ZÁKLADY CHEMIE A EKOLOGIE

Transkript

1 OBCHODNÍ AKADEMIE ORLOVÁ ZÁKLADY CHEMIE A EKOLOGIE U Č EBNÍ TEXT PRO DISTANČ NÍ FORMU VZDĚ LÁVÁNÍ PETR KUDLÁ Č EK VÁCLAV SVOBODA Znojmo 2006

2

3 Obsah 1. Stať Kapitola 1 Kapitola 2 Kapitola 3 Kapitola 4 Kapitola 5 Kapitola 6 Kapitola 7 Kapitola 8 Kapitola 9 Kapitola 10 Chemie a její význam Stavba, složení a struktura atomu Chemické symboly a periodická soustava prvků Chemické vzorce a názvosloví anorganických sloučenin Chemické děje, reakce a rovnice Výpočty koncentrace Základní charakteristika a skupiny anorganických látek Složení a vlastnosti organických sloučenin Uhlovodíky a jejich deriváty Základy života na Zemi a ekologie biodiverzita - rozmanitost života Kapitola 11 Obecná ekologie 2. Závěr 3. Literatura 3

4 Kapitola 1: Chemie a její význam? Cíle: po prostudování této kapitoly budete umět - definovat základní pojmy a druhy chemických věd - rozlišovat základní skupiny látek - vyjmenovat základní rysy chemické výroby - vybrat čistící postupy dle povahy látek ve směsi - vybrat vhodné jakostní ukazatele Hodinová dotace: 2 hodiny Klíčová slova chemie, chemická látka, atom, prvek, sloučenina Tato první kapitola by měla odpovědět na otázky, co to chemie je, jaké má obory, jaký je charakter a význam chemické výroby. Kdo z nás se s ní denně nesetkává? Můžete to říci Vy? Chemie tu prostě je a tuto skutečnost musíme akceptovat. Vzhledem k šíří uplatnění chemických látek v našem životě nikomu z nás neuškodí něco o ní vědět. K tomu je třeba připomenout několik základních pojmů, se kterými se budeme setkávat. Hmota kolem nás má 2 formy: látka (př.hornina, minerál, těla organismů) a pole (záření, silová působení). Pole je forma hmoty, kterou se zabývá fyzika. V chemii se budeme zabývat látkami. Chemie je přírodní, experimentální věda o látkách, o jejich vnitřní struktuře a vlastnostech, o jejich reakcích a jevech, které průběh těchto reakcí doprovázejí. Chemická látka - soubor částic určitých chemických a fyzikálních vlastností, který se čištěním nemění (např. voda). Atom je elektricky neutrální stavební částice látek (nedělitelná chemickými metodami). Atom se skládá z kladného jádra a záporně nabitého obalu. Prvek látka složená z atomů o stejném protonovém čísle (počet neutronů může být různý) např.vodík, síra, sodík atd. Sloučenina látka složená v určitém poměru z nejméně dvou prvků vázaných chemickou vazbou. Chemie je věda natolik obsáhlá, že se větví na řadu oborů. My se pro lepší orientaci v oboru zmíníme alespoň o některých z nich: Obecná chemie se zabývá teoretickými základy, zákonitostmi stavby látek a dějů, vztahy mezi vlastnostmi látek a jejich vnitřní strukturou Anorganická chemie je věda o chemických prvcích a jejích sloučeninách Organická chemie je věda o sloučeninách uhlíku Biochemie se zabývá látkami a chemickými ději v živých organismech Makromolekulární chemie je věda o vysokomolekulárních látkách a reakcích její přípravy Fyzikální chemie zkoumá fyzikálními metodami zákonitosti chemické vazby, mechanismus a energetické poměry chemických reakcí 4

5 Analytická chemie se zabývá rozbory látek: kvalitativní zjišťuje, které chemické látky a kvantitativní zkoumá množství přítomné látky Technická chemie je zaměřena na potřeby chemické výroby (petrochemie, potravinářská chemie...) Už jsme řekli, že se budeme zabývat chemickými látkami. Známe jich již milióny a snad nikdy nebudeme moci říci, že známe všechny. Látky proto dělíme podle: - skupenství (pevné..., kapalné..., plynné...) - původu (přírodní a umělé) - složení: chemické látky (prvky a sloučeniny) směsi homogenní a nehomogenní Úkol: Zamyslete a pro sebe si uveďte 3 příklady pro rozdělení dle skupenství a dle původu. Není to nic těžkého. Prvek je látka složená z atomů o stejném protonovém čísle (počet neutronů může být různý) např.vodík, síra, sodík atd. Dělí se na prvky nepřechodné, přechodné a vnitřně přechodné nebo na nekovy, kovy a polokovy. Sloučenina je látka složená v určitém poměru z nejméně dvou prvků vázaných chemickou vazbou. Rozlišujeme sloučeniny anorganické (např.chlorovodík HCl), a organické (např.acetylén C 2 H 2 ). Dále je členíme na sloučeniny 2-prvkové (binární)- např.amoniak NH 3, 3-prvkové(ternární)-např.glukóza C 6 H 12 O 6, a víceprvkové-například hydrogenuhličitan sodný NaHCO 3. Směs je látka obsahující 2 nebo více složek, které je možno oddělit fyzikálními metodami. Úkol: Definujte pojmy atom, prvek, sloučenina, směs! Dle složení rozlišujeme: Homogenní směs má stejné vlastnosti ve všech svých částech, jedno skupenství (částice menší než 10-9 m), příklady roztoky solí vzduch. Heterogenní směs se skládá ze dvou, případně více homogenních oblastí (fází). Částice větší než 10-7 m). Místy různé fyzikální vlastností nebo i skupenství. Příkladem je například beton. Fáze je homogenní část soustavy, oddělená od ostatních částí rozhranním, na kterém se vlastnosti mění skokem. Příklady směsi 2 prášků, směs 2 nemísitelných kapalin. Disperze je směs hrubších částic, které se usazují Aerosol je např. mlha (kapalina v plynu), kouř (pevná látka v plynu) Emulze je směs nemísitelných kapalin (mléko, olej a voda) Suspenze je pevná látka rozptýlená v kapalině (vápenné mléko, kompot) Pěna je plyn rozptýlený v kapalině (šlehačka, mýdlová pěna) Koloidy jsou směsi jemnějších částic, které se neusazují 5

6 Příklad - vaječný bílek, zmrzlina, gelovitá zubní pasta Úkoly: Definujte pojmy disperze a koloidy! Rozhodněte mezi jaké směsi zařadíte - polévku masový vývar? - roztok cukru ve vodě? - roztok želatiny? CHEMICKÁ VÝROBA A VÝROBKY Chemické látky jsou všude kolem nás a i v nás. Řadu z nich si pro své potřeby vyrábíme. Pokuste si zformulovat odpovědi na otázky - Čím se liší chemická výroba a výrobky od ostatních hospodářských výrob a produktů? Jaké jsou její typické znaky a výrobní pochody? CHEMICKÁ VÝROBA je výroba s látkovou přeměnou surovin. Zahrnuje průmysl - chemický, farmaceutický, potravinářský, sklářský, keramický, hutních a stavebních materiálů. Jako suroviny používá vodu, vzduch, ropu, plyn, rudy, kaolín, písek, hlíny a jíly, vápenec a další. Chemické výrobky vznikají hlubokou látkovou přeměnou výchozích surovin, kdy se výrazně mění vlastnosti látek. Chemické procesy vyžadují udržování přesných teplotních a tlakových podmínek, proto většinou probíhají v reaktorech (důvodem i jedovaté látky). Typické znaky chemické výroby: 1. nepřetržitost 2. hromadnost 3. využití automatizace a velkých kombinátů 4. využití bezodpadových technologií 5. současné výroby několika výrobků 6. náročnost na kvalitu konstrukčních materiálů 7. regenerace katalyzátorů Základní výrobní pochody Chemická reakce umožňuje vznik produktu. Chemické reakce (jako např.neutralizace, oxidace, redukce, adice, substituce) probereme dále. Izolace surových produktů (např. extrakce olejů ze semen) Čištění surových produktu (krystalizace, destilace, sublimace) Výroba značkového zboží (promíchání, rozpouštění a emulgace složek) ČIŠTĚNÍ LÁTEK provádíme různými metodami. Výběr metody závisí např. na skupenství směsi, na druhu, počtu a vlastnostech složek (např. měrná hmotnost, teplota varu či tání) Plavení je dělení pevné složky ve vodě nerozpustných, proud vody odplavuje lehčí složku(au-písek) Usazování(sedimentace) je oddělení jemně rozptýlené látky o vyšší hustotě z kapaliny(čištění vody) Filtrace je oddělení jemně rozptýlené látky z kapaliny či plynu Destilace je dělení směsi látek s různou teplotou varu(vzduch, ropa, dehet, destilovaná voda) Vytavování je oddělení složek s odlišnou teplotou tání(síra od hlušiny) Sublimace je přečištění pevné látky, které se při zahřátí mění v plyn (jód) Extrakce oddělení složky dle rozdílné rozpustnosti v daném rozpouštědle 6

7 Krystalizace oddělení složek s odlišnou teplotou krystalizace nebo mírou nasycenosti v roztoku (např. sůl v roztoku) Úkol: Která metoda se používá při výrobě slivovice? Sortiment chemických výrobků je velmi široký. Je to dáno výrobky různého složení, vlastnostmi a použitím. Proto je vhodné rozdělit si je podle základních kritérií. Dělení chemických výrobků dle objemu(v jednotkách kg/1 obyvatele za rok): výrobky základní (nejméně 2kg) = výrobky široké spotřeby s trvale vysokým odbytem - kyseliny, hydroxidy, soli, hnojiva, motorová paliva, plasty a rozpouštědla výrobky speciální(do 2kg.) jsou výrobky drahé, s velkým ekon.přínosem např. anorganika (katalyzátory, analytika) organika (barviva, výbušniny, pesticidy, léčiva a fotochemikálie) Dělení dle určení: materiální základna uvnitř odvětví technické plyny, kyseliny, hydroxidy polotovary pro další odvětví plasty, rozpouštědla, kaučuk, soda finální výrobky - malá část - kosmetika, chemie pro domácnost, léčiva V obchodě je nejdůležitější značkové chemické zboží ( takové, kdy název nevystihuje přítomnou chemikálii ). Patří sem látky čistící, mycí a leštící, kosmetické, konzervační a desinfekční např.lepidla, nátěry a autokosmetika. Dělení dle jakosti: Jakost je velice důležitým ukazatelem u všech výrobků a tedy i chemických. Jakost chemických výrobků a její ukazatele Jakost se kontroluje chemickým rozborem výrobku = kvantitativní analýza 4 skupiny jakosti - dle čistoty, funkčních vlastností a forem zpracování, podle potřeby trhu jsou dva ukazatele: obsah nečistot a obsah základní látky Skupiny látek: I - zvláště čisté a II chemicky čisté, pro analýzu a čisté (např. pro laboratoře) - ukazatelem je obsah nečistot (v %,, tisíciny %) III technické IV chemické suroviny postačí obsah základní látky (v %) Pro značkové zboží jsou hlavními ukazateli obsah účinné látky (př.aktivní chlór u desinfekčních prostředků) nebo funkční vlastnosti (toxická účinnost u pesticidů, mycí účinnost, trvanlivost vůně...) Úkoly: Vyberte základní jakostní ukazatel pro technickou kyselinu sírovou! Vyjmenujte základní druhy dělení chemických výrobků! 7

8 Shrnutí: Chemie je přírodní, experimentální věda o látkách, o jejich vnitřní struktuře a vlastnostech, o jejich reakcích a jevech, které průběh těchto reakcí doprovázejí. Mezi chemické vědy patří obecná chemie, anorganická a organická chemie, biochemie, makromolekulární, fyzikální a technická chemie. Chemická výroba je výroba s látkovou přeměnou surovin. Základní výrobní pochody jsou chemická reakce, izolace a čistění surových produktů. Mezi čistící metody patří např. plavení, usazování, filtrace destilace, vytavování, sublimace, extrakce a krystalizace. Sortiment chemických výrobků je velmi široký. Je to dáno výrobky různého složení, vlastnostmi a použitím. Proto je vhodné rozdělit si je podle základních kritérií. Chemické výrobky dělíme nejčastěji dle objemu, dle určení a dle jakosti. Ukazatelem jakosti je nejčastěji procento nečistot nebo procento čisté látky. Správná řešení: Mezi jaké směsi zařadíte : Masový vývar? - emulze Roztok cukru ve vodě? - homogenní roztok Roztok želatiny? - koloidní roztok Jakostní ukazatel pro technickou kyselinu sírovou je % základní látky. Základní druhy dělení chemických výrobků jsou dle objemu výroby, dle určení a dle jakosti! Při výrobě slivovice použijeme metodu destilace. 8

9 Kapitola 2 Stavba, složení a struktura atomu Cíle: po prostudování této kapitoly budete umět - vyjmenovat a definovat základní pojmy stavby atomu - charakterizovat elementární částice atomu - rozlišovat kvantová čísla - použít pravidla pro výstavbu elektronového obalu (po tutoriálu) Hodinová dotace: 2 hodiny Klíčová slova: Atomové jádro a obal, orbital, proton, neutron, elektron Chemické látky se liší v mnoha vlastnostech, které mají původ ve stavbě atomu, jeho složení a struktuře. Pojďme se s nimi trochu seznámit. Atomové jádro je vnitřní část atomu a soustřeďuje téměř všechnu hmotnost. Jádro se skládá z protonů a neutronů, má kladný náboj. Atomový obal je vnější část atomu tvořená elektrony, má záporný náboj. Orbital je prostor(oblast) kolem atomového jádra, v němž se s nejvyšší pravděpodobností (větší než 95%) vyskytují elektrony. Orbital může obsahovat jeden, nanejvýš dva e-, popř. může být prázdný(vakantní orbital). Degenerované orbitaly mají stejnou energii (tedy stejnou hodnotu n+l) a liší se orientací v prostoru (tedy v čísle magnetickém). Molekulový orbital MO je prostor, kde se s vysokou pravděpodobností pohybuje elektron. Vytvořením vazebného MO se celková energie snižuje. Elementární částice proton, neutron, elektron jsou stavební prvky atomu. Značíme je indexy 1 1p, 1 0n, 0-1e- (horní index udává relativní hmotnost, dolní index udává relativní náboj). Elektronegativita je schopnost atomu přitahovat elektrony chemické vazby Hmotnost elektronu je cca 1840x menší než protonu. Hmotnost protonu a neutronu zhruba stejná (cca 1, kg). Relativní náboj elektronu je -1 a protonu +1 (velikost elementárního náboje je 1, C). Symbol prvku X s vyznačenými čísly Z = protonové číslo udává počet protonů (i elektronů u elektronegativního atomu) A = nukleonové číslo udává počet nukleonů (= počet protonů a neutronů) Počet neutronů získáme odečtením A Z Prvek je látka, jejíž jádro má stejný počet protonů (počet n může být různý). Nuklid je látka z atomů, jejichž jádra mají stejný počet protonů i neutronů Izotopy jsou nuklidy jednoho prvku, které mají různý počet nukleonů V případě izotopů se pak setkáváme s pojmem radioaktivita. 9

10 Radioaktivita je schopnost atomových jader se rozpadat a přitom vysílat záření (proud neutronů, héliových jader, elektronů a gama záření) Radioaktivní izotopy jsou izotopy s krátkou dobou poločasu rozpadu Poločas rozpadu je doba, za kterou se rozpadne polovina hmotnosti látky Rozdělili jsme si celek atomu na 2 základní části. Podstatně hmotnější jádro je nositelem vlastností jako je například hmotnost a radioaktivita. Elektronový obal nepatrné hmotnosti se potom projevuje ve vlastnostech jako je např. mocenství prvků, reaktivita a počet utvářených vazeb. Jádro je drženo pohromadě silami krátkého dosahu, které však musí být schopné kompenzovat odpuzující síly kladných nábojů. Stabilita jader může být vysoká, ale i nízká a v tomto případě se rozpad atomových jader projevuje radioaktivitou. Elektrony jsou podstatně méně hmotné částice pohybující se vysokou rychlostí v prostorech zvaných orbitaly, v každém z nich mohou být současně maximálně dva elektrony. Jak znázornit takový orbital? Na následujících obrázcích vidíme orbitaly s, p a 2 typy d. K popisu elektronu a orbitalu užíváme kvantová čísla. Orbitaly zapisujeme pomocí číslic+písmen a znázorňujeme je rámečky, v nichž jsou přítomnost elektronu a jeho spinové číslo vyznačeny pomocí šipky (protože značení prostorových tvarů je náročné a zdlouhavé). Hlavní kvantové číslo n rozhoduje o energii e - (i velikosti orbitalu) a rovněž o jeho vzdálenosti od jádra (určuje el.vrstvu, do které e - patří). Nabývá hodnot 1-7. Čím vyšší je číslo, tím roste vzdálenost a energie e-. Vedlejší kvantové číslo l společně s hlavním kvantovým číslem určuje energii elektronu a rozhoduje o tvaru orbitalu. Nabývá hodnot od 0 po n-1. Pro l=0 tvar s, pro l=1 tvar p, pro l=2 tvar d, pro l=3 tvar f. Magnetické kvantové číslo m vyjadřuje tvar orbitalu a současně určuje celkový počet orbitalů daného typu. Nabývá hodnot od -l,+l včetně nuly. Spinové kvantové číslo s charakterizuje chování e - v orbitalu a může nabýt hodnot ±1/2. Úkol: Rozhodněte, které kvantové číslo rozhoduje o energii e-. Pokud si nejste zcela jisti, přečtěte si opět předchozí řádky. Zjistíte, že o energii e- rozhodují čísla dvě čísla hlavní a vedlejší. Zápis orbitalů pomocí rámečků provádíme dle následujících zásad: - všechny orbitaly mají stejně velké rámečky - degenerované orbitaly mají rámečky spojené do 1 celku (p 3rámečky, d 5 rámečků, f 7 rámečků) 10

11 - jednotlivé elektrony znázorňujeme pomocí šipek v rámečku (zde na příkladu elektronové konfigurace kyslíku) 1s 2 2s 2 2p 6 Zápis orbitalů pomocí číslic a písmen např. 1s 2 - první číslice udává hodnotu hlavního kvantového čísla n - písmeno typ degenerovaného orbitalu - exponent počet e- v daných degenerovaných orbitalech Obecně platí, že elektron v atomu se snaží zaujmout stav o min.energii!!! Pravidla výstavby elektronových obalů atomů (pro zaplňování orbitalů) 1. Pauliho princip v každém orbitalu mohou být max. 2 elektrony s opačným spinem (liší se pouze spinovým číslem) 2. Hundovo pravidlo odpovídá na otázku způsobu obsazení orbitalů se stejnou energií v degenerovaných orbitalech vznikají e- páry teprve po zaplnění každého orbitalu jedním e-. Všechny nespárované e- mají stejný spin. 3. Výstavbový princip orbitaly se zaplňují v pořadí stoupající energie! Pravidlo n+l orbitaly s nižší hodnotou energie (hodnota součtu n+l) se zaplňují dříve. V případě rovnosti součtu se zaplňují dříve orbitaly s menší hodnotou hlavního kvantového čísla. Pořadí orbitalů dle stoupající energie 1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d, 4p, 5s, 4d.. Obecně platí: počet orbitalů v každé vrstvě obalu je dán vztahem n 2 a max.počet e - ve vrstvě je dán vztahem 2n 2. Valenční e- mají největší vliv na vlastnosti prvků, mají nejvyšší energii. Valenční e- má atom prvku maximálně ve 2 typech orbitalů navíc oproti konfiguraci předcházejícího vzácného plynu. Počet valenčních e- ovlivňuje reaktivitu prvku. Základní prvky mají valenční elektrony v orbitalech ns a np, kde n je číslo periody v tabulce. Přechodné prvky mají valenční elektrony umístěny v orbitalech ns a (n-1)d. Molekulový orbital MO prostor mezi atomy s velkou pravděpodobností pohybu elektronu. Vytvořením vazebného MO se celková energie snižuje a je pro molekulu výhodnější. Základní stav atomu atom o nejnižší energii Excitovaný stav atomu k základnímu stavu byla dodána energie, elektron se přesunul do vyšší vrstvy, atom je připraven k reakci Rozdíl mezi základním a excitovaným stavem atomu tento má vyšší energii a ochotněji reaguje Př. C základní 6C: 1s 2 2s 2 2p 2 (odpovídá OČ = 2 pro CO) excitovaný C * : 1s 2 2s 1 2p 3 (odpovídá OČ = 4 pro CO 2 ) 11

12 Úkol: Pokuste se odvodit, jakému OČ odpovídají excitované stavy síry! Př. S* 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 3 3d 1 1. excitovaný stav S* 1s 2 2s 2 2p 6 3s 1 3p 3 3d 2 2. excitovaný stav Hybridizace vazebných orbitalů je proces, kdy z nerovnocenných orbitalů vznikne stejný počet rovnocenných hybridních orbitalů. Základní typy hybridních orbitalů: sp 3 sjednocením 1s a 3p orbitalů, tvoří 4 kovalentní vazby svírající úhel 109 O 28. Tyto vazby směřují do vrcholů 4-stěnu, např. u methanu CH 4 a jeho derivátů. sp 2 sjednocením 1s a 2p orbitalů, tvoří 3 kovalentní vazby svírající úhel 120 o. Tyto vazby směřují do vrcholů rovnostranného trojúhelníka, např. fluorid boritý BF 3 či ethen CH 2 =CH 2. sp sjednocením 1s a 1p orbitalu, tvoří 2 kovalentní vazby svírající úhel 180 o. Tyto vazby vycházejí ze středového atomu, např. hydrid berylnatý BeH 2. Ionizační energie E 1 (kj.mol -1 ) je energie potřebná k odtržení 1 molu e- Vazebná enegie je energie uvolněná při vzniku vazby (jednotka kj.mol -1 ). Disociační energie je energie potřebná k rozbití vazby ( stejná hodnota jako vazebná energie ale s opačným znaménkem). Kation kladně nabitá částice vznikající z atomu odtržením 1 či více e- (Na +, Ca 2+, Al 3+ ) Anion záporně nabitá částice vzniká z atomu přijetím 1 čí více elektronů (F -, O 2- ). Vazba σ(sigma) je vazba s osou souměrnosti na spojnici atomových jader a nejvyšší hustotou e- na této spojnici (na obr.znázorněna modře) Vazba π(pí) je vazba, kde nejvyšší hustota e- je nad a pod spojnicí atomových jader (na obr.znázorněna červeně) Kovalentní vazba je málo polarizovaná vazba s rozdílem elektronegativit do 0,4. Čistá je mezi molekulami plynného prvku např. vodíku H 2. Látky s touto vazbou jsou často nerozpustné ve vodě apod. Polární vazba je středně polarizovaná vazba s rozdílem elektronegativit od 0,4-1,7. Posun vazebných e- k elektronegativnějšímu prvku má za následek vytvoření částečného elektrického náboje. Příkladem je molekula vody. 12

13 Iontová vazba je extrémně polarizovaná vazba mezi prvky s rozdílem elektronegativit větším než 1,7. Sdílené e- patří téměř úplně do elektronového obalu elektronegativnější prvku. Příkladem je vazba v krystalech kuchyňské soli. Sloučeniny jsou často křehké a rozpustné ve vodě. Kovová vazba se vyznačuje volně se pohybujícími se e-(e- jsou jakoby společné více atomům). Kovová vazba způsobuje typické vlastnosti jako elektrickou a tepelnou vodivost, kovový lesk, kujnost a tažnost. Co jsou to vlastně kovy? Kov je prvek, jehož počet e- v nejvyšší zaplňované vrstvě je menší nebo roven číslu periody, v níž se nachází. V této vrstvě jsou pouze orbitaly ns+np, orbitaly (n-1)d+(n-2)f zde nehrají roli-přechodné a vnitřně přechodné prvky jsou vždy kovy. Prvky mající e- nepatrně výše řadíme mezi polokovy. Příklady: na 3. periodě se nachází prvky hliník Al s elektronovou konfigurací 3s 2 a 3 p 1 a fosfor P s konfigurací 3s 2 a 2p 3. Hliník má 3 e- a patří mezi kovy, fosfor má 5 a patří mezi nekovy. Mezi těmito prvky je křemík Si se 4 e- a tento řadíme mezi polokovy. Vazba koordinačně-kovalentní k-k je mezi prvky, kdy jeden poskytuje e- pár a druhý je přijímá. Dárce (donor) obsahuje volný elektronový pár, příjemce (akceptor) má prázdný (vakantní) orbital. Vznik k-k vazby vyjadřuje rovnice: B + A B A Příklady : H 2 O + H + H 3 O + NH 3 + H + NH 4 + Vodíková vazba (můstek) se vyskytuje u sloučenin vodíku s prvkem o vysoké elektronegativitě a nevazebným elektronovým párem (F, O, N). Atom vodíku vytváří slabou vazbu s volným e-párem druhé molekuly. Úkoly Vysvětlete, co jsou to valenční elektrony a jaké vlastnosti ovlivňují? Vyjmenujte pravidla výstavby elektronových obalů? Vysvětlete, co nedovoluje Pauliho princip. Vyjmenujte druhy vazeb. 13

14 Shrnutí: Atom se skládá z jádra a elektronového obalu. Stavebními prvky jsou částice proton, neutron a elektron. Orbital je prostor výskytu e- s pravd. 95%. Hmotnější jádro je nositelem vlastností jako je hmotnost a radioaktivita. Elektronový obal se projevuje ve vlastnostech jako je např. mocenství prvků, reaktivita a počet utvářených vazeb. Valenční e- mají největší vliv na vlastnosti prvků, mají nejvyšší energii. Nejčastější druhy chemické vazby jsou vazby kovalentní, polární, iontové, kovové, vazby σ(sigma) a vazby π(pí). Řešení Excitované stavy síry odpovídají 1. OČ = 4 pro SO 2, 2. OČ = 6 pro SO 3 Valenční e- mají nejvyšší energii a ovlivňují vlastnosti jako mocenství prvků, reaktivita a počet utvářených vazeb. Pravidla Pauliho princip, Hundovo pravidlo, Výstavbový princip Pauliho princip nedovoluje, aby v orbitalu bylo více než 2 e-. Vazby kovalentní, polární, iontové, koordinačně kovalentní, vazby σ a π. Tato kapitola nebyla moc záživná, viďte? Nebylo tam moc praxe a hodně teorie. Nepodceňujte však její důležitost. Věřte, že bez teorie to úplně nejde. Poznatky z této kapitoly Vám pomohou pochopit některé vlastnosti látek a zákonitosti chemických dějů. Teď Vám doporučuji udělat dostatečnou přestávku. Trochu popřemýšlejte, zopakujte a teprve zítra se dejte do další dávky učiva. 14

15 Kapitola 3 Chemické symboly a periodická soustava prvků Cíle: po prostudování této kapitoly budete umět - rozlišovat základní skupiny a periody PTP - vyjmenovat nejznámější skupiny PTP - prakticky získávat základní údaje z PTP - uvést příklady vlastností a využití základních prvků Hodinová dotace: 2 hodiny Klíčová slova: periodická tabulka prvků, perioda, skupina, chemická značka prvku Tak jako má matematika svoji symboliku, má svoji symboliku i chemie. Touto symbolikou jsou chemické značky prvků a vzorce. Jistá minimální znalost této symboliky je nutnou podmínkou orientace v chemii. V této kapitole se dovíme něco o chemických značkách prvků a jejich uspořádání. Vždy je třeba znalosti uspořádat. Periodická tabulka prvků je tabulka prvků uspořádaných dle vlastností a je výsledkem snahy uspořádat znalosti o prvcích. Mendělejev seřadil prvky podle jejich vlastností, vynechal v tabulce prázdná místa pro dosud neobjevené prvky a na základě zákonitostí této soustavy předpověděl jejich fyzikální a chemické vlastnosti. Dnešní znění Menděljevova periodického zákona: Vlastnosti prvků a jejich sloučenin jsou periodickou funkcí jejich protonového čísla. Konstrukce PTP je založena na periodách a skupinách. PTP je rozdělena na části, kde se zaplňují orbitaly typů s, p, d, f. Prvky jsou seřazeny do 7 period a 18 skupin. Perioda je vodorovná řada prvků v periodické tabulce(prvky mají valenční e- ve stejné vrstvě).ve směru zleva doprava se zvyšuje protonové číslo. Každá perioda začíná zaplňováním orbitalu s o hlavním kvantovém čísle n = číslu periody a je zakončena obsazováním orbitalu p. Existuje 7 period. 1.perioda má jen dva prvky - vodík (H) a helium (He). 2. a 3. perioda má po osmi prvcích a nazývají se krátkými periodami. Periody 4. a 7. mají od 18 do 32 prvků. Nazývají se dlouhými periodami. Ve směru zleva doprava rostou protonová čísla od 1 po nejvyšší. Všechny prvky téže periody mají stejný počet elektronových slupek. Postupné změny v počtu e- vedou k postupným změnám vlastností v periodách. Skupina je svislý sloupec prvků v periodické tabulce. Prvky zde mají stejný počet valenčních e- a podobné chemické vlastnosti. Všechny skupiny jsou číslovány římskými číslicemi (a často se můžeme setkat se slovním označením alkalické kovy, halogeny apod.). Prvky téže skupiny mají stejný počet e- ve své vnější slupce a podobné vlastnosti. Chemická značka prvku jsou jedno nebo dvě písmena. 15

16 Nejznámější skupiny s názvy I.skupina - Alkalické kovy II.skupina - Kovy alkalických zemin VI.skupina - Chalkogeny VII.skupina - Halogeny VIII.skupina - Vzácné plyny Fyzikální a chemické vlastnosti daného prvku, jakož i jeho sloučenin, souvisí s jeho umístěním v tabulce. Prvky analogických vlastností jsou zařazené pod sebou a vytváří svislé skupiny + mají shodný počet valenčních e- v týchž typech orbitalů. Valenční e- mají největší vliv na vlastnosti prvků, mají nejvyšší energii. Možná Vás napadne otázka Proč mají valenční e- rozhodující vliv na chemické vlastnosti prvků? Jen ony vytvářejí chemické vazby mezi atomy a tak vznikají molekuly různých vlastností. Co můžeme říci o uspořádání valenčních e-? Valenční elektrony má atom prvku max. ve dvou typech orbitalů navíc oproti konfiguraci předcházejícího vzácného plynu. Základní prvky mají valenční e- v orbitalech ns a np, kde n=číslo periody prvku v tabulce. Přechodné prvky mají valenční e- jsou umístěny v orbitalech ns a (n-1) d Obecné vlastnosti prvků vyplývající z jejich elektronové konfigurace: - velikost atomu, velikost iontu, elektronegativita, ionizační energie, hustoty prvků, teploty tání, vlastnosti sloučenin UŽITÍ TABULKY: 3 základní informace : symbol a název prvku, hodnota protonového čísla Z, hodnota relativní atomové hmotnosti Ar další údaje - elektronegativita, častá oxidační čísla, znázornění skupenství Úkoly: Najděte v PTP prvky, které jsou za běžné teploty kapalné! Srovnejte podle postavení v tabulce reaktivitu a elektronegativitu prvků fluor a jód. PRVKY DLE SKUPIN PTP Výskyt, stav a množství prvků na Zemi se liší prvek od prvku. Můžeme je však určitě rozdělit do několika základních skupin. Máme tedy prvky: nepřechodné a přechodné dle elektronové konfigurace a postavení v PTP - plynné, kapalné a pevné podle skupenství - kovy, polokovy a nekovy - biogenní prvky (potřebné pro organismus člověka) a prvky toxické 16

17 Z následující tabulky si můžeme udělat představu o výskytu prvků. Tabulka: Zastoupení prvků v zemské kůře (vyj. v hmotnostních %) 1. víc než 5% kyslík O-47%, křemík Si-29,5%, hliník Al-8 % 2. 1% - 5 % železo Fe - 4,6%, vápník Ca - 3%, sodík Na - 2,5%, draslík K - 2,5%, hořčík Mg - 1,9% 3. 0,1-1% vodík H, fosfor P, titan Ti, mangan Mn 4. 0,001% - 0,1% uhlík C, síra S, fluor F, chlor Cl, měď Cu, olovo Pb, vanad V, chrom Cr, nikl Ni, zinek Zn.. Poznámka: Prvních osm prvků tvoří více než 99 %. Povšimněme si, že kyslík, křemík a hliník tvoří více než 84 % hmotnosti zemské kůry, ale křemík a hliník se v bioplazmě živočichů takřka nevyskytují. Oproti tomu uhlík je v zemské kůře zastoupen 0,023% a přesto tvoří základ všech organických sloučenin. Není možné probírat všechny prvky, proto se nyní zmíníme o vlastnostech a užití alespoň těch významnějších prvků. Vodík H Výskyt - nejrozšířenější prvek ve vesmíru, na Zemi 0,15 hm.% ve vodě, kyselinách, hydroxidech, solích a organických sloučeninách. Vlastnosti: Fyzikální - bezbarvý, nejlehčí z plynů, hořlavý, těžko zkapalnitelný Chemické - hořlavý, výbušná směs se vzduchem, reaguje až za vyšších teplot (pevná kovalentní vazbě) Výroba vodíku: 1. reakce vodní páry s koksem při cca 1000 O C C + H 2 O CO + H 2 2. rozklad methanu za vysoké teploty CH 4 C + 2 H 2 3. při výrobě NaOH elektrolýzou vodného roztoku NaCl Důležité reakce vodíku 1. vznik vody 2H 2 (g) + O 2 (g) 2 H 2 O (g) (např.při svařování) 2. vznik amoniaku N 2 + 3H 2 2 NH 3 (za vyšší teploty a tlaku, Fe) 3. redukční reakce CuO(s) + H 2 (g) Cu(s) + H 2 O (g) 4. vznik hybridu 2Na(s) + H 2 (g) 2NaH(s) (při vyšší teplotě) Užití: svařování kovů, syntéza amoniaku, chlorovodíku, ztužování tuků, jako raketové palivo. Kyslík O patří do 2.periody a VI.A skupiny PTP, valenční e- jsou 2s 2 2p 4 Výskyt nejrozšířenější prvek zemské kůry(49%), v atmosféře 21%, vázaný ve vodě, minerálech a horninách, 3 izotopy Vlastnosti vysoká elektronegativita, OČ II (oxidy) a -I (peroxidy) fyzikální - bezbarvý plyn, bez zápachu, nepatrně rozpustný ve vodě chemické - velmi reaktivní látka, reaguje exotermicky s většinou prvků Ozón O 3 nestálý, ostře páchnoucí jedovatý plyn, při reakcích vzniká atomární O se silnými oxidačními účinky (bělící a desinfekční) Význam ozónu = ochranná vrstva proti kosmickému záření Významné reakce oxidace S + O 2 SO 2, 4Fe + 3O 2 2Fe 2 O 3 (koroze) 17

18 Výroba průmyslově frakční destilací zkapalněného vzduchu, přeprava v cisternách, láhve s modrým pruhem Užití oxidace, hutnictví, svařování kovů, dýchací přístroje, pohon raket Prvky I.A skupiny (alkalické kovy) - jsou Li, Na, K, Rb, Cs, Fr,... Vlastnosti: - lehké, měkké, velmi reaktivní, zásadité, barví plamen, OČ = +I Užití: Lithium: baterie(do mobilních telefonů), letadlové slitiny, uklidňující léky Sodík: biogenní prvek, chladící médium v jaderných elektrárnách, svítidla ze sloučenin nejvíce používané hydroxid, chlorid a uhličitan Draslík: biogenní prvek, spíše sloučeniny-uhličitan k výrobě skla, dusičnan v pyrotechnice Prvky II.A skupiny(kovy alkalických zemin) - Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra Vlastnosti: zásadité, OČ +II, reaktivita stoupá s protonovým číslem Z Užití: Hořčík: k výrobě motorů, slitin(např.pro letectví), nezbytný pro fotosyntézu ( je součástí chlorofylu - rostlinného barviva ). Vápník: výroba kvalitní oceli a uranu, sloučeniny CaO pálené vápno, hydroxid Ca(OH) 2 ve stavebnictví, při čistění vody Prvky III.A skupiny bor, hliník, galium, indium, thalium Vlastnosti: kromě boru jsou všechno typické kovy, OČ nejčastěji +III Užití: Bor: pouze sloučeniny borax, fluorid boritý katalyzátor, borová voda Hliník: vodiče v elektrotechnice, alobal, lehké slitiny Prvky IV.A skupiny uhlík, křemík, germánium, cín, olovo Vlastnosti: s protonovým číslem roste kovový charakter, uhlík nekov, cín a olovo kovy Užití: Uhlík: diamant(šperky, vrtací hlavice (tvrdé nástroje), grafit, uhlí, fullereny řada sloučenin oxidy: uhelnatý v topných plynech(jedovatý), uhličitý do nápojů v potravinářství, hasící přístroje a suchý led, uhličitany Křemík: polovodič v mikročipové technice, oxid křemičitý SiO 2 ve sklářství a v keramice, křemičitany sodný a draselný ve vodním skle Germánium: polovodičová technika Cín: pocínovaní plechu pro potraviny, bronz, pájka, odstraňování kontaktů Olovo: liteřina, ložiskové kovy, akumulátory, odstínění rentgenové záření Prvky V. A skupiny dusík, fosfor, arsen, antimon, bizmut Vlastnosti: dusík a fosfor nekovy, bizmut kov, nevelká klesající reaktivita Užití: Dusík: v buňkách, např. v bílkovinách, kapalný k mražení potravin ze sloučenin nitrační kyselina dusičná a její soli dusičnany jako hnojiva Fosfor: biogenní prvek, hnojiva superfosfát, zápalky Arsen, antimon i bizmut tvoří toxické sloučeniny 18