CHEMIE_ANORGANICKÁ CHEMIE_CHEMIE 13.5.2013 9:06 Stránka 11 1.1 Základní pojmy Anorganická chemie Látka a těleso Látkou, materiálem (substancí) se rozumí každá podoba hmoty, která zaujímá prostor a má hmotnost. Ohraničená část látky je těleso. Látky jsou například mosaz, ocel, železo, mramor, dřevo, voda, alkohol, krev, mléko, vzduch. U těles je podstatná jak látka, ze které jsou utvořena, tak forma, kterou mají. Každá látka se vyznačuje určitými vlastnostmi, které ji dovolují odlišit od jiných látek. Jsou to např. barva, zápach, chuť, hustota, skupenství, u pevných látek krystalická forma aj. Čistá látka a směs látek Čistá látka je složena ze stejných částic (atomů, molekul). Každá taková částice má stejné vlastnosti. Chemický materiál složený z částic lišících se různými podstatnými vlastnostmi je směs látek. (V dalším výkladu si ukážeme, že čistá látka může být také složena z několika druhů iontů, např. kuchyňská sůl neboli chlorid sodný, NaCl, z iontů sodných a chloridových.) Čisté látky jsou např. krystaly cukru, tyčinky síry, kuchyňská sůl, kyslík, voda, železo, rtuť, neon, oxid uhličitý atd. Heterogenní směsi látek: Jednotlivé látky ve směsi (složky) jsou opticky dobře rozeznatelné. V kouři jsou částečky pevné látky smíšeny se vzduchem, emul- 11
CHEMIE_ANORGANICKÁ CHEMIE_CHEMIE 13.5.2013 9:06 Stránka 12 Základní reakce ze je směsí dvou nemísitelných kapalin (olej a voda), suspenze je nános pevné látky v kapalině (kal). Homogenní směsi látek: Opticky nelze rozpoznat, že jde o směs látek. Rozlišují se slitiny (ztuhlé taveniny směsí různých kovů), skla (ztuhlé taveniny křemenného písku s různými přísadami), vodné roztoky pevných látek (soli jsou ve vodě zcela rozpuštěny), směsi kapalin (alkohol a voda) a směsi plynů (vzduch je směs dusíku, kyslíku, oxidu uhličitého, vzácných plynů a jiných plynů). Z některých směsí je možné určité složky rozmanitými metodami oddělit. Mezi nejdůležitější takové metody patří filtrace, destilace a oddělování nemísitelných kapalin v dělicí nálevce. Amorfní látky a krystaly Většina látek má schopnost vytvářet při přechodu do pevného stavu útvary ohraničené pravidelnými rovinnými stěnami, které se nazývají krystaly. Tvar krystalů je dán tím, která látka je tvoří. Pokud jsou krystalky velmi malé, ale ještě rozeznatelné pouhým okem, látka se nazývá krystalická. Krystalky mikrokrystalických látek jsou rozeznatelné pouze pod mikroskopem. Pevné látky, které se nikdy nevyskytují v krystalické formě, se nazývají amorfní (beztvaré). Patří k nim např. sklo, kaučuk, pryskyřice, klíh. 1.2 Základní reakce Rozklad (analýza) Při rozkladné chemické reakci se čistá látka (zpravidla po dodání energie) rozpadá na jiné čisté látky s novými fyzikálními a chemickými vlastnostmi: AB A+ B. 12
CHEMIE_ANORGANICKÁ CHEMIE_CHEMIE 13.5.2013 9:06 Stránka 13 Základní reakce Příklady: Mramor (vápenec) se v žáru rozkládá na pálené vápno (oxid vápenatý) a oxid uhličitý. Voda se rozkládá elektrickým proudem na kyslík a vodík. Slučování (syntéza, skladná reakce) Slučováním vzniká ze dvou nebo více čistých látek nová čistá látka s novými chemickými a fyzikálními vlastnostmi: A + B AB. Příklady: Směs práškového železa a síry se při zahřívání mění na sulfid železnatý. Směs vodíku s kyslíkem reaguje iniciována elektrickou jiskrou za výbuchu na vodu. Také chlor reaguje s vodíkem po ozáření velice prudce. Přitom vzniká nová čistá látka plyn chlorovodík. Záměna (substituce) Jednoduchá záměna je chemická reakce, při níž se součást látky (sloučeniny) nahrazuje jinou součástí: AB + C AC + B nebo AB + C BC + A. Chemická reakce, při níž probíhá záměna současně mezi dvěma sloučeninami, se nazývá podvojná záměna (podvojný rozklad): AB + CD AD + BC nebo AB + CD AC + BD. 13
CHEMIE_ANORGANICKÁ CHEMIE_CHEMIE 13.5.2013 9:06 Stránka 14 Základní stavební kameny Příklad: Je zahřívána směs červeného sulfidu rtuťnatého (rumělka) s šedým práškovým železem. Vzniká sulfid železnatý a rtuť. Tato chemická reakce je příkladem jednoduché záměny. 1.3 Základní stavební kameny Prvky Čisté látky, které se chemicky nedají rozložit na jednodušší, se nazývají prvky. Prvky jsou systematicky uspořádány do periodické soustavy prvků (zkratka PSP). Jednotlivé prvky mají značky (symboly) sestávající z jednoho nebo dvou písmen, které jsou většinou odvozeny z latinských nebo řeckých názvů prvků. Příklady: kyslík, oxygenium O vodík, hydrogenium H rtuť, hydrargyrum Hg železo, ferrum Fe dusík, nitrogenium N Atomy Atomy jsou nejmenší částečky prvků. Atomy jednoho prvku mají v jádru stejný počet protonů, mohou se lišit počtem neutronů. Chemickými reakcemi se nemohou rozdělit na menší částice. Jejich název je odvozen z řečtiny a znamená nedělitelný. Periodická soustava prvků Prvky jsou uspořádány do soustavy (znázorňované tabulkou) podle stoupajícího počtu protonů v jádru (protonové, atomové, pořadové číslo). Z umístění prvků v periodické soustavě je možné vyčíst rozdělení elektronů do vrstev 14
CHEMIE_ANORGANICKÁ CHEMIE_CHEMIE 13.5.2013 9:06 Stránka 15 Základní stavební kameny (slupek). V první řadě tabulky jsou prvky, které mají 1 až 2 elektrony ve vrstvě K. Ve druhé řadě jsou prvky se zaplněnou vrstvou K a 1 až 8 elektrony ve vrstvě L. Každou další řadou začíná zaplňování nové elektronové vrstvy. Valenční elektrony Elektrony, které jsou rozmístěny v poslední (vnější) elektronové vrstvě, patří mezi elektrony valenční. Jsou totiž jádrem nejslaběji poutány a mohou být po - měrně snadno odštěpeny. Pouze valenční (vnější) elektrony se podílejí na che - mických reakcích. Elektronová konfigurace vzácného plynu Každá řada tabulky periodického systému prvků je zakončena vzácným ply - nem, jehož atomy mají velmi stálé uspořádání vnější elektronové vrstvy (va- lenčních elektronů). U helia to jsou 2 elektrony a u dalších pěti vzácných plynů 8 elektronů elektronový oktet. Atomy jiných prvků se v průběhu chemických reakcí snaží tohoto na energii chudého stabilního stavu dosáhnout. Může k tomu dojít buď přijetím dalších valenčních elektronů od atomů jiných prvků, či odevzdáním vlastních valenč - ních elektronů, nebo také tvorbou kovalentní vazby (odd. 5.2). Atomové ionty Kationty: Jestliže atom odevzdá valenční elektrony, aby dosáhl elektronové konfigurace vzácného plynu, který jej v PSP předchází, získává tak kladný náboj. Kladný náboj jádra totiž zůstává stejný, záporné náboje odevzdaných elektronů chybějí. Atom se stal kladně nabitým iontem kationtem. Kladné ionty jsou přitahovány katodou (zápornou elektrodou při elektrolýze), a proto byly pojmenovány kationty. Kationty jsou zpravidla tvořeny takovými prvky, jejichž atomy mají nanejvýš čtyři valenční elektrony (s výjimkou uhlíku). Jsou to zejména kovy hlavních skupin. 15
CHEMIE_ANORGANICKÁ CHEMIE_CHEMIE 13.5.2013 9:06 Stránka 16 Základní stavební kameny Anionty: Jestliže atom přijme valenční elektrony, aby dosáhl konfigurace nejblíže vyššího vzácného plynu, stane se záporně nabitým iontem. Protože je přitahován anodou (kladnou elektrodou při elektrolýze), nazývá se anion. Anionty vznikají z atomů nekovů, které mají 5, 6 nebo 7 valenčních elektronů. Molekuly Molekuly patří mezi nejmenší částice sloučenin. Molekuly čisté látky jsou všechny stejné. Jsou složeny ze dvou nebo více chemicky vázaných atomů. Také atomy téhož prvku mají schopnost navzájem se v určitém počtu a uspo - řádání vázat, a vytvářet tak molekuly. Platí to např. pro prvky vodík, kyslík nebo dusík, jejichž molekuly jsou dvouatomové. Mají chemické vzorce H 2, O 2, N 2. Také halogeny (sedmá hlavní skupina) tvoří dvouatomové molekuly. Ozon (O 3 ) je modifikací prvku kyslíku. Molekulové ionty Odštěpením elektronů od molekul nebo připojením elektronů k molekulám mohou vznikat molekulové ionty. Jsou složeny z atomů spojených kovalentními vazbami a nesou kladný nebo záporný náboj. Příklady: 2 SO 4 síranový anion je složen z jednoho atomu síry, čtyř atomů kyslíku a nese dva záporné elementární náboje. H 3 O + hydroxoniový (oxoniový) ion je složen ze tří atomů vodíku, jednoho atomu kyslíku a nese jeden kladný elementární náboj. 3 PO 4 fosforečnanový anion je složen z jednoho atomu fosforu, čtyř atomů kyslíku a nese tři záporné elementární náboje. 16
CHEMIE_ANORGANICKÁ CHEMIE_CHEMIE 13.5.2013 9:06 Stránka 17 Slučovací zákony 1.4 Slučovací zákony Zachování hmotnosti Při chemických reakcích nedochází ke zvětšení, ani ke zmenšení úhrnné hmotnosti reagujících látek. Celková hmotnost zreagovaných látek je rovna celkové hmotnosti vzniklých produktů. Například rozkladem 100 g vody elektrickým proudem vznikne 11,1 g vodíku a 88,9 g kyslíku. Stálé hmotnostní slučovací poměry Prvky se slučují na sloučeniny ve stálých poměrech hmotnosti. Chemicky čistá látka proto obsahuje základní látky (prvky) v určitém konstantním hmotnostním poměru. Příklad: Oxid rtuťnatý obsahuje 92,6 % rtuti a 7,4 % kyslíku: m(hg) : m(o) = 92,6 : 7,4 = 25 : 2. V oxidu rtuťnatém je sloučen přibližně 1 g rtuti s 0,08 g kyslíku. Násobné poměry slučovací Pokud spolu dva prvky tvoří několik sloučenin, jsou hmotnosti jednoho prvku, které ve sloučeninách připadají na určitou stále stejnou hmotnost druhého prvku, v poměru malých celých čísel. V těchto sloučeninách se proto nachází určitá základní hmotnost každého zúčastněného prvku nebo její celistvý násobek. Příklad: 1 g olova váže 1. 0,077 g kyslíku na PbO 1 g olova váže 2. 0,077 g kyslíku na PbO 2 1 g olova váže 4/3. 0,077 g kyslíku na Pb 3 O 4 Poměr hmotností kyslíku je 1: 2 : 4/3 neboli 3 : 6 : 4. Stálé objemové slučovací poměry plynů Plyny reagují ve stálých objemových poměrech. Poměry objemů plynů zreagovaných nebo vzniklých chemickou reakcí lze vyjádřit poměry jednoduchých celých čísel. 17
CHEMIE_ANORGANICKÁ CHEMIE_CHEMIE 13.5.2013 9:06 Stránka 18 Slučovací zákony Příklad: Při elektrolýze vody jsou vždy objemy vzniklého plynného vodíku a plynného kyslíku v poměru 2 : 1. Při syntéze vody z těchto plynů reagují vždy dva objemy vodíku s jedním objemem kyslíku na dva objemy vodní páry. Avogadrův zákon Stejné objemy plynů obsahují při stejném tlaku a stejné teplotě vždy stejné počty částic (atomů nebo molekul). Řeč chemických vzorců Symbol prvku má dva významy: je zkratkou názvu prvku, a představuje také 1 atom prvku (popř. 1 mol prvku). Chemický vzorec: Složení molekuly se vyjadřuje řazením symbolů zúčastněných prvků. Pokud se v molekule vyskytuje několik atomů téhož prvku, vyjadřuje se jejich počet dolním indexem za symbolem prvku. Příklady: O 2 je vzorec molekuly prvku kyslíku, složené ze dvou atomů kys - líku. CH 4 je vzorec molekuly methanu, složené z atomu uhlíku a čtyř atomů vodíku. NH 3 je vzorec molekuly amoniaku, složené z atomu dusíku a tří atomů vodíku. Počet molekul nebo jednoduchých atomů udává (stechiometrický) koeficient před vzorcem nebo symbolem. Příklady: 3 Cu značí 3 atomy mědi. 2 H 2 O značí 2 molekuly vody. 18
CHEMIE_ANORGANICKÁ CHEMIE_CHEMIE 13.5.2013 9:06 Stránka 19 Stechiometrie 1.5 Stechiometrie Mol V chemii se často používá jednotka látkového množství mol. Patří mezi základní jednotky SI a má tuto definici: 1 mol je látkové množství systému, který obsahuje právě tolik částic, kolik atomů je obsaženo ve 12 g izotopu uhlíku 12 C. Avogadrova konstanta: Udává, kolik molekul, atomů, iontů obsahuje 1 mol látky, tj. N A = 6,022. 10 23 mol 1. Můžete se také setkat s označením Loschmidtovo číslo. Molární objem: Označíme-li objem plynu V a jeho látkové množství n, platí pro molární objem: V m = V/n. Pro plyny, které se alespoň přibližně řídí stavovou rovnicí ideálního plynu p. V = n. R. T, byla za normálních podmínek (0 C; 101,3 kpa) stanovena hodnota: V m = 22,41 dm 3 mol 1. Molární hmotnost M: Molární hmotnost čisté látky je rovna podílu hmotnosti (m) a látkového množství (n) každého tělesa z této látky: M = m/n. Její číselná hodnota je rovna relativní molekulové, popř. relativní atomové hmotnosti dané látky (odd. 3.3). Příklady: 1 mol vodíku H 2 má hmotnost 2 g, M(H 2 ) = 2 g/mol 1 mol kyslíku O 2 má hmotnost 32 g, M(O 2 ) = 32 g/mol 1 mol vody (H 2 O) má hmotnost 18 g, M(H 2 O) = 18 g/mol 1 mol mědi H 2 má hmotnost 61,5 g, M(Cu) = 32,5 g/mol Mocenství Mocenství prvku (valence) je číslo, které udává, kolik atomů vodíku je schopen chemicky vázat nebo nahradit atom prvku v nějaké sloučenině. Příklady: H 2 O, kyslík je dvojmocný NH 3, dusík je trojmocný CH 4, uhlík je čtyřmocný 19
CHEMIE_ANORGANICKÁ CHEMIE_CHEMIE 13.5.2013 9:06 Stránka 20 Stechiometrie Kyslík v oxidech je dvojmocný, a proto je možné ze složení oxidů stanovit mocenství kovů. Příklady: CuO, měď je dvojmocná Al 2 O 3, hliník je trojmocný Na 2 O, sodík je jednomocný Mnohé kovy, zejména těžké, jako měď, mangan, železo aj., mohou mít několik mocenství, které se někdy uvádí ve vzorci římskou číslicí jako horní pravý index u symbolu prvku, podobně jako oxidační číslo. V české chemické literatuře se však s pojmem mocenství setkáváme v posledních letech zřídka. Je nahrazován pojmem oxidační číslo, kterému se dává přednost. I když se oba pojmy svým významem poněkud liší, čísla se mohou shodovat. Příklady: Pb IV O 2, oxid olovičitý Fe III Cl 3, chlorid železitý Mn IV O 2, oxid manganičitý Hg II 2S, sulfid rtuťný Stechiometrické výpočty Pro výpočty hmotností prvků nebo sloučenin, které se účastní chemických reakcí, se používají hodnoty molární hmotnosti, popř. relativní atomové hmotnosti spolu se vzorci v chemické rovnici. (Zjednodušeně řečeno za vzorce se dosazují molární hmotnosti.) 1. příklad: Kolik gramů železa a kolik gramů síry je zapotřebí k výrobě 12 gramů sulfidu železnatého? Fe + S FeS 56 + 32 = 88 Z 56 g železa a 32 g síry vznikne 88 g sulfidu železnatého. Ze železa o hmotnosti x a síry o hmotnosti y vznikne 12 g sulfidu železnatého. x = 56. 12 g = 7,64 g, y = 32. 12 g = 4,36 g 88 88 2. příklad: Kolik gramů atmosférického kyslíku je zapotřebí k úplnému spálení 30 g hořčíku a kolik gramů oxidu hořečnatého při tom vznikne? 20