Hmota a látka

Hmota -> skládá se z látky a z pole

Látka -> složená z částic, které se pohybují rychlostí menší, než je rychlost světla

Soustavy látek -> všechny látky v omezené prostoru

1. Soustava otevřená -> dochází k výměně částic i energie

1. Soustava uzavřená -> dochází k výměně energie, ale ne k výměně částic
2. Soustava izolovaná -> nedochází k výměně ani částic ani energie

Chemicky čistá látka = chemické individum -> v soustavě je jen jedna látka

– prvky × sloučeniny

– ve většině případech se setkáváme se směsí

Směsi -> látky, které obsahují 2 a více látek; dají se oddělit fyzikálně chemickými metodami

Homogenní směs -> všechny její částice mají stejné vlastnosti

• také soustavy, jejichž se spojitě (plynule) mění
• vzduch, roztoky solí, …

skupenství homogenních směsí => tzv. roztoky -> homogenní směs 2 a více látek

pevné -> slitiny, sklo

kapalné -> roztoky solí

plynné → vzduch

Heterogenní směs -> skládá se ze 2 a více homogenních oblastí

– oblast => tzv. fáze -> homogenní část soustavy, která je od ostatních oddělená rozhraním, na němž se vlastnosti mění skokem

př. Práškový zinek + prášková síra -> při přechodu Zn do S se prudce změní fyzikální i chemické vlastnosti prostředí

• suspenze -> pevná látka + kapalina
• emulze -> 2 kapaliny; voda + olej
• aerosol -> pevná látka nebo kapalina v plynu; kouř
• pěna -> plyn v kapalině

-> tzv. hrubě disperzní soustavy

-> jemně dispergovaná soustava -> nepravé neboli koloidní roztoky

– částice rozptýlené v koloidním roztoku se neusazují; př. vaječný bílek, mléko

Disperzní soustava

1. Disperzní prostředí -> rozpouštědlo; bývá to látka, která je v soustavě v nadbytku; nejčastěji kapalina; voda
2. Dispergovaná částice -> rozpouštěná látka

 

Protonové číslo -> Z; udává počet protonů a elektronů; vlevo dole u prvku

Nukleonové číslo -> A; udává počet částic v jádře; vlevo nahoře u prvku

Nuklid -> soubor atomů, které mají stejné protonové a neutronové číslo

Izotopy -> atomy, téhož prvku, které se od sebe liší pouze počtem netronů

¹⁶O      ¹⁷O      ¹⁸O

 

Základní charakteristiky látek

1. Hmotnost atomů 10^-27 – 10^-25kg

př. m (H) = 1,673 10^-27kg

m (C) = 1,992 10^-26kg

relativní atomová hmotnost …A_r

U… 1/12 m (12C) = 1,66 10^-27kg

A_r (¹⁶O) = 16

Relativní molekulová hmotnost M_r

M_r = ∑A_r

1. Počet částic = látkové množství

• v malém množství látky je velké množství částic

1g látky = 10²² – 10²⁴ částic

[ n] = mol

• 1 mol je takové množství částic, které je obsaženo v 12g nuklidu ¹²₆C

Avogadrova konstanta … N_A = 6,022 10²³mol^-1

Výpočet látkového množství

m…hmotnost látky

M… relativní atomová nebo molekulová hmotnost

 

V…objem látky

V_{n …}. molární objem

 

N… počet částic

N_A… Avogadrova konstanta

1. Molární objem

Vn = 22,4dm³

– za normálních podmínek 1 mol jakéhokoli plynu zaujímá objem 22,4dm³

– normální podmínky 0°C, 101325 Pa

• Molární hmotnost

 

– hmotnost 1 molu částic → je rovna relativní molekulové hmotnosti

[M] = g·mol-1

5. Elektronegativita

– schopnost prvku přitahovat elektrony sdílené s jinými elektrony (vazebné elektrony)

6. Elementární náboj = náboj elementární částice

– protony, elektrony → 1,602·10^-19C

vznik iontů → přenos elektronů

kation → uvolnění elektronu

Ca⁰ → Ca²⁺

anion → získání elektronu

O₂⁰ → O^2-

→ oxidační číslo → myšlený elektrický náboj, který by byl přítomen na atomu prvku,     kdybychom všechny elektrony z něj vycházející přiřadili elektronegativnějšímu z         vázaných atomů

Na⁺Cl^– → 0…. Na odevzdá; Cl přijme

Základní chemické zákony

Zákon zachování hmotností → Lomonosov 1748

=> součet hmotností reaktantů se rovná součtu hmotností produktů

Zákon zachování energie

=> celková energie izolované soustavy je před reakcí i po reakci stejná

Zákon stálých poměrů slučovacích → Proust 1802

=> prvky se slučují v hmotnostních poměrech malých celých čísel

S + O₂ → SO₂

1 :   1

Zákon násobných poměrů slučovacích → Dalton 1802-1808

=> tvoří-li prvek s jiným prvkem více sloučenin, pak hmotnosti tohoto prvku jsou v         poměru malých celých čísel

– slučuje-li se se stále stejným množstvím prvku druhého

C + O₂ → CO₂

2C + O₂ → 2CO

12 : 24 → 1 : 2

Zákon stálých poměrů slučovacích → Guy-Lussac 1805

=> plyny se slučují ve stále stejných objemových poměrech

– tyto poměry jsou ve formě malých celých čísel

N₂ + 3H₂ → 2NH₃

1mol   3 moly

22,4l   3·22,4l → 1 : 3

– k těmto zákonům se někdy řadí Daltonova atomová teorie

Jádro

• velmi malá část atomu; 10^-14 – 10^-15m
• 10000 menší než atom celý; obsahuje protony a neutrony

Modely jádra

1. kapkový model → přirovnání jádra ke kapce kapaliny
2. slupkový model

– analogie s modelem elektronového obalu

– protony a neutrony jsou v jádře na různých energetických hladinách a vždy po dvojicích

– podle tohoto modelu jsou stabilnější ty nuklidy, které mají sudý počet protonů a           neutronů

– nuklidy s lichým počtem protonů a neutronů jsou většinou nestabilní

výjimky ¹⁴₇N               ³⁰₁₅P → ³⁰₁₄Si

– velice vysoká stabilita je u jader, které jsou násobky ⁴₂He

¹²₆C    ¹⁶₈O

-jádra s velkým počtem částic (nad 220) nejsou stabilní a mají tendenci se měnit na jádra menší

                ²²⁶₈₈Ra → ⁴₂α + ²²²₈₆Bi

• u malých jader je ideální poměr p a n 1:1
• u větších ajder roste poměr ve prospěch n 2:3
• mezi protony jsou odpudivé síly, které jsou částečně kompenzovány neutrony

Jaderná síla 10^-14m

• vždy přitažlivá, zprostředkovávají π-mesony

Hmotnostní defekt

m_teor. = součet m_p + součet m_n

m_prakt. < m_teor.

=> m_def. = m_teor. – m_prak.

E = mc²

E_v = m_dc²

• E_v vazebná energie → velké číslo; hmotnostní defekt je malé číslo
  • 1g jader ⁴₂He je stejná energie jako při shoření 10000 tun uhlí
  • pro srovnání energie jednotlivých jader používáme E_v/A … stabilita jader

 

 

 

 

Závěry

– lehká jádra mají nízkou stabilitu

výjimka => ⁴₂He         ¹²₆C     ¹⁶₈O

– nejvyšší stabilitu mají prvky s nukleonovým číslem okolo 55 => Fe, Ni, Co, Mn

Fe + Ni → součást Zemského jádra

– stabilita pomalu klesá, rychle klesá po nukleonovém čísle 200

– poslední stabilní jádro je ²⁰⁸₈₃Bi

– jádra s protonovým číslem víc než 100 se rozpadají za miliontiny sekundy

Radioaktivita => přirozený jev

→ rozpad jádra určitého prvku v jádro jiné za současného vyzáření energie

Jména spojená s radioaktivitou

A.H.Bacquerel

1896 → smolinec vydává záření, aniž by byl ozářen

P.Curie + M.Curie-Sklodowska

• ze smolince => radium, polonium (1g Ra stál 100000$)

Druhy radioaktivity = záření

²²⁶₈₈Ra → ²²²₈₆Rn + ⁴₂α

1. záření α

– α-částice → jádro ⁴₂He

– rychlost záření => 20000km·s^-1

– neprojde skrz list papíru, není pronikavé

– není životu nebezpečné; hodně ionizující => mění atomy a molekuly na ionty

1. záření β

⁶⁰₂₇Co → ⁶⁰₂₈Ni + ⁰_-1β (elektron)

=> proud elektronů

rychlost záření => 90-99% rychlosti světla

pronikavější; zastaví ho betonová zeď

1. záření γ

– elektromagnetická vlna o malé délce; 10^-16 – 10^-13m

– neexistuje nuklid pouze se zářením γ

– 50% zlikviduje 30cm betonová zeď

Jaderné reakce => umělý jev

→ reakce prvku s částicí za vzniku jiného prvku a částice

1919 Rutherford

¹⁴₇N + ⁴₂α → ¹⁷₈O + ¹₁p (jádro H)

1934 Joliot – Curieovi

²⁷₁₃Al + ⁴₂α → ³⁰₁₅P + ¹₀n

³⁰₁₅P → ³⁰₁₄Si + ⁰₁β => pozitron – antielektron

• objev umělé radioaktivity => radioaktivita umělepřipraveného nuklidu

Druhy reakcí

reakce syntézní => termonukleární

→ dvě lehká jádra se sloučí a vznikne jádro těžšího prvku

²₁H + ³₁H → ⁴₂He + ¹₀n

reakce štěpné

→ z jednoho velkého jádra vzniknou 2 jádra menší

1939 Hahn

²³⁵₉₂U+ ¹₀n → ¹⁴⁰₅₆Ba + ⁹³₃₆Kr + 3¹₀n + E

• produktů je více variant, ale vždy to jsou jádra s poměrem 3:2 + 2-3 neutrony
• princip jaderné bomby a jaderné elektrárny

Rozpadové řady

→ při radioaktivním rozpadu určitého nuklidu může vzniknout nuklid, který je radioaktivní

→ rozpad takto pokračuje, až se zastaví u stabilního nuklidu

²³²₉₀Th → ²²⁸₈₈Ra + ⁴₂α

²²⁸₈₈Ra → ²²⁴₈₆Rn + ⁴₂α

…²⁰⁸₈₂Pb

• rozpadová řada uranová ²³⁸₉₂U a aktiniová ²³⁵₉₂U končí nuklidem Pb
• umělá rozpadová řada – neptuniová končí ²⁰⁹₈₃Bi

²³⁷₉₃Np … ²⁰⁹₈₃Bi

Poločas rozpadu

=> doba, za kterou se z původního počtu radioaktivích atomů rozpadne právě polovina

¹⁴₆C … 5730 let => za 5730 let jich bude mít polovinu

• poločasy rozpadu se pohybují od setiny vteřiny

²²³₈₇Fr … 27min

²³²₉₂Th … 1,4·10¹⁰ let

Využití radioaktivity a jaderných reakcí

– lékařství → léčba, diagnostika rakoviny

– výroba nových prvků → všechny prvky za U jsou uměle připravené

– analytická chemie → zkoumání reakčních organismů

– archeologie → radiokarbonová metoda, zjišťování stáří

– palivo elektráren → obohacený uran

²³⁵₉₂U – 3-4%

→ tyče z UO₂ jsou bmbardovány neutrony

• tyče z Cd (B) – regulujípočet netronů => regulační tyče
• moderátory → látky zpomalující netrony
• těžká H₂O = D₂O

²₁H = ²₁D