C1400 Obecná chemie

Přírodovědecká fakulta
podzim 2000
Rozsah
4/0/0. 7 kr. Ukončení: zk.
Vyučující
prof. RNDr. Jiří Hála, CSc. (přednášející)
Garance
prof. RNDr. Jiří Hála, CSc.
Chemická sekce – Přírodovědecká fakulta
Předpoklady
Z
Omezení zápisu do předmětu
Předmět je nabízen i studentům mimo mateřské obory.
Mateřské obory/plány
Cíle předmětu
Přednáška zahrnuje základní principy a koncepce chemie. Je zaměřena na studenty učitelské chemie a pokrývá následující témata: subatomární částice a atomové jádro; elektrony v atomu; elektronové konfigurace atomů a periodicita v chemii; energie v chemii; kovalentní vazba a molekuly; kovy a kovová vazba; ionty a iontová vazba; slabé vazebné interakce; chemické reakce a rovnováhy; roztoky a rozpustnost; acidobazické reakce; oxido-redikční reakce; donor-akceptorová vazba a komplexní sloučeniny; plyny a kapaliny; pevné skupenství; heterogenní rovnováhy.
Osnova
  • Základní konstanty. Veličiny a jednotky: hmotnost, hustota, síla, elektrický náboj, energie, ekvivalence hmota a energie, elektrický potenciál, elektrický moment dipólu, vlnová délka, vlnočet, frekvence, látkové množství, koncentrace. Základní plynové zákony. Základní chemické slučovací zákony. 1. Atomové jádro Fundamentální částice: leptony, kvarky, jejich vlastnosti. Hadrony, mezony, baryony. Zákony zachování baryonového a leptonového čísla. Atomové jádro: protonové, neutronové a nukleonové číslo; hmotnost, hmotnostní úbytek, vazebná energie jádra. Základní pojmy vazby: izolované částice, vázaný stav, potenciálová křivka, energie vazby. Radioaktivita: základní podmínka, typy radioaktivních přeměn, posunové zákony. Atom: nuklid, prvek, izotop; relativní nuklidová a atomová hmotnost. Radioaktivní nuklidy a prvky. Izotopové složení prvků: hmotový spektrometr, hmotnostní spektrum, stanovení relativních atomových hmotností a izotopového složení prvků. 2. Elektronový obal atomu Vlnově-částicový charakter elektronu, kvantování energie elektronů v atomu. Vlnová funkce, její radiální a azimutální část, atomový orbital, kvantová čísla, typy atomových orbitalů, jejich tvar, hraniční plocha. Znázornění výskytu elektronu v atomovém orbitalu: elektronová hustota a distribuční funkce, maxima a uzlové roviny. Energie atomových orbitalů ve vodíkovém atomu. Efektivní atomové číslo, stínění vnějších elektronů, odstranění degenerace energetických stavů, energie atomových orbitalů v atomech s dvěma a více elektrony. Základní a excitované stavy atomu, deexcitace, atomová spektra, výběrové pravidlo, spektrum vodíkového atomu. Závislost energie atomových orbitalů na atomovém čísle: Rentgenovo záření, Moseleyho zákon. Spin elektronu, spinové a magnetické kvantové číslo. Magnetické vlastnosti látek. 3. Elektronové konfigurace atomů a periodicita v chemii 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. Valenční sféra. Periodicita elektronových konfigurací, periodická tabulka, periody a skupiny. Typy elektronových konfigurací. Některé vlastnosti atomů a jejich periodicita: atomové poloměry, ionizační energie, elektronová afinita, elektronegativita, polarizovatelnost. 4. 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. Exo- a endotermické děje. Enthalpie prvků, slučovací a reakční enthalpie. Hessův zákon. Entropie, uspořádanost soustavy. Gibbsova volná energie. Samovolný průběh reakce. 5. Kovalentní vazba. Molekuly. Základní pojmy. Překryv atomových orbitalů, typy překryvu, molekulové orbitaly, interakční diagram.. Srovnání výkladu kovalentní vazby pomocí molekulových orbitalů se starší představou. Typy a tvary molekulových orbitalů, typy kovalentních vazeb (s, p, d, pp-dp). Interakční diagramy homonukleárních dvojatomových molekul a jejich elektronové konfigurace. Řád vazby, jeho souvislost s délkou a energií vazby. Určování energie vazby pomocí Hessova zákona. p-vazba a periodický systém. Interakční diagramy heteronukleárních dvojatomových molekul. Víceatomové molekuly: určování tvaru molekul metodou VSEPR, molekulové orbitaly v molekulách s násobnými vazbami. Polární kovalentní vazba, iontovost kovalentní vazby, indukční a mezomerní efekt, dipólmoment. Delokalizované molekulové orbitaly, vazebné poměry v uhličitanovém iontu a v benzenu, aromatické sloučeniny. Ionizace molekul, molekulové ionty, karboniové ionty, oxoniové a amoniové ionty. Radikály. Excitace molekul: elektronová, rotační a vibračně-rotační. Molekulová spektra. Deexcitace molekul: fluorescence, fosforescence. 6. Kovová vazba a kovové látky Delokalizované orbitaly v krystalu kovu, kovová vazba, síla vazby. Vlastnosti molekulových orbitalů v krystalu kovu, pásová teorie pevných látek. 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. 7. Ionty a iontová vazba Ionty jednoatomové a víceatomové. Vznik, tvary a vazebné poměry ve víceatomových iontech.. Vlastnosti iontů: iontové poloměry, povrchová hustota náboje iontu, polarizační schopnost a polarizovatelnost iontů, tvrdé a měkké ionty, ionizační energie a její vztah k elektronovým konfiguracím jednoatomových iontů. Iontová vazba: elektrostatický popis, mřížková energie, Born-Haberův cyklus iontové sloučeniny, kovalentnost iontové vazby. Význam ionizační energie a mřížkové energie pro chemické vlastnosti. 8. Slabé vazebné interakce Potenciálová křivka slabých interakcí. Interakce van der Waalsovy: disperzní síly, interakce molekul s permanentním dipólem, interakce dipól - indukovaný dipól. Vodíková vazba. Slabé vazebné interakce a skupenské přeměny. Interakce ion - dipól: hydratace iontů. 9. Chemické reakce Klasifikace reakcí. Proč probíhají chemické reakce: DG jako kritérium průběhu reakce, Ellinghamovy diagramy. Chemická rovnováha, rovnovážná konstanta, LeChatelier - Braunův princip. Průběh chemických reakcí: srážky a energie molekul, reakční koordináta, aktivovaný komplex, aktivační energie. Molekularita reakce. Účinné srážky. Fotochemické reakce. Rychlost chemické reakce: okamžitá koncentrace, definice reakční rychlosti, rychlostní zákon, řád reakce. Rychlost heterogenních reakcí. Vliv teploty na reakční rychlost. Mechanizmus reakce. Katalýza: katalyzátory, reakční koordináta katalyzované reakce, homogenní katalýza (reakce v plynech, acidobázická a oxidoredukční katalýza). Adsorpce a chemisorpce, heterogenní katalýza. Klasifikace chemických reakcí. Fotochemické reakce. Radikálové reakce. 10. Roztoky a rozpustnost Typy roztoků a rozpouštědel. Proces rozpouštění: změna volné energie, mezimolekulární a meziiontové interakce. Rozpustnost plynů v kapalinách. Rozpustnost kovalentních látek. Rozpustnost iontových látek, hydratační a rozpouštěcí enthalpie, vliv teploty na rozpustnost solí. Mísitelnost kapalin, parametr rozpustnosti. Vypařování roztoků netěkavých látek, tenze páry rozpouštědla nad roztokem. Osmotický tlak zředěného roztoku. 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. 11. Acidobázické reakce Brönstedova teorie kyselin a zásad, síla kyselin a zásad, disociační konstanta, vícesytné kyseliny, vytěsňování slabých kyselin a zásad. Autoionizace vody, stupnice pH, pH roztoků silných a slabých kyselin. Neutralizace. Amfiprotní látky. Acidobázické indikátory. Tlumivé roztoky. Hydrolytické rovnováhy. Acidobázické reakce v nevodných protických rozpouštědlech. Acidobázické reakce v aprotických rozpouštědlech: solvoteorie kyselin a zásad. 12. Oxidoredukční reakce a základy elektrochemie Oxidace a redukce. Elektroda prvního druhu, Nernstova rovnice, vodíková elektroda, galvanický článek, standardní potenciál. Oxidoredukční elektroda, Petersova rovnice. Změna Gibbsovy volné energie a rovnovážná konstanta elektrochemických reakcí. Disproporcionační reakce. Elektrolýza roztavených solí a vodných roztoků, anodické a katodické reakce, Faradayův zákon. 13. Koordinačně-kovalentní vazba a komplexní sloučeniny Koordinačně-kovalentní vazba. Komplexní sloučeniny kovů" základní pojmy, vazebné poměry a geometrie komplexů kationtů d0 a d10. Komplexy kationtů d1 - d9: elektronové konfigurace d-elektronů, teorie ligandového pole pro koordinační čísla 6 a 4, vysoko- a nízkospinové komplexy. Komplexy s ligandy s p-elektronovým systémem: p-donorové a p-akceptorové komplexy. Polymerní koordinační sloučeniny. Nestechiometrické sloučeniny. Komplexy kovů ve vodných roztocích: konstanta stability, chelátový efekt. Barevnost koordinačních sloučenin. Lewisova a Pearsonova teorie kyselin a zásad. 14. Pevné skupenství a některé vlastnosti pevných látek Krystalová mřížka, elementární buňka. Krystalové mřížky kovů. 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. Amorfní látky, kapalné krystaly. 15. Plynné a kapalné skupenství PLYNY: Kinetická teorie plynů, Maxwell-Boltzmannova funkce rozdělení rychlostí, střední kinetická energie a rychlost molekul plynu, počet srážek molekul plynu. Ideální plyn, stavová rovnice ideálního plynu. Daltonův zákon parciálních tlaků. Chování neideálního plynu, van der Waalsova stavová rovnice neideálního plynu. Zkapalňování plynů. KAPALINY: Struktura kapalin, Eyringova děrová teorie kapalin. Vypařování v otevřeném a uzavřeném prostoru, tenze par kapaliny. Ideální kapaliny. 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. 16. Heterogenní rovnováhy Základní pojmy fázových rovnováh, Gibbsův zákon rovnováhy fází. Fázový diagram jednosložkové soustavy, sublimace, fázový digram síry a helia, metastabilní stavy. Fázové diagramy dvousložkových soustav: dvě neomezeně mísitelné kapaliny s malými odchylkami od Raoultova zákona, frakční destilace, azeotropické směsi; fázový diagram soustavy voda rozpustná látka, chladicí směsi, tvorba hydrátů; fázový diagram směsi dvou roztavených látek.
Literatura
  • Hála, Jíří. Pomůcka ke studiu obecné chemie: MU Brno, 1999.
  • KLIKORKA, Jiří, Bohumil HÁJEK a Jiří VOTINSKÝ. Obecná a anorganická chemie [Klikorka, 1989] a. 2. nezměn. vyd. Praha: SNTL - Nakladatelství technické literatury, 1989, 592 s. info
Další komentáře
Předmět je dovoleno ukončit i mimo zkouškové období.
Předmět je vyučován každoročně.
Výuka probíhá každý týden.
Předmět je zařazen také v obdobích podzim 1999, podzim 2001.