1 Základné pojmy STAVEBNÁ CHÉMIA 1 1.1 Látka a pole Ako látky veľmi stručne označujeme také formy hmoty, ktoré majú časticový (korpuskulárny) charakter a majú nenulovú kľudovú hmotnosť. Zaraďujeme sem napríklad základné stavené častice atómov ako sú protóny, neutróny a elektróny, zložitejšie mikročastice, ako sú atómy, ióny a molekuly, ako aj a makroskopické telesá a biologické útvary. Vzájomné silové pôsobenie medzi časticami látky v tradičnej fyzike možno vysvetliť štyrmi základnými interakciami, ktoré umožňujú popísať všetky spôsoby vzájomného silového pôsobenia častíc. Je to: 1. Silná interakcia, ktorá pôsobí medzi nukleónmi v jadre a udržuje pokope atómové jadrá. Je najsilnejšia zo všetkých základných interakcií, ale má krátky dosah. Jej pôsobenie je obmedzené len na subatomárnu úroveň. Silná interakcia je zodpovedná tiež za súdržnosť kvarkov, t.j. elementárnych častíc hmoty, z ktorých sú tvorené protóny a neutróny. 2. Slabá interakcia, ktorá sa uplatňuje pri vzájomných premenách neutrónov a protónov za účasti neutrín a ktorá prejavuje sa hlavne pri rádioaktivite beta. 3. Elektromagnetická interakcia, teda silové pôsobenie medzi všetkými elektricky nabitými časticami. Vlastnosti silového poľa medzi elektricky nabitými časticami závisia na pohybovom stave týchto častíc (elektrických nábojov). Ak sú elektricky nabité častice v kľude, pôsobí medzi nimi elektrostatická príťažlivá sila (súhlasné náboje) alebo odpudivá sila (opačné náboje). Veľkosť vzájomných síl vyjadruje Coulombov zákon. Ak je elektrický náboj v pohybe, k elektrickej sile pristupuje ešte sila magnetická. 4. Gravitačná interakcia pôsobí univerzálne medzi všetkými časticami. Je príťažlivá, výrazne sa prejavuje u telies s veľkou hmotnosťou. Z uvedených interakcií, silné a slabé interakcie majú krátky dosah. Prejavujú sa na úrovni atómových jadier a elementárnych častíc. Elektromagnetické a gravitačné interakcie majú dlhý (nekonečný) dosah a sú pozorovateľné v makrosvete. Poznámka: V súčasnej fyzike sa niektoré interakcie považujú za rôzne aspekty jednej sily. Napríklad elektromagnetické a slabé interakcie boli zjednotené v rámci teórie elektroslabej interakcie. 1.2 Zloženie látok (atómy, ióny, molekuly) Základnou časticou látok z chemického hľadiska 1 je atóm, prípadne jednojadrový (jednoatómový) ión. Atómy sú chemicky nedeliteľné. Za základné častice chemických látok však možno považovať aj molekuly a viacjadrové (viacatómové) ióny, ak ich chápeme ako najmenšie štruktúrne jednotky konkrétnych chemických látok. Atóm je elektricky neutrálna častica ktorá je zložená z kladne nabitého atómového jadra a záporne nabitého elektrónového obalu. Jadro atómu (nukleus) je zložené z protónov 1 Poznamenávame, že protóny a neutróny z hľadiska fyziky nepovažujeme za konečné elemetárne častice hmoty, pretože sú zložené z ďalších elementárnych častíc kvarkov. 3
a neutrónov (okrem jadra izotopu vodíka 1 H, ktoré obsahuje len protón). Protóny a neutróny sa označujú spoločne ako nukleóny. Protóny majú elektricky kladný naboj, neutróny sú bez náboja. Elektrónový obal tvoria záporne nabité elektróny. Počet protónov v jadre atómu je rovný počtu elektrónov v jeho elektrónovom obale a preto celkový kladný náboj jadra sa rovná zápornému náboju elektrónového obalu (náboje protónu a elektrónu sa vzájomne líšia v znamienku). Vlastnosti základných subatomárnych stavebných častíc tvoriacich atóm sú uvedené v tab. 1.1. Z tabuľky vyplýva, že hmotnosť protónov a neutrónov je skoro rovnaká. Hmotnosť elektrónov je však v porovnaní s hmotnosťou nukleónov skoro 2000 násobne menšia. Rozmery atómového jadra sú desaťtisíc až stotisíckrát menšie ako rozmery celého atómu. Jadrá atómov majú priemer rádovo 10-14 m, priemery atómov podľa druhu sú v rozmedzí od 1.10-10 m do.10-10 m (0,1-0, nm). Hmotnosť atómu je sústredená v jeho jadre, ktoré má preto obrovskú hustotu, rádovo asi 10 17 kg.m -3. Hmotnosť elektrónového obalu je menšia ako 0,1 % z celkovej hmotnosti atómu. Ďalej pozri kap. 2.1. Tab.1.1 Vlastnosti základných častíc tvoriacich atómy Názov častice Obvyklé označenie Kľudová hmotnosť (kg) Náboj (C) Protón 1 n + 1 p + 1,73. 10-27 + 1,02.10-19 Neutrón Elektrón 1 n 0 0 e 1 n 0 1,75. 10-27 0 e - 9,109. 10-31 - 1,02.10-19 Ión je jednoatómová, alebo viacatómová elektricky nabitá častica. Ióny môžu byť nabité kladne, alebo záporne. Kladne nabité ióny sa nazývajú katióny. Príkladom sú katióny Na +, Ca 2+, H 3 O + alebo [Cu(NH 3 ) 4 ] 2+. Záporne nabité ióny sa nazývajú anióny. Príkladom sú anióny Cl -, OH -, SO 4 2- alebo [Fe(CN) ] 2-. Molekula je elektricky neutrálna častica látky zložená z dvoch, alebo viacerých chemicky vzájomne viazaných atómov. Je to najmenšie častica chemickej látky ktoré je schopná samostatne existovať a zachovať si základné chemické vlastnosti danej látky. Jej zloženie vyjadruje chemický vzorec. Príkladom je molekula kyslíka O 2, chlóru Cl 2, vody H 2 O alebo sacharózy C H 22 O 11. Dolné indexy za značkami prvkov vyjadrujú počet atómov príslušného prvku v molekule. Molekuly s veľkým počtom viazaných atómov nazývame makromolekuly. 1.3 Atómové a nukleónové číslo Atóm a jeho jadro bližšie charakterizuje atómové a nukleónové číslo. Atómové (protónové) číslo Z vyjadruje počet protónov v jadre atómu. Atómové číslo súčasne definuje prvok a uvádza jeho poradie v periodickej sústave prvkov. Píše sa ako ľavý dolný index pri značke prvku. Atómovému číslu odpovedá aj počet elektrónov v elektrónovom obale neutrálneho atómu. Napríklad atómy dusíka majú v jadre 7 protónov a v elektrónovom obale 7 elektrónov a označujeme ich zápisom 7 N. 4
Nukleónové (hmotnostné) číslo A vyjadruje súčet protónov a neutrónov (nukleónov) v jadre. Nukleónové číslo sa uvádza ako ľavý horný index pred značkou prvku. Napríklad atómy (nuklidy) dusíka, ktoré v jadre obsahujú 7 protónov (Z = 7) a 8 neutrónov (A = 15) vyjadruje 15 zápis N. Dolný index obvykle vynechávame, pretože atómové číslo prvku jednoznačne 7 vyplýva z jeho značky. Na označenie daného atómu (nuklidu) preto postačuje zápis Atómy s rovnakým atómovým číslom (Z) aj nukleónovým číslom (A) označujeme ako nuklidy. Sú to teda atómy, alebo súbor atómov, ktoré majú rovnaký počet protónov a neutrónov v jadre a nelíšia hmotnosťou. Príkladom je nuklid 15 N. Všeobecné označenie pre Z nuklid X vyjadruje zápis X. A Súbor atómov s rovnakým atómovým číslom označujeme ako prvok. Atómy s rovnakým atómovým číslom (Z) ale rôznym nukleónovým číslom (A) označujeme ako izotopy. Izotop je teda názov pre atómy prvku ktoré sa líšia počtom neutrónov v jadre. Príkladom sú dva izotopy dusíka 14 N a 15 N. Väčšina prvkov v prírode je tvorená viacerými izotopmi, len asi 20 prvkov je tvorených len jedným izotopom. Izotopy majú rovnaký štruktúru elektrónového obalu, chemicky sú vzájomne nerozlíšiteľné, 1.4 Prvky a zlúčeniny Prvok (chemický prvok) je látka zložená z atómov s rovnakým atómovým číslom. Atómy prvku môžu byť chemicky nezlúčené (napríklad atómy hélia a radónu), alebo môžu byť chemicky viazané do molekúl, alebo mnohoatómových polymérnych útvarov. Príkladom je kyslík vo forme molekúl dikyslíka O 2 alebo molekúl ozónu O 3 ; uhlík, ktorého atómy sú viazané v kryštáloch diamantu alebo grafitu; atómy zlata, medi a železa, ktoré sú viazané v štruktúre kovu, a podobne. Všetky prvky majú svoj názov a značku. Značky prvkov sú odvodené od latinských názvov prvkov. V prírode sa vyskytujú atómy (prvky) s atómovými číslami od 1 (vodík) do 92 (urán). Dva prvky z tohto radu, technécium 43 Tc a prométium 1 Pm, sa v prírode nevyskytujú. Príčinou je krátky polčas rozpadu týchto rádioaktívnych prvkov a ich premena na iné prvky. Ďalšie prvky s atómovými číslami väčšími ako 92 boli pripravené umelo jadrovými reakciami. V prírode sa prirodzene nevyskytujú. Zlúčenina je chemická látka zložená z atómov viacerých prvkov. Atómy prvkov sú v zlúčenine navzájom viazané rôznym druhom chemických väzieb. Zlúčeniny môžu byť tvorené molekulami (napr. tuhý oxid uhličitý je tvorený molekulami CO 2 ), iónmi (napr. kryštály chloridu sodného NaCl sú tvorené katiónmi Na + a aniónmi Cl - ), spájaním iónov aj molekúl (napr. kryštalohydráty solí a niektoré komplexné zlúčeniny, alebo látkami polymérneho charakteru (napríklad oxid kremičitý SiO 2, alebo polyetylén). Chemickými reakciami možno zo zlúčenín získať jednotlivé prvky. 15 N. 5
1.5 Výskyt atómov prvkov v zemskej kôre Zemská kôra sa formovala v priebehu dlhého geologického vývoja Zeme. Približne 98,5 % hmotnostného obsahu zemskej kôry tvoria atómy ôsmich chemických prvkov (Tab. 1.2). V zemskej kôre sú rozložené nerovnomerne. Atómy týchto prvkov tvoria prevažujúce hmotnostné množstvo minerálov a hornín. Súčasne sú zložkami väčšiny anorganických stavebných materiálov, ktoré vyrábame z prírodných a druhotných surovín. Tab. 1.2 Priemerné chemické zloženie zemskej kôry (najvýznamnejšie atómy prvkov ) Prvok O Si Al Fe Ca Na K Mg Priemerný obsah (%) 4, 27,7 8,1 5,0 3, 2,8 2, 2,1 Tab. 1.2 Priemerné chemické zloženie zemskej kôry. Prvok O Si Al Fe Ca Na Mg Ostatné Priemerný obsah (%) 4, 27,7 8,1 5,0 3, 2,8 2,1 1,5 Slovo prvok je niekedy používané aj vo význame atóm prvku, teda na označenie atómov s rovnakým protónovým číslom, aj keď sú viazané v zlúčeninách. Je to napríklad v slovných spojeniach prvkové zloženie látky, obsah prvkov v zemskej kôre, najrozšírenejším prvkom v prírode je kyslík a podobne. 1. Chemické vzorce Chemické vzorce umožňujú charakterizovanie chemických zlúčenín jednoduchou a názornou formou. Chemické vzorce predovšetkým vyjadrujú, aké prvky tvoria chemickú zlúčeninu a aké sú pomery alebo skutočné počty zlúčených atómov, alebo iónov. Môžu však poskytovať aj podrobnejšie informácie o zlúčenine. Píšeme ich rôznym spôsobom: (a) Stechiometrické (empirické, sumárne) vzorce vyjadrujú pomer, v akom sú zastúpené atómy v zlúčenine. Napríklad vzorec K 2 SO 4 vyjadruje, že v tejto zlúčenine sú zastúpené atómy draslíka, síry a kyslíka v pomere 2 : 1 : 4. Prvky v stechiometrických vzorcoch majú byť usporiadané v poradí podľa ich vzrastajúcej elektronegativity (napr. H 2 O, NaCl, CaS). (b) Molekulové (sumárne) vzorce vyjadrujú reálne zloženie samostatných molekúl. Príklady: Názov zlúčeniny Stechiometrický vzorec Molekulový vzorec voda oxid fosforečný benzén H 2 O P 2 O 5 HC H 2 O P 4 O 10 C H (c) Racionálne (skupinové, funkčné) vzorce vyjadrujú prítomnosť charakteristických atómových zoskupení (funkčných skupín) alebo zložených iónov v zlúčenine. Funkčné skupiny alebo zložené ióny sa niekedy uvádzajú v okrúhlych zátvorkách. Komplexné ióny alebo molekuly uvádzame v hranatej zátvorke. Príklady:
Názov zlúčeniny Racionálny vzorec Ióny a funkčné skupiny hydroxid vápenatý dusičnan amónny dihydrát síranu vápenatého hexakyanoželezitan draselný dimetyléter Ca(OH) 2 NH 4 NO 3 CaSO 4.2H 2 O K 3 [Fe(CN) ] (CH 3 ) 2 O anióny Ca 2+ a OH - ióny NH + - 4 a NO 3 ióny Ca 2+, SO 2-4 a molekula H 2 O ióny K + a [Fe(CN) ] 3- metylová skupina -CH 3 (d) Adičné (technologické) vzorce sa niekedy používajú napríklad v mineralógii a v oblasti technológie cementu a keramiky. Tieto jednoduché vzorce vyjadrujú chemické zloženie zložitejších zlúčenín tak, ako by formálne vznikli zlúčením (adíciou) jednoduchších zlúčenín, obvykle oxidov. Napríklad kremičitan vápenatý Ca 2 SiO 4 sa vyjadruje vzorcom 2CaO.SiO 2. Rovnakého typu sú aj adičné vzorce vyjadrujúce zloženie minerálu ortoklasu K 2 O.Al 2 O 3.SiO 2 a kaolinitu Al 2 O 3.2SiO 2.2H 2 O. Ich kryštalochemické vzorce sú uvedené v bode (f). (e) Štruktúrne vzorce vyjadrujú usporiadanie navzájom zlúčených atómov v molekule alebo zloženom ióne (štruktúru zlúčeniny). Chemické väzby medzi atómami sú vyznačené dohodnutou symbolikou, obvykle čiarkami. Ak sú vo vzorci vyznačené všetky valenčné elektróny jednotlivých atómov, teda väzbové a neväzbové elektrónové páry a prípadne volné elektróny, dostaneme elektrónové štruktúrne vzorce. Týmito vzorcami možno označovať aj polaritu chemickej väzby. Príklady (H 2 O, HCl, H 2 SO 4, NH 3, N 2 ): V prípade H 2 SO 4 uvedený štruktúrny vzorec nevystihuje presne skutočné väzby v molekule. Môžeme ho používať s vedomím, že uvedený štruktúrny vzorec je len hrubým zobrazením stavu chemických väzieb v molekule. (f) Kryštalochemické vzorce. Na vyjadrenie kryštálovej štruktúry anorganických látok sa používajú vzorce a zobrazenia, ktoré v rôznom miere vyjadrujú podrobnosti ich štruktúry. V mineralógii sa používajú vzorce, v ktorých anióny sú obvykle uvádzané v hranatej zátvorke a katióny pred zátvorkou. Príklady: Názov minerálu Kryštalochemický vzorec Adičný vzorec ortoklas K[AlSi 3 O 8 ] K 2 O.Al 2 O 3.SiO 2 kaolinit Al 2 [(OH) 4 Si 2 O 5 ] Al 2 O 3.2SiO 2.2H 2 O muskovit KAl 2 [(OH) 2 (AlSi 3 O 10 )] K 2 O.3Al 2 O 3.SiO 2.2H 2 O (g) Stereochemické (geometrické, perspektívne a projekčné) vzorce zobrazujú usporiadanie atómov, iónov alebo molekúl v priestore 7
1. Relatívna atómová a molekulová hmotnosť Hmotnosti atómov sú veľmi malé. Napríklad nuklidy vodíka 1 H a uhlíka C majú hmotnosť m( 1 H) = 1,7355.10-27 kg a m( C) = 1, 9928.10-2 kg. Hmotnosti atómov a molekúl v chémii obvykle vyjadrujeme relatívnymi veličinami, ktorými je relatívna atómová hmotnosť a relatívna molekulová hmotnosť. Relatívna atómová hmotnosť nuklidu A r ( A X) je číslo, ktoré vyjadruje koľkokrát je hmotnosť nuklidu A X väčšia ako 1/ hmotnosti nuklidu uhlíka C. Vyjadrená je vzťahom (1.1) A ( X) ( A m A r X) = (1.1) m( C) kde m( A X) je hmotnosť nuklidu A X a m( C) je hmotnosť nuklidu C. Relatívna atómová hmotnosť je teda bezrozmerová veličina. Poznámka: Hmotnosť jednej dvanástiny hmotnosti nuklidu uhlíka C je významnou fyzikálnou konštantou. Má názov atómová hmotnostná konštanta a označuje sa m u. Je definovaná vzťahom (1.2). Hmotnosť jednej dvanástiny hmotnosti nuklidu uhlíka C je používaná ako vedľajšia jednotka hmotnosti, má názov atómová hmotnostná jednotka a označuje sa symbolom m u (1 u = 1,057.10-27 kg). Používa sa na vyjadrenie hmotnosti atómov a molekúl ako jednotka atómovej hmotnostnej konštanty. = m( C) m u = = 1, 057. 10 27 kg 1 u (1.2) Väčšina prvkov v prírode je tvorená viacerými izotopmi, ktoré sa čiastočne líšia hmotnosťou. Percentuálne zastúpenie jednotlivých izotopov prvku na rôznych častiach Zeme je vo väčšine prípadov rovnaké. Atómové hmotnosti prvkov sa preto vzťahujú na vážený aritmetický priemer hmotností všetkých izotopov daného prvku v prírode a odrážajú zloženie prírodnej izotopickej zmesi. Relatívna atómová hmotnosť prvku A r (X) je číslo, ktoré vyjadruje koľkokrát je vážený aritmetický priemer hmotnosti atómov m(x) prvku X v prírodnej izotopickej zmesi väčší ako 1/ hmotnosti nuklidu uhlíka C. Vyjadrená je vzťahom (1.3). m(x) A r (X) = = m( C) m(x) m u (1.3) Relatívne atómové hmotnosti prvkov sú uvádzané v periodickej tabuľke prvkov. 8
Relatívna molekulová hmotnosť M r (Y) je číslo, ktoré vyjadruje koľkokrát je hmotnosť hmotnosti m(y) molekuly väčšia ako 1/ hmotnosti nuklidu uhlíka C. Vyjadrená je vzťahom (1.4). m(y) M r (Y) = = m( C) m(y) m u (1.4) Relatívnu molekulovú hmotnosť molekuly je súčtom relatívnych atómových hmotností všetkých atómov tvoriacich molekulu. 1.7 Látkové množstvo Množstvo látky je v chémii vhodné vyjadrovať počtom častíc (atómov, iónov, molekúl) ktoré látku tvoria. Na vyjadrenie počtu častíc je v sústave SI definovaná základná fyzikálna veličina ktorá sa nazýva látkové množstvo, označuje symbolom n. Jednotkou látkového množstva je mól, značka mol. Mól je také množstvo látky, ktoré obsahuje práve toľko častíc, koľko atómov obsahuje g nuklidu uhlíka C. Počet atómov uhlíka v g nuklidu uhlíka C je približne,022.10 23. Tento počet častíc (stavebných jednotiek) pripadajúcich na 1 mól látky vyjadruje Avogadrova konštanta N A N A =,022.10 23 mol -1 Napríklad 1 mól oxidu uhličitého obsahuje,022.10 23 molekúl CO 2. Súčasne zo vzorca oxidu uhličitého vyplýva, že 1 mól oxidu uhličitého obsahuje 1 mól (,022.10 23 ) atómov uhlíka a 2 móly (,044.10 23 ) atómov kyslíka. Veličiny vzťahované na jednotkové látkové množstvo sa nazývajú mólové veličiny. Je to napríklad mólová hmotnosť, mólový objem plynov a ďalšie. Mólová hmotnosť M danej látky je hmotnosť jedného mólu tejto látky. Jednotkou je kg.kmol -1, resp. g.mol -1. Medzi hmotnosťou látky m a jej látkovým množstvom n platí vzťah (1.5) m = M.n (1.5) Číselná hodnota mólovej hmotnosti uvažovanej látky je rovná jej relatívnej atómovej, alebo relatívnej molekulovej hmotnosti. Napríklad, ak relatívna atómová hmotnosť kyslíka A r (O) = 15,999 a relatívna molekulová hmotnosť dikyslíka M r (O 2 ) = 31,998, potom mólová hmotnosť nezlúčených atómov kyslíka M(O) = 15,999 g/mol a mólová hmotnosť molekúl dikyslíka M(O 2 ) = 31,998 g/mol (1 mól atómov kyslíka má hmotnosť 15,999 g a 1 mól molekúl dikyslíka má hmotnosť má hmotnosť 31,998 g). 9
Mólový objem V m danej látky je objem 1 mólu tejto látky. Jednotkou je m 3.kmol -1, resp. dm 3.mol -1. V prípade plynných látok molekuly, prípadne atómy zaberajú len malú časť vlastného objemu plynu. Podľa Avogadrovho zákona rovnaké objemy rôznych plynov obsahujú pri rovnakej teplote a rovnakom tlaku rovnaký počet molekúl. Z uvedeného naopak vyplýva, že 1 mól rôznych plynných látok má pri rovnakej teplote a tlaku rovnaký objem. Presne to však platí len pre tzv. ideálne plyny (idealizovaný stav). Objem 1 mólu ideálneho plynu pri zvolenom základnom stave (normálnych podmienkach: tlaku p 0 = 101,325 kpa a teplote T 0 = 273,15 K) označujeme ako normálny mólový objem a označujeme ho symbolom V m0. Pri normálnych podmienkach V m0 = 22,41 m 3.kmol -1. Možno ho vypočítať zo stavovej rovnice ideálneho plynu. Medzi objemom plynnej látky V a jej látkovým množstvom n platí vzťah (1.) V = V m0.n (1.) 10