Chemie pro KS
Anorganická a analytická část
Ing. Matyáš Orsák, Ph.D.
[email protected]
Obecná chemie. Stavba hmoty.
1
Program přednášek
1. přednáška
a) atom, jádro, obal, elektron, radioaktivita
b) názvosloví anorg. sloučenin včetně koordinačních
2. přednáška
a) periodická tabulka prvků, per. zákon, typy vazeb, pH, disociace, pufry,
rozpustnost
b) vyčíslování rovnic, disociace
3. přednáška
a) chemické metody anal. chemie
b) výpočty z rovnic, roztoky
4. přednáška
a) instrumentální metody anal. chemie
b) výpočty – titrace, pH
Obecná chemie. Stavba hmoty.
2
Několik užitečných informací:
Na disku AF
M:student\chemie
nebo
www.af.czu.cz/kch
Naleznete zde zajímavé informace z
přednášek a vyrovnávacího kurzu,
případně ze cvičení. Lze si zde otevřít i
program na opakování anorganické
chemie – výukový program CHEMIE I.
Obecná chemie. Stavba hmoty.
3
Literatura:
Povinnou literaturou jsou skripta:
CHEMIE I.
(Vybrané kapitoly z obecné, anorganické a analytické
chemie)
Kolektiv autorů: Dolejšková, Marek, Hejtmánková, Mader
Praha 2000
Obecná chemie. Stavba hmoty.
4
OBECNÁ CHEMIE
STAVBA HMOTY
© Praha, 2003
Obecná chemie. Stavba hmoty.
5
ELEMENTÁRNÍ ČÁSTICE ATOMU
atom (z řeckého ατοµοσ = nedělitelný) tvoří 3 základní elementární částice
elektron (Thompson, 1897) katodové záření
◆ elementární náboj e- = 1,602.10-19 C
0
◆ hmotnost elektronu me= 9,1091. 10-31 kg
-1
◆
e
proton (Rutherford, 1920)
◆
1
1
p
◆
elementární náboj p+ = 1,60210.10-19 C
◆
hmotnost protonu mp= 1,67252. 10-27 kg (1840krát těžší než elektron)
neutron (Chadwick, 1932)
1
◆ bez náboje
◆
0
n
◆
hmotnost neutronu mn= 1,67482. 10-27 kg
Obecná chemie. Stavba hmoty.
6
ELEMENTÁRNÍ ČÁSTICE ATOMU
částice podle hmotnosti
◆ lehké – leptony (elektron, pozitron, neutrino,…)
◆ středně těžké (mezony π, K,…)
◆ těžké – baryony (proton, neutron, hyperony,…)
fotony
základní částice elektromagnetického záření
◆ nulová klidová hmotnost
◆
Obecná chemie. Stavba hmoty.
7
MIKROČÁSTICE
DUALISTICKÝ CHARAKTER HMOTY
Chování mikročástic se zásadně liší od chování těles makrosvěta a
nedá se vystihnout zákony klasické mechaniky. Pro popis jevů v
atomovém měřítku byla vypracována obecnější teorie – kvantová
mechanika.
Základní principy kvantové mechaniky
energie je kvantována
◆ korpuskulárně vlnový charakter
◆ Heisenbergův princip neurčitosti (1926)
◆
Planckova konstanta h = 6,626.10–34 J.s
m = hmotnost částice
ν = frekvence
λ = vlnová délka záření
p = hybnost
Obecná chemie. Stavba hmoty.
Δ E = hν
λ=
h
h
=
mv p
h
ΔxΔp =
4π
8
Energie mikročástic je kvantována
A
1
2
3
4
5
B
B
A
a
b
Obr. 1.1: Kvantování a spojitá změna energie:
a) pět diskrétních hladin energie mezi poschodími A a B,
b) spojité hladiny energie mezi poschodími A a B.
Obecná chemie. Stavba hmoty.
9
MODELY ATOMU
Rutherford (1911) – jádrový model atomu
rozptyl α-částic na kovových fóliích (Au)
◆ odklon asi jen u 1/20000 všech částic ⇒
pozitivní náboj je soustředěn na velice
malý objem
◆ v prostoru jádra je zřejmě také
soustředěna téměř veškerá hmota atomu
(hustota)
◆
α≡ He
4
2
4
1
2
3
Obecná chemie. Stavba hmoty.
10
CHARAKTERISTIKY ATOMU
A, nukleonové
(hmotnostní) číslo
oxidační číslo
udává počet
nukleonů v jádře
elektronegativita
A
Z
Z, atomové
(protonové) číslo
udává počet
protonů v jádře
(také počet
elektronů)
Obecná chemie. Stavba hmoty.
X
Q
X, chemická
značka
prvku
N = neutronové číslo
N=A–Z
nukleony = protony a neutrony
11
JSOU VŠECHNY ATOMY STEJNÉ??
Prvek
◆
je tvořen souborem
atomů, jejichž atomové
číslo Z je shodné
16
8
O+ 178 O+ 188 O
16
8
O
x 18 O
O
17
8
K
40
20
19
9
F
Nuklid
◆
atomy mají shodné
atomové číslo Z a
neutronové číslo N
8
Izotop
◆
mají shodné atomové
číslo Z a různé
neutronové číslo N
16
8
O
18
8
O
Izobar
◆
mají shodné nukleonové
číslo A a různé atomové
číslo Z
Obecná chemie. Stavba hmoty.
40
19
Ca
12
Stabilní izotopy
S
Prvek
Rel. at. hm
Rel. at.zastoupení
%
H
He
Li
Be
B
C
N
O
F
Ne
Na
AI
Si
P
1,00783
2,01400
3,01608
4,00280
8,01512
7,01600
9,01218
10,01294
11,00931
12,00000
13,00336
14,00307
15,00011
15,99492
16,99913
17,99918
18,99840
19,99244
20,99384
21,99138
22,98977
23,98504
24,98584
25,98259
28,98154
27,97893
28,97850
29,97377
30,97378
Obecná chemie. Stavba hmoty.
99,9850
0,0150
0,0001
99,9999
7,5000
92,5000
100,0000
19,9000
80,1000
98,9000
1,1000
99,6340
0,3660
99,7620
0,0380
0,2000
100,0000
90,5100
0,2700
9,2200
100,0000
78,9900
10,0000
11,0100
100,0000
92,2300
4,6700
3,1000
100,0000
CI
Ar
K
Ca
Sc
Ti
V
Cr
Mn
31,97207
32,97146
33,98787
35,98708
34,96885
36,96590
35,96755
37,96273
39,96238
38,98371
39,96400
40,96183
39,96259
41,95862
42,95877
43,95548
45,95389
47,95253
44,95591
45,95263
46,95178
47,94795
48,94787
49,94479
49,94718
50,94398
49,94605
51,94051
52,94085
53,93888
54,93805
95,0200
0,7500
4,2100
0,0200
75,7700
24,2300
0,3370
0,0630
99,6000
93,2581
0,0117
6,7302
96,9410
0,8470
0,1350
2,0880
0,0040
0,1870
100,0000
8,0000
7,3000
73,8000
5,5000
5,4000
0,2500
99,7500
4,3450
83,7890
9,5010
2,3850
100,0000
13
JSOU VŠECHNY ATOMY STEJNÉ??
Poměrné zastoupení izotopů téhož prvku není přesně
konstantní – (vodík, lehké prvky)
◆ využití – přírodovědné obory (koloběh vody,
živin, …)
M(11H) = 1,67 . 10 -27 kg
Atomová hmotnost
◆ absolutní pro praxi nevhodné vyjádření
◆ relativní MR, jednotkou je 1 u
◆
relativní molární hmotnost – jednotkou je g.mol-1
Bez izotopů ≈ celá čísla
M(126 C)
1u =
= 1,66 . 10 -27 kg
12
s izotopy
14
7
N+
15
7
N
MR (N) = 14,00307 × 0,99636 + 15,00011× 0,00364 = 14,0667
Obecná chemie. Stavba hmoty.
14
STABILITA ATOMOVÝCH JADER
Atomové jádro –
◆
p+ n
1
1
1
0
vazebná energie, úbytek hmotnosti
ΔM = Z M(11p) + (A − Z) M( 01n) + Z M( − 01e) − M( AZ X)
Vazebná energie ↔ štěpení
E = Δ Mc ≈ 0,7 − 0,9 %
2
Síly –
◆
přitažlivé jaderné
◆
odpudivé coulombovské
Obecná chemie. Stavba hmoty.
c = 3.10 ms
8
−1
15
STABILITA ATOMOVÝCH JADER
Energie chemického procesu –
105 až 106krát menší
◆
nemůže ovlivnit jádro atomu
Fe
U
Obecná chemie. Stavba hmoty.
16
STABILITA ATOMOVÝCH JADER
279 stabilních nuklidů v přírodě
56 radioaktivních
stabilní nuklidy
2
1
D, 63 Li, 105 B, 147 N
Obecná chemie. Stavba hmoty.
17
STABILITA ATOMOVÝCH JADER
magická čísla pro celkový počet protonů nebo neutronů
2, 8, 20, 28, 50, 82, 126
208
82
Pb
velmi stabilní nuklid !
Obecná chemie. Stavba hmoty.
18
RADIOAKTIVITA
Objev H. Becquerel (1886) – expozice fotografické desky sloučeninou uranu
◆
spontánní emise subatomových částic
238
92
U→
α≡ 42 He,
0
-1
e,
0
+1
e
Th+ He
234
90
4
2
přeměna prvku
Proč? Malá stabilita jádra
◆
◆
nadbytek protonů nebo neutronů
nízká vazebná energie
Obecná chemie. Stavba hmoty.
Pierre Curie (1867-1934) & Marie
Curie-Skłodowska (1859-1906)
19
TYPY PŘEMĚN
Přeměny α (těžká jádra Z > 83)
Th→
232
90
228
88
Ra + He
4
2
Z →Z - 2
A →A-4
Přeměny β– (přebytek neutronů)
15
6
C→
15
7
N+ e
0
-1
Obecná chemie. Stavba hmoty.
n→ 11p+ −01e
1
0
Z→ Z+ 1
Důvod – změna poměru n/p
20
TYPY PŘEMĚN
Přeměny β+ (rel. přebytek protonů)
12
7
N→
12
6
p→ 01n+ +01e
1
1
C+ e
0
+1
Z → Z -1
uměle připravené prvky
Přeměny γ (relativní přebytek protonů)
7
4
Be+ e→ Li
0
-1
7
3
doplnění elektronu z vyšší hladiny
doprovází α, β,
Obecná chemie. Stavba hmoty.
0
−1
e + 11p→ 01n
Z → Z -1
Δ E = hν
γ – samostatně výjimečně
21
RADIOAKTIVNÍ ŘADY –
POSUVOVÉ ZÁKONY
Sled radioaktivních prvků – 4 řady (1 umělá řada)
Radiometr je určen k proměřování pracovníků,
pracovních ploch a pomůcek na pracovištích s
radioaktivními látkami, kde se pracuje se zářiči
gama. Může indikovat úroveň přirozeného
pozadí, respektive jeho zvýšenou velikost. Při
překročení nastavitelné úrovně se ozve zvukový
signál. Vestavěná energeticky kompenzovaná
GM trubice detekuje záření gama s energií vyšší
než 30 keV gama. Naměřená hodnota je
indikována na LCD zobrazovači v uSv/h. Každý
registrovaný impuls je indikován zvukově a
znakem na LCD displeji. Zvuková indikace se
může vypnout tlačítkem. Přístroj je napájen z
vestavěného akumulátoru Li-ion. Je umístěn v
krabičce z umělé hmoty kapesního formátu.
současně emise α, β– částic
jednotky radioaktivity
1 curie (Ci) – počet rozpadů za sekundu v 1 g Ra
1 becquerel (Bq) – 1 rozpad za sekundu
1 Ci = 3,7 . 1010 Bq
Obecná chemie. Stavba hmoty.
22
RYCHLOST RADIOAKTIVNÍHO ROZPADU
−
dN
= kN ⇒ N = N0e − kt
dt
N – počet jader v čase t
N0 – počet jader na počátku
k – rozpadová konstanta
(pravděpodobnost rozpadu
jádra za jednotku času)
T1/2 – poločas rozpadu
10 poločasů ~ 1/1000 N0
⇒ prvek „vymře“
problém radioaktivního
odpadu !!!
Obecná chemie. Stavba hmoty.
23
ÚČINKY RADIOAKTIVNÍHO ZÁŘENÍ
α-záření
vysoká ionizace
nízká penetrace
β-záření
nižší ionizace
vyšší penetrace
Obecná chemie. Stavba hmoty.
γ-záření
nízká ionizace
vysoká penetrace
24
VÝSKYT RADIOAKTIVNÍCH
PRVKŮ V PŘÍRODĚ
Radioaktivní prvky – poločas rozpadu ≈ stáří Země
238
92
40
19
U
K
235
92
87
37
U
232
90
Rb
175
71
Th
Lu
zářiče α
103
45
Rh
115
49
In
zářiče β–
Radioaktivní prvky z rozpadových řad – poločas rozpadu relativně krátký
Obecná chemie. Stavba hmoty.
25
UMĚLÉ RADIOAKTIVNÍ PRVKY
Vznik: jadernými reakcemi tj. zasažením jádra částicí
z radioaktivního zářiče (alfa záření)
◆ z urychlovače (neutrony)
◆
Jaderné přeměny
◆
N+ He→
11
4
prosté (transmutace)
7
2
◆ Rutherford (1919)
◆ nové jádro se málo liší od původního
◆ vzniklé jádro se rozpadá ⇒ umělá radioaktivita
Obecná chemie. Stavba hmoty.
17
8
O+ p
1
1
26
UMĚLÉ RADIOAKTIVNÍ PRVKY
http://sensor.feld.cvut.cz/bavig/
Jaderné přeměny
◆
štěpné – Fermi, Hahn, Joliot (1934 – 1939)
235
92
U+ n→
1
0
140
56
Ba +
93
36
Kr + 3 n + E
1
0
Lavinovité štěpení ⇒ exploze
◆
princip atomové bomby (106 až 107 °C v epicentru)
Řízený průběh
◆
200 MeV
atomové reaktory
◆ moderátory (těžká voda D2O, grafit, bór,…)
Obecná chemie. Stavba hmoty.
27
Obecná chemie. Stavba hmoty.
28
TERMONUKLEÁRNÍ REAKCE
Syntéza stálejších produktů z lehkých jader
princip vodíkové bomby, Teller (1952, atol Eniwetok)
◆ Slunce a jiné hvězdy...
◆
4 p →
1
1
4
2
He + 2
e+ E
0
+1
teplota T > 106 °C
Obecná chemie. Stavba hmoty.
29
Tokamak – termojaderná fúze vodíku
www-troja.fjfi.cvut.cz/~drska/edu/webfyz/tokamak/index.html
Obecná chemie. Stavba hmoty.
30
ITER (latinsky Iter - cesta)
International Thermonuclear Experimental Reactor
Mezinárodní termonukleární experimentální reaktor
ITER je projekt připravovaného tokamaku,
který by se měl stát předstupněm ke
komerčnímu využití termonukleární fúze v
energetice. Jde o druhý nejdražší
mezinárodní vědecký projekt (po
Mezinárodní vesmírné stanici) – celkový
rozpočet projektu je €10 mld., z čehož
polovinu uhradí Evropská unie a zbytek
ostatní účastnické státy: USA, Rusko, Čína,
Japonsko, Jižní Korea a Indie (v brzku se
očekává přistoupení Brazílie k projektu).
Výstavba ve francouzském městě
Cadarache by měla začít v roce 2007 a
reaktor by mohl být uveden do provozu v
roce 2016. Plánovaný výkon by měl být 500
MW během zážehů plazmatu trvajících až
500 s.
Obecná chemie. Stavba hmoty.
31
VYUŽITÍ RADIOIZOTOPŮ
1. Analytická chemie
◆
NAA – Neutronová Aktivační Analýza (stopová množství)
2. Chemie a biologie
◆
◆
studium mechanismu reakcí (stopování)
určování distribuce prvků v biologickém materiálu
radioenzymová analýza (REA)
3. Medicína
ozařování nádorů paprsky γ (gama)
◆ sterilizace krve
◆
4. Zemědělství
ošetření potravin (ničení choroboplodných zárodků)
◆ prodloužení dormance brambor
238
◆
5. Určení stáří
hornin
◆ organismů
◆
Obecná chemie. Stavba hmoty.
92
14
6
U
C
32
NEGATIVNÍ DŮSLEDKY ZÁŘENÍ
Ionizace
◆ narušení chemických vazeb
◆ poškození tkání
◆ mutagenní, kancerogenní a teratogenní účinky
◆
!!! Nejvíce nebezpečné !!!
Radioaktivní izotopy s poločasem rozpadu srovnatelným se stářím
živých organismů
90
T1/2 = 28 roků
38
β– 0,53 MeV
Sr
Obecná chemie. Stavba hmoty.
33
Download

Chemie