Chemie Přednášející: Doc. Ing. Petr Exnar, CSc. katedra chemie, Fakulta přírodovědně humanitní a pedagogická, Technická univerzita v Liberci Spojení: telefon 485 353 581 mobil 604 417 943 E-mail petr.exnar@tul.cz Informace a texty: http://www.kch.tul.cz/ Adresář Studijní materiály

Podstata zdrojů energie Proč potřebují strojaři porozumět chemii: Znalost přírodovědného základu vlastností konstrukčních materiálů, ať již kovových či nekovových Poškozování konstrukcí vlivem vnějšího prostředí, způsoby ochrany proti korozi Podstata zdrojů energie Domluva s chemiky, laboratořemi a dodavateli materiálů Jednoduché základní výpočty pro přípravu např. roztoků na povrchové úpravy a látkové bilance probíhajících dějů Moderní trendy v materiálovém inženýrství (kompozitní materiály, nanotechnologie, nanomateriály)

Základní literatura Schejbalová H., Grégr J.: Příklady a úlohy z chemie (skripta). TU Liberec 2000. Exnar P.: Chemie (prozatímní texty) www.fp.vslib.cz/kch/exnar/fs Grégr J., Meduna F.: (prozatímní texty) www.fp.vslib.cz/kch/texty/Fakulta_strojni/

Pomocná literatura Schejbalová H., Exnar P.: Obecná chemie. www.fp.vslib.cz/kch/exnar/ft Vacík J.: Obecná chemie. Praha, SPN 1986. Neiser J.: Obecná chemická technologie. SPN, Praha 1981. Klikorka J., Hájek B., Votinský J.: Obecná a anorganická chemie. SNTL, Praha 1989. Kotlík B., Růžičková K.: Cvičení k Chemii v kostce pro střední školy. Fragment, Havlíčkův Brod 2000. Šrámek V.: Obecná a anorganická chemie. Nakladatelství Olomouc, Olomouc 2000. Kol. autorů: Chemie pro střední školy 1a, 1b, 2a, 2b, Scientia, Praha 1998. Greenwood N.N., Earnshaw A.: Chemie prvků I a II. Informatorium, Praha 1993. Remy H.: Anorganická chemie (2 díly). SNTL, Praha 1971.

Formy hmoty korpuskulární (diskrétní) struktura - částice typická nenulová klidová hmotnost částice nemohou nabýt rychlosti světla

nepřetržitá struktura - pole elektromagnetické, gravitační, jaderné typická nulová klidová hmotnost pole se šíří rychlostí světla

Dualistický charakter hmoty Korpuskulární částice Difrakce elektronů na krystalové mřížce h 1  =  E =  . m . v2 m . v 2 h ... Planckova konstanta

Pole Elektromagnetické záření kvantová teorie záření - fotony h E = h .  m =  c .  korpuskulární charakter při interakcích s mikročásticemi (atomy, elektrony) vlnový charakter při interakcích s makrosoustavami (odraz a lom světla)

Atomy a molekuly Velikost jádra přibližně 0,01 . 10-12 m Velikost atomu 100 až 600 . 10-12 m 0,1 až 0,6 nm Velikost molekul 10-10 až 10-8 m desetiny až desítky nm

Studium hmoty elementární částice, pole - jaderná fyzika atomy, molekuly - chemie makroskopická tělesa v různém skupenství - klasická fyzika živé i neživé přírodní organismy a materiály - biologie

Chemie se zabývá vzájemnými vztahy mezi atomy, ionty a molekulami a zákonitostmi jejich interakcí a přeměn

Základní stavební částice hmoty atom - nejmenší elektroneutrální částice, která se účastní chemických reakcí (prvky) molekula - nejmenší elektroneutrální částice, složená ze dvou či více atomů, která má složení a chemické vlastnosti dané látky (prvky, sloučeniny) iont - stavební částice nesoucí elektrický náboj (kationty, anionty)

Sloučenina a směs Sloučenina – složena z molekul nebo iontů v konstantním poměru a s definovanou strukturou, vyznačuje se konkrétními fyzikálními vlastnostmi nestechiometrické sloučeniny (nedaltonické) – nekonstantní poměr prvků (defektní struktury v krystalové mřížce), typické pro intermetalické sloučeniny

Sloučenina a směs Směs – soustava tvořená alespoň dvěma složkami, složena z různých molekul nebo krystalických fází v proměnném poměru homogenní směs – roztoky, plynné směsi (není přítomno fázové rozhraní) heterogenní směs – slitiny, koloidní soustavy, suspenze (definované fázové rozhraní)

Základní chemické zákony Zákon zachování hmotnosti Zákon zachování energie Zákon stálých poměrů slučovacích Zákon násobných poměrů slučovacích Zákon stálých poměrů objemových Avogadrův zákon

Zákon zachování hmotnosti Hmotnost všech látek do reakce vstupujících je rovna hmotnosti všech reakčních produktů, tj. hmotnost izolované soustavy je stálá a nezávisí na změnách, které v ní probíhají.

Zákon zachování energie Celková energie soustavy je stálá a nezávisí na změnách, které v ní probíhají, tj. energii nelze vytvořit, ani ji nelze zničit.

Zákon zachování hmotnosti a energie Příklad: Při vzniku 9 g vody z vodíku a kyslíku se uvolní 1,4 . 105 J a hmotnost soustavy klesne o 1,6 . 10-9 g

Avogadrův zákon Ve stejných objemech různých plynů a par je za stejného tlaku a teploty stejný počet molekul. VM (0 °C, 101 325 Pa) = 22,41 dm3 .mol-1

Hmotnost, látkové množství hmotnost 1 atomu 12C = 19,93 . 10-27 kg Relativní vyjadřování hmotnosti 1 u = 1,66 .10-27 kg = 1/12 hmotnosti atomu nuklidu 12C

Definice molu jako jednotky látkového množství Vzorek stejnorodé látky má látkové množství jeden mol, obsahuje-li právě tolik částic, kolik je atomů ve vzorku nuklidu uhlíku 12C o hmotnosti 12 g.

Avogadrova konstanta Avogadrova konstanta NA udává počet částic (atomů, molekul nebo iontů) v jednom molu látky: NA = 6,022 . 1023 mol-1 Objem 1 molu plynu za normálních podmínek (p = 101,325 kPa, T = 273,15 K) Vm = 22,41 dm3.mol-1

Relativní molekulová (resp. atomová) hmotnost MR(A) Relativní molekulová hmotnost udává, kolikrát je hmotnost dané částice látky m(A) větší než 1/12 hmotnosti atomu nuklidu 12C (mu). m(A) MR(A) =  (g.mol-1) mu

Vícesložkové soustavy V praxi se nejčastěji uplatňují přepočty látkové množství  hmotnost látky hmotnost látky  objem látky látkové množství  objem látky

Molární zlomek n(A) X(A) =  1, % n poměr přítomných částic

Hmotnostní zlomek m(A) w(A) =  1, % mc poměr hmotností přítomných složek

Objemový zlomek V(A) (A) =  1, % V poměr objemů, hlavně plyny

Molární koncentrace n(A) cM(A) =  mol.dm-3 V běžné vyjádření roztoků Relativní molární koncentrace - bezrozměrná

Hmotnostní koncentrace m(A) cH(A) =  g.dm-3 V běžné vyjádření roztoků

Další vyjádření koncentrací Molalita n(A) cm(A) =  mol.kg-1 mL molalita nezávisí na teplotě ppm 0,0001 % (10-6) ppb 0,0000001 % (10-9)

Chemické vzorce stechiometrické (empirické) – vyjadřují, které atomy a v jakém poměru jsou ve sloučenině obsaženy, např. NO2, HgCl souhrnné (molekulové) – vyjadřují i relativní molekulovou hmotnost dané látky, např. N2O4, Hg2Cl2 racionální (konstituční, funkční) – vyjadřují základní strukturu molekuly, např. Ca(OH)2, CuSO4.5 H2O, K4[Fe(CN)6]

Chemické vzorce strukturní – vyjadřují pořadí navzájem sloučených atomů a vazby mezi nimi

Oxidační číslo Volné atomy a atomy v molekulách prvků mají oxidační číslo 0 Oxidační číslo vodíku je ve většině sloučenin rovno +I. Výjimkou jsou sloučeniny vodíku s kovy (hydridy), kde má vodík oxidační číslo –I. Oxidační číslo kyslíku je ve většině sloučenin rovno –II. Výjimkou jsou z běžnějších sloučenin peroxidy, kde má kyslík oxidační číslo –I.

Oxidační číslo Součet oxidačních čísel všech atomů Fluor má oxidační číslo -I , hliník +III Alkalické kovy (IA. skupina, Li, Na, K) mají oxidační číslo +I Kovy alkalických zemin (IIA. skupina, Be, Mg, Ca, Sr, Ba) mají oxidační číslo +II Kovy mají ve sloučeninách jen kladná oxidační čísla (s výjimkou některých komplexních sloučenin) Součet oxidačních čísel všech atomů v molekule je roven 0, v iontu náboji iontu

Číslovkové předpony 1 mono 2 di 3 tri 4 tetra 5 penta 6 hexa 7 hepta 8 okta 9 nona 10 deka Násobné číslovkové předpony dvakrát bis třikrát tris čtyřikrát tetrakis pětkrát pentakis

Binární sloučeniny Záporná oxidační čísla nekovových prvků se pohybují v rozmezí –I až –IV. Podstatné jméno je potom odvozeno od základu mezinárodního názvu prvku zakončením –id, např. halogenid (fluorid, chlorid atd.) F–I, Cl–I oxid, sulfid, selenid O–II, S–II, Se–II borid, nitrid, fosfid, arsenid B–III, N–III, P–III, As–III karbid, silicid C–IV, Si–IV

Karbidy U karbidů není názvosloví zcela jednoznačné. U mnoha technických karbidů nelze oxidační číslo kovu určit a používá se obecný název karbid kovu, karbid železa Fe3C (cementit) Poznámka CaC2 karbid vápenatý triviální název, ve skutečnosti acetylid (ethynid) vápenatý (vápenatá sůl odvozená od acetylénu)

Oxidační číslo zakončení názvu Binární sloučeniny, Kationy Kyseliny Soli Aniony I – ný – ná – nan – nanový II – natý – natá – natan – natanový III – itý – itá – itan – itanový IV – ičitý – ičitá – ičitan – ičitanový V – ičný, – ečný – ičná, – ečná – ičnan, – ečnan – ičnanový, – ečnanový VI – ový – ová – an – anový VII – istý – istá – istan – istanový VIII – ičelý – ičelá – ičelan – ičelanový

Názvosloví Názvosloví hydroxidů a oxokyselin hydroxid vápenatý CaII(OH)2–I kyselina sírová H2SO4 Názvosloví iontů kationt sodný Na+ kationt amonný NH4+ kation oxoniový H3O+

Názvosloví Názvosloví solí chlorid hlinitý AlCl3 kyanid draselný KCN uhličitan vápenatý CaCO3 hydrogenuhličitan vápenatý Ca(HCO3)2 Soli polykyselin tetraboritan disodný Na2B4O7

Názvosloví Hydráty solí heptahydrát síranu zinečnatého ZnSO4.7 H2O hemihydrát uhličitanu vápenatého CaCO3.1/2 H2O dihydrát hydrogenfosforečnanu vápenatého CaHPO4.2 H2O Komplexní sloučeniny ne

Molekulové hmotnosti součet atomových hmotností přítomných atomů Získání z Mendělejevovy tabulky (rozšířené o atomové hmotnosti) z chemických tabulek udávány jako bezrozměrné, přiřadit rozměr g.mol-1

Stechiometrie H2SO4 + 2 NaOH  Na2SO4 + 2 H2O 1 x 98 + 2 x 40 142 + 2 x 18 98 g + 80 g 142 g + 36 g

Výpočty složení roztoků Pět základních vztahů definice hmotnostního zlomku definice molární koncentrace definice hmotnostní koncentrace definice hustoty definice počtu molů

Hmotnostní zlomek m(A) w(A) =  1, % mc m(A) .. hmotnost složky A mc .. hmotnost celková

Molární koncentrace n(A) cM(A) =  mol.dm-3 V n(A) .. počet molů složky A V .. objem roztoku

Hmotnostní koncentrace m(A) cH(A) =  g.dm-3 V m(A) .. hmotnost složky A V .. objem roztoku

Hustota mc  =  g.cm-3 V mc .. hmotnost roztoku celková V .. objem roztoku (pozor, v cm-3)

Počet molů m(A) n =  mol M(A) m(A) .. hmotnost složky A M(A) .. molekulová hmotnost složky A (přiřadit rozměr g.mol-1)