Jiøí Vlèek ZÁKLADY STØEDOŠKOLSKÉ CHEMIE obecná chemie anorganická chemie organická chemie
Obsah 1. Obecná chemie... 1 2. Anorganická chemie... 29 3. Organická chemie... 48 4. Laboratorní cvièení... 69 sazba Dagmar JARÙŠKOVÁ obálka Libor KUBICA obrázky Jiøí VLÈEK Praha 2009 3. 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 Ukázka knihy z internetového knihkupectví www.kosmas.cz
U k á z k a k n i h y z i n t e r n e t o v é h o k n i h k u p e c t v í w w w. k o s m a s. c z, U I D : K O S 1 9 7 7 7 7 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
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 Ukázka knihy z internetového knihkupectví www.kosmas.cz
U k á z k a k n i h y z i n t e r n e t o v é h o k n i h k u p e c t v í w w w. k o s m a s. c z, U I D : K O S 1 9 7 7 7 7 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
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 10 23 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 Ukázka knihy z internetového knihkupectví www.kosmas.cz
U k á z k a k n i h y z i n t e r n e t o v é h o k n i h k u p e c t v í w w w. k o s m a s. c z, U I D : K O S 1 9 7 7 7 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 (6,02 10 23 ) 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 6,02 10 23 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 14,0 + 3 1,01 = 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