 pm = 0,1 nm Bohrův poloměr atomu H a0 = 5,3 1011 m = 0,53 Á Délky vazeb v molekulách 1 až 4 Á Průměr atomu Cu je 2,55 Á Anders Jonas Angström (1814 - 1874) Průměr vesmíru: 17 miliard světelných let = 1,6 1026 m Průměr atomového jádra = 10-15 m 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 Rentgenová strukturní analýza 47 1 Á = 100 pm = 0,1 nm TEM = transmisní elektronová mikroskopie : í25i»j |||flr4fi||4fi|Mff»fl f + * ■ 1 Atomové poloměry (pm) • • 9 li/ 113 1; h* í.' 77 n O 70 « ■ 117 110 104 /."■■ľ 197 -p: * , 121 117 247 215 t: Sn 10 Sb T. 141 143 9* Pl) Br Kŕ 114 110 Objem V 1 pm3 = 10 6 Á3 m 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) VM = 22,7111 mol"1 49 g cm ó Hustota závisí na teplotě a tlaku Hustota p 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 (1,00 pro lab. výpočty) Hliník 2,70 s Železo 7,87 s Olovo 11,34 s Rtuť 13,6 1 Zlato 19,32 s Irídium 22,65 gem Merení hustoty 4- 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 spektroskopie 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 v Rychlost světla ve vakuu c = 2,99 792 458 108 m s 1 (přesně) 3 x 108 m s _1 300 000 km s -1 Albert Abraham Michelson (1852 - 1931) E = mC2 V xA = C NP za fyziku 1907 53 Frekvence, vlnová délka, vlnočet Počet periodických dějů za časový interval Frekvence v = 1 / /, Hz = s_1 Kmity Vibrace Rotace Srážky molekul Vzdálenost mezi dvěma maximy Vlnová délka Á, m i Počet vln na jednotku délky Vlnočet v = 1 / A, cm-1 Frekvence, vlnová délka, vlnočet Síla F 1 Newton = gravitační síla působící na jablko F = m g g = 9,80665 m s .f Isaac Newton (1642- 1727) Čtyři základní síly - interakce Gravitační Elektromagnetická - CHEMIE (e-e repulze, p-e přitažlivost) Silné interakce (jaderné, drží pohromadě protony a neutrony v jádře) Slabé interakce (drží pohromadě proton a elektron v neutronu) LIGO - Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory 2015 Elektrický náboj q Elementárni náboj, e ^ = 1,602 176 634 x IO-19 C (1C=1As) Všechny náboje jsou celistvým násobkem e q—Z e Coulombův zákon Přitažlivá síla F mezi dvěma náboji opačného znaménka je nepřímo úměrná druhé mocnině vzdálenosti r mezi nimi a přímo úměrná velikosti nábojů q mg Charles A. Coulomb (1736- 1806) M Tlak/? 1 Pa = 1 N m-2 1 Pascal = tlak kterým působí jablko na 1 m2 Teplota T Kelvin, K F Boltzmannova konstanta, kB 1,380 649 x 10"23 J K1 (= kg m2 s"2 K1) Kinetická energie plynu Ekin = 3/2 kB x T Absolutní nula (0 K, - 273,15 °C) • Nedosažitelná • Entropie dosahuje minima Současný rekord: ~100 pK Celsius, °C 0°C = 273.15 K Lord Kelvin (William Thomson) (1824- 1907) T[°C] = T[K]-273,15 Standardní teplota (termodynamika) = 25 °C = 298 K Teploměr 1592 Galileo r 1629 teploměr plněný brandy Joseph Solomon Delmedigo, lékař a rabín 1724 Daniel Fahrenheit (1686 - 1736) Hg Íl Změna fyzikální vlastnosti závislé na teplotě: • Objemová roztažnost rtuti • Délková roztažnost kovů . * , i ! o Definice Celsiovy stupnice • Elektricky odpor kovu ^ Teplota tání ledu při latm = 0 • Stav kapalných krystalů Teplota varu vody při 1 atm = • Radiace IČ záření Rozděl na 100 dílků °c 100 °c 61 ITS-90 ITS-90 Mezinárodní teplotní stupnice • Body tání čistých látek • T = Trojný bod Interpolace Kalibrace Trojný bod vody = 0,01 °C = 273,16 K T, K e-Hydrogen (T) 133033 Nean(T) 24,5561 Oxygen (T) 54,3584 Aigon (T) 83,8058 | Water (T) 273,16 | Indium 429,7485 Tin 505,078 Zinc 692,677 Aluminium 933,473 Silver 1234,93 Gold 3337,33 Copper 1357,77 Energie E 1 Joule = energie úderu lidského srdce Zákon ekvivalence mechanické práce a tepla 1 cal = 4,184 J ■I ■ •* 1 eV = kinetická energie elektronu, který je urychlen potenciálem 1 V E = eU= 1,602 176 634 x 10 19 C xl V = 1 eV= 1,602 10-19 J James Prescott Joule (1818 - 1889) žák J. Daltona 1 eV (molekula)"1 = 1 eV x NA = 96 485 J mol"1 64 Energie E E = m c2 = 1,66 10-27 kg x (3,00 108 m s ~lf = 1,49 10-10 J 1 amu = 931,4 MeV Rychlost světla ve vakuu, c ^kin = 1/2*nv2 ^kin 3/2 kB T k = 1,380662 10~23 J K1 Boltzmannova konstanta, kB kT = 1 zJ pro laboratorní teplotu E = h v h = 6,626 10-34Js v = frekvence záření Planckova konstanta, h 65 Energie E Ecdk = ^(elektronová) + ^(vibrační) + ^(rotační) + E{ ^(elektronová) 100 kJ mol-1 lľ( vibrační) 1,5 - 50 k J mol-1 ^(rotační) 0,1 - 1,5 kJ mol-1 66 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 -í—1-r 74 100 200 F* tone/ tertflíft; ,nternuc,ear dis,anw (pní O 0> U Q) C Q) Vazebná vzdálenost v molekule H 68 Vazebná energie N2 Použití jvjj 80% hnojiva 3 10% plasty 5% výbušniny 1909 Fritz Haber N2(g) + H2(g) exo 500 °C, 250 atm, Fe katalyzátor výtěžek 20%