Ch - Chemické látky a jejich směsi Autor: Mgr. Jaromír JUŘEK Kopírování a jakékoliv další využití výukového materiálu je povoleno pouze s uvedením odkazu na www.jarjurek.cz. VARIACE Tento dokument byl kompletně vytvořen, sestaven a vytištěn v programu dosystem - EduBase. Více informací o programu naleznete na www.dosli.cz.
± Chemické látky a jejich směsi Chemické látky a jejich směsi Každý předmět je z nějaké látky. Těmito látkami mohou být chemické látky nebo jejich směsi. Chemické látky mají v každé své části stejné chemické složení - obsahují stejné částice (atomy, molekuly, skupiny iontů). Mezi ně patří např. kyslík, železo, kyselina sírová, methan. Chemické látky se vyznačují určitými hodnotami fyzikálních veličin, např. teplotou tání, teplotou varu, hustotou. Chemická látka má přesně definované složení, které se dá vyjádřit chemickým vzorcem (O2, Fe, H2SO4, CH4). Směs tvoří dvě a více látek (složky směsi). Hodnoty fyzikálních veličin směsi se mění podle jejich složení (podle zastoupení a množství jednotlivých složek). Směs vzduch mořská voda žula šťáva z ovoce Některé složky kyslík, dusík, oxid uhličitý, vzácné plyny, vodní pára voda, rozpuštěné soli (zejména chloridy a sírany sodné, draselné a hořečnaté), oxid uhličitý, kyslík křemen (oxid křemičitý), živec a slída (křemičitany) voda, organické kyseliny, ovocný cukr, vitamíny Třídění směsí Směs, v níž je možné jednotlivé složky rozlišit okem, lupou nebo mikroskopem, se nazývá směs různorodá (heterogenní). Směs, jejíž jednotlivé složky nelze rozlišit ani mikroskopem, se nazývá směs stejnorodá (homogenní). Stejnorodé směsi se také nazývají roztoky. Roztok je směs složená z rozpouštědla a jedné nebo více rozpuštěných látek. Může mít kapalné, plynné nebo pevné skupenství (např. mořská voda, vzduch, ocel). Jestliže se za určité teploty již další látka v roztoku nerozpouští, vzniká nasycený roztok. Roztok, ve kterém je rozpuštěné látky méně než v roztoku nasyceném, je nenasycený roztok. Výpočty složení roztoků Složení roztoku lze nejjednodušeji vyjádřit tak, že se udá hmotnost nebo objem složek, z nichž byl roztok smíchán. Například při přípravě osvěžujícího nápoje smícháme 30 ml citronové šťávy, 30 g cukru (sacharosy) a 0,2 l vody. V chemii, ale i v praktickém životě, potřebujeme často znát poměrné zastoupení jednotlivých složek roztoku. Pro vyjádření složení roztoků se nejběžněji užívá veličina hmotnostní zlomek. Hmotnostní zlomek složky v roztoku vypočteme podle vztahu: w( s ) = m( s ) m( s ) = m m( r ) + m( s ) kde w(s) označuje hmotnostní zlomek látky (složky) "s" v roztoku m(s) hmotnost složky "s" v roztoku m(r) hmotnost rozpouštědla m hmotnost roztoku = m(r) + m(s) Příklad : 8.9.200 23:9:33 z8
Nálev pro třešňový kompot se připravuje rozpuštěním 250 g cukru v 000 g (v litru) vody. Vypočítejte, kolik procent cukru obsahuje takto získaný roztok (nálev). Řešení s využitím vztahu pro hmotnostní zlomek: Zapište obecný vztah: w( s ) = m( s ) m( s ) = m m( r ) + m( s ) Do obecného vztahu dosaďte a vypočítejte hmotnostní zlomek: w( s) = 250 g 250 g + 000 g w(s) = 0,20 = 20 % Hmotnostní zlomek cukru v nálevu pro třešňový kompot je 0,20 neboli 20 % (zkráceně - nálev obsahuje 20 % cukru). V běžném životě se název veličiny hmotnostní zlomek prakticky nepoužívá. Udává se obvykle jako počet procent ze základu. Řešení trojčlenkou: 250 g roztoku... 00 % 250 g cukru... x % x =00. 250 = 20 % 250 Nálev pro třešňový kompot je 20% roztok cukru. V praxi se často používá označení koncentrovanější a zředěnější roztok. Koncentrovanější roztok má více procent dané složky v roztoku než zředěnější roztok. Například 30% roztok peroxidu vodíku je koncentrovanější než 3% roztok a naopak jeho 3% roztok je zředěnější než 30% roztok. Třídění směsí Příklady zvláštních typů různorodých směsí Příklady různorodých směsí z běžného života 8.9.200 23:9:33 2z8
Oddělování složek směsí Většina látek v přírodě jsou směsi. Proto nejen při chemických výrobách, v laboratořích, ale i v praktickém životě je nutno jednotlivé složky (části) směsí oddělovat. Zde se uplatňuje řada postupů (metod), které využívají různé vlastnosti jednotlivých složek směsí. Vzájemně nerozpuštěné složky (části) směsi, které mají odlišnou hustotu, je možno oddělit usazováním. Například při těžbě ropy se v usazovacích nádržích odděluje ropa od vody a písku nebo při přípravě kávy necháme před pitím pevnou složku (část) směsi usadit. Rychlejší způsob rozdělování takových směsí je odstřeďování. Odstřeďováním v odstředivkách se např. odděluje smetana (tuk) z mléka. K oddělování pevných látek od kapalných (popř. plynných) různorodých směsí se v průmyslu, laboratořích, ale i v domácnosti používá nejčastěji filtrace. Větší, pevné složky směsi se při filtraci zachytí na filtru, menší, rozpuštěné protečou spolu s rozpouštědlem jako filtrát. V průmyslu i v domácnosti se jako filtr používají zejména síta a tkaniny (v průmyslu např. při výrobě tvarohu, sýrů nebo cukru, v domácnosti např. při překapávání kávy, cezení těstovin, šťáv z ovoce). Při získávání pitné vody ve vodárnách se pevné nečistoty odstraňují filtrací přes štěrk a písek. V laboratořích se obvykle k filtraci používá filtrační papír. Destilace je postup, při kterém se využívá k oddělování složek směsí jejich rozdílná teplota varu. Při zahřívání se z destilační nádoby více odpařuje ta složka, která má menší teplotu varu. Jako rektifikaci označujeme destilaci, při níž dochází na patrech rektifikační kolony k mnohonásobnému vypařování a zkapalňování složek směsi. Rektifikace se často využívá při izolaci látek v laboratořích a zejména v průmyslu (např. při získávání mnoha látek z ropy). Dalším důležitým postupem oddělování složek směsí je krystalizace. Využívá se při ní schopnost některých látek vylučovat se z roztoku v podobě krystalů krystalovat. Uplatňuje se při přípravě a čištění látek v chemických laboratořích i v průmyslu (např. při výrobě cukru a při získávání kuchyňské soli z mořské vody). Extrakce (vyluhování) je metoda oddělování složek (částí) směsí, při které se požadovaná složka ze směsi rozpouští ve vhodném rozpouštědle a ze směsi se tak uvolňuje. Sublimace je také metodou oddělování složek směsí. Je založena na tom, že některé látky sublimují, tj. při zahřívání přecházejí z pevného skupenství do plynného. Chromatografie je metoda oddělování složek směsí, při níž je směs pozvolna unášena rozpouštědlem po vrstvě papíru nebo vrstvou či sloupcem jiného materiálu. Jednotlivé složky směsi se na papíře či jiném materiálu vážou různě pevně, a proto jsou unášeny různou rychlostí. Tím se jednotlivé složky směsi od sebe vzdalují a dochází k jejich oddělování. Shrnutí metod oddělování složek směsí 8.9.200 23:9:33 3z8
Výpočty složení roztoku Kromě hmotnostního zlomku se v chemii používají další veličiny k vyjádření složení roztoků. Objemový zlomek f (čtěte fí) kde f (s) je objemový zlomek složky s v roztoku V (s) je objem složky s roztoku V je součet objemů složek v čistém stavu za daných podmínek (skutečný objem směsi není vždy roven součtu objemů složek!) Poznámka: V praxi se můžeme setkat s označením hmotn. % hmotnostní procento, obj. % (% vol.) objemové procento. Pokud bližší označení u symbolu % chybí, jde obvykle o hmotnostní procento. I když tato vyjádření hmotnostního a objemového zlomku nejsou správná, v praxi zatím v hojné míře přetrvávají. Hmotnostní koncentrace r (čtěte ró) kde r (s) je hmotnostní koncentrace složky s v roztoku m(s) je hmotnost složky s roztoku V je objem roztoku Poznámka: Na lahvích s minerálními vodami je obsah jednotlivých složek vyjádřen v mg/l. Podobně jsou uváděny poměrné obsahy škodlivých látek v ovzduší (např. mg/m3). Koncentrace c, též látková koncentrace nebo molární koncentrace, kterou vypočteme podle vztahu: kde c (s) je koncentrace složky s v roztoku n (s) je látkové množství složky s roztoku 8.9.200 23:9:33 4z8
V je objem roztoku 3 Koncentrace se v laboratořích běžně udává v jednotkách mol/dm. 8.9.200 23:9:33 5z8
a teploměr, b frakční baňka, c směs určená k destilaci, d varné kamínky, e chladič, kterým ve směru šipek proudí studená voda, f alonž, g jímadlo Jestliže v baňce zahříváme směs vody a ethanolu, teplota par se postupně zvětšuje, až dojde k varu směsi. Růst teploty par měřené teploměrem se zastavuje přibližně na 78 C, což je teplota varu oddělovaného ethanolu. Páry ethanolu kondenzují v chladiči a jako kapalný destilát se hromadí v jímadle. Porovnáním zápalnosti výchozí směsi a destilátu můžeme prokázat, že destilátem je ethanol. Průmyslová destilační zařízení pro oddělování složek ropy (z ropy se získává nafta, benzin, mazací oleje a další látky) Na keramické síťce pozvolna zahříváme v kádince směs naftalenu a dřevného uhlí. Na ústí kádinky je položeno hodinové sklo se studenou vodou. Pozorujeme, že se ze směsi oddělují páry naftalenu, které krystalují na chladném dně hodinového skla. Základní úlohy:. Rozhodněte, zda jsou uvedené směsi stejnorodé nebo různorodé. a) ocet b) bramborová polévka 8.9.200 23:9:33 6z8
c) sycená (perlivá) minerálka po otevření lahve d) přefiltrovaná šťáva z ovoce e) čerstvě natočené pivo f) vzduch nad Prahou 2. Žáci měli ze dvou látek používaných v domácnosti připravit stejnorodou směs. Kteří postupovali správně? 3 Josef smísil 0,2 dm octa a g kuchyňské soli. 3 Milan smísil čajovou lžičku kuchyňské soli a 0,2 dm oleje. Katka smísila čajovou lžičku kuchyňské soli a 0,0 l vody. 3 Oldřich smísil 2 g kuchyňské soli a 0,5 dm vody. Renata smísila lžičku soli a lžičku práškového cukru. 3. Představte si, že smísíte 5 ml lihu (ethanolu) a 25 ml vody. Stejný typ směsi můžete získat smísením. A 5 g kuchyňské soli a 50 ml vody B 5 ml benzinu a 50 ml vody C 0 g písku a 50 ml vody D ml oleje a 00 ml vody 4. Doplňte správně slova koncentrovanější nebo zředěnější. a) Nasycený roztok kuchyňské soli je... než jeho nenasycený roztok. b) Pro přípravu pokrmu byl ocet smísen se stejným objemem vody. Tento vzniklý roztok byl... než ocet. c) 6% roztok peroxidu vodíku je... než 3% roztok peroxidu vodíku. d) Čaj v prvním šálku jsme osladili cukrem ze dvou sáčků porcovaného cukru. Stejný objem čaje ve druhém šálku jsme osladili cukrem z jednoho sáčku. V prvním šálku byl... roztok cukru. 5. Kuchařka připravila roztok cukru k zalití ovoce při zavařování tak, že smísila 0,5 kg cukru a,5 litru vody. Vyberte správný údaj o tom, jaký roztok cukru připravila. A 30% B 33% C 25% D 20% Rozšiřující úlohy:. Jak se nazývá směs, která vzniká při a) rozptylování voňavky ve vzduchu, b) klepání rohožky, c) zvíření prachu na cestě, d) úniku ropy do moře, e) rozptýlení částeček zeminy v říční vodě, f) vytváření oblaků, g) hoření pevných a kapalných paliv, h) použití šlehačky ve spreji, i) mytí nádobí ve vodě se saponátem. 2. Určete jedno slovo, které doplňuje všechny výrazy ve skupině a) i b). a) kapalný..., pevný..., plynný... b) vodný..., lihový... 3. Vyberte směsi, jejichž složky můžeme oddělit filtrací. Směs A vody a oleje, B vody a etanolu, C prachu a vzduchu, D rozemleté křídy a vody, E cukru, kuchyňské soli a vody, F ovocné šťávy a kousků plodů. 8.9.200 23:9:33 7z8
4. Rozhodněte, kdo měl při svých tvrzeních vícekrát pravdu. Tvrzení Pavla: A Filtrací mohu oddělit složky všech různorodých směsí. B Destilací mohu oddělit složky všech stejnorodých směsí. C Filtrací mohu z různorodé směsi oddělit její pevné a kapalné složky. D Při destilaci se využívá odlišné teploty varu složek směsi. Tvrzení Evy: E Filtrací nemohu oddělit složky všech různorodých směsí. F Odstřeďováním mohu oddělit složky všech stejnorodých směsí. G Nerozpuštěné složky směsi pevné a kapalné látky mohu ve většině případů oddělit buď usazováním, nebo odstřeďováním. H Při oddělování složek směsí usazováním se využívá jejich různé hustoty. 5. Které ze dvou uvedených postupů oddělování složek směsí se uplatňuje při využití překapávače kávy? A krystalizace a filtrace B extrakce a filtrace C extrakce a krystalizace D sublimace a extrakce 6. Při přípravě hovězího vývaru se obvykle dá maso do studené vody. Potom se směs uvede do varu, po chvíli se přidá sůl a koření. Hrnec se přikryje pokličkou a směs se vaří. Bude kapalina, která se sráží na vnitřní straně poklice, slaná? Své tvrzení vysvětlete. 7. Jiří připravil 4 kg 40% roztoku cukru k dokrmování včel. Strýc mu však poradil, aby do roztoku přisypal ještě kg cukru. Hmotnostní zlomek cukru v takto upraveném roztoku je A 42 %, B 52 %, C 58 %, D 65 %. 8.9.200 23:9:33 8z8
Obsah Chemické látky a jejich směsi 8.9.200 23:9:33