Základní pojmy a vztahy v chemii

Vývoj představ o chemii

Vývoj chemie od 4. Stol.

• Alchymie
• J. L. Proust – pokud se prvky slučují, tak jen v celých číslech (Zákon stálých poměrů slučovacích), nezávisle na Daltonovi
• Dalton – definoval atom jako základní částici (dále nedělitelná)
• Rutherford – první konkrétnější představa o vnitřní stavbě atomů → planetární model
• Bohr – definuje 3 postuláty, polohy, dráhy a výstavbu atomů

Pojmy

Látka

Hmota vyznačující se určitými vlastnostmi, skládá se z atomů, molekul, iontů.

• dělí se na:
  1. homogenní – stejnorodá = složky nelze rozlišit pod mikroskopem
  2. heterogenní – různorodá = složky lze rozlišit pod mikroskopem
• má různou čistotu: jednoduchá (tuha), složitá (sloučeniny)

Soustava látek

Soubor všech látek ve vymezeném prostoru, každá soustava oddělena od okolí stěnami (sklo, rovina).

• Izolovaná – stěny zabraňují výměně energie a částic s okolím (termoska)
• Uzavřená – stěny nepropouští částice, umožňují výměnu energie s okolím (voda v baňce se zátkou)
• Otevřená – stěny umožňují výměnu částic i energie (voda v kádince)
• Homogenní – v celém svém objemu stejné vlastnosti, tvořeny jednou fází
• Heterogenní – nemají stejné vlastnosti, tvořeny fázemi, ty jsou odděleny hraniční oblastí, ve které se vlastnosti soustavy mění (voda a vzduch)

Fáze

Chemické označení jednotlivých složek soustavy (g = gas, l = liquidus, s = solidus, aq = aquaeus).

Atom

Nejmenší částice hmoty nedělitelná chemickými metodami, tvořen z jádra a elektronového obalu.

Iont

Atom nebo molekula s kladným nebo záporným nábojem vzniklý při odtržení nebo přijetí jednoho nebo více elektronů. Kladný iont se nazývá kation a záporný anion.

Molekula

Skupina dvou nebo více atomů spojených chemickou vazbou do jednoho celku.

Chemicky čistá látka

(chemické individuum) tvořena stejnými částicemi (atomy, molekulami,…) a má stálé charakteristické vlastnosti (teplotu tání, hustotu,…).

Prvek

Chemicky čistá látka složená z atomů o stejném protonovém čísle.

• Atomy mohou být volné (př. He), vázané v molekulách (př. Cl₂) nebo vázané v krystalové struktuře (př. uhlík v diamantu).

Nuklid

Částice složená z atomů se stejným protonovým číslem Z a stejným nukleonovým číslem A.

Izotop

Atomy téhož prvku se stejným počtem protonů, ale lišící se počtem neutronů v jádře atomu (př. ¹⁶O, ¹⁷O, ¹⁸O).

• Chemické vlastnosti jsou stejné, fyzikální se částečně liší (př. hmotnost atomů).
• Elektronová konfigurace izotopů je stejná.

Sloučenina

Chemicky čistá látka tvořená stejnými molekulami sloučenými ze dvou a více atomů různých prvků (např.: CO₂) nebo ionty vázanými v krystalické struktuře (např.: NaCl).

Směs

Soustava složená z několika různých chemicky čistých látek (tzn. z různých druhů částic).

• Homogenní směs – obsahuje částice menší než 10^-9 m (pravé roztoky).
  • Plynný – molekuly jednoho plynu rozptýlené mezi molekulami jiného plynu (vzduch).
  • Kapalný – molekuly nízkomolekulárních látek v kapalině (NaCl ve vodě).
  • Pevný – jednotlivé atomy jedné pevné látky rozptýlené mezi částicemi jiné pevné látky (slitina kovů).
  • Koloidní směs – rozptýlené částice o velikosti 10^-7–10^-9 m (aerosol, koloidní roztok, emulze).
• Aerosol
  • Mlha – kapičky kapaliny rozptýlené v plynu.
  • Dým – částečky pevné látky v plynu.
  • Kouř – kapičky kapalin a částečky pevné látky v plynu.
  • Koloidní roztok – molekuly org. látek nebo shluky anorg. molekul v kapalině (bílkoviny ve vodě).
  • Emulze – kapičky jedné kapaliny rozptýlené v jiné kapalině (olej ve vodě).
  • Gel – bubliny plynu rozptýlené v pevné látce.
• Heterogenní směs – rozptýlené částice větší než 10^-7 m (pěna, suspenze).
  • Pěna – bubliny plynu v kapalině.
  • Suspenze – částečky pevné látky v kapalině (jemný písek ve vodě).

Chemická vazba

Síly, jimiž jsou k sobě navzájem poutány sloučené atomy prvků v molekule prostřednictvím valenčních elektronů.

• Vznikají a zanikají při chemických reakcích.
• Při tvorbě chem. vazby se uvolňuje tzv. vazebná energie.
• Pro rozštěpení chem. vazby je zapotřebí tzv. disociační energie.
• Vazebná a disociační energie mají stejnou velikost, čím jsou větší, tím je vazba pevnější.
• Podmínkou vzniku = dostatečné přiblížení atomů, které mají dostatečně vysokou energii a správnou prostorovou orientaci.
• Délka vazby = vzdálenost jader atomů vázaných v molekule.

Chemická reakce

Děj, při němž zanikají vazby mezi atomy v molekulách výchozích látek (reaktantů) a vytvářejí se vazby nové v molekulách produktů.

Veličiny

Látkové množství (n)

Charakterizuje množství částic v látce.

• Jednotkou je mol.
• Vzorek látky má látkové množství = 1 mol, obsahuje-li právě tolik částic, kolik je ve 12 g čistého nuklidu uhlíku ¹²C.
• Avogadrova konstanta (N_A) – udává počet částic odpovídající n = 1 mol.

N_A = 6,023 × 10²³ mol^-1

n = N / N_A

Molární hmotnost (M)

Hmotnost 1 molu látky, [g·mol^-1]

M = m / n

Molární objem (V_m)

Objem 1 molu látky, [dm³·mol^-1]

V_m = V / n

Pro plyny při normálním tlaku a teplotě V_m = 22,414 dm³·mol^-1

Hmotnostní atomová konstanta (μ)

Hmotnost atomu nuklidu uhlíku ¹²C

μ = 1,66 × 10^-27 kg

Relativní atomová hmotnost (A_r)

Udává, kolikrát je hmotnost atomu X větší, než μ, číslo je bezrozměrné!

A_r(X) = m(X) / μ

Relativní molekulová hmotnost (M_r)

Udává, kolikrát je hmotnost molekuly Y větší, než μ, číslo je bezrozměrné!

M_r(Y) = m(Y) / μ

Hmotnostní zlomek (w_A)

Udává, jaký díl z celkové hmotnosti soustavy m tvoří látka A, získáme %

w(A) = m(A) / m

Objemový zlomek (φ_A)

Udává, jaký díl z celkového objemu soustavy V tvoří látka A, získáme %

φ(A) = V(A) / V

Látková koncentrace (c)

Vyjadřuje látkové množství rozpuštěné látky v 1 dm³ roztoku, [mol·dm^-3]

c(A) = n(A) / V

Hmotnostní koncentrace (c_m)

Vyjadřuje hmotnost rozpuštěné látky v jednotkovém objemu rozpouštědla.

c_m(A) = m(A) / V

Hustota (ρ)

ρ = m / V

ρ = M / V_m

Směšovací rovnice

m₁ * w₁ + m₂ * w₂ = (m₁ + m₂) * w