Transkript

1 Jiøí Vlèek ZÁKLADY STØEDOŠKOLSKÉ CHEMIE obecná chemie anorganická chemie organická chemie

2 Obsah 1. Obecná chemie Anorganická chemie Organická chemie Laboratorní cvièení sazba Dagmar JARÙŠKOVÁ obálka Libor KUBICA obrázky Jiøí VLÈEK Praha dotisk 1. vydání Ing. J. Vlèek, 2009 Úvod Tato publikace je urèena všem studentùm støedních škol, kteøí chemii studují pouze k doplnìní všeobecného vzdìlání, nikoliv jako hlavní obor. Zabývá se proto hlavnì popisem faktù (vlastnosti látek). Jejich pøíèiny (vnitøní stavba atomù) zde jsou vysvìtleny jen okrajovì, protože jejich pochopení vyžaduje odborný výklad. Organická chemie, která se na mnoha školách vùbec neuèí, je zde výraznì zestruènìna. Vynechávám v ní zejména složité vzorce, které si prùmìrný student tìžko zapamatuje a které zase brzy zapomene. Hlavní výhodou této publikace je struènost, pøehlednost a srozumitelnost. 1 Obecná chemie Pøedmìtem chemického výzkumu jsou látky tvoøící ovzduší Zemì, vodstvo, zemskou kùru, tìla organismù, prùmyslové suroviny, výrobky atd. Chemik zkoumá, jak a proè se základní èástice látek sluèují, zajímá ho podrobný prùbìh mechanismus chemických reakcí v živé i v neživé pøírodì a jejich energetické pomìry. Základním pramenem poznání v chemii je pokus experiment. Chemie je pøírodní, experimentální vìda o látkách, o jejich vnitøní struktuøe a vlastnostech, o jejich reakcích a jevech, které prùbìh tìchto reakcí doprovázejí. Teoretickými základy chemických jevù, zákonitostmi stavby látek a chemických dìjù a vztahy mezi vlastnostmi látek a jejich vnitøní strukturou, se zabývá obecná chemie. Anorganická chemie je vìda o chemických prvcích a jejich slouèeninách. Je tìsnì spjata s pøírodními vìdami, které zkoumají anorganické pøírodní látky (pøírodniny), napø. s geologií. Slouèeniny prvku uhlíku kromì nìkterých jednoduchých slouèenin jsou pøedmìtem studia chemie organické. Ta tìsnì souvisí s vìdami o živých pøírodninách, jako jsou biologie, zoologie, botanika aj. Z jejich vzájemného vztahu se vyvinula biochemie, která se zabývá látkami a chemickými dìji v živých organismech. Jednou z nejmladších vìdních disciplin organické chemie je makromolekulární chemie, vìdní obor o vysokomolekulárních látkách a o reakcích, jimiž lze tyto látky synteticky pøipravit. J. Vlèek: Základy støedoškolské chemie 1

3 Pøedmìtem zkoumání analytické chemie je rozbor (analýza) látek. Technická chemie je zamìøena na potøeby chemické výroby. Èlení se podle druhu chemické výroby do mnoha oborù, napø. potravináøská chemie, hutnická chemie, petrochemie, chemie silikátù, chemie výbušnin aj. Øešením problémù souvisících s postupy v chemické výrobì se zabývá chemická technologie. Všechna tìlesa jsou tvoøena látkami. Látkami jsou napø. železo, sklo, døevo, vzduch a voda. Napø. láhev je z jedné látky ze skla, okno je ze dvou látek ze skla a ze døeva, apod. Podle skupenství rozlišujeme látky pevné, kapalné a plynné. Podle pùvodu dìlíme látky na pøírodní a umìlé. Podle složení rozeznáváme chemické látky a smìsi. Z hlediska chemie pohlížíme na látku jako na soubor stavebních èástic (atomù, molekul nebo iontù), které se nacházejí v urèitém skupenském stavu. Jestliže se daná chemická látka vyznaèuje urèitými chemickými a fyzikálním vlastnostmi, které se nemìní ani jejím opakovaným èištìním, hovoøíme o chemicky èisté látce. Pøíkladem chemicky èisté látky je destilovaná voda, èistá mìï. Chemicky èistá látka má v celém svém objemu stejné složení a vyznaèuje se urèitými charakteristickými vlastnostmi. Napø. charakteristickými vlastnostmi zlata je žlutá barva, vysoký lesk, malá chemická reaktivita, vysoká tažnost, kujnost, elektrická vodivost aj. Nìkteré chemicky èisté látky mají urèité vlastnosti obdobné èi dokonce zcela shodné, jinými vlastnostmi se však od sebe liší. Napø. støíbro je stejnì jako zlato vysoce lesklý kov, málo reaktivní, výborný vodiè elektrického proudu, ale liší se od zlata svou barvou, rozpustností v koncentrované kyselinì dusièné, teplotou tání, hustotou apod. Obvykle rozlišujeme vlastnosti fyzikální a vlastnosti chemické. Fyzikálními vlastnostmi jsou napø. barva, lesk, tvrdost, hustota, teplota tání, teplota varu, chu, vùnì èi zápach, elektrická a tepelná vodivost, rozpustnost, tažnost, kujnost, tvar krystalù aj. Schopnost látek pøemìòovat se v jiné látky je základní chemickou vlastností látek. Látky se mohou sluèovat s jinými látkami, rozkládat se, hoøet, vybuchovat, pùsobit na živý organismus apod. Nìkteré vlastnosti chemických látek se dají pøesnì zmìøit a èíselnì vyjádøit, napø. hustota, rozpustnost, teplota tání, teplota varu, elektrická vodivost aj. Èíselné hodnoty tìchto velièin v pøíslušných jednotkách jsou pro nejdùležitìjší chemické látky uvedeny v chemických tabulkách. Jiné vlastnosti chemických látek, napø. barvu, lesk, chu, vùni, zápach apod., lze vyjádøit pouze kvalitativnì slovním popisem vlastnosti èi porovnáním s vlastnostmi standardních látek (napø. tvrdost). Chemické látky se tradiènì èlení do dvou skupin: 1. Chemické PRVKY, složené z atomù o stejném poètu protonù, napø. vodík, vápník, olovo. 2. Chemické SLOUÈENINY, složené z atomù dvou nebo více prvkù vázaných chemickou vazbou, napø. voda, oxid siøièitý, kyselina dusièná, ethanol. 2 J. Vlèek: Základy støedoškolské chemie

4 Každá chemická látka má svùj chemický název. Každému chemickému prvku pøísluší urèitý chemický symbol (znaèka), každé chemické slouèeninì pak chemický vzorec. Složení a struktura chemických látek Stavební èástice jsou složeny z elementárních èástic: protonù, neutronù a elektronù. ATOMY jsou elektroneutrální jednojaderné stavební èástice složené z atomového jádra a elektronového obalu. Atom je složen z elementárních èástic, z nichž protony a neutrony tvoøí jádro, elektrony atomový obal. Atom je èástice elektricky neutrální, nebo poèet protonù (mají kladný elektrický náboj) v jádøe je shodný s poètem elektronù (mají záporný elektrický náboj) v obalu. Napø. atom, který má v jádøe 8 protonù a v obalu 8 elektronù, se chová elektricky neutrálnì, nebo : +8 (náboj jádra) 8 (náboj obalu) = 0 (náboj atomu). Všechny atomy téhož prvku mají v jádøe shodný poèet protonù. Volné, neslouèené atomy tvoøí stavební èástice jen malého poètu chemických látek, v podstatì jen vzácných plynù (helium, neon, argon, krypton, xenon a radon). Za urèitých podmínek mohou být neslouèené atomy stavebními èásticemi i nìkterých dalších chemických látek. Tak je tomu napø. v párách kovù. Neslouèené atomy jsou však zpravidla málo stálé a chemicky se vážou, vytváøejí molekuly, krystalové struktury apod. MOLEKULY jsou elektroneutrální vícejaderné stavební èástice chemických látek složené ze dvou nebo více atomù vázaných chemickou vazbou. Molekuly mohou být složeny buï z atomù o stejném poètu protonù molekuly chemických prvkù nebo z atomù lišících se poètem protonù molekuly chemických slouèenin. Nìkteré pøírodní látky, napø. bílkoviny, škrob, celulosa, i nìkteré látky pøipravené synteticky, napø. syntetický kauèuk, polyethylen, polyvinylchlorid, mají molekuly sestaveny z obrovského poètu (tisícù a milionù) slouèených atomù. Takovéto molekuly se oznaèují jako makromolekuly a pøíslušné chemické látky se nazývají makromolekulární látky. Kromì molekul a makromolekul se atomy vážou též do krystalových útvarù. Krystaly grafitu (tuhy) jsou rovnìž tvoøeny z atomù uhlíku, které tvoøí plošné šestiúhelníkové útvary uspoøádané do rovin. Charakteristické krystalové struktury vytváøejí rovnìž slouèené atomy kovù, napø. atomy železa, mìdi, hliníku. Obr. è.1.1 Schéma krystalových møížek kovù: a) prostorovì centrovaná, b) plošnì centrovaná, c) šestereèná; d) krystalová møížka chloridu sodného NaCl J. Vlèek: Základy støedoškolské chemie 3

5 IONTY jsou jednojaderné nebo vícejaderné stavební èástice chemických látek. Od elektroneutrálních atomù a molekul se liší svým elektrickým kladným èi záporným nábojem. Ionty s kladným nábojem se nazývají kationty, se záporným nábojem anionty. Ionty jsou stavebními èásticemi mnoha chemických slouèenin, zejména solí. Napø. anorganická slouèenina chlorid sodný má krystalovou strukturu vytvoøenou ze sodných kationtù Na + a chloridových aniontù Cl. Chemické prvky Chemický prvek (zjednodušenì jen prvek) je chemická látka složená z atomù o stejném poètu protonù. To znamená, že všechny atomy téhož prvku mají v jádøe shodný poèet protonù, zatímco kterékoli dva atomy rùzných prvkù se od sebe poètem protonù liší. Napø. všechny atomy helia mají v jádrech 2 protony. Chemické prvky jsou tvoøeny: volnými, neslouèenými atomy; napø. helium a další vzácné plyny; molekulami, které vznikly slouèením dvou èi více atomù o stejném protonovém èísle, napø. vodík, chlor, nìkteré struktury fosforu a síry slouèenými atomy ve formì krystalových útvarù, napø. diamant, grafit, kovy V souèasnosti je známo a do periodického systému zaøazeno 105 chemických prvkù. Každý prvek má svùj chemický název a symbol neboli znaèku. Symboly prvkù jsou odvozeny od mezinárodních názvù prvkù (které vìtšinou pocházejí z latiny) a tvoøí je vždy velké zaèáteèní písmeno mezinárodního názvu, popø. ještì další písmeno z tohoto názvu. Symbol prvku však znaèí nejen pøíslušný prvek, ale i jeden jeho atom. Napø. symbol Na vyjadøuje prvek sodík a souèasnì i jeden atom sodíku. Vìtší poèet atomù (dva a více) se vyjadøuje èíslovkou pøed symbolem prvku nebo indexem za symbolem prvku. V prvním pøípadì vyjadøuje zápis pøíslušný poèet neslouèených atomù, v druhém pøípadì jde o atomy vázané v molekule. Napø. zápis 3 O znaèí tøi neslouèené atomy kyslíku, zápis O 3 pak tøi vzájemnì vázané atomy kyslíku v molekule (ozón). Molekuly prvkù zapisujeme vzorcem, který vyjadøuje poèet atomù daného prvku, z nichž se molekula skládá, napø. O 3, O 2, H 2 apod. Chemické slouèeniny Chemická slouèenina (zjednodušenì jen slouèenina) je chemická látka složená z atomu dvou nebo více prvkù vázaných chemickou vazbou. Stavebními èásticemi chemických slouèenin jsou molekuly nebo ionty, které se však vìtšinou sdružují do vìtších celkù, vytváøejí øetìzce molekul, makromolekuly a krystalové útvary. Každé chemické slouèeninì pøísluší urèitý chemický vzorec a název. Chemický vzorec je složen ze symbolù prvkù, jejichž atomy vytváøejí stavební èástice slouèeniny, a z èíselných indexù vyjadøujících pomìr tìchto stavebních èástic. Napø. chemický vzorec chlorovodíku je HCl, amoniaku NH 3 ; z tìchto vzorcù vyplývá, že stavební èástice chlorovodíku (jeho molekuly) jsou složeny z atomù vodíku a chloru v pomìru 1 : 1, stavební èástice amoniaku (jeho molekuly) jsou vytvoøeny vždy z jednoho atomu dusíku a tøí atomù vodíku. Vzorec slouèeniny vyjadøuje nejen urèitou slouèeninu, ale souèasnì její jednu molekulu. 4 J. Vlèek: Základy støedoškolské chemie

6 Chemické rovnice Dìj, pøi nìmž se mìní složení a struktura chemické látky, se nazývá chemická reakce. Ta mùže nastat pùsobením jediné látky na druhou, popø. úèinkem nìkterého druhu energie na látky. Látky, které vstupují do reakce, se nazývají reaktanty, a ty, které reakcí vzniknou, jsou produkty. Chemická rovnice vyjadøuje urèitou chemickou reakci. Nezachycuje ovšem její skuteèný prùbìh, zpravidla vyjadøuje jen její reaktanty a produkty. V nìkterých pøípadech poskytuje chemická rovnice též další informace o pøíslušné reakci. Na levou stranu rovnice zapisujeme symboly èi vzorce reaktantù, na pravou stranu rovnice symboly èi vzorce produktù. Pro chemickou rovnici platí, že souèet atomù každého zúèastnìného prvku musí být na obou stranách rovnice shodný (zákon zachování hmoty). Mezi levou a pravou stranu rovnice píšeme šipku smìøující zleva doprava, napø.: 2 H 2 + O 2 2 H 2 O Chceme-li zdùraznit, že souèasnì probíhá i opaèná reakce, že produkty se zpìtnì mìní na reaktanty, spojujeme obì strany rovnice dvìma protismìrnými šipkami (v této publikaci z technických dùvodù používám znak oboustranné šipky), napø.: CO 2 + H 2 O H 2 CO 3 Chemická rovnice nás informuje i o kvantitativních vztazích mezi reaktanty a produkty. Èísla uvedená v chemické rovnici pøed vzorci slouèenin, popø. symboly prvkù totiž vyjadøují konstantní pomìry, v nichž vzájemnì reagují reaktanty. Tato èísla se nazývají stechiometrické koeficienty, pøièemž stechiometrický koeficient 1 se v chemické rovnici nezapisuje. V bìžné chemické praxi neuvažujeme, že reakce probíhá mezi urèitým poètem atomù èi molekul reaktantù, ale používáme látková množství pøibližnì krát vìtší. Ta se vyjadøují pomocí jednotky mol. Pøi ètení chemických rovnic vyjadøujeme buï pouze jejich kvalitativní, nebo i kvantitativní charakter. Napø. chemickou rovnici Zn + H 2 SO 4 H 2 + ZnSO 4 mùžeme pøeèíst takto: Zinek reaguje s kyselinou sírovou, pøièemž vzniká vodík a síran zineènatý. Tutéž chemickou rovnici pøi zdùraznìní kvantitativních pomìrù pak lze èíst následovnì: Jeden mol zinku reaguje s jedním molem kyseliny sírové, pøièemž vzniká jeden mol vodíku a jeden mol síranu zineènatého. K vyjádøení velikosti souboru základních èástic, napø. atomù, molekul a iontù, byla zavedena velièina látkové množství znaèka n. Její jednotkou je mol (znaèka rovnìž mol), který patøí do souboru sedmi základních jednotek soustavy SI. 1 mol je takové látkové množství, které obsahuje stejný poèet základních èástic (atomù molekul, iontù apod.), kolik atomù uhlíku je obsaženo pøesnì v 0,012 kg (neboli v 12 g) uhlíku 12 C. J. Vlèek: Základy støedoškolské chemie 5

7 (Zápis 12 C vyjadøuje atom uhlíku, v jehož jádøe je 12 elementárních èástic: 6 protonù a 6 neutronù podrobnìji bude vysvìtleno v další kapitole.) 1 mol je takové látkové množství, které obsahuje N A (6, ) základních èástic (atomù, molekul, iontù apod.). Jednotková látková množství obsahující stejný poèet základních èástic mají ovšem rozdílnou hmotnost, nebo napø.: 1 mol atomù vodíku H má hmotnost 1,01 g. 1 mol atomù uhlíku C má hmotnost 12,0 g. 1 mol molekul vody H 2 O má hmotnost 18,0 g (viz dále Mendìlejevova tabulka prvkù). Stejná látková množství plynù zaujímají za stejné teploty a stejného tlaku stejný objem. Napø. stejný objem zaujímají 2,02 g èili 1 mol molekul vodíku H 2 a 32,0 g èili 1 mol molekul kyslíku O 2. Za normálních podmínek, tj. za teploty 0 C a tlaku 101,325 kpa, se tento objem oznaèuje jako normální molární objem plynu a znaèí se V n = 22,4 dm 3 mol 1. 1 mol kterékoli chemické látky tedy: obsahuje 6, základních èástic; jejich hmotnost v gramech je èíselnì shodná s relativní molekulovou, popø. atomovou hmotností této chemické látky (viz dále) v plynném stavu zaujímá za normálních teplotních a tlakových podmínek objem 22,4 l Molární hmotnost M pøíslušné chemické látky je podíl hmotnosti m této chemické látky a jejího látkového množství n: M = m/n Molární hmotnost chemické látky udává, jaká je hmotnost (v gramech, popø. v kilogramech) 1 molu základních èástic této chemické látky. Jednotkou molární hmotnosti je kg mol 1. Výhodnìjší a v praxi užívanìjší je však její vyjadøování v jednotce tisíckrát menší g mol 1, nebo v tomto pøípadì je èíselná hodnota molární hmotnosti rovna hodnotì relativní atomové hmotnosti A r, èi relativní molekulové hmotnosti M r pøíslušné chemické látky. Relativní atomová hmotnost prvku A r je èíslo, které udává, kolikrát je prùmìrná hmotnost atomù uvažovaného prvku vìtší než 1/12 hmotnosti atomu uhlíku 12 C. Relativní molekulová hmotnost chemické látky M je èíslo, které udává, kolikrát je hmotnost molekuly dané chemické látky vìtší než 1/12 hmotnosti atomu uhlíku 12 C. Hodnoty relativních atomových hmotností patøí k základním charakteristikám chemických prvkù. Jsou proto uvedeny u každého prvku v periodické soustavì prvkù i ve všech chemických tabulkách. Napø.: A r (H) = 1,01, A r (C) = 12,0, A r (O) = 16,0. Hodnoty relativních molekulových hmotností mùžeme u nejdùležitìjších chemických látek zjistit pøímo vyhledáním v chemických tabulkách, nebo je urèíme výpoètem. Napø.: M r (O 2 ) = 2 A r (O) = 2 16,0 = 32,0 M r (NH 3 ) = 1 A r (N) + 3 A r (H) = 1 14, ,01 = 14,0 + 3,03 = 17,03 = 17,0 Relativní molekulová hmotnost prvku nebo slouèeniny M r se rovná souètu relativních atomových hmotností A r všech atomù v molekule. 6 J. Vlèek: Základy støedoškolské chemie

8 Smìsi Smìsi jsou látky, které obsahují dvì nebo více složek. Smìs látek má promìnlivé složení a její složky lze od sebe oddìlit fyzikálnì chemickými metodami. Homogenní smìs má ve všech svých èástech tytéž fyzikální vlastnosti a nachází se v jednom skupenství. Tak je tomu napø. ve vodném roztoku chloridu sodného, ve smìsi dvou plynù apod. Heterogenní smìs má ve svých rùzných èástech odlišné fyzikální vlastnosti. Skládá se z látek, které jsou buï v rùzné, nebo stejném skupenském stavu. Jako pøíklad heterogenních smìsí, jejichž jednotlivé složky jsou v rùzném skupenství, lze jmenovat smìs vody a ledu, smìs kapaliny a její páry, písku a štìrku, rùzné rudy apod. Plavení je dìlení smìsí, jejichž složky jsou v pevném skupenství, jsou ve vodì nerozpustné a výrazné se od sebe liší hustotou, napø. písek a zlato. Na smìs se pùsobí proudem vody; která odplaví lehèí složku (písek), a zùstane složka tìžší (zlato). Vyluhování (extrakce) je oddìlování látek, z nichž jedna je rozpustná ve vhodném rozpouštìdle, napø. v benzinu, v etheru apod. Vyluhováním se napø. izolují oleje z rostlinných zdrojù. Vytavováním se dìlí smìs, jestliže její složky mají znaènì odlišnou teplotu tání, napø. èistá síra se oddìluje od hlušiny. Usazování (sedimentace) se používá pøi dìlení smìsi látky kapalné a jemnì rozptýlené látky pevné, pokud má pevná látka vìtší hustotu než kapalina. Usazováním se èistí napø. užitková i odpadní voda. Dále se používá k oddìlování smìsí v chemickém prùmyslu apod. Filtrace je oddìlení látky pevné, která je jemnì rozptýlena v kapalinì nebo v plynu. Filtry se zhotovují z rùzných materiálù, napø. z filtraèního papíru, plátna, azbestu, nepolévaného porcelánu, popø. funkci filtru plní i vrstva písku a štìrku. Destilace je dìlení smìsi látek, které se od sebe liší rùznou teplotou varu. Ze zahøívané smìsi postupnì unikají páry níževroucí složky a kondenzují ve vhodnì upraveném chladièi. V dnešních prùmyslových destilaèních zaøízeních dovedeme oddìlit složky i tak složitých smìsí, jako jsou ropa, dehet aj. Destilací lze oddìlit též kapalinu od pevných látek v ní rozpuštìných. Tak se napø. z pøírodní vody pøipravuje voda destilovaná. Destilaci zkapalnìného vzduchu se získávají jeho jednotlivé složky: kyslík, dusík a vzácné plyny. Sublimace se užívá k oddìlení nebo pøeèištìní pevné látky, která se pøi zahøátí mìní pøímo v plyn. Sublimací se èistí napø. jod, naftalen, slouèeniny arsenu, rtuti aj. V technické praxi se uplatòují i nìkteré další metody, napø. pøebírání, oddìlování magnetem, oddìlování proudem vzduchu apod. Disperzní soustava je heterogenní smìs tvoøená drobnými èásteèkami (dispergovaná fáze), které jsou jemnì rozptýleny (dispergovány) v plynu, kapalinì nebo pevné látce (v disperzním prostøedí). Podle velikosti rozptýlených èástic se disperzní soustavy zpravidla dìlí do dvou skupin: 1. Hrubì disperzní soustavy obsahují rozptýlené èástice o prùmìru více než 500 nm. Mezi nejbìžnìjší hrubì disperzní soustavy patøí zejména suspenze, emulze, pìny a aerosoly. 2. Jemnì disperzní soustavy jsou takové, u nichž se prùmìr rozptýlených èástic pohybuje v rozmezí nm. Èastìji se oznaèují jako koloidní neboli nepravé roztoky. J. Vlèek: Základy støedoškolské chemie 7

9 Suspenze je hrubì disperzní soustava pevné látky v kapalinì, napø. èásteèky hlíny v øíèní vodì, hydroxid vápenatý ve vodì aj. Rozptýlené èásteèky v suspenzi se pomìrnì rychle usazují. Emulze je soustava dvou vzájemnì nerozpustných kapalin, napø. olej a voda. Emulze, ponechaná v klidu, se po delší dobì opìt rozdìlí na jednotlivé složky. Nìkteré látky, tzv. emulgátory (stabilizátory emulzí), však dovedou emulzní stav udržet. Napø. mléèné bílkoviny stabilizují v mléce emulzi voda tuk. Nìkterá léèiva, napø. tekuté pudry, ple ové mléko apod., se vyrábìjí jako emulze nebo suspenze, nebo v této formì lépe vsakují do pokožky. Pìny jsou disperzní soustavy plynù v kapalinách. Užívají se k hašení hoøících kapalin, nebo zabraòují pøístupu vzduchu, dále v potravináøství (šlehaèka) apod. Aerosoly jsou soustavy pevných látek nebo kapalin rozptýlených v plynech. Mezi aerosoly patøí zejména dýmy, mlhy a kouøe. Významné je i chemické použití umìle vyrobených aerosolù, které slouží napø. k hubení plevelù, uplatòují se v lékaøství, v kosmetice atd. Koloidní èi nepravé roztoky jsou jemnì disperzní soustavy, jejichž rozptýlené èástice jsou tak malé, že je nelze oddìlit filtrací. Rozptýlené èástice v koloidním roztoku nelze postøehnout ani bìžným mikroskopem, projeví se teprve pøi zkoumání pod ultramikroskopem. Rozptýlená látka se dá z koloidního roztoku vyvloèkovat neboli koagulovat, nejèastìji zahøátím nebo pøidáním elektrolytu. Na rozdíl od hrubì disperzních soustav se rozptýlenì èástice v koloidním roztoku neusazují a zùstávají rozptýleny v disperzním prostøedí. Koloidní roztoky jsou napø. vajeèný bílek, vodní sklo a jiné látky rozptýlenì ve vodì. Stavební èástice chemických látek (atomy, molekuly) vytváøejí v disperzních soustavách shluky obsahující u jemnì disperzních soustav øadové tisíce stavebních èástic, u hrubì disperzních soustav pak statisíce a více stavebních èástic. Jestliže se látka rozptýlí až na jednotlivé atomy, molekuly èi ionty, oznaèuje se tento druh smìsi jako pravý roztok neboli zjednodušenì jen roztok. Na rozdíl od disperzních soustav je roztok homogenní a prùmìr rozptýlených èástic je menší než 1 nm. Roztok je homogenní smìs dvou nebo více látek. Èástice látek tvoøících roztok (atomy, molekuly, ionty) jsou dokonale rozptýleny a vzájemnì nereaguji. Podle skupenství rozlišujeme roztoky: 1. plynné, napø. vzduch, svítiplyn 2. kapalné, napø. vzduch ve vodì, ethanol ve vodì, chlorid sodný ve vodì 3. pevné, napø. vodík v platinì, slitinu olova a cínu Z roztokù jsou nejdùležitìjší kapalné roztoky a z nich pak zejména vodné roztoky. Vodné roztoky mají mimoøádný význam v pøírodì, nebo napø. rostliny pøijímají vìtšinu živin ve formì vodných roztokù, vodnými roztoky jsou tekutiny v lidském tìle, vìtšina biochemických dìjù se uskuteèòuje ve vodných roztocích. Rovnìž všechny druhy pøírodních vod jsou vodné roztoky látek, s nimiž voda pøišla do styku. V roztocích rozlišujeme rozpouštìdlo a rozpuštìnou látku. Rozpouštìdlem nazýváme obvykle tu látku, která je v nadbytku. U vodných roztokù se za rozpouštìdlo vždy považuje voda. Kromì vody se jako úèinná rozpouštìdla uplatòují též ethanol, benzín, aceton aj. Množství rozpouštìné látky v urèitém objemu rozpouštìdla závisí na jejich vlastnostech, na teplotì rozpouštìdla, u plynù též na tlaku. K vyjádøení rozpouštìcí schopnosti jednotlivých látek byl zaveden pojem rozpustnost. Rozpustností látky v rozpouštìdle rozumíme zpravidla maximální hmotnost látky (v gramech), která se beze zbytku rozpustí pøi dané teplotì ve 100 g rozpouštìdla. 8 J. Vlèek: Základy støedoškolské chemie

10 Kromì toho lze rozpustnost látek vyjádøit i dalšími zpùsoby, napø. hmotností látky rozpuštìné ve 100 g roztoku. Roztok, který za urèité teploty obsahuje maximální hmotnost rozpuštìné látky, se nazývá nasycený. Je-li v roztoku obsažena menší hmotnost rozpuštìné látky, než odpovídá její rozpustnosti za dané teploty, oznaèuje se takový roztok jako nenasycený. Hodnoty rozpustnosti nejdùležitìjších chemických látek jsou uvedeny v chemických tabulkách. Rozpustnost pevných látek ve vodì zpravidla vzrùstá s teplotou. Závislost rozpustnosti látek na teplotì se znázoròuje køivkami rozpustnosti v diagramech rozpustnosti. Také rozpustnost kapalin ve vodì je rùzná. Napø. ethanol nebo kyselina sírová se s vodou mísí v každém pomìru, jiné kapaliny, napø. ether nebo benzen, mají omezenou rozpustnost. Rozpustnost plynù ve vodì se stoupající teplotou klesá (ve vodì, kterou ohøíváme, vznikají bublinky vzduchu). Rozpustnost plynù závisí také na tlaku nad roztokem; se stoupajícím tlakem rozpustnost plynu stoupá, proto napø. v sodovce je oxid uhlièitý pod zvýšeným tlakem, po otevøení láhve se uvolòují bublinky. Složení roztokù, tj. vzájemný pomìr rozpuštìné látky a rozpouštìdlo v roztoku, se vyjadøuje udáním hmotností, objemu nebo látkového množství rozpuštìné látky, která pøipadá na hmotnostní èi objemovou jednotku roztoku nebo rozpouštìdla. Nejèastìji se složení roztoku vyjadøuje následujícími zpùsoby: 1. Hmotnostním zlomkem w(b), který vyjadøuje pomìr hmotnosti rozpouštìné látky k hmotnosti celého roztoku. V praxi se u roztokù hodnota hmotnostního zlomku nejèastìji udává v procentech. V tomto pøípadì hodnota hmotnostního zlomku vyjadøuje hmotnost látky rozpuštìné ve 100 g roztoku. Napø. ve 100 g 3% roztoku chloridu sodného NaCl, jsou rozpuštìny 3 g NaCl. Pøi porovnávání dvou roztokù s rùzným hmotnostním zlomkem téže složky roztoku se ten roztok, v nìmž je hmotnostní zlomek složky roztoku vìtší, nazývá koncentrovanìjší. Druhý roztok se naopak oznaèuje ve srovnání s prvním jako zøedìnìjší. 2. Látkovou koncentraci c(b), která je definována jako podíl látkového množství rozpuštìné látky a celkového objemu roztoku: Napø.: je-li v 1 l roztoku chloridu sodného NaCl rozpuštìno jednotkové látkové množství této soli, tj. 1 mol NaCl o hmotnosti 58,5 g, pak látková koncentrace takového roztoku c(nacl) = 1 mol l 1. Pøíklad: V 200 g vodného roztoku chloridu draselného KCl je rozpuštìno 20 g KCl. Vypoèítejte hmotnostní zlomek KCl v roztoku. Kolikaprocentní je to roztok? 20/200 = 1/10 = 10 % w(kcl) = m (KCl)/m(H 2 O + KCl) Pøíklad: Vypoèítejte, kolik gramù chloridu železitého FeCl, a kolik gramù vody je zapotøebí k pøípravì 700 g 2procentního vodného roztoku FeCl 3. M(FeCl 3 ) = 0, = 14 g M(H 2 O) = = 686 g J. Vlèek: Základy støedoškolské chemie 9

11 Pøíklad: Vodný roztok hydroxidu sodného NaOH byl pøipraven tak, že ve 2 l roztoku bylo rozpuštìno 15 g NaOH. Vypoèítejte látkovou koncentraci tohoto roztoku. Látková koncentrace 1 mol/l je pøi rozpuštìní 40 g NaOH v 1 l vody. (23 (Na) + 16 (O) + 1 (H) = 40) Pøi rozpuštìní 15 g NaOH v 1 l vody je látková koncentrace 15/40 = 0,375 mol/l. Ve 2 l vody bude látková koncentrace polovièní 0,375/2 = 0,188 mol/l. Atomy Atomy jsou velmi malé útvary, jejichž prùmìr je pøibližnì m, tj.0,1 nm. Napø. prùmìr nejmenšího atomu atomu vodíku je m. Pøipomeòme si, že neslouèený atom je elektricky neutrální èástice. Skládá se z jádra a z obalu, v nichž jsou obsaženy elementární èástice: protony, neutrony a elektrony. Protony a neutrony jsou souèástí atomového jádra, elektrony tvoøí obal atomu. Kromì nich existuje mnoho dalších elementárních èástic, napø. pozitrony, fotony, mezony a jiné, jejichž studiem se zabývá atomová fyzika. Hmotnost protonu je 1, kg a je pøibližnì rovna hmotnosti neutronu, zatímco hmotnost elektronu je pøibližnì krát menší než hmotnost protonu èi neutronu (9, kg). Náboj jednoho elektronu èi náboj jednoho protonu pøedstavují nejmenší existující elektrický náboj. Náboje elektronu a protonu mají stejnou absolutní hodnotu, liší se však znaménkem: elektron je nabitý zápornì, proton kladnì. Elektrický náboj elektronu je 1, C (coulombu). Neutron je elektricky neutrální. Neslouèený atom, který je elektroneutrální èásticí, obsahuje tentýž poèet protonù a elektronù. a) Atomové jádro je tvoøeno protony a neutrony, a proto má vždy kladný elektrický náboj. b) Hmotnost atomového jádra i celého atomu závisí na poètu protonù a neutronù. Jelikož hmotnost elektronù v obalu atomu je vzhledem k hmotnosti atomu a neutronù nepatrná, je prakticky veškerá hmotnost atomu soustøedìna v jádøe. c) Kladný elektrický náboj atomového jádra závisí výhradnì na poètu protonù. d) Všechna jádra atomù téhož prvku obsahují shodný poèet protonù; naopak atomy rùzných prvkù se vzájemnì liší poètem protonù v jádøe. Atomová jádra jsou nesmírnì malé útvary, pøibližnì ještì stotisíckrát menší než atomy. Prùmìr atomového jádra se tedy pohybuje kolem m. Protony a neutrony jsou v atomovém jádøe poutány pøitažlivými silami, které jsou pøíèinou soudržnosti atomového jádra. Pøi rozpadu jádra se èást energie poutající protony a neutrony uvolòuje ve formì jaderné energie. S jadernými pøitažlivými silami, jadernou energií a zmìnami, k nimž dochází v atomovém jádøe, se seznámíte v atomové fyzice. Jelikož poèet protonù v jádøe je shodný u všech atomù téhož prvku, je tento údaj pro daný prvek charakteristický. Èíselnì ho vyjadøuje protonové èíslo Z: Protonové èíslo Z udává poèet protonù v jádøe atomu a je shodné s poøadovým èíslem prvku v periodické soustavì. 10 J. Vlèek: Základy støedoškolské chemie

12 To znamená, že napø.: Všechny atomy vodíku obsahují v jádøe jeden proton, vodík má Z = 1 a je prvním prvkem periodické soustavy. Všechny atomy dusíku obsahují v jádøe 7 protonù, dusík má Z = 7 a je sedmým prvkem periodické soustavy. Protonové èíslo se zapisuje pøed symbolem prvku vlevo dole, napø. 1 H, 8 O, 17 Cl, 50 Sn, 92 U apod. Protony a neutrony se souhrnnì oznaèují názvem NUKLEONY (od latinského nucleus = jádro). Poèet nukleonù, tj. souèet protonù a neutronù, je dalším charakteristickým údajem, který nás informuje o složení atomu. Èíselnì ho vyjadøuje nukleonové èíslo A: Nukleonové èíslo A udává poèet nukleonù (protonù a neutronù) v atomovém jádøe. Napø. zápis 16 8 O (èísla se píšou nad sebe) vyjadøuje atom kyslíku, který obsahuje 8 protonù, 8 elektronù a 8 (16 8) neutronù. Zatímco všechny atomy téhož prvku obsahují shodný poèet protonù a elektronù, liší se nìkteré atomy téhož prvku poètem neutronù. Pouze asi dvacet prvkù je v pøírodì tvoøeno atomy, které mají vždy stejný poèet neutronù. Napø. sodík je složen pouze z atomù Na, hliník z atomù Al. Vìtšina ostatních prvkù je však tvoøena atomy o rùzném poètu neutronù. Napø. vodík je složen ze tøí druhù atomù 1 1 H, 2 1 H (deuterium) a 3 1 H (tritium). (Z tìžkého vodíku vzniká tìžká voda, která se používá v atomových reaktorech). Cín se dokonce skládá z deseti druhù atomù. Tyto rùzné atomy téhož prvku se nazývají izotopy. IZOTOPY jsou atomy téhož prvku, které mají stejný poèet protonù (stejnou hodnotu protonového èísla), liší se však poètem neutronù (mají rùznou hodnotu nukleonového èísla). Izotopy se tedy liší svou hmotností, nikoli však svými chemickými vlastnostmi. Kromì pøírodních izotopù byly mnohé izotopy pøipraveny též umìle. Tyto tzv. radioizotopy se uplatòují v biologii, v lékaøství, v zemìdìlství, k vìdeckým úèelùm, k zjiš ování skrytých vad materiálu i výrobkù apod. Pro chemické vlastnosti prvku je urèující rozmístìní elektronù v atomovém obalu, tj. elektronové uspoøádání neboli elektronová konfigurace atomu. Víte již že: a) Atomový obal je tvoøen elektrony, a proto má záporný náboj. Velikost tohoto záporného náboje urèuje poèet pøítomných elektronù. b) Poèet elektronù v atomovém obalu je shodný s poètem protonù v atomovém jádøe, neboli je roven protonovému èíslu prvku. Souèasné pøedstavy vycházející z výsledkù vlnové mechaniky pøedpokládají, že elektron se nachází v urèitém prostoru kolem atomového jádra. Tento prostor se nazývá atomový orbital, zjednodušenì jen orbital. Orbital je prostor (oblast) kolem atomového jádra, v nìmž se nejpravdìpodobnìji elektron vyskytuje. K jednoznaènému popisu orbitalù byla zavedena tzv. kvantová èísla. Hlavní kvantové èíslo udává velikost orbitalu. Znaèíme jej n. Nabývá hodnot od 1 do 7 (vèetnì). Je totožné s èíslem periody (viz dále). Elektrony se stejnou hodnotou hlavního kvantového èísla se nacházejí ve stejné vrstvì (slupce). J. Vlèek: Základy støedoškolské chemie 11