Chemie ukázka možného využití programu dosystem - EduBase ve výuce Autor: Marcela Slípková VARIACE 1 Tento dokument byl kompletně vytvořen, sestaven a vytištěn v programu dosystem - EduBase. Více informací o programu naleznete na www.dosli.cz.
Chemie Chemie je přírodní věda o neživé přírodě, která zkoumá látky a jejich přeměny. Předchůdkyní chemie byla alchymie, která byla velmi rozvinutá v 16. a 17. století za vlády císaře Rudolfa II. Alchymisté hledali elixír života, kámen mudrců a přeměnu kovů ve zlato. 1. Složení látek a chemická vazba V tématickém celku si objasníme, proč mohou probíhat chemické děje. Začneme složením látek. Víme, že látky se skládají z atomů, které se slučují v molekuly. Atomy a molekuly jsou malé částečky látek, které mají různé složení a velikost, a proto mají látky různé vlastnosti. Atomy a molekuly se neustále pohybují. atom molekula 1.1 Atomy Z čeho se skládají látky? Jsou složeny z neviditelných částic, které se neustále pohybují. Jsou to atomy,molekuly, makromolekuly (z řec. macros = velký). Ani atomy nejsou nejmenší a nedělitelné částice (z řec. atomos = nedělitelný). Atomy se skládají z menších částic - mikročástic: elektronů se záporným nábojem - značíme e -, protonů s kladným nábojem - značíme p +, neutronů bez náboje - značíme n o. Protony a neutrony tvoří jádro atomu (pouze atom vodíku neobsahuje neutrony), obal atomu je tvořený elektrony. Jádro je vždy kladné a obal záporný. Atom je částice chemické látky složená z jádra a obalu. V jádru jsou protony a neutrony a v obalu elektrony. Počet elektronů v obalu a protonů v jádře je stejný, proto navenek vystupuje atom jako neutrální. Počet neutronů nemá na náboj atomu žádný vliv. Počet protonů a elektronů v atomu je stejný, ale jejich hmotnost a velikost je různá. Hmotnost atomu je v jádře, ale velikost jádra je mnohonásobně menší než obal. 1 z 19
Schematicky můžeme strukturu atomu znázornit takto: atom vodíku atom uhlíku 1. elektronová vrstva + - 1 vrstva e valenční 6 + 2. elektronová vrstva - valenční Vyzkoušejte si! 1. 122 Dokažte pohyb částic látek! Návod: Na zpětný projektor umístíme 2 Petriho misky s vodou. Na hladinu vody v 1. misce vložíme zrnko kafru a do středu druhé ponoříme několik krystalků manganistanu draselného. Řešení: Zrnko kafru se pohybuje neuspořádaně. Krystalky manganistanu draselného se rozpouštějí, kolem nich vzniká kruh fialového roztoku, jehož průměr se zvolna zvětšuje. Výsledek: Pohybující se částice vody narážejí na zrnko kafru. Částice manganistanu se pohybují a pronikají mezi částice vody. Valenční vrstva Elektrony se pohybují kolem jádra atomu v různých vzdálenostech - uspořádáně ve vrstvách neboli sférách. Vrstev může být maximálně 7. V každé vrstvě mají elektrony přibližně stejnou energii. Největší energii mají elektrony v nejvzdálenější vrstvě, která se nazývá vnější neboli valenční. Elektrony této vrstvy mají vliv na vlastnosti prvků. Ve valenční vrstvě může být nejvíce 8 elektronů. 1.2 Protonové číslo Všechny látky kolem nás (rostliny, živočichové, horniny, stavby, silnice...) se skládají z atomů. Známe 107 druhů atomů, které se od sebe liší počtem protonů v jádře. Počet protonů udává protonové číslo, které označujeme Z. Atomy, které mají stejné protonové číslo, tvoří prvek. Prvek je chemická látka složená z atomů, které mají stejné protonové číslo. 1.2.1 Izotopy Atomy téhož prvku, které se liší počtem neutronů (mají jiné nukleonové číslo), nazýváme izotopy. Hmotnosti protonů a neutronů jsou přibližně stejné, proto se hmotnosti izotopů téhož prvku liší. 1.2.2 Nukleonové číslo Nukleonové číslo určuje počet protonů a neutronů. Zapisuje se před značkou prvku vlevo nahoru. Nukleony jsou mikročástice chemické látky složené z protonů a neutronů. 2 z 19
1.3 Prvky Každý prvek má své protonové číslo, název (mezinárodní a český) a značku. Značky jsou odvozené od mezinárodního názvu a jsou stejné na celém světě. První písmeno je vždy tiskací a velké, případné druhé je jedním z dalších písmen mezinárodního názvu a je malé (může být i psací). Např. Nitrogenium (dusík) N, Natrium (sodík) Na, Ferrum (železo) Fe, Stannum (cín) Sn. Značku čteme foneticky, každé písmeno zvlášť. Např. N čteme en, Na čteme en-a, Fe čteme ef-e, Sn čteme es-en. Značka prvku označuje současně 1 atom prvku. Např. H značí značku vodíku a 1 atom vodíku, Cu značí značku mědi a 1 atom mědi. Více atomů daného prvku píšeme číslem před jeho značkou. Např. 5 atomů vodíku napíšeme zápisem 5 H; 8 atomů síry 8 S. Protonové číslo Z píšeme malým číslem před značku vlevo dolů 8 O, 1 H, 17 Cl a čteme o-osm, há-jedna, cé-el-sedmnáct. Před značku prvku vlevo nahoru píšeme malým číslem relativní atomovou hmotnost 16 O (součet protonů a neutronů). Prvek je chemická látka složená z atomů, které mají stejné protonové číslo. Nejznámější prvky: Český název Mezinárodní název Chemická značka Protonové číslo argon Argon Ar 18 arsen Arsenicum As 33 baryum Baryum Ba 56 bór Borum B 5 brom Bromum Br 35 cín Stannum Sn 50 draslík Kalium K 19 dusík Nitrogenium N 7 fluor Fluorum F 9 fosfor Phosphorus P 15 germanium Germanium Ge 32 helium Helium He 2 hliník Aluminium Al 43 hořčík Magnesium Mg 12 chlor Chlorum Cl 17 chrom Chromum Cr 24 jod Iodum I 53 kadmium Cadmium Cd 48 kobalt Cobaltum Co 27 krypton Krypton Kr 36 křemík Kalium K 19 kyslík Oxygenium O 8 litium Lithium Li 3 mangan Manganum Mn 25 měď Cuprum Cu 29 neon Neon Ne 10 nikl Niccolum Ni 28 3 z 19
olovo Plumbum Pb 82 osmium Osmium Os 76 platina Platinum Pt 78 radon Radon Rn 86 rtuť Hydrargyrum Hg 80 síra Sulphur S 16 sodík Natrium Na 11 stříbro Argentum Ag 47 stroncium Strontium Sr 38 titan Titanium Ti 22 uhlík Carboneum C 6 uran Uranium U 92 vanad Vanadium V 23 vápník Calcium Ca 20 vodík Hydrogenium H 1 wolfram Wolframium W 74 zinek Zincum Zn 30 zlato Aurum Au 79 železo Ferrum Fe 26 Molekuly - zápis Atomy některých prvků se slučují a tvoří víceatomové molekuly. Počet atomů v jejich molekule píšeme malým číslem vpravo dole za značku prvku. Např. O2 - dvouatomová molekula kyslíku, P5 - pětiatomová molekula fosforu. 1.4 Chemická vazba Z jednotlivých atomů je tvořeno velmi málo látek. Jsou to např. vzácné plyny, které jsou součástí vzduchu (helium, neon, argon, xenon, krypton, radon). Většina látek je tvořena atomy, které se spojují - slučují. Mezi atomy stejných i různých prvků vzniká vazba - chemická vazba. Atomy se slučují pomocí elektronů ve vnější - valenční vrstvě. Valenční elektron jednoho atomu vytvoří s valenčním elektronem druhého prvku elektronový pár. Atomy se spojují dvěma způsoby: 1) Atomy během chemické reakce elektrony přijímají nebo odevzdávají - vzniká iontová vazba. + 17 + + + + 17 H + Cl HCl 2) Atomy se podělí o společné elektrony - vzniká kovalentní vazba. 4 z 19
1.5 Molekuly a sloučeniny Částice, které vznikly spojením dvou nebo více atomů, se nazývají molekuly. Např. molekuly vodíku, kyslíku, dusíku, fluoru, chloru, bromu, jodu jsou dvouatomové. Složení molekul zapisujeme za značku prvku malým číslem vpravo dolů, kde uvedeme počet atomů vázaných v molekule. Např. zápis Cl 2 (čteme cé-el-dvě) znamená, že v molekule chloru jsou vázané 2 atomy Cl. Také 2 různé prvky mohou tvořit dvouatomovou molekulu (např. HCl). Molekuly mohou být i víceatomové: a) molekuly složené ze stejných atomů: S 8, P 4 b) molekuly složené z atomů různých prvků: H 2 O - dvouprvková, složená ze tří atomů (ze 2 atomů H a 1 atomu O) H 2 SO 4 - tříprvková, složená ze 7 atomů (ze 2 atomů H, 1 atomu S a 4 atomů O). Všechny chemické látky složené z molekul, tj. ze sloučených atomů různých prvků, se nazývají chemické sloučeniny. Sloučeniny mají stálé chemické složení. Složení sloučeniny vyjadřuje chemický vzorec, který udává: a) druh atomu, b) poměr počtu atomů. Např. voda H2 O (čti há-dvě-ó) je sloučenina, jejíž molekula je tvořena 2 atomy H a 1 atomem O. Vzorcem zapisujeme také prvky, tvoří-li molekuly, např: H 2, O 2. Většina chemických látek je tvořena molekulami. Prvky a sloučeniny jsou chemické látky, které mají stálé chemické složení, proto mají stálé hodnoty fyzikálních veličin (např. teplotu varu, teplotu tání, hustotu...). Molekula je částice chemické látky, složená ze dvou nebo více sloučených atomů. Sloučenina je chemická látka, složená ze sloučených atomů dvou nebo více prvků. 1.6 Ionty Některé sloučeniny (např. kuchyňská sůl) nejsou tvořeny z neutrálních atomů, ale z částic elektricky nabitých - z iontů. Ionty vznikají přesunem valenčních elektronů. Ionty mohou být nabité kladně - kationty nebo záporně - anionty. Sodík se slučuje s chlorem a při bouřlivé reakci vzniká pevná bílá látka - chlorid sodný. Experimentálně lze dokázat, že je složený z kationtů a aniontů. Kationt má má méně elektronů než protonů a vzniká odebíráním jednoho nebo více elektronů. Aniont má více elektronů než protonů a vzniká přibíráním jednoho nebo více elektronů. Počet protonů se nemění. Ionty zapisujeme za značku vpravo nahoru, číslo vyjadřuje počet přesunutých elektronů a znaménko + kation (např. K +, Al 3+, čteme ká-plus, á-el-tři-plus) a znaménko - anion (např. Cl -, O 2-, čteme cé-el-minus, ó-dvě-minus). Vznik kationtu: Atom sodíku při chemické reakci odebírá 1 elektron a vznikne kation sodíku. Na o - 1 e - --------> Na + 5 z 19
Atom Ca o odevzdá 2 e - a vznikne kation Ca 2+. Ca o - 2 e - --------> Ca 2+ Vznik aniontu: Atom chloru přijme při chemické reakci 1 elektron a vznikne anion chloru. Atom O o přijme 2 e - a vznikne anion O 2-. Cl o + 1 e - --------> Cl - O o + 2 e - --------> O 2- + Kromě jednoduchých iontů existují i ionty složené např. NH 4, chemická vazba. 2 2 SO 4, CO 3, NO 3. Mezi ionty vzniká iontová Otázky k procvičení 1. Jak vzniká chemická vazba? 156 2. Napiš vzorec sloučeniny, která je složená ze: a) 2 atomů fosforu a 5 atomů kyslíku b) 2 atomů vodíku, 1atomu síry a 4 atomů kyslíku c) 1 atpmu dusíku a 3 atomů vodíku d) 2 atomů vodíku a 1 atomu kyslíku e) 1 atomu vápníku, 1 atomu uhlíku a 3 atomů kyslíku Kolikaprvkové jsou tyto sloučeniny? 162 3. Najdi protonové číslo těchto prvků: Na, H, C, Pb, O, Fe. 150 4. Počet elektronů v atomu je 17. Jaké je protonové číslo? 146 5. Jak vznikají ionty? 170 2. Chemické prvky V tomto tématickém celku se seznámíte se základními a nejdůležitějšími kovy a nekovy a s uspořádáním prvků do periodické soustavy prvků. 2.1 Periodická soustava prvků Tak jako živočichy a rostliny rozdělujeme do skupin - kmenů, tříd, řádů apod., tak i prvky podle podobných vlastností třídíme do systému, který nazýváme periodická soustava chemických prvků neboli periodická tabulka prvků. Je založena na tom, že vlastnosti prvků a jejich sloučenin se periodicky opakují - periodický zákon. Prvky jsou v periodické tabulce uspořádány podle periodického zákona: Vlastnosti prvků a jejich 6 z 19
sloučenin se periodicky mění v závislosti na vzrůstajícím protonovém čísle. Jak vypadá periodická tabulka? Prvky jsou uspořádány podle stoupajícího protonového čísla. V tabulce je 7 vodorovných řad = period (označujeme číslem 1 až 7). V první periodě jsou 2 prvky (H, He). Ve druhé periodě je 8 prvků (Li až Ne). Ve třetí periodě je 8 prvků (Na až Ar). Prvky téže periody mají stejný počet vrstev elektronů: prvky v 1. periodě mají 1 vrstvu elektronů, prvky ve 2. periodě mají 2 vrstvy elektronů, prvky ve 3. periodě mají 3 vrstvy elektronů, prvky v 7. periodě mají 7 vrstev elektronů. V tabulce je 18 svislých sloupců, které tvoří 8 skupin (označujeme I až VIII), dělených na 16 podskupin označených písmenem A - hlavní a B - vedlejší (VIII. B skupina je tvořena 3 sloupci). Budeme se věnovat podskupině A. Prvky ve stejné skupině mají stejný počet valenčních elektronů a podobné vlastnosti (alkalické kovy - I. A skupina, halogeny - VIII. A skupina): prvky v I. A skupině mají 1 valenční elektron, prvky ve II. A skupině mají 2 valenční elektrony, prvky ve III. A skupině mají 3 valenční elektrony, prvky v VIII. A skupině mají 8 valenčních elektronů. Nejaktivnější prvky, které snadno tvoří sloučeniny, jsou ty, které mají ve valenční vrstvě malý nebo velký počet elektronů (alkalické kovy v I. A skupině, halogeny v 7. A skupině). Základní údaje u prvku v periodické soustavě: 20 Ca vápník Calcium značka český název protonové číslo latinský název 2.2 Rozdělení prvků Prvky můžeme třídit podle: a) fyzikálně chemických vlastností (např. podle elektrické vodivosti dělíme na kovy, nekovy a polokovy), b) podobných vlastností (např. na vzácné plyny, alkalické kovy, halogeny). V dalším textu budeme porovnávat kovy a nekovy. 2.2.1 Prvky - kovy Kovy vedou el. proud a teplo, jsou kujné a tažné, při běžných podmínkách jsou pevné (mimo rtuť, která je kapalná). Všechny kovy tvoří jednoatomové molekuly. Ve sloučeninách s nekovy většinou vystupují jako kationty. 7 z 19
Některé kovy tvoří sloučeniny snadno (např. alkalické kovy), jiné ne - jsou to vzácné kovy (Ag, Au, Pt). Zlato a platina jsou chemicky netečné, v přírodě se ve sloučeninách nenacházejí. Kovové prvky tvoří navzájem směsi = slitiny, které mají proměnlivé složení. Vznikají ztuhnutím roztavených směsí kovů. Proti čistým kovům mají slitiny pro některá použití lepší vlastnosti. Např. bronz - slitina Cu a Sn a mosaz - slitina Cu a Zn jsou tvrdší než Cu, dural - slitina Al, Mg a dalších kovů je tvrdší a pevnější než Al. Na kovy působí povětrnostní vlivy, průmyslové zplodiny, voda, soli a jejich vlivem dochází k rozežírání kovů - korozi. Při korozi vznikají látky nežádoucích vlastností. Největší ztráty vznikají korozí železa - jeho rezavěním. Proto železo proti korozi chráníme lakováním, olejováním, smalty, galvanickým pokovováním (ochrana tenkou vrstvičkou kovu odolného proti korozi) - pochromováním, poniklováním, pozinkováním. Alkalické kovy Alkalické kovy jsou prvky I. A skupiny periodické soustavy. Mezi nejznámější patří lithium, sodík a draslík. Atomy alkalických kovů mají ve valenční vrstvě 1 elektron, který snadno předávají a vznikají kationty Li +, Na +, K +. Vlastnosti alkalických kovů Jsou stříbrolesklé, měkké (dají se krájet nožem), mají malou hustotu a malou teplotu tání. Jsou velmi reaktivní, na vzduchu se pokrývají vrstvou sloučenin s kyslíkem, proto se uchovávají v lahvích s petrolejem (ochrana před kyslíkem). Prudce reagují s vodou a vzniká vodík a roztok hydroxidu sodného. Sloučeniny alkalických kovů charakteristicky barví plamen (sloučeniny lithia červeně, sodíku žlutě a draslíku růžovofialově). Alkalické kovy se používají jako slitiny (chladící směsi v jaderných reaktorech) a k výrobě sodíkových výbojek. Nejdůležitější sloučeniny jsou s chlorem - kuchyňská sůl a s kyslíkem a vodíkem - hydroxidy (používají se k výrobě mýdel a syntetických vláken). Vyzkoušejte si! 1. 231 Návod: Řešení: Výsledek: Pozorujte vlastnosti Na. Kousek Na vložte mezi 2 podložní skla a přitiskněte je k sobě. skla lze přiložit k sobě - je měkký 2. 233 Návod: Řešení: Výsledek: Dokažte, že sloučeniny alkalických kovů barví plamen. V plameni vyžíhaný platinový drátek (nebo tuhu do versatilky) namočte do roztoku lithné soli a vložte do nesvítivé části plamene. Postup zopakujte s roztokem sodné a draselné soli. Li barví plamen červeně, Na žlutě a K růžovofialově. 8 z 19
3. 232 Návod: Řešení: Výsledek: Dokažte reaktivnost sodíku. Do skleněné krystalizační misky s ochrannou železnou síťkou nalijte vodu, do které jste kápli 2 kapky lihového roztoku fenolftaleinu (pro zviditelnění vzniklé látky). Misku postavte na sklo meotaru. Do misky na vodu položte kousek sodíku (asi jako malý hrášek) a přikryjte větší Petriho miskou. Pozorujete bouřlivou reakci, při které se kov roztaví a prudce se pohybuje po hladině vody a roztok se barví červenofialově. Na je velmi reaktivní, vzniká plyn vodík a alkalicky (zásaditě) reagující roztok hydroxidu sodného - fenolftalein se zbarví červenofialově. 4. 230 Návod: Řešení: Pozorujte vlastnosti sodíku. Kousek Na vytáhněte ze zásobní láhve zpod petroleje, osušte filtračním papírem a rozkrojte. Výsledek: je měkký, lze krájet nožem, je stříbrolesklý, ale rychle se pokrývá bílou vrstvičkou - sloučeninami s kyslíkem Hliník Hliník je stříbrolesklý, na vzduchu stálý kov, který má malou hustotu a velmi dobrou tepelnou a elektrickou vodivost. Na vzduchu oxiduje a vrstvička pevné bílé kyslíkaté sloučeniny (oxidu hlinitého) chrání hliník před dalším působením vzduchu. Používá se jako konstrukční materiál (v letectví, ve stavebnictví, v automobilovém průmyslu - dural), k výrobě obalů - alobal, k výrobě nádobí (nevhodné pro zdraví). Měď Měď je stálý, hnědočervený kov, velmi dobře vede teplo a elektrický proud. Patří mezi ušlechtilé kovy, vlivu prostředí podléhá velmi málo. Ve vlhku se pokrývá zelenou vrstvičkou - měděnkou, která brání další korozi. Slitina Cu a Sn se nazývá bronz, slitina Cu a Zn mosaz a slitina Cu, Zn a Ni alpaka. Měď se používá v elektrotechnice (vodiče), k výrobě varných kotlů, střešních krytin, okapů, apod. Vyzkoušej si! 1. 250 Pozoruj korozi mědi! Návod: Na očištěný měděný plíšek kápněte roztok sody. Řešení: Na plíšku se vytvořil zelený povlak. Výsledek: Pokus zrychleně ukázal vznik měděnky. 9 z 19
Olovo Olovo je měkký, těžký, modrobílý kov, odolný proti korozi. Olovo i jeho sloučeniny jsou jedovaté. Používá se k výrobě desek automobilových akumulátorů a ložisek, k výrobě kyselinovzdorných nádrží a nádob, při pájení kovů, slouží jako ochrana před škodlivým zářením (např u rentgenových přístrojů). Stříbro Stříbro je lesklý, bílý, poměrně měkký, ušlechtilý kov, na vzduchu stálý, po nějaké době černá (vlivem sirovodíku), má velmi dobrou vodivost. Používá se k výrobě šperků a ozdobných předmětů, sloučeniny stříbra jsou základem černobílé fotografie. Zinek Zinek je šedobílý, na vzduchu stálý kov. Ve vlhku koroduje - pokrývá se bílou vrstvičkou, vzniká sloučenina zinku a kyslíku (oxid zinečnatý). Slitina zinku s mědí se nazývá mosaz. Používá se jako ochrana proti korozi (pozinkování plechů, pletiv), k výrobě mosazi a při výrobě monočlánků. Vyzkoušejte si! 1. 264 Proveďte reakci zinku se sírou! Návod: Směs práškového zinku a síry v poměru 2 : 1 položte na plech a hořící špejlí zapalte. Řešení: Směs shoří a vzniká světlo a zapáchající plyn (oxid siřičitý). Výsledek: Zinek se slučuje na světle žlutou pevnou látku - sulfid zinečnatý. Zlato Zlato je ušlechtilý, lesklý, žlutý, na vzduchu velmi stálý kov - nekoroduje. Má velkou hustotu a je nejlepším elektrickým a tepelným vodičem. Je dosti měkké, velmi kujné - lze jej vytepat do tenké fólie. Pro zvýšení tvrdosti se zlato většinou slévá s dalšími kovy např. Cu, Ag, Ni. Používá se k výrobě šperků, k pozlacování předmětů, k výrobě pamětních mincí, v zubním lékařství, v elektronice. Zlato také pomáhá ke krytí bankovek všech vyspělých zemí (zlaté pruty a cihly uložené v trezorech bank). Železo Nejpoužívanějším a nejznámějším kovem je železo. Je to stříbrolesklý, pevný, magnetický kov. Na vzduchu podléhá korozi - rezaví. V přírodě se vyskytuje ve sloučeninách. Rudám bohatým na železo říkáme železné rudy (např. magnetovec, krevel, ocelek). Z nich se vyrábí ve vysokých pecích železo. Pec se plní vrstvami koksu, železné rudy a vápence. Zespodu se vhání předehřátý 10 z 19
vzduch. Spalováním koksu se dosahuje teploty až 1800 o C. Z rudy se uvolňuje surové železo, které při této teplotě kapalní a vypouští se (odpichuje) asi každé 2 hodiny. Na povrchu kapalného železa se shromažďuje kapalná struska, která chrání železo před kyslíkem. Ta se vypouští zvlášť. Ve vysoké peci vzniká surové železo - litina. Vlivem nežádoucích příměsí je litina pevná, ale křehká, nejde svařovat a není kujná - obsahuje 1,7% až 4% uhlíku, dále obsahuje Si, P, Mn. Litina se používá na výrobu kamen, radiátorů, těl obráběcích strojů, odlitků kol, atd. Ocel Surové železo se dále zpracovává v ocelárnách na zušlechtěné železo - ocel. V oceli je obsah uhlíku do 1,7% a zmenšuje se podíl Si, P a jiných nežádoucích prvků. Naopak přísadou různých jiných prvků se vlastnosti oceli zlepšují a získá se ocel různých vlastností. Např. přidáním Cr a Ni vznikne nerezavějící ocel, přidáním Va vanadová ocel, přidáním Cr pružinová ocel). Ocel je kujná a tažná. Vlastnosti výrobků z oceli lze ovlivnit ochlazováním rozžhavené oceli: při pozvolném ochlazování (popouštění) vznikne ocel pružná a snadno ohybatelná, ale méně tvrdá, při prudkém ochlazení (kalení) vznikne ocel tvrdá a pružná, ale křehká. Ocel je pro člověka nepostradatelná. Používá se na výrobu strojů, plechů, drátů, nádobí, nástrojů, hřebíků, příborů, kolejnic, při stavbě budov, apod. Vyzkoušejte si! 1. 282 Proveďte pokus: Reakce železa se sírou. Návod: V poměru 7 : 4 připravte směs práškového železa a síry, vložte do zkumavky a zahřívejte. Po vychladnutí zjistěte, je-li látka magnetická. Řešení: Železo se sloučilo se sírou. Výsledek: Vznikla nová sloučenina - sulfid železnatý, který není magnetický. 2. 283 Návod: Řešení: Proveďte reakci železa s kyslíkem. Zkumavku naplňte kyslíkem. V plameni nažhavený železný drát vložte do zkumavky s kyslíkem. Výsledek: Železný drát jiskří, spaluje se a vzniká hnědorezavá sloučenina - rez. 3. 281 Návod: Řešení: Dokažte vliv rychlosti ochlazovánírozžhavené oceli na vlastnosti oceli. a) Žiletku nebo pružinku z ocelového drátu zahřejeme do červena a necháme zvolna zchladnout. b) Žiletku nebo pružinku opět zahřejeme do červena a prudce ochladíme ponořením do studené vody. Výsledek: a) Ocel se snadno ohýbá, zmenšila se její pružnost. b) Ocel se hůře ohýbá, zvětšila se její pružnost. 11 z 19
Otázky k procvičení 1. Proč není vodík alkalickým kovem? 237 2. jak dokážeme stálost kovů? 216 3. Co to je koroze? 221 4. K čemu se používá Pb? 258 5. Který prvek je na Zemi nejrozšířenější? 225 2.2.2 Prvky - nekovy Nekovy nemají kovový vzhled, nevedou el. proud a teplo. V periodické soustavě jsou v pravé horní části (mimo vodík). Při pokojové teplotě mají různá skupenství: plynné - H, O, N, F, Cl a vzácné plyny (He, Ne, Ar, Xe, Kr, Ra), kapalné - Br, pevné - C, Si, P, S, Se, I. Plynné látky (mimo vzácné plyny) tvoří dvouatomové molekuly - H 2, O 2, N 2, F 2, Cl 2, Br 2, I 2. Halogeny Halogeny jsou prvky VII. A skupiny periodické soustavy. Ve valenční vrstvě mají 7 elektronů. Patří sem F, Cl, Br, I, At. Astat je nestálý, radioaktivní, kovový prvek, pro nás bezvýznamný. Atomy halogenů tvoří vždy dvouatomové molekuly F 2, Cl 2, Br 2, I 2. Jsou velmi reaktivní, snadno tvoří anionty F -I, Cl -I, Br -I, I -I. Jsou jedovaté, leptají sliznice, dráždí ke kašli. Slučují se přímo s většinou kovů za vzniku solí - halogenidů. S vodíkem tvoří halogenvodíky, které jsou rozpustné ve vodě a jsou základem halogenvodíkových kyselin (např. kyselina chlorovodíková). název a vzorec \ vlastnost skupenství barva fluor F 2 plyn zelenožlutá chlor Cl 2 plyn žlutozelená brom Br 2 kapalina červenohnědá jod I 2 pevná látka šedočerná Nejvýznamější použití má chlor. Používá se k dezinfekci vody ve vodárnách a bazénech, při bělení celulózy a textilu, vyrábí se z něj kyselina chlorovodíková, plastické hmoty (PVC) a rozpouštědla. Fluor je součástí zubních past, používá se k výrobě teflonu a freonů. Brom se používá k výrobě černobílých fotografií, barviv a léčiv. Jod má využití při výrobě barviv a fotografických materiálů a v lékařství (jodová tinktura - dezinfekce okolí ran). 12 z 19
Vyzkoušejte si! 1. 297 Dokažte reaktivnost chloru. Návod: Do zkumavek s roztoky bromidu a jodidu nalijte čerstvou chlorovou vodu. Řešení: Roztok v 1. zkumavce se barví žlutohnědě a ve 2. žlutě. Výsledek: Z roztoku bromidu se uvolnil brom - roztok se zbarvil žlutohnědě, z roztoku jodidu se uvolnil jod - roztok se zbarvil žlutě. 2. 296 Dokažte vlastnosti chlorové vody. Návod: Připravte 2 baňky s chlorovou vodou (asi 20 cm 3 ). a) Do 1. baňky přidejte několik kapek modrého a pak červeného inkoustu. b) Do 2. baňky nalijte několik cm 3 vody, která zapáchá, protože obsahuje mikroorganismy, které způsobily hnití (např. nevyměňovaná voda z vázy s květinami.) Řešení: a) Z barevných roztoků vzniká působením chlorové vody roztok bezbarvý. b) Voda ztrácí svůj zápach. Zahubení mikroorganizmů můžeme pozorovat mikroskopem. Výsledek: a) Chlor ve vodě má bělící účinky. b) Chlor ve vodě má dezinfekční účinky. Kyslík Kyslík je bezbarvý plyn bez chuti a zápachu. Umožňuje dýchání a hoření. Je rozpuštěný ve vodě a tím umožňuje dýchání vodních organismů. Vytváří sloučeniny téměř se všemi prvky (mimo vzácné plyny). V běžných podmínkách tvoří dvouatomové molekuly O 2. Kyslík se vyrábí ze vzduchu destilací zkapalněného vzduchu, který se vyrobil stlačením a ochlazením. Dopravuje se v tlakových ocelových lahvích označených modrým pruhem. Používá se v hutnictví (při výrobě železa a oceli), ke svařování a řezání kovů, ve sklářství, v lékařství a letectví jako raketové palivo. Vyzkoušejte si! 1. 310 Připravte kyslík a dokažte, že vznikající plyn je kyslík. Síra Síra je pevná, křehká látka. Za běžné teploty je žlutá, krystalická, je tvořená osmiatomovými molekulami S 8. Je základní surovinou pro výrobu kyseliny sírové a dalších důležitých chemických látek (např. sirouhlíku). Používá se také k výrobě pryže z kaučuku a k výrobě prostředků na ochranu proti škůdcům. 13 z 19
Vyzkoušejte si! 1. 330 Dokažte vlastnosti síry. Návod: a) Dozkumavky vložte krystalickou síru a zahřívejte nad plamenem. b) Roztavenou síru vlijeme do kádinky s vodou. Řešení: a) Síra taje a vzniká žlutohnědá kapalina. Páry se usazují na chladných stěnách zkumavky. b) Ochlazená síra je plastická, později se mění v krystalickou. Výsledek: a) Páry na stěně zkumavky vytváří sirný květ. Uhlík Uhlík je pevná látka, která se v přírodě vyskytuje jako diamant a grafit (tuha). Svými vlastnostmi se velmi liší. Diamant je nejtvrdší nerost, tuha je měkká, diamant je průhledný s vysokým leskem, tuha je šedočerná, matná. K uměle vyrobeným formám uhlíku patří saze, koks a aktivní uhlí. Čiré diamanty se brousí a používají ve šperkařství pod názvem brilianty. Ostatní přírodní neprůhledné a uměle vyrobené diamanty se pro svou tvrdost používají k broušení a k vrtání. Grafit se používá k výrobě tužek, tavicích kelímků, slouží jako mazadlo ložisek. Pro svou odolnost a elektrickou vodivost se z něj zhotovují elektrody používané při elektrolýze. Saze se používají při výrobě pryže na pneumatiky a při výrobě plastů. Koks je pevné palivo a používá se při výrobě surového železa ve vysoké peci. Aktivní uhlí má velký povrch a je schopné zachycovat (adsorbovat) jedovaté plyny a páry, barviva. Používá se k pohlcování jedovatých plynných látek (do filtrů ochranných masek), v cukrovarech k čištění cukerné šťávy nebo jako živočišné uhlí v lékařství k odstraňování škodlivých látek z trávicího ústrojí. Vyzkoušejte si! 1. 335 Dokažte vlastnosti aktivního uhlí. Návod: Do baňky s vodným roztokem inkoustu přidejte 2 až 3 lžičky práškového aktivního uhlí. Směs přefiltrujte. Řešení: Filtrát je bezbarvý. Výsledek: Aktivní uhlí pohltilo barvivo. Vodík Nejjednodušším nekovem je vodík. Je prvním prvkem periodické soustavy. Atom H tvoří 1 p + a 1 e - a Z = 1. Proto je v I. A skupině, i když se vlastnostmi liší od alkalických kovů. Je to bezbarvý, hořlavý, ve směsi se vzduchem výbušný plyn. Má nejmenší hustotu (je asi 14,5krát lehčí než vzduch). Ve vodě je velmi málo rozpustný. Tvoří dvouatomové molekuly H 2. Atom H (tak jako alkalické kovy) může odevzdat e -, pak vzniká vodíkový kationt H + nebo e - přijat a pak vzniká 14 z 19
hydridový aniont H -. Vodík se vyrábí z vody nebo ze zemního plynu. Dopravuje se v ocelových tlakových lahvích označených červeným pruhem. Používá se spolu s kyslíkem ke svařování a řezání kovů (vzniká teplota až 3000 stupňů), ke ztužování rostlinných tuků, v výrobě mnohých sloučenin - amoniaku NH 3, chlorovodíku HCl (pro výrobu kyseliny chlorovodíkové), k výrobě benzínu z hnědého uhlí. Vodík je ekologickým palivem budoucnosti, spalováním vzniká voda. Vyzkoušejte si! 1. 344 Připravte a dokažte vodík. Návod: a) Do zkumavky se 4 cm 3 15% HCl (kyseliny chlorovodíkové) vložte 2 granulky Zn. b) Unikající plyn jímejte do druhé zkumavky otočené dnem vzhůru. Po 2-3 min. uzavřete horní zkumavku palcem,přibližte se s ní k plameni kahanu a odsuňte palec. Řešení: a) Ve směsi vidíme bublinky. b) Reakce se projeví tzv. štěknutím a stěna zkumavky se orosí. Výsledek: a) Bublinky dokazují vznikající bezbarvý plyn - vodík. b) Štěknutí je důkazem, že ve směsi s kyslíkem je vodík výbušný a orosení zkumavky je důkazemslučování vodíku s kyslíkem na vodu. Otázky k procvičení 1. K čemu se používá vodík? 351 2. Jak halogeny působí na organismy? 304 3. Popiš společné vlastnosti halogenů. 300 4. Popiš vlastnosti síry. 331 5. Jaké skupenství mají nekovy? 294 3. Chemické reakce Při prováděných pokusech (např. hoření hořčíku nebo důkaz vodíku) jsme pozorovali děje, při kterých z výchozích látek vznikaly látky jiné, které měly odlišné vlastnosti. Děje, při kterých z výchozích látek vznikají jiné látky, se nazývají chemické reakce (zkráceně reakce). Výchozí látky, které reagují, nazýváme reaktanty a látky, které vznikají produkty. 15 z 19
3.1 Schema zápisu chem. reakcí Průběh všech reakcí můžeme zapsat schematem: reaktanty ------------------------> produkty chemická reakce Průběh každé chemické reakce můžeme zapsat schematem: a) kyslík + vodík -------> voda (čteme: kyslík reaguje s vodíkem a vzniká voda) Z jednodušších látek - reaktantů vzniká 1 složitější látka - produkt - chemické slučování. b) voda -------> kyslík + vodík (čteme: z vody vzniká kyslík a vodík nebo voda se rozkládá na kyslík a vodík) Ze složitější látky - reaktantu vznikají jednodušší látky - produkty - chemický rozklad. 3.2 Zákon zachování hmotnosti Jak se při chemických reakcích mění hmotnost látek? Nemění se. Při chemických reakcích se hmotnost všech látek před reakcí rovná hmotnosti všech látek po reakci. Tento poznatek na základě pokusů objevili nezávisle na sobě před více než 200 lety francouzský vědec Lavoisier a ruský přírodovědec Lomonosov a nazývá se zákon zachování hmotnosti. Při chemických reakcích dochází ke změně chemických vazeb, atomy se přeskupují, ale jejich počet se nemění (nemohou vznikat z ničeho a nikam zanikat). Proto se nemění hmotnost látek a platí zákon zachování hmotnosti. Vyzkoušejte si! 1. 362 Dokažte zachování hmotnosti látek při chemické reakci. Návod: Do baňky nalijte nasycený roztok a vložte zkumavku s nasyceným roztokem sody. Baňku uzavřete zátkou a na laboratorních vahách přesně vyvažte. Baňku překlopte tak, aby se roztoky slily. Řešení: Po smíšení roztoků vznikla modrá sraženina - reakce proběhla. Výsledek: Po zvážení zůstává hmotnost stejná - platí zákon zachování hmotnosti. 3.3 Chemické rovnice Chemické reakce se většinou nezapisují slovně, ale pomocí značek a vzorců. Např.: vodík H2 se slučuje s kyslíkem O2 za vzniku vody H2 O - zapíšeme schematem: 16 z 19
H2 + O2 -------> H2 O Při chemické reakci se druh a počet atomů prvků nemění. Proto je třeba schema upravit tak, aby počet atomů prvků před reakcí (vlevo od šipky) odpovídal počtu atomů prvků po reakci (vpravo od šipky) - zákon zachování hmotnosti. Při tom nesmíme měnit vzorce výchozích i vznikajících látek. Počet částic upravujeme nejmenšími čísly zapsanými vždy před značky prvků a vzorce sloučenin. Tato čísla nazýváme stechiometrickými koeficienty. Úprava schematu chemické reakce na chemickou rovnici: 1. zápis schematu vodík + kyslík -------> voda H 2 + O 2 -------> H 2 O modely molekul + -------> počet atomů kyslíku na levé a pravé straně: 2 : 1 2. první úprava schematu H 2 + O 2 -------> 2 H 2 O modely molekul + -------> počet atomů vodíku na levé a pravé straně: 2 : 4 3. druhá úprava schematu 2 H 2 + O 2 -------> 2 H 2 O modely molekul + -------> kontrola počtu všech atomů na obou stranách rovnice 2 H 2 + O 2 2 H 2 O počet atomů vodíku 2. 2 = 4 2. 2 = 4 počet atomů kyslíku 1. 2 = 2 2. 1 = 2 Chemická rovnice je zápis chemické reakce, kde výchozí i vzniklé látky zapisujeme značkami a vzorci a kde počet atomů prvků na obou stranách rovnice je stejný. Průběh reakce se vyjadřuje šipkou. Chemické rovnice jsou stručným a mezinárodně jednotným zápisem chemických reakcí. Význam rovnic: a) kvalitativní - udávají, které látky reagují a které vznikají b) kvantitativní - udávají poměr látkových množství reaktantů a produktů, který se vyjadřuje čísly před vzorci chemických látek tj. stechiometrickými koeficienty. 3.4 Typy chemických reakcí Chemické reakce jsou děje, při kterých vznikají jiné chemické látky. Z výchozích látek - reaktantů vznikají jiné látky - produkty. Chemické reakce můžeme třídit do skupin: slučování, rozklad, srážecí, redoxní, termické, elektrochemické reakce, esterifikace. 17 z 19
3.4.1 Chemické slučování Ze 2 výchozích látek - reaktantů vzniká 1 jiná látka - produkt. 2 H 2 O + O 2 2 H 2 O 3.4.2 Chemický rozklad 1 výchozí látka - reaktant se rozkládá na 2 jiné látky - produkty. 2 H 2 O 2 H 2 + O 2 3.4.3 Neutralizace Reakce kyseliny a hydroxidu za vzniku vody a soli; podstatou je reakce vodíkových kationtů a hydroxidových aniontů za vzniku molekul vody. HCl + NaOH H 2 O + NaCl H + + OH - H 2 O 3.4.4 Srážecí reakce Z výchozích látek - reaktantů v roztoku vzniká alespoň 1 málo rozpustná látka - sraženina. CaCl 2 + Na 2 CO 3 CaCO 3 + 2 NaCl sraženina 3.4.5 Redoxní reakce Dochází ke změnám oxidačních čísel atomů v reaktantech. Každá redoxní reakce se skládá ze 2 poloreakcí - redukce a oxidace. Při redukci se oxidační číslo atomů jednotlivých prvků zmenšuje. Cu II --------> Cu 0 Při oxidaci se oxidační číslo atomů jednotlivých prvků zvětšuje. H 0 ---------> H I V chemických reakcích probíhá redukce a oxidace vždy současně. 3.4.6 Esterifikace Reakce organické kyseliny s alkoholem za vzniku esteru a vody. CH 3 COOH + C 2 H 5 OH CH 3 COOC 2 H 5 + H 2 O kys. octová + ethanol ethylester kys. octové + voda 18 z 19
3.4.7 Termické reakce Termické reakce dělíme na reakce: 1. exotermické - při reakci se uvolňuje teplo. kj N 2 ( g ) + 3H 2 ( g ) 2NH 3 ( g ); Qm = 92, 4 mol 2. endotermické - při reakci se spotřebovává teplo. kj 2NH3 ( g) 3H2( g) + N2( g); Qm = + 92, 4 mol 3.4.8 Elektrochem. reakce K průběhu chemické reakce potřebují elektrický proud. Mezi elektrochemické reakce patří elektrolýza - tj. redoxní reakce, které probíhají na elektrodách při průchodu elektrického proudu roztokem nebo taveninou. 2+ Cu ( aq ) + 2Cl ( aq ) Cu ( s) + Cl 2 ( g ) Elektrolýza se prakticky využívá při galvanickém pokovování. Otázky k procvičení 1. Které látky nazýváme reaktanty a které produkty? 357 2. Uveďte reaktanty a produkty při reakcích: a) sodíku s chlorem za vzniku chloridu sodného b) při rozkladu vody na vodík a kyslík 358 3. Co to je chemická reakce? 355 4. Který z dějů patří mezi chemické reakce: a) mletí kávy b) rozpouštění kostky cukru v čaji c) vypařování benzínu d) pečení chleba e) rezavění hřebíku f) rozbití sklenky g) spálení papíru h) trávení potravy ch) vysátí prachu i) zhotovení karamelu 356 19 z 19
Obsah Chemie 1 1. Složení látek a chemická vazba 1 1.1 Atomy 1 Vyzkoušejte si! 2 Valenční vrstva 2 1.2 Protonové číslo 2 1.2.1 Izotopy 2 1.2.2 Nukleonové číslo 2 1.3 Prvky 3 Molekuly - zápis 4 1.4 Chemická vazba 4 1.5 Molekuly a sloučeniny 5 1.6 Ionty 5 Otázky k procvičení 6 2. Chemické prvky 6 2.1 Periodická soustava prvků 6 2.2 Rozdělení prvků 7 2.2.1 Prvky - kovy 7 Alkalické kovy 8 Vyzkoušejte si! 8 Hliník 9 Měď 9 Vyzkoušej si! 9 Olovo 10 Stříbro 10 Zinek 10 Vyzkoušejte si! 10 Zlato 10 Železo 10 Ocel 11 Vyzkoušejte si! 11 Otázky k procvičení 12 2.2.2 Prvky - nekovy 12 Halogeny 12 Vyzkoušejte si! 13 Kyslík 13 Vyzkoušejte si! 13 Síra 13 Vyzkoušejte si! 14 Uhlík 14 Vyzkoušejte si! 14 Vodík 14 Vyzkoušejte si! 15 Otázky k procvičení 15 3. Chemické reakce 15 3.1 Schema zápisu chem. reakcí 16 18.3.2005 12:32:37 Vytištěno v programu dosystem - EduBase (www.dosli.cz)
Obsah 3.2 Zákon zachování hmotnosti 16 Vyzkoušejte si! 16 3.3 Chemické rovnice 16 3.4 Typy chemických reakcí 17 3.4.1 Chemické slučování 18 3.4.2 Chemický rozklad 18 3.4.3 Neutralizace 18 3.4.4 Srážecí reakce 18 3.4.5 Redoxní reakce 18 3.4.6 Esterifikace 18 3.4.7 Termické reakce 19 3.4.8 Elektrochem. reakce 19 Otázky k procvičení 19 18.3.2005 12:32:37 Vytištěno v programu dosystem - EduBase (www.dosli.cz)