e-mail: josef.sedlbauer@tul.cz tel.: 48-535-3375 Kontakty a materiály J. Šedlbauer e-mail: josef.sedlbauer@tul.cz tel.: 48-535-3375 informace a materiály k Obecné chemii: www.fp.tul.cz/kch/sedlbauer (odkaz na předmět) konzultace: úterý dopoledne nebo podle dohody Studijní materiály: KLIKORKA J., HÁJEK B., VOTINSKÝ J. Obecná a anorganická chemie. SNTL, Praha, 1985. VACÍK, J. Obecná chemie. SPN, Praha, 1986. POLÁK, R., ZAHRADNÍK, R. Obecná chemie. Academia, Praha, 2000. SCHEJBALOVÁ, H., GRÉGR, J. Příklady a úlohy z chemie [skripta]. TU, Liberec, 2000. On-line: Úvod do obecné chemie

Sylabus 1/2 Struktura a vlastnosti hmoty (základní pojmy), používané jednotky, rozměrová analýza, zaokrouhlování, základní matematické koncepty, koncentrační přepočty. Úvod do atomistické teorie: atomy, ionty, molekuly. Typy chemických reakcí, stechiometrické výpočty. Stavba atomu, vlnově-mechanický model, výstavba elektronového obalu. Souvislosti mezi vlastnostmi prvků a strukturou elektronového obalu. Periodický systém prvků. Chemická vazba – teorie chemické vazby, typy vazeb. Radioaktivita, jaderné reakce, štěpné řady.

Sylabus 2/2 Nevazebné interakce. Souvislosti mezi strukturou látek a jejich vlastnostmi. Kinetika chemických reakcí. Chemická rovnováha a její závislost na vnějších podmínkách. Teorie kyselin a zásad, pH. Reakce ve vodných roztocích, acidobazické rovnováhy. Fázové přechody, struktura tuhých látek. Disperzní soustavy, úvod do koloidní chemie.

Průběžné testy na cvičeních: 3 testy po 10 b. Průběh a zkouška Průběžné testy na cvičeních: 3 testy po 10 b. Zkouškový test: 25 b., celkem z testů nad 50% Zkouška: ústní (více otázek), 45 b. Hodnocení: 50-56 bodů 3, 57-62 bodů 2-, 63-69 bodů 2, 70-75 bodů 1-, nad 75 bodů 1

Chemie a obecná chemie Chemie = studium složení, vlastností a přeměn hmoty. Robert Boyle (1627-1691): „Úkolem chemie je poznávat podstatu látek bez ohledu na jejich užitečnost“ Obecná chemie = teoretický základ chemických disciplin: termodynamika, kvantová mechanika, chemická kinetika, chemická rovnováha... Hmota = fyzikální materiál Vesmíru. 73% temná energie (dark energy) 23% temná hmota (dark matter) 4% atomární hmota a energie = pozorovatelný vesmír

Prvky = stavební části hmoty. Složení a stavy hmoty Prvky = stavební části hmoty. Atomy = základní částice prvků. Hmotu lze popisovat na základě vzájemných interakcí atomů. Molekuly = kombinace dvou nebo více atomů. V této formě se atomy vyskytují nejčastěji. Stavy hmoty Pevná látka: vysoce organizovaná struktura (krystal) Kapalina: méně organizovaná struktura Plyn: struktura volná až nepozorovatelná (ideální plyn) Plazma: atomy nebo malé molekuly v ionizovaném stavu. 99% pozorovatelného vesmíru je plazma! 6

Stavy hmoty 7

Velikost částic C2 Fulleren C60 nanotrubice grafit 8

Jak nahlížet na látky – různé aspekty Makroskopické Látka jako druh spojitého prostředí (izotropního, anizotropního: plynného, kapalného, tuhého) vyplňujícího nádobu či těleso. Minimální rozměr tělesa pozorovatelného v optickém mikroskopu: min. 0,5 μm = 500 nm = 5000 Å Částicové Látka jako druh chemických částic (atomů, molekul, iontů) přítomných ve spojitém prostředí Velikost chemických částic (rozmezí 0,3-3 Å): max. 3 Å = 0,3 nm = 300 pm Mezoskopické Látka jako disperzni soustava: nanočástice, tenké vrstvy, vlákna, tyčinky, trubičky atp. v určitém disperzním prostředí. Pozorovatelné elektronovou mikroskopií, mikroskopií atomárních sil. Velikosti 1-200 nm = 10-2000 Å 9

Fázová rovnováha uhlíku 10

Schéma základních pojmů

Separační metody Některé metody oddělování směsí Filtrace: pro heterogenní směsi složené z tuhé a kapalné fáze. Chromatografie: odděluje složky na základě jejich distribuce mezi mobilní a stacionární fázi. Destilace: složky v kapalném roztoku se oddělují varem, podle rozdílného bodu varu. Extrakce: převod složky z jedné směsi do jiné na základě odlišné rozpustnosti složky v různých rozpouštědlech. 12

Vlastnosti hmoty Fyzikální: vlastnosti, které lze měřit bez změny chemického složení látky, např. bod tání a varu, hustota, kritické veličiny. Chemické: vlastnosti které popisují chemickou reaktivitu látek, např. alkalické kovy obvykle reagují za vzniku kladně nabitých částic, reakcemi halogenů obvykle vznikají záporně nabité částice. Intenzivní: fyzikální nebo chemické vlastnosti které nezávisí na množství látky, např. teplota, hustota, měrný odpor, měrná tepelná kapacita. Extenzivní: fyzikální nebo chemické vlastnosti které závisí na množství látky. Např. při spálení propanu ze dvou stejných zásobních lahví se uvolní dvojnásobek tepla než při spálení propanu z jedné lahve. Dále objem, všechny energetické veličiny.

Používané jednotky Nejčastěji měřené veličiny jsou teplota, objem, hmotnost a čas se základními jednotkami (SI, System International) Kelvin, m3, gram, sekunda. Odvozené jednotky lze rozepsat pomocí jednotek základních, např. rychlost v m/s, hustota v g/m3, objem se často vyjadřuje v litrech atd. Příklady: a) 100 g kuchyňské soli zaujímá objem 46.2 cm3. Jaká je hustota soli? b) Hustota kapalného bromu je 3.12 g/ml. Jaká je hmotnost 150 ml bromu? Předpony (např. giga-, mega-, kilo-, mili-, mikro-, nano-) umožňují praktičtější vyjádření měřených hodnot. Příklady: Určete ? km je 256000 m ? μm je 100 pm; ? ng je 55x105 kg ? kg/m3 je 3.45 g/ml ? mm2 je 6.22x106 cm2

Převody jednotek, rozměrová analýza Před použitím jakéhokoli výpočetního vztahu je třeba zkontrolovat, zda dosazujeme navzájem konzistentní jednotky příslušných veličin. Nejjistější cestou je převést všechny jednotky hned na základní (nebo ze základních odvozené) jednotky SI. Příklad: vypočtěte ze stavové rovnice id. plynu (pV=nRT) objem 2 kg dusíku při teplotě 30°C a tlaku 5 atm. Při ověřování odvozených nebo získaných vztahů lze s výhodou využít rozměrové analýzy: jednotky veličin vystupujících v příslušné rovnici se musí navzájem zkrátit tak, aby rovnost zůstala zachována. Příklad: pro přepočet molárního zlomku a molární koncentrace (mol/l) směsi se 2 složkami lze odvodit vztah: x1=n1/(c1V+c2V). Ověřte platnost rovnice. V jakých jednotkách je nutné dosazovat příslušné veličiny?

Přesnost a správnost Každé měření je provedeno s určitou nejistotou (měření se pro snížení této nejistoty často provádějí opakovaně). Přesnost: vzájemná blízkost naměřených hodnost. Správnost: blízkost naměřených hodnot ke skutečné fyzikální hodnotě.

Platné cifry Platné cifry u měření závisejí na jeho přesnosti. Pravidla: Číslice zleva jsou platné cifry. Nuly napravo od desetinné čárky jsou platné cifry. Nuly na konci čísla ale nalevo od desetinné čárky nejsou nutně platné cifry. Nejednoznačnostem se lze vyhnout používáním vědeckého zápisu čísel: Ax10a kde A je číslo mezi 1 a 9.999, a je celé číslo. Výsledky měření se často používají k dalším výpočtům. Kolik platných cifer mají výsledky? Základní pravidla: Sčítání a odčítání čísel: Výsledek je platný na tolik desetinných míst jako bylo číslo s nejmenším počtem platných cifer. Násobení a dělení čísel: Počet platných cifer ve výsledku je stejný jako počet platných cifer v čísle s nejmenším počtem platných cifer. 17

Zaokrouhlování Zaokrouhlování je nezbytné při uvádění výsledků se správným počtem platných cifer. Pravidla: Je-li číslice po poslední platné cifře >5 zaokrouhluje se nahoru <5 zaokrouhluje se dolů = 5 zaokrouhluje se k sudé číslici. Příklad: Zaokrouhlete na 3 platné cifry: 0.2226, 0.22225, 5555, 554523 Příklad: Vyjádřete následující součty se správným počtem platných cifer: 10000.0  3.14159 142.7 + 0.081 6.246 + 8.139  12.75 19.69  0.041 + 1.27 Poznámka: Pokud nemáme informaci o počtu platných cifer, pracujeme se všemi (resp. „rozumným množstvím“) platných cifer, zaokrouhlujeme na základě fyzikálního odhadu.

Základní matematické koncepty (připomenutí) Matematika 1-3, Matematika pro přírodní vědy Násobení čísel ve vědeckém zápisu: sečíst exponenty a násobit čísla. Příklady: 2.5x105·2.0x105 Mocniny: (Ax10n)m vede k násobení exponentů. Příklad: (2.11x105)3 Logaritmus (přirozený, dekadický) a odlogaritmování: definice logaritmu: loga x = z kde x = az. log xy = log x + log y Úměra: Přímá - y = mx + b P = cRT Kvadratická - y = mx2 + b R = k[A]2 (reakce 2. řádu) Nepřímá -

Příklady - úměry Tlak plynu byl 1 atm při 273 K. Jaký tlak bude v nádobě (objem se nemění) při 373 K? Rychlost reakce 2. řádu byla 2.50x10-2 mol·s-1 při koncentraci reaktantu 0.100 M. Jaká bude rychlost reakce při koncentraci výchozí látky 0.250 M? Plyn zaujímal při tlaku 0.2 MPa objem 12.5 l. Jaký bude objem plynu když se tlak zvýší na 3.75 atm? Množství plynu ani teplota se nemění.

Vyjádření složení směsí (roztoků) Molarita: jednotka mol/l Molární zlomek: bezrozměrné číslo Hmotnostní procenta Molalita: počet molů látky na 1 kg rozpouštědla. Narozdíl od molarity je molalita nezávislá na teplotě. Další jednotky: parts per million (ppm) nebo parts per billion (ppb) pro vyjádření nízkých koncentrací.

Příklady – přepočty koncentrací Vypočtěte hmotnostní procenta soli v roztoku připraveném rozpuštěním 1.44 g NaCl ve 100.0 ml vody. Předpokládejte hustotu vody 1.00 g/ml. Vypočtěte molalitu soli v roztoku připraveném rozpuštěním 1.44 g NaCl ve 100.0 ml vody. Předpokládejte hustotu vody 1.00 g/ml. Vypočtěte hmotnostní procenta peroxidu v roztoku připraveném rozpuštěním 30.0 g H2O2 v 70.0 g H2O. Vypočtěte molaritu peroxidu. Vypočtěte molární zlomek peroxidu. Koncentrovaný amoniak odpovídá 14.8 M a roztok má hustotu 0.900 g/ml. Jaká je molalita roztoku?