Atomy, molekuly, látky – maturitní otázka z chemie

 

   Otázka: Atomy, molekuly, látky

   Předmět: Chemie

   Přidal(a): Jirka

 

Základní chemické pojmy

Hmota

• dualistický charakter (vlnový a částicový)
• všechny objekty a jevy, které existují kolem nás a působí přímo nebo nepřímo (pomocí přístrojů) na naše smysly
• dělí se na 2 formy:
  1. pole (elektrické, magnetické, gravitační,…)
     • zprostředkovává vzájemné působení částic látek, těles
     • převládá vlnový charakter
     • nejlépe prozkoumané elektromagnetické pole
  2. látky
     • částicový charakter
     • velké soubory základních stavebních částic (atomů, iontů, molekul) seskupených do celků, které vnímáme jako konkrétní objekty (tělesa)
     • liší se druhem základních stavebních částic a jejich vzájemným uspořádáním – strukturou
     • vlastnosti se projevují při dějích:
       • děj fyzikální – nemění se kvalita látky (rozpouštění, zahřívání, sublimace)
       • děj chemický – mění se podstata látky (oxidace železa: 4Fe + 3O₂ → 2Fe₂O₃)

 

Látky – dělíme podle různých charakteristik:

• podle skupenství:
  1. pevné (ruda,…)
  2. kapalné (voda,…)
  3. plynné (CO₂, N₂, O₂,…)
  4. plazma (ionizovaný plyn za vysoké teploty a tlaku)
• podle původu:
  1. přirozené (uhlí, ropa, dřevo,…)
  2. syntetické (silon, polyethylen, polystyren,…)
• podle toho, ze kterých částic jsou složeny:
  1. chemicky čistá látka (chemická individua)
     • je tvořena stejnými částicemi (atomy, molekulami, skupinami iontů)
     • má stálé charakteristické vlastnosti (teplota tání (T_t), teplota varu (T_v), hustota (ρ),…)
     • lze ji zapsat vzorcem (značkou) a názvem
     • dělí se na:
       1. prvek – chemicky čistá látka složená z atomů se stejným protonovým číslem
       2. sloučenina – chemicky čistá látka složená ze stejných molekul vzniklých sloučením 2 nebo více různých atomů (z atomů více prvků)

 

1. směs
   • soustava složená z několika různých chemicky čistých látek
   • nelze ji vyjádřit vzorcem
   • hodnoty fyzikálních veličin jsou proměnlivé – závislé na složení směsi
   • dělí se na:
     1. homogenní
        • velikost částic menší než 10^-9 m
        • plyny, vzduch, pravé roztoky
     2. koloidní
        • velikost částic mezi 10^-7 – 10^-9 m
        • koloidní roztok, roztok bílku ve vodě, tělní tekutiny, želatina
     3. heterogenní
        • velikost částic větší než 10^-7 m
        • voda + písek, suspenze (pevná látka rozptýlená v kapalině), emulze (kapalina rozptýlená v kapalině, vzájemně samovolně se nesměšují), pěna (plynná látka rozptýlená v kapalině), aerosol (pevná látka rozptýlená v plynu = dým, nebo kapalina rozptýlená v plynu = mlha)

 

Soustava látek

• vymezená část prostoru, oddělená od okolí stěnami (skutečnými či pomyslnými)
• dělení soustav:
  1. otevřená soustava – mezi soustavou a okolím dochází k výměně částic i energie
  2. uzavřená soustava – dochází pouze k výměně energie
  3. izolovaná soustava – nevyměňuje se ani energie ani částice

 

jiné dělení:

1. homogenní (stejnorodé)
   • jednotlivé částice nejsou viditelné okem, lupou ani mikroskopem
   • voda + cukr, voda + skalice
2. heterogenní (různorodé)
   • nemá ve všech částech stejné vlastnosti
   • jednotlivé částice lze pozorovat
   • voda + křída, voda + písek, voda + hřebík

 

Atom

• částice hmoty složená z atomového jádra a elektronového obalu

• protonové číslo (Z):
  • udává počet protonů v jádře i počet elektronů v obalu
  • udává pořadí prvku v PSP (periodická soustava prvků)
• nukleonové číslo (A):
  • udává počet nukleonů (je to společný název pro proton a neutron) v jádře (protonů + neutronů)
• neutronové číslo (N):
  • udává počet neutronů v jádře
• X – značka prvku:

  • X_z^A

 

Molekula

• částice složená ze 2 nebo více atomů spojených chemickou vazbou
  • molekuly stejného prvku
    • dvouatomová molekula (H₂, O₂, Cl₂, N₂)
    • tříatomová molekula (O₃ – ozon)
    • čtyřatomová molekula (P₄)
    • osmiatomová molekula (S₈)
  • molekuly z různých prvků, např. H₂O – složená z vodíku a kyslíku

 

Nuklid – látka složená z atomů se stejným nukleonovým (A) i protonovým (Z) číslem

 

Izotopy

• atomy (prvky) mající stejné protonové číslo (Z) a jiné nukleonové číslo (A)=> liší se počtem neutronů
• např. izotopy vodíku:
  • (lehký vodík, protium)
  • (těžký vodík, deuterium)
  • (super těžký vodík, tritium, umělý)

Izobary

• látky, jejichž atomy obsahují jádra o stejném nukleonovém, ale různém protonovém čísle

• ¹¹²₄₈Cd, ¹¹²₅₀Sn

• ¹²²₅₀Sn, ¹¹²₅₂Te

 

Izotony – prvky se stejným počtem neutronů v jádře

 

Izomery

• atomy stejného prvku lišící se energií
• ²²⁶₈₈Ra, ²²⁶₈₈Ra + záření E (energie)

 

Ion

• částice mající elektrický náboj
  • kation – částice s kladným nábojem (např. Fe³⁺), vzniká odtržením 1 nebo více valenčních elektronů od elektroneutrálního atomu, velikost náboje a jeho znaménko + se značí arabskou číslicí, indexem vpravo nahoře

H – e^– → H⁺

Fe – 3e^– → Fe³⁺

• anion – částice se záporným nábojem (např. O^2-), vzniká přijetím 1 nebo více valenčních elektronů k elektronegativnímu atomu

Cl + e^– → Cl^–

O + 2e^– → O^2-

 

Složení a struktura atomu

Historie

• řecky atomos = nedělitelný
  • Leukippos, Démokritos
• řečtí filosofové (4. st. př. n. l.)
• za základ všech objektů považovali nepatrné, nezničitelné a dále nedělitelné částečky = atomy, které jsou neustále v pohybu a svým seskupováním vytvářejí vše, co nás obklopuje
• předpokládali, že základem je složení látek, ze kterých lze vlastnosti látek odvodit
  • Platón, Aristotelés
• řečtí filosofové (4. st. př. n. l.)
• rozhodující jsou vlastnosti látek a jim se podřizuje stavba látek (špatně)
• jejich učení ovlivnilo středověkou alchymii (neúspěšnost snažení alchymistů, např. v přípravě zlata a stříbra, vedla v dalším vývoji chemie k uznání stavby látek jako základu, na němž jsou závislé vlastnosti látek)
  • – 19. století
• postupný rozvoj kvantitativní chemie dává za pravdu starověkým atomistům
• V. Lomonosov, A. L. Lavoisier, A. Avogadro, J. J. Berzelius
  • 1803 – angličan John Dalton formuluje atomovou teorii:
    1. Prvky jsou složeny z velmi malých nedělitelných částeček – atomů. Atomy jednoho prvku jsou stejné, atomy různých prvků se liší svými vlastnostmi.
    2. V průběhu chemické reakce dochází k přeskupování atomů, aniž by se přitom atomy měnily, vznikaly či zanikaly.
    3. Spojováním (slučováním) atomů 2 nebo více prvků vznikají molekuly určité chemické sloučeniny. V určité sloučenině připadá na atom jednoho prvku vždy stejný počet atomů jiného prvku.

→ předpoklady 2 a 3 platí dodnes

 

2 → zákon zachování hmotnosti (1748 Lomonosov): hmotnost reaktantů se rovná hmotnosti produktů

3 → zákon stálých poměrů slučovacích (1799 Proust): prvky se slučují v určitých stálých hmotnostních poměrech (H₂O – 2:16, NH₃ – 14:3), který je nezávislý na způsobu přípravy sloučeniny

 

Stavba atomu

• atom se skládá z atomového jádra a elektronového obalu
• v atomovém jádře se nacházejí nukleony – kladně nabité protony a elektroneutrální neutrony
• v elektronovém obalu se nacházejí záporně nabité elektrony
• hmotnost protonu a neutronu je přibližně stejná, hmotnost elektronu je přibližně 1840x menší → veškerá hmotnost atomů je soustředěna prakticky v jádře
• mezi kladně nabitými protony v jádře a záporně nabitými elektrony v obalu působí elektrostatické síly
• kladně nabité protony a elektroneutrální neutrony jsou v jádře vázány velmi silnými jadernými silami
• poloměry:
  • r (atomu) = 10^-10 m
  • r (jádra) = 10^-14 – 10^-15 m

jádro je asi 100 000x menší než celý atom

pro představu: jestliže by atomové jádro představovalo malou kuličku o průměru 1 cm, pak by celý atom byla koule o průměru 1 000 m

(jestliže bychom zvětšili atom na velikost tenisového míčku, museli bychom přibližně ve stejném poměru zvětšit tenisový míček na velikost Země)

 

Částice	Objevitel (rok)	Hmotnost (kg)	Náboj (C)	Symbol
Proton	Rutherford (1920)	1,672 .10-27	+ 1,6 . 10-19	p+ nebo 11p
Neutron	Chadwick (1932)	1,674 .10-27	0	n0 nebo 10n
Elektron	Thomson (1897)	9,109 . 10-31	– 1,6 . 10-19	e– nebo 0-1e

 

Stabilita atomového jádra:

• veličina charakterizující stabilitu jader
• vazebná energie jádra E_V
  • energie, která se uvolní při vzniku jádra z jednotlivých nukleonů, nebo kterou je třeba dodat k rozštěpení jádra na jednotlivé nukleony
  • ke srovnání stability jader je třeba znát celkovou E_V, ale i vazebnou energii vztahující se na 1 nukleon v jádře
    • stabilita jader je větší
  • atomová jádra s nukleonovými čísly 30-130 jsou poměrně stálá, atomová jádra s nukleonovými čísly příliš malými nebo příliš velkými jsou méně stabilní

 

Modely atomu

Mají lidem zpřístupnit, jak vypadá atom (snaží se zachytit podstatu).

 

Thomsonův (pudinkový) model atomu (konec 19. st.)

• předpokládal, že atom je tvořen rovnoměrně rozloženou kladně nabitou hmotou (pudink), ve kterém jsou rozptýleny záporně nabité částice (jako rozinky v pudinku)

 

Rutherfordův (planetární) model atomu (začátek 20. st.)

• atom složen z kladně nabitého hutného jádra, kolem kterého obíhají záporně nabité elektrony obdobně jako planety obíhají kolem Slunce (atom má stejný počet kladných a záporných nábojů)
• zásadní nedostatky: podle všech známých zákonů by elektricky nabité těleso (elektron) obíhající po kruhové či eliptické dráze muselo vysílat elektromagnetické vlnění, čímž by ztrácelo energii a ve velmi krátkém času by se všechny elektrony spirálovitě zřítily do atomových jader
• zásadní problémy Rutherfordova modelu překonala až nová kvantová teorie, podle které je elektromagnetické vlnění vysíláno i pohlcováno po tzv. kvantech → Bohrův model atomu

 

Bohrův model atomu (1913)

• elektrony obíhají atomové jádro jen po určených stacionárních dráhách
• elektron může přijímat nebo vyzařovat energii při přeskoku z jedné energetické hladiny do druhé (energie je vyzařována a pohlcována po kvantech)

 

Kvantově mechanický model atomu (20. léta 20. st.)

• vznikl na základě de Broglieho teorie částicových vln a následné Schrödingerovy práce, ve kterých představil tzv. Schrödingerovu rovnici, podle které elektron (stejně jako všechny ostatní částice) není popisován jako hmotný bod, ale jako vlnová funkce definující pravděpodobnosti výskytu elektronu v různých místech prostoru (tzv. pravidelné eliptické dráhy Bohrova modelu nahrazeny neostře definovanými oblastmi, kde se elektron s určitou pravděpodobností nalézá – orbitaly)

 

Hmotnosti atomů a molekul

Hmotnost látek (m)

• důležitá charakteristika chemických látek, umožňuje určit i kvantitativní zákonitosti přeměn výchozích látek v produkty
• hmotnosti atomů a molekul v rozmezí 10^-27 – 10^-24 kg (velice malé) např.:
  • m (¹H) = 1,673 55 ∙ 10^-27 kg
  • m (¹²C) = 1,992 67 ∙ 10^-26 kg
  • m (O₂) = 53,118 ∙ 10^-27 kg
• → počítání s malými hodnotami hmotností atomů a molekul je nepraktické, proto se častěji v chemii používají jejich relativní nebo molární hmotnosti

 

Relativní atomová hmotnost prvku (A_r (X))

• je definována jako poměr klidové hmotnosti atomu tohoto prvku m (X) a atomové hmotnostní konstanty m_u
• atomová hmotnostní konstanta m_u je definována jako jedna dvanáctina hmotnosti atomu nuklidu uhlíku

m_u=(m ((_6^12)C))/12=(1,992 67∙〖10〗^(-26) kg)/12=1,660 57∙〖10〗^(-27) kg

m_u=1,66∙〖10〗^(-27) kg

A_r (X)=(m (X))/m_u

 

Příklad:

• Určete relativní atomovou hmotnost nuklidu vodíku ¹

 

A_r ((_ ^1)H )=(m ((_ ^1)H))/m_u =(1,673 55∙〖10〗^(-27) kg)/(1,660 57∙〖10〗^(-27) kg)
A_r ((_ ^1)H )=1,007 82

 

• relativní atomová hmotnost (A_r (X)) je bezrozměrná veličina; udává, kolikrát je hmotnost atomu X vetší než m_u
• relativní atomová hmotnost prvku složeného z několika izotopů je dána poměrem klidové hmotnosti atomů prvku (výpočet ze stálého zastoupení jednotlivých izotopů) a atomové hmotnostní konstanty
• hodnoty A_r (X) jsou uvedeny v periodické soustavě prvků (PSP)

 

Relativní molekulová hmotnost (M_r (Y))

• je definována jako poměr klidové hmotnosti příslušné molekuly m (Y) a atomové hmotnostní konstanty m_u

 

M_r (Y)=(m (Y))/m_u

• relativní molekulová hmotnost M_r (Y) je bezrozměrná veličina; udává, kolikrát je hmotnost molekuly větší než m_u
• M_r (Y) je rovna součtu relativních atomových hmotností všech atomů, z nichž se molekula dané sloučeniny skládá

 

Příklad:

• M_r (H₂SO₄) = 2∙A_r (¹H) + A_r (³²S) + 4∙A_r (¹⁶O)

M_r (H₂SO₄) = 2∙1,01 + 32,06 + 4∙16

M_r (H₂SO₄) = 98,08

 

• M_r (H₂O) = 2∙A_r (¹H) + A_r (¹⁶O)

M_r (H₂O) = 2∙1,01 + 16

M_r (H₂O) = 18,02

 

Další příklady:

M_r (Ca₃(PO₄)₂) = 3∙A_r + 2∙A_r  + 8∙A_r

M_r (Ca₃(PO₄)₂) = 3∙40,08 + 2∙30,97 + 8∙16

M_r (Ca₃(PO₄)₂) = 310,18

 

Látkové množství

• z chemického hlediska se srovnává množství látek na základě počtu jejich atomů, iontů nebo molekul, protože ty spolu v určitém poměru reagují
• k vyjádření počtu částic v látce je zavedena veličina látkové množství n; jednotka mol (základní jednotka SI)
• Mol – je takové látkové množství soustavy, které obsahuje právě tolik částic (atomů, molekul, iontů), kolik je atomů uhlíku v 0,012 kg nuklidu uhlíku
• Podle současných měření: v 0,012 kg je 6,023*10²³ atomů uhlíku , tento počet se označuje jako Avogadrova konstanta – N_A

 

n=N/Na

N_A = 6,023∙10²³ mol^-1

 

Příklady:

• 1 mol atomů kyslíku obsahuje 6,023∙10²³ atomů kyslíku?

ANO

n = 1 mol

N_A = 6,023∙10²³

N = n∙N_A

N = 1∙6,023∙10²³ částic

 

• Kolik molekul kyslíku obsahují 2 moly molekul kyslíku?

N = n∙N_A

N = 2∙6,023∙10²³

 

Molární hmotnost (M)

• jednotka – kg∙mol^-1, g∙mol^-1
• molární hmotnost atomů – M (X), molární hmotnost molekul – M (Y)
• je definovaná jako podíl hmotnosti atomů (molekul) a látkového množství

 

M (X)=(m (X))/n

M (Y)=(m (Y))/n

n=m/M

 

A_r (Cu) = 63,55

M (Cu) = 63,55 g∙mol^-1

M_r (CO₂) = 44,01

M (CO₂) = 44,01 g∙mol^-1

 

• je-li molární hmotnost určitých atomů (molekul) v jednotkách g∙mol^-1, pak je číselná hodnota rovna relativní atomové hmotnosti (relativní molekulové hmotnosti) Mr

 

Molární objem (V_m)

• jednotka – dm³∙mol^-1
• je definován jako podíl objemu soustavy V určité chemické látky a jejího látkového množství

 

V_m=V/n

n=V/V_m

 

• molární objem látky se mění se změnou teploty a tlaku
• za normálních podmínek (tj. tlaku 101,325 kPa a teploty 0 °C) pro ideální plyn platí:

V_m = 22,41 dm³∙mol^-1

 

Obecně platí: Molární hmotnost (objem) je hmotnost (objem) 1 molu dané látky.