F6460 Chemie pro fyziky RNDr. Milan Alberti, CSc. OSNOVA: F6460 Chemie pro fyziky • Předmět chemie a její postavení mezi ostatními vědami • Úvod do základních pracovních technik používaných v chemii • Využití technických plynů, zařízení pro ohřev a pro chlazení, zdroje podtlaku • Separační techniky (filtrace, dekantace, krystalizace, destilace, sublimace, extrakce, chromatografické techniky) • Sušení látek, sušicí prostředky a činidla • Základní chemické pojmy • Atomy, molekuly, ionty, prvky, nuklidy, izotopy, radioaktivita • Sloučeniny • Názvosloví - pojmenování sloučenin a látek, směsi homogenní a heterogenní • Chemické zákony • Atomová hmotnostní jednotka, hmotnost atomů a molekul atd. • Atomová struktura, atomové orbitaly, kvantová čísla, konfigurace elektronů v atomech, valenční elektrony • Periodický systém prvků • Struktura molekul • Chemická vazba • Teorie molekulových orbitalů • Vlastnosti plynů • Kapaliny, taveniny. Rozpouštědla polární a nepolární, rozpustnost látek, pojem solvatace, vlastnosti roztoků, vyjadřování koncentrace roztoků, výpočty koncentrací, látkových množství atd. • Struktura a vlastnosti pevných látek, základy krystalografie, RTG difrakce • Chemické reakce, vybrané typy chemických reakcí, katalyzátory a význam katalýzy pro průběh chemických reakcí, fotochemické procesy • Chemické rovnice, stechiometrie • Elektrochemie • Kyseliny a báze, disociace vody. Acidita a bazicita vodných roztoků • Chemie vybraných prvků, základní výroby, základy technologie • Přírodní a syntetické makromolekuly - základy chemie makromolekul • Metody studia struktury látek • Užitá chemie • Životní prostředí a chemie Obecná chemie • Věda o obecných zákonitostech společných pro ostatní chemické disciplíny Chemie a její postavení mezi dalšími vědami • Chemie je přírodní věda studující složení a strukturu látek a jejich přeměny v látky jiné (chemické reakce). Obory chemie: • Obecná chemie – se zabývá obecnými zákonitostmi stavby látek a průběhu chemických dějů • Anorganická chemie – zkoumá látky anorganické • Organická chemie – zkoumá látky organické • Biochemie – chemie živých soustav • Analytická chemie – zkoumá složení látek • Fyzikální chemie – zkoumá chemické látky fyzikálními metodami • Chemická technologie – postupy chemické výroby • Geochemie – zkoumá chemické složení Země • Agrochemie – chemie v zemědělství • Biofyzikální chemie – zabývá se řešením biologických problémů pomocí fyzikální chemie • Elektrochemie • Toxikologie – studium jedů • Farmaceutická chemie – studium léčiv • Lékařská chemie • Potravinářská chemie • Forenzní chemie • Petrochemie - studuje přeměny ropy a zemního plynu na využitelné materiály • Chemie životního prostředí - zkoumá chemické a biochemické děje probíhající v přírodě • Chemie atmosféry • Jaderná chemie • Radiochemie • Fotochemie • Koordinační chemie • Chemie silikátů • Kvantová chemie • Teoretická chemie • Makromolekulární chemie • Supramolekulární chemie • Termochemie - zabývá se tepelným zabarvením chemických reakcí Historie chemie • Pravěk Pravěk (doba železná, bronzová) – první „chemické zkušenosti“ – oheň, primitivní nádoby, nástroje, zbraně, šperky. b) Starověk Starověk – první názory na stavbu hmoty, představy o složení světa z jediné látky – Thales z Miletu (pralátka voda) – Atomisté = Leukippos, Démokritos - základem všech těles je pralátka složená z malých, dále nedělitelných částic = atomy (atomos = nedělitelný) – Platon a Aristotelés - učení o elementech, tzv. tetrasoniální teorie = 4 základní živly (elementy): země, voda, vzduch, oheň – Aristotelés – přidal pátý element – ether • Nebyla spojitost s praktickými chemickými znalostmi. • Již známé prvky : Au, Ag, Cu, Fe, Pb, Sn, Zn, Hg, S. c) Období alchymie • Staroegyptský výraz ”khemi”= Egypt, alchymie = ”egyptské umění” • Látky lze navzájem přeměňovat vnějším působením na jejich vlastnosti. • Alchymisté - Archimédés, Geber, Avicenna, A. Magnus, E. Kelley • Mimořádný význam Hg a S = sulfo-merkuriová teorie – Hg – kovovost, těkavost – S – hořlavost • experimentování (chemické operace, objev a izolace prvků (As, Sb, Bi, P), zisk minerálních kyselin (HNO[3], HCl, H[2]SO[4]), neutralizace) • snaha o přeměnu (transmutaci) kovů na zlato, výrobu elixíru života, výroba kamene mudrců • existence 7 kovů = 7 planet • Iatrochemie (iatros = lék) - Paracelsus - příprava léků • Rozvoj technické chemie – hutnictví, sklářství, barvířství, farmacie d) Vznik vědecké chemie • poznatky chemické praxe – vznik chemické teorie, pád alchymie • Robert Boyle - zobecnění teoretických poznatků, oživení představ o „atomech“ • Flogistonová teorie - flogistos = hořící - existence plynu – flogistonu, jehož přítomnost způsobuje hořlavost • - objev prvků (H[2], O[2], N[2], Cl[2], Co, Pt, Ni, Mn, Mo, Te, W, U, Cr) e) Období budování pevných vědeckých základů chemie • 18. stol. – pád flogistonové teorie • experimentální základ - formulace základních chemických zákonů, základních pojmů (atom, molekula …) • Chemici – Lomonosov, Antoine Lavoisier Bezpečnost práce v chemii kapitola 2 Rizika práce v laboratoři Symboly rizikových chemických látek Zásady první pomoci Legislativa Zákon č. 356/2003 Sb. o chemických látkách a chemických přípravcích - stanovuje práva a povinnosti právnických a fyzických osob Symboly nebezpečnosti Nebezpečné látky a přípravky • Výbušné látky - mohou exotermně reagovat i bez přístupu kyslíku za rychlého vývinu plynu nebo u nich dochází při definovaných zkušebních podmínkách k detonaci a prudkému shoření, nebo které při zahřátí vybuchují, jsou-li umístěny v částečně uzavřené nádobě • Oxidující látky - při styku s jinými látkami, zejména hořlavými, vyvolávají vysoce exotermní reakci • Extrémně hořlavé - v kapalném stavu mají bod vzplanutí nižší než 0°C a bod varu nižší než 35°C nebo které v plynném stavu jsou samozápalné při styku se vzduchem za normální (pokojové) teploty a normálního (atmosférického) tlaku a bez přívodu energie • Vysoce hořlavé látky: – se mohou samovolně zahřívat a poté vznítit při styku se vzduchem za normální (pokojové) teploty a normálního (atmosférického) tlaku a bez přívodu energie – se mohou v pevném stavu snadno vznítit po krátkém styku se zápalným zdrojem a po odstranění zápalného zdroje dále hoří nebo doutnají – mají v kapalném stavu bod vzplanutí nižší než 21°C a nejsou extrémně hořlavé ^– při styku s vodou nebo s vlhkým vzduchem uvolňují vysoce hořlavé plyny^ • Hořlavé látky, které mají bod vzplanutí v rozmezí od 21°C do 55 °C • Vysoce toxické látky - po vdechnutí, požití nebo proniknutí do kůže mohou i ve velmi malém množství způsobit akutní nebo chronické poškození zdraví nebo smrt • Toxické látky - po vdechnutí, požití nebo proniknutí do kůže mohou i v malém množství způsobit akutní nebo chronické poškození zdraví nebo smrt • Zdraví škodlivé látky - po vdechnutí nebo proniknutí do kůže mohou způsobit akutní nebo chronické poškození zdraví nebo smrt • Žíravé látky - při styku s živou tkání mohou způsobit její zničení • Dráždivé látky - nemají vlastnosti žíravin, ale při přímém dlouhodobém nebo opakovaném styku s kůží nebo sliznicí mohou vyvolat zánět • Senzibilizující látky - po vdechnutí, požití nebo proniknutí kůží mohou vyvolat přecitlivělost tak, že po další expozici vznikají charakteristické příznaky • Karcinogenní látky - po vdechnutí, požití nebo proniknutí kůží mohou vyvolat nebo zvýšit četnost výskytu rakoviny • Mutagenní látky - kategorie, které po vdechnutí, požití nebo proniknutí kůží mohou vyvolat nebo zvýšit četnost výskytu genetických poškození • Toxické pro reprodukci - po vdechnutí, požití nebo proniknutí kůží mohou vyvolat nebo zvýšit četnost výskytu nedědičných poškození potomků, poškození reprodukčních funkcí nebo schopností reprodukce muže nebo ženy • Nebezpečné pro životní prostředí - po proniknutí do životního prostředí představují nebo mohou představovat okamžité nebo opožděné nebezpečí Bezpečnost práce v chemii Základní bezpečnostní zásady: • V laboratoři nesmíme jíst, pít, kouřit a nechráněnýma rukama manipulovat s dráždivými chemikáliemi. • Se zdraví škodlivými a zapáchajícími látkami manipulujeme v digestoři. • Na pracovním stole uchováváme pořádek a čistotu. • V laboratoři nosíme ochranné brýle. • Známe umístění lékárničky, hasicích přístrojů a bezpečnostní sprchy. Kombinované R- věty Skladování chemikálií Zásady první pomoci Telefonní číslo Vybavení lékárničky Léčiva ACYLPIRIN tabl. 10 2 ks CARBOSORB tabl. 1 ks GASTROGEL tabl. (či jiné volně dostupné antacidum) 1 ks OPTHAL kyselina boritá1 ks, BORAX tetraboritan sodný 1 ks ATARALGIN tabl. (či jiné volně dostupné analgetikum) 1 ks SEPTONEX, JODISOL (či jiný vhodný dezinfekční přípravek) 1 ks OPTHALMOSEPTONEX 1 ks TRAUMACEL zásyp 1 ks Obvazový materiál Gáza hydrofilní 2 ks Gáza skládaná sterilní (7,5 x 7,5 cm) 5 ks Spofaplast rychloobvaz (6 x 1 cm) 1 ks Obinadlo hydrofilní sterilní (6 cm x 5 m) 2 ks Obinadlo škrticí pryžové (délka 70 cm) 1 ks Obvaz NERIT 4 ks Ob. polštářek PORIN 10 ks Obinadlo hydrofilní sterilní (10 cm x 5 m) 10 ks Vata obvazová skládaná (50 g) 2 ks Zdravotnické pomůcky Pinzeta anatomická 1 ks Rouška resuscitační 2 ks Teploměr lékařský (rtuťový) v pouzdře (či jiný digitální teploměr) 1 ks Obvazové nůžky 1 ks Lepicí páska na obvaz (v cívce) 1 ks Špendlíky zavírající 5 ks Trojcípý šátek 2 ks Sterilní (chirurgické) rukavice 2 ks Tyčinková baterie (svítilna) 1 ks Příručka „První pomoc“ 1 ks Stabilizovaná poloha Obvazová technika Funkce obvazů • krytí ran a zabránění vstupu infekce • stavění krvácení stlačením • fixace krycího a obkladového materiálu • znehybnění části těla • odsávání z ran Šátkové obvazy • dostupné a jednoduché • používány při improvizaci • trojcípý šátek rozvinutý nebo složený „do kravaty“ Kardiopulmonální resuscitace • KPRC = jednoduché manévry, zajištující průchodnost dýchacích cest, umělé dýchání z plic do plic a nepřímou srdeční masáž. Základní chemické pojmy kapitola 3 Vědecká disciplína Jednotky SI Věda = studium přírody a přírodních zákonů. Proces, při kterém se získávají nové poznatky. Empirické postupy řešení problému. Zabývá se pouze racionálními výroky, které lze potvrdit nebo vyvrátit pozorováním nebo experimenty. Věda, vědecká metoda Přírodní zákony a teorie • Přírodní zákon = tvrzení, které sumarizuje opakovaná pozorování přírodních jevů, mění se jen zřídka • Teorie = tvrzení, které vysvětluje známá fakta a zákony z nich vyplývající, jsou produktem lidského myšlení a mohou se měnit nebo být úplně odmítnuty pod vlivem vývoje nových experimentálních metod a přesnějších měření Základní veličiny, jednotky SI Objem a hustota Molární objem ideálního plynu = objem 1 molu plynu při teplotě 0ºC a tlaku 100 kPa = 22.711 m^3/kmol Délka • 1 angström = 10 ^-10 m • 1 Å = 100 pm Čas Teplota Tlak 1 Pascal = tlak působící jablko??? na 1 m^2 Rychlost • Rychlost světla ve vakuu ^• c = 2.99792458 10^8 m s^-1 • = 3 10^8 m s^-1 ^• = 300 000 km s^-1 Silové pole Hmotnost atomů a molekul Relativní atomová hmotnost … A[r] = číslo udávající kolikrát je hmotnost jednoho atomu daného prvku větší než AHK (1/ 12 hmotnosti atomu uhlíku ^12[6]C) • definována jako poměr skutečné klidové hmotnosti atomu daného prvku m(X) a AHK mu • bezrozměrný údaj uvedený pod prvkem v PSP • př.: A[r] (O) = 16 - atom kyslíku má zhruba 16x větší hmotnost než AHK Relativní molekulová hmotnost … M[r] = číslo udávající kolikrát je hmotnost jedné molekuly dané látky větší než AHK • definována jako poměr skutečné klidové hmotnosti dané molekuly m(Y) a AHK mu • bezrozměrný údaj • platí M[r] = åA[r] … relativní molekulovou hmotnost molekuly lze získat i součtem relativních atomových hmotností všech atomů tvořících molekulu Látkové množství Látkové množství … n • umožňuje porovnávat množství různých látek na základě počtu jejich stavebních částic (atomů, iontů, molekul), protože spolu v určitém poměru reagují • základní veličina SI • jednotka: 1 mol N … celkový počet částic N[A] … Avogadrova konstanta [• ]1 mol látky = takové množství látky, které obsahuje právě tolik částic (atomů, molekul, iontů …), kolik je atomů ve 12g nuklidu uhlíku ^12C = Avogadrova konstanta … N[A] [• ]1 mol látky = takové množství látky, které obsahuje právě tolik částic (atomů, molekul, iontů …), kolik je atomů ve 12g nuklidu uhlíku ^12[6]C = Avogadrova konstanta … N[A] • 1 mol je takové množství částic látky, jehož hmotnost v gramech se číselně rovná relativní atomové/molekulové hmotnosti dané látky • př. 1 mol vody obsahuje 6, 023 . 10^23 molekul H[2]O Základní chemické zákony kapitola 4 • Zákon zachování hmotnosti • Zákon zachování energie • Zákon stálých poměrů slučovacích • Zákon násobných poměrů slučovacích Zákon zachování hmotnosti a energie Zákon zachování hmotnosti • (Lomonosov 1756, Lavoisier 1774) • Součet hmotností látek před chemickou reakcí je roven součtu hmotností reakčních produktů. Chemické slučovací zákony Zákon stálých poměrů slučovacích • (Proust 1799, Dalton) – 1. Daltonův zákon • Hmotnostní poměr prvků i součástí dané sloučeniny je vždy stejný a nezávislý na způsobu přípravy této sloučeniny. Zákon násobných poměrů slučovacích • (Richter 1791, Dalton 1802) – 2. Daltonův zákon • Tvoří-li dva prvky více podvojných sloučenin, hmotnosti jednoho prvku, který se slučuje se stejným množstvím prvku druhého, jsou vzájemně v poměrech, které lze vyjádřit malými celými čísly. Zákon stálých poměrů objemových Zákon Avogadrův • Ve stejných objemech různých plynů či par je za stejného tlaku a teploty stejný počet molekul. • Tento zákon formuloval Avogadro spolu se zavedením pojmu molekula. • Molekula představuje nejmenší částici látky, která má ještě její chemické vlastnosti. Molekula se skládá buď z více atomů různých prvků (heteronukleární molekula) nebo z více atomů stejného prvku (homonukleární molekula), může ji tvořit i jeden atom (jednoatomová molekula). • Z platnosti zákona stálých poměrů objemových (viz uvedený příklad) a Avogadrova zákona vyplývá existence dvouatomových molekul vodíku a kyslíku. Prvek Prvek = soubor atomů se stejným protonovým číslem. Chemický prvek je látka skládající se z atomů jednoho druhu. Stavba atomu, látek a chemické reakce kapitola 4 Historie poznávání atomu Stavba atomu – atomové jádro, elektronový obal Molekula Sloučenina Směs Chemické reakce Co je atom? • Atom (z řeckého ἄτομος, átomos – nedělitelný (5.stol.př.n.l.)) je základní částice běžné hmoty, částice, kterou už chemickými prostředky dále nelze dělit a která definuje vlastnosti daného chemického prvku. • Dnes víme, že atomy mají svou vnitřní strukturu – jádro a obal. Stavba atomu • Atom se skládá z atomového jádra obsahujícího protony a neutrony a obalu obsahujícího elektrony. Historie poznávání stavby atomu • John Dalton – atomová teorie – zavedení kvantitativního znaku atomů – relativní atomové hmotnosti (A[r]) • Sir Joseph John Thomson – 1897 existence elektronu • Sir James Chadwick – NC za objev neutronu • Sir Ernest Rutherford – NC, atom = kladně nabité atomové jádro + záporně nabitý elektronový obal Bohrův model atomu - kvantově mechanický model - nespojitá změna energie po kvantech - e nevyzařují energii Stavba atomu • Model atomu Atom počet protonů v jádře = počet elektronů v elektronovém obalu Kation = počet p > počet e . . . . . . kladný náboj Anion = počet p < počet e. . . . . . záporný náboj Atomové jádro – protony, neutrony V jádře obsaženy protony a neutrony. Jádro vlastně středem celého atomu. V jádře obsažena prakticky veškerá hmotnost atomu. Proton p, H^+ • Kladný náboj 1, 602 . 10^-19 C • Hmotnost protonu = 1, 6724 . 10^-27 kg • Protonové číslo = Z = celkový počet protonů v jádře. Izotopy • Atomy téhož prvku s jiným nukleonovým číslem = izotopy. Izotopy určitého prvku mají stejné chemické vlastnosti, ale fyzikální vlastnosti se liší. • Atomy různých prvků, které mají stejná nukleonová čísla = izobary. Elektronový obal – elektrony e^- • Záporný náboj elektronu 1, 602 . 10^-19 C • Hmotnost elektronu = 9, 10939 . 10^-31 kg • Dualistický charakter = vlastnost vlnění i hmotných částic • Orbital = část prostoru v okolí jádra atomu, ve kterém se elektron vyskytuje s pravděpodobností 95% - v určitých energetických hladinách. Hlavní kvantové číslo n kvantově-mechanický analog u Bohrova modelu (n), rozhoduje o energii daného atomového orbitalu, n = 1 - ∞, identické s energetickou hladinou - periodou MPSP Vedlejší kvantové číslo l určuje směrovost a tvar elektronového oblaku, spolurozhoduje o energii e^-, l = n – 1, včetně 0 K vrstva (hladina), n = 1, 2 e^-, 1s^2 L vrstva (hladina), n = 2, 8 e^-, 2s^2 2p^6 M vrstva (hladina), n = 3, 18 e^-, 3s^2 3p^6 3d^10 N vrstva (hladina), n = 4, 32 e^-, 4s^2 4p^6 4d^10 4f^14 Orbital • Polohu elektronu a jeho rychlost nelze současně určit – Heisenbergův princip neurčitosti. Lze stanovit pravděpodobnost výskytu elektronu • Schrödingerova rovnice dP = (x, y, z, t) dV, diferenciál objemu prostoru, dP = Ψ^2 dV, (stacionární stav t = konst., Ψ = vlnová funkce) • Radiální část vlnové funkce určuje pravděpodobnost výskytu e^- směrem od jádra (do r = ∞) a počet nodálních ploch. s- orbital p- orbitaly d- orbitaly f-orbitaly • Magnetické kvantové číslo m = orientace AO v prostoru a počet AO ve sférách s, p, d, f (1, 3, 5, 7) m = -l až +l • Spinové kvantové číslo = s - popis elektronu v atomu. Periodická tabulka a typy orbitalů • Souborem čtyř kvantových čísel můžeme jednoznačně charakterizovat kterýkoliv elektron v obalu atomu. elektronová pravidla • Pauliho princip výlučnosti = v atomu nemohou existovat dva elektrony, které by měly všechna čtyři kvantová čísla stejná. • Hundovo pravidlo - V degenerovaných orbitalech vznikají elektronové páry teprve po obsazení každého orbitalu jedním elektronem. Nespárované elektrony v degenerovaných orbitalech mají stejný spin. energie orbitalů elektronová konfigurace • Periodickou tabulku lze využít také pro určení elektronové konfigurace prvku. • Celá elektronová konfigurace daného prvku je nepřehledná, proto častěji znázorňujeme elektronovou konfiguraci pomocí nejbližšího vzácného plynu. ^• Celá elektronová konfigurace atomu síry: [16]S: 1s^2, 2s^2, 2p^6, 3s^2, 3p^4 ^• Elektronová konfigurace vyjádřená pomocí předchozího vzácného plynu: [16]S: [10Ne]: 3s^2, 3p^4 Příklady elektronových konfigurací valenčních slupek Kvantová čísla • Čím je elektron více vzdálen od jádra, tím je usazen ve vyšší energetické hladině s vyšší energií. • Hlavní kvantové číslo = vzdálenost elektronu od jádra (velikost orbitalu) a jeho energii. Elektron se stejným n tvoří stejnou vrstvu – K, L, M, N, O, P, Q. • Vedlejší kvantové číslo = energie elektronu a tvar orbitalu. Stavba elektronového obalu Molekula Molekuly mohou být složeny: – z atomů o témže protonovém čísle - stejnojaderné (homonukleární) (O[2],S[8] – molekuly prvků) – z atomů s odlišným protonovým číslem – různojaderné (heteronukleární) (H[2]O, H[2]SO[4] – molekuly sloučenin). Příklady jednoduchých molekul • Molekula kyslíku Sloučenina Směs Homogenní směs • Homogenní směs má ve všech svých částech stejné vlastnosti (za homogenní jsou považovány i soustavy jejichž vlastnosti se spojitě (plynule) mění). • Částice tvořící tuto směs jsou menší než 10^-9m • Dělí se na: – Plynné (vzduch) – Kapalné (mořská voda) – Pevné (sklo) • Mezi homogenní směsi řadíme i roztoky (jednotlivé složky promísené na molekulární úrovni) – Nenasycené roztoky (přebytek rozpouštědla) – Nasycené roztoky (maximální množství rozpouštěné látky) – Přesycené roztoky (přebytek rozpouštěné látky nad rozpouštědlem). Heterogenní směs • Heterogenní směs se skládá ze dvou, případně více homogenních oblastí (fází) – Fáze je homogenní část soustavy, oddělená od ostatních částí rozhraním, na němž se vlastnosti mění skokem. • Částice tvořící tuto směs jsou větší než 10^-7m • Jako příklad můžeme uvažovat například písek s cukrem, žulu (různé chemické i fyzikální vlastnosti). Disperzní soustava • Obsahuje rozptýlené částice o velikosti v rozmezí 10^-7 – 10^-9m • Hrubě disperzní soustavy – Průměr částic rozptýlených v disperzním prostředím prostředí je větší než 5.10^-7m a) Aerosol – Mlha (kapičky kapaliny rozptýlené v plynu) – Dým (částečky pevné látky rozptýlené v plynu) – Kouř (kapičky kapaliny a částečky pevné látky rozptýlené v plynu) b) Emulze – Kapičky jedné kapaliny rozptýlené v jiné kapalině c) Suspenze – Částečky pevné látky rozptýlené v kapalině d) Pěna – Bublinky plynu rozptýlené v kapalině e) Gel – Bublinky plynu rozptýlené v pevné látce • Jemně disperzní soustavy – Vzhledem k velikosti částic (10^-9m – 5.10^-7m) se často označují jako nepravé neboli koloidní roztoky (molekuly organických nebo anorganických látek rozptýlených v kapalině). – Na rozdíl od hrubě disperzní soustavy se částice rozptýlené v koloidním roztoku neusazují. – Jako příklad si můžeme uvést bílkoviny ve vodě. Chemická vazba • Vazba = menší energie atomů ve vázaném stavu než energie jednotlivých oddělených atomů • Mechanismus tvorby vazby = sdílení, předávání nebo redistribuce valenčních elektronů • Závislost potenciální energie soustavy dvou atomů A a B na jejich vzájemné vzdálenosti. Atomy vytvářejí při přiblížení chemickou vazbu. • Molekuly – soubory atomů poutaných chemickou vazbou – homonukleární (H[2], N[2],…) – heteronukleární (H[2]SO[4], Be(NO[3])[2],…) – makromolekulární • Vznikají chemickou reakcí – přiblížením atomů dojde k přeskupení valenčních elektronů Þ stabilnější útvar (ztráta energie – E) Typy chemické vazby Teorie molekulových orbitalů MO Laboratorní sklo a chemické techniky kapitola 5 Dělení skla Nomenklatura chemického skla Filtrace Titrace Sublimace Krystalizace Destilace Extrakce Chromatografie Odstřeďování Dekantace Vakuum Sušící techniky Sklo Sklo je homogenní amorfní, tuhý materiál. Vyrábí se z viskózní skloviny roztavené ve sklářské peci. Čisté sklo je transparentní, relativně pevný materiál, odolný proti opotřebení, v podstatě inertní biologicky neaktivní. Sklo je však velmi křehké a rozbíjí se na ostré střepy. Může být formováno do všech existujících tvarů. Sklo vyrobené pouze z čistého oxidu křemičitého SiO[2] se nazývá křemenné sklo Sklo • Zábrusové spoje – dvě pravidelně vybroušené skleněné plochy, které na sebe těsně doléhají – zábrusy kuželové, plošné, kulové – umožňují plynotěsné spojení aparatur – normalizovány podle ISO; NZ 10/19, NZ 12/21, NZ 14/23, NZ 19/26, NZ 24/29, NZ 29/32- písmena znamenají normalizační řadu, první číslo udává horní (větší) průměr kužele, druhé číslo výšku (délku) zábrusu v milimetrech – pro kombinaci různých velikostí zábrusů se používají redukce – před sestavením aparatury je nutné zábrus namazat vhodným mazadlem. • Šroubové spoje – označení GL a číslo označující průměr závitu – převlečná matice z polypropylenu nebo polyesteru a vnitřní těsnění ze silikonového kaučuku potaženého inertní fólií Vakuová linka Rukavicový box • Glave bag je podstatně levnější a prostorově méně náročnou variantou suchého boxu. Je tvořen PE vakem, jehož součástí je pár rukavic, napojení na přívod inertního plynu, napojení na odvod inertu a uzavíratelný vstupní otvor. kádinka Büchnerova nálevka nálevka, násypka frita chladič Bunsenův hořák byreta pipeta drátěná síťka stojan, stojan na zkumavky dávkovač dělicí nálevka Erlenmeyerova baňka exsikátor filtrační odsávací baňka hodinové sklíčko Kippův přístroj Dewarova nádoba filtrační papír kyveta lopatička, lodička láhev s kapátkem balónek na pipetování odměrná baňka odměrný válec odpařovací miska pinzeta pipeta promývačka skleněná tyčinka, kapátko Soxhletův extrakční přístroj teploměr zábrusový titrační baňka trojnožka třecí miska s tloučkem vodní vývěva váženka zkumavka zásobní láhev žebrovaná nálevka žíhací kelímek Petriho miska zahřívání chlazení filtrace titrace • Titrace je běžná laboratorní metoda kvantitativní analýzy. sublimace • Sublimace je skupenská přeměna, při které se pevná látka mění na plyn, aniž by došlo k tání pevné látky (tedy bez průchodu kapalnou fází). • Opačný proces se nazývá desublimace. krystalizace • Krystalizace ochlazením horkého nasyceného roztoku • Krystalizace odpařením části rozpouštědla • Krystalizace přidáním třetí látky • Ke krystalizaci dochází prostřednictvím tzv. krystalizačních zárodků a) v homogenním roztoku místa s nižší energií, kde se vykrystalizováním několika atomů/molekul tato energie spotřebovala a dala tak vzniknout mezifázovému rozhraní = proces nukleace. Okolní molekuly se na tento zárodek začnou „nabalovat“ za současného uvolňování energie a vzniku uspořádané periodické struktury = proces růstu. Další spotřebování energie má za následek b) V nehomogenních roztocích existují tzv. krystalizační jádra- atomy jiných prvků, molekuly nebo celé komplexy částic, na které se následkem energetické nerovnováhy nabaluje krystalická struktura okolního roztoku. destilace extrakce chromatografie • Chromatografie (z řečtiny χρώμα – barva, γραφειν – psát) je souhrnné označení pro skupinu fyzikálně-chemických separačních metod. Molekuly analytu se u všech typů chromatografických separací rozdělují mezi stacionární a mobilní fázi. Dělení je založeno na rozdílné afinitě složek směsi k mobilní a stacionární fázi. sloupcová chromatografie odstřeďování dekantace • Jednoduchý způsob oddělování tuhé fáze od kapalné. Tuhá látka se nechá usadit na dně dekantační nádoby a čirá kapalina se opatrně odlije nebo odsaje. Používáme kádinky, Erlenmeyerovy baňky nebo odměrné válce. elektroforéza • Elektroforéza je separační metoda, která využívá k dělení látek jejich odlišnou pohyblivost ve stejnosměrném elektrickém poli. Na principu rozdílných elektroforetických mobilit se při ní dělí nabité molekuly (ionty). • Při separaci látek v kapiláře se uplatňuje také elektroosmotický tok, což je spontánní tok kapaliny v kapiláře v důsledku náboje (obvykle záporného) na vnitřní stěně kapiláry. difuze zdroje podtlaku (vakuum) Rotační olejová vývěva membránová vývěva vodní vývěva sušení látek, sušicí prostředky a činidla • Sušení = odstraňování malého množství cizí kapaliny nebo jejích par z pevných, plynných nebo kapalných látek. Rozdělení sušicích činidel podle interakce s vodou: • a) Poutající vodu ve formě hydrátů: CaCl[2], Na[2]SO[4], Mg(ClO[4])[2], apod. Sušidla se odstraňují dekantací nebo filtrací, za zvýšené teploty se voda z hydrátů opět uvolňuje. • b) Reagující s vodou: P[4]O[10], Na, CaH[2], apod. Sušidla nelze regenerovat. • c) Poutající vodu adsorpcí nebo chemisorpcí: silikagel, oxid hlinitý a molekulová síta. Zvýšením teploty případně, snížením tlaku se regenerují. technické plyny • acetylen (ethyn) • vodík • methan • fluor • chlór • kyslík • dusík • oxid siřičitý • oxid uhličitý • propan-butan • argon Periodická soustava prvků Dmitrij Ivanovič Mendělejev Periodická tabulka prvků • dnes známo 111 prvků • řazeny v periodické tabulce podle protonového čísla Z Historická česká periodická tabulka prvků Periodická soustava prvků IUPAC 2005 Mnemotechnická pomůcka pro PSP • skupina I.A: Helenu Líbal Na Kolínko Robustní Cestář Franta — Hnusná Liduše Na Krásného Roberta Často Frkala • skupina II.A: Běžela Magda Caňonem, Srážela Balvany Ramenem • skupina III.B: Scotland Yard Lapil Akcionáře - Scelí Yveta Latku Acetonem? • skupina IV. B: Tisíce Zrzavých Hafanů Rafalo • skupina V. B: V Nebi Taví Duby - Vnadná Niobé Tančila Dubáka • skupina VI. B: Cromagnonci Mořili Waldemara Signálem - Chromý Mořský Wolf Signalizoval • skupina VII.B: Mnohá Technika Rezaví, Bohužel - Mnoho Techniků Reptalo Bohu • skupina VIII. B: Ferina Cobalt Ničí, Rumen Rozohněn, Podstavec Osamělého Irského Planetoletu. Haste Motorovým Dusadlem! - Ferry, Cos Ničil Ručně Rohem Pod Osmi Irskými Platany Hasákem Metal Děsně • skupina I. B: Cucej Agave, Aurelie! - Cucal Agátu August • skupina II. B: Zničil Ceduli Hugo? - Znáte Cadeta Huga? • skupina III.A: Byl Aljoša Gagarin Indickým Tlumočníkem? - Božský Alkohol Gambrinus Inhaluji Tlakem - Blbí Alpští Galové Indy Tloukli • skupina IV.A: Císař Sicilský Germány Snadno Pobil — Co Si Germáni Snaží Probodnout? — Co/Což Si, Gertrůdo, Snědla: Plumbum? — Cudná Simona Gertrudu Snadno Pobuřovala • skupina V.A: Náš Pan Asistent Sbalil Bismut/Biftek/Biologářku - Náš Pes Asi Sbaštil Bizona • skupina VI.A: Ó, Slečno, Sejměte Tenkou/Též Podprsenku • skupina VII.A: Floutek Cleofáš Bručí Iako Atom. • skupina VIII.A: Helena Nechtěla s Arogantním Králem Xenofonem Randit - Hezký Nevěrný Arnošt Krátil Xenii Rána • Lanthanoidy: Laciné Ceny Prasat Nedovolily Prométheovi Smést Europu Gdyž Théby Dýchaly Horoucí Erotickou Tmou Ybyšku Lučního • Aktinoidy: 89 Activních Thébanů Páchalo Ukrutné Nepřístrojnosti, Půjčujíce Americký Cement Bokakotorskému Califovi, Esteticky Formujícím u Mladého Noblemana Laworovicou - Ač Thorium Padalo U Neapole, Pustili Američané Cement Blízko Californie, Eště Filmovali Mendeleva, Nobela a Lawrence Chemické vzorce, názvosloví, stereochemie, chemické reakce Chemické vzorce • Obdobně jako prvek lze i sloučeninu charakterizovat názvy a vzorci. • Vzorce sloučenin (stejně jako značky prvků) mají kvalitativní i kvantitativní význam. • Základem pro zápis sloučenin vzorci znalost složení a struktury sloučenin. • Různé vzorce poskytují různé informace: – Vzorce vypovídající o složení sloučenin • Stechiometrický (empirický) • Molekulový (souhrnný, sumární) • Racionální (funkční) – Vzorce vypovídající o struktuře sloučenin • Konstituční (strukturní) • Konfigurační • Geometrický • Konformační • Elektronový Chemické vzorce Stechiometrický vzorec • Vyjadřuje základní složení sloučenin z prvků. • H[2]O, NO[2], P[2]O[5], NaCl geometrický - Vyjadřuje prostorové uspořádání atomů nebo iontů v molekule. elektronový - Znázorníme-li ve strukturním vzorci u atomů jejich jednotlivé valenční elektrony tečkou, elektronový pár dvěma tečkami nebo čárkou a vazebný elektronový pár čárkou mezi značkami sloučených prvků, jde o strukturní elektronový vzorec. Principy chemického názvosloví • Vzorec, náboj, oxidační číslo, předpony, koncovky • Chemický vzorec se skládá ze značek prvků, indexů a dalších znaků (závorek, teček). Například vzorec dihydrátu vápenatého je CaSO[4].2H[2]O • Názvosloví anorganických sloučenin vychází z oxidačního čísla prvku. • Oxidační číslo prvku je rovno náboji skutečnému nebo pomyslnému (který by vznikl na atomu prvku, kdyby elektrony každé vazby vycházející z tohoto atomu byly přiděleny elektronegativnějšímu atomu). Oxidační číslo se označuje římskou číslicí se znaménkem (je-li záporné) vpravo nahoře u značky prvku , např S^-II Počet nábojů iontů se udává arabskými číslicemi se znaménkem náboje, tedy např. Al^3+ , O^2- (ionty jsou elektricky nabité částice, vzniklé z atomů odtržením (kationty) či přijetím (anionty) elektronů. oxidační číslo atomu • Elektronegativita – empiricky nalezené číslo vyjadřující schopnost atomu prvku přitahovat vazebné elektrony kovalentní vazby. ^• Oxidační číslo se ve vzorci značí římskou číslicí v horním exponentu vpravo nahoře u značky prvku. např.: H[2]SO[4 ] - S^IV • Izolované atomy a atomy v molekulách prvků mají oxidační číslo rovné nule. Každý vázaný atom vodíku má oxidační číslo I. Pouze v hydridech je jeho oxidační číslo -I. Kyslík má ve většině anorganických sloučenin oxidační číslo -II. Výjimku tvoří peroxidy (-I), hyperoxidy (O^2^-), ozonidy (O^3-) a sloučeniny s vazbou O–F (+I). • Algebraický součet oxidačních čísel všech atomů elektroneutrální molekuly musí být roven nule. V iontu musí být roven náboji iontu. Určení oxidačního čísla Volný atom nebo atom v molekule prvku má oxidační číslo 0 (např. O[2] ) Vodík má oxidační číslo +I (v hydridech kovů má vodík -I , např. LiH ,CaH[2] ) Kyslík má oxidační číslo -II (v peroxidech má -I , např. H[2]O[2] , nebo v superoxidech , např. OF[2]) Alkalické kovy mají oxidační číslo +I Kovy alkalických zemin mají oxidační číslo +II Prvky IIIA (13.) skupiny mají oxidační číslo +III Prvky IVA (14.) skupiny mají oxid. číslo+IV, -IV Prvky VA (15.) skupiny mají oxid. číslo+V, -III Prvky VIA (16.) skupiny mají oxid. číslo+VI, -II Prvky VIIA (17.) skupiny mají oxid. číslo+VII, -I Fluor má oxidační číslo -I Prvky VIIIA (18.) skupiny jsou vzácné plyny! - jsou inertní, mají jednoatomovou molekulu! • Jednojaderný ion má oxidační číslo rovné náboji (např Al^3+ má oxidační číslo +III) • Součet oxidačních čísel všech atomů prvků obsažených v elektro-neutrální molekule je roven nule. Př.: H[2]SO[4] - oxidační čísla prvků H^I, S^VI, O^-II, součet ox.čísel: 2.I+1.VI+4.(-II)=0 • Součet oxidačních čísel všech atomů prvků obsažených ve víceatomovém iontu je roven počtu elementárních nábojů • Oxidační číslo určuje název sloučeniny!! • Záporné ox.číslo prvku vyjadřuje zakončení -id , připojené ke kmenu latinského názvu prvku (bez ohledu na velikost náboje). Například Br^-I --> bromid , O^-II --> oxid , N^-III --> nitrid , C^-IV --> karbid ). Tuto koncovku mají i některé anionty - hydroxid, peroxid, azid, kyanid apod. • Nulové ox.číslo prvku vyjadřuje první nebo druhý pád názvu prvku ve sloučenině. Například Ni(CO)[4] nazýváme tetrakarbonylnikl nebo tetrakarbonyl niklu. • Kladné ox.číslo prvku vyjadřuje osm názvoslovných zakončení: Oktetové pravidlo • Atomy se snaží získat konfiguraci vzácného plynu. Oktet, • 8 elektronů. Vodík 2 elektrony. • Atom, který potřebuje získat nejvíce elektronů se umístní do středu. Obyčejně je to méně elektronegativní atom. • Elektronegativnější atomy se umístní v okolí. • Vzorec se doplní o vodíkové atomy. • Spočítají se valenční elektrony. Atomy se spojí vazbami • Elektrony se přesouvají až je splněno oktetové pravidlo. Stereochemie • Struktura sloučenin je dána nejen pořadím a polohou atomů a vazeb, ale i jejich prostorovým uspořádáním. • Stereochemie = nauka o prostorovém uspořádání atomů v molekule Konstituční izomerie = stejný sumární vzorec, jiné vnitřní uspořádání • Řetězová • Polohová • Funkční nebo skupinová • Tautomerie Stereoizomerie = liší se typem funkční skupiny, mají výrazně odlišné vlastnosti • Optické izomery = stejný sumární vzorec, liší se prostorovým uspořádáním atomů, uspořádáním skupin na tzv. chirálním atomu uhlíku. • Chirální uhlík = uhlík se všemi čtyřmi substituenty jinými. • Počet optických izomerů se dá spočítat: n = 2^x x je počet chirálních atomů • Chemickými a fyzikálními vlastnostmi se optické izomery příliš neliší. Různou mají ale biologickou aktivitu. (Optické izomery tvoří všechny aminokyseliny kromě glycinu a všechny sacharidy.) • Racemická směs = směs 2 enantiomerů o stejné koncentraci v poměru 1:1, vůči polarizovanému světlu se chová netečně. Konformace = prostorová uspořádání molekuly vzniklá rotací části molekuly okolo σ vazby • pro cyklohexan vanička židlička • pro ethan zákrytová (max energie=> méně stabilní) nezákrytová (min energie => stabilnější, lépe vykrývá prostor) • cis – trans izomerie Chemické reakce • Chemická reakce je děj, při kterém se za vhodných vnějších podmínek mění výchozí látky (reaktanty) na jiné látky (produkty). Dochází k zániku některých vazeb a vzniku vazeb nových – změny vazeb mají za následek vznik nových druhů produktů. • Reaktanty a produkty někdy nazýváme reakční složky. Někdy reaktanty dělíme na substráty (látky, jejichž přeměna nás zajímá) a činidla (látky potřebné k přeměně). • Produkty mají jiné fyzikální i chemické vlastnosti než reaktanty. • průběh reakce zapisujeme - schématem – musí zde platit rovnost počtu atomů na levé a pravé straně rovnice (N[2] + 3H[2] - - ->2NH[3]) • dodržuje zákon zachování hmotnosti N[2] + 3H[2] ® 2NH[3] 1mol+3moly® 2moly 28 g + 6 g ® 34 g • čísla před vzorci v rovnici se nazývají stechiometrické koeficienty • poměr koeficientů udává poměr látkových množství reagujících látek • Chemické reakce lze vyjádřit: Klasifikace chemických reakcí 1) podle vnějších změn při reakci a) reakce skladná=syntéza - sloučením několika látek jednodušších vzniká látka složitější C + O[2] ® CO[2] H[2]+Cl[2]®2HCl b) reakce rozkladná=analýza - z jedné složitější látky vznikají látky jednodušší CaCo[3]®CaO + CO[2] 2HgO®2Hg + O[2] c) reakce vytěsňovací=substituce -reakce, při které jeden prvek ve sloučenině je nahrazen prvkem jiným Zn + 2HCl ® H[2] + ZnCl[2] [ ]Fe + CuSo4 ® Cu + FeSo[4] d) reakce podvojná=konverze -reakce, kdy si 2 prvky vymění místa - neutralizace-reakce kyseliny s hydroxidem HNO[3] + NaOH ® NaNO[3] + H[2]O - srážecí reakce Ba(NO[3])[2] + Na[2]SO[4] ® BaSO[4]¯ + 2NaNO[3] - vytěsňování slabší kyseliny z její soli silnější kyselinou H[2]SO[4] + 2NaCl ® 2HCl + Na[2]SO[4] 2) podle skupenství reagujících látek • plynné skupenství....g • pevné skupenství....s • kapalné skupenství....l • vodný roztok....aq a) reakce homogenní N[2(g) ]+ 3H[2(g) ]® 2NH[3(g)] H[2(g)] + Cl[2(g)] ® 2HCl[(g)] b) reakce heterogenní Zn[(s)] + HCl[(aq)] ® ZnCl[2(aq)] + H[2(g)] CaCO[3(s) ]® CaO[(s) ]+ CO[2(g)] 3) podle tepelného zabarvení (efektů) a) reakce exotermické -reakce, při kterých se teplo uvolňuje 2H[2] + O[2] ® 2H[2]O CH[4 ]+ 2O[2] ® CO[2] + 2H[2]O b) reakce endotermické -teplo se při těchto reakcích spotřebovává 2KMn[4]O[4] ® K[2]MnO[4] + MnO[2] + O[2] 2HgO ®[ ]2Hg +[ ]O[2] 4) podle druhu částic a) reakce acidobazické (protolytické) - reakce kyselin a zásad - dochází k přenosu p^+ (H^+) KOH + HCl ® KCl + H[2]O HNO[3] + H[2]O ® NO[3]^- + H[3]O^+ b) reakce redoxní (oxidačně-redukční) - reakce, při kterých dochází k přenosu elektronů – Oxidace = odevzdání elektronu, zvýšení oxidačního čísla C^0- 4e^-® C^IV Cu^0- 2e^-® Cu^II – Redukce = přijmutí elektronu, snížení oxidačního čísla 0^0+ 2e^-® 0^-II N^V+ 3e^-® N^II c) reakce komplexotvorné (koordinační) - tvoří se kompletní částice, kde se uplatňují koordinačně-kovalentní vazby CuSO[4] + 5H[2]O® [Cu(H[2]O)[4]]SO[4].[ ]H[2]O[. ]- hydrát síranu tetraaqua měďnatého Oxidačně-redukční (redoxní) reakce • Oxidační činidlo: F[2], O[3], HClO, KClO[3] • Redukční činidlo: H[2], Na, Al, C, CO Protolytické (acidobazické) reakce • Brönstedova teorie kyselin a zásad Definice kyseliny: odštěpuje H+ (donor) Autoprotolýza vody, pH Indikátory pH Vyčíslování chemických rovnic - stechiometrie Vyčíslování chemických rovnic má svá pravidla: • Počet atomů určitého prvku, musí být na levé i pravé straně rovnice stejný. • Postupujeme od látek, jejichž počet známe, k látkám, jejichž počet neznáme. • Pro redoxní rovnice platí, že počet odevzdaných elektronů při oxidaci se musí rovnat počtu přijatých elektronů při redukci. • Pro iontové rovnice a redoxní rovnice v iontovém tvaru platí, že celkový náboj na levé straně se musí rovnat celkovému náboji na pravé straně. • Počet molekul potažmo molů může být na pravé a levé straně odlišný. • Hmotnost produktů (látka na pravé straně) je vždy rovna hmotnosti reaktantů (látky na levé straně). Anorganická chemie • Věda o vzniku, složení a struktuře látek bez většiny látek z uhlíku (látky neživé přírody). Názvy prvků • podle význačné vlastnosti prvku brom (Br)– podle zápachu (bromos – zápach) chlor (Cl)– podle barvy (chloros – žlutozelený) fosfor (F)– podle světélkování par (phosphoros – světlonoš) • podle výskytu prvku vápník- ( latinsky calc – vápno) • na počest vědců einsteinium, mendelevium, curium • podle nápadného vzhledu zlato (aurum – lesk,třpyt) • podle zemí, kde byly objeveny polonium, francium, germanium • podle světadílů europium,americium • podle nebeských těles uran, neptunium, plutonium, helium (Slunce), selen (Měsíc) Vodík H, T, D Výskyt: • nejrozšířenější prvek ve vesmíru (obal Slunce, mlhoviny). • na Zemi jen ve sloučeninách (voda – 2/3 zemského povrchu), biogenní prvek. Alkalické kovy Li, Na, K, Rb, Cs, Fr Výskyt: • jen ve formě sloučenin (sůl kamenná NaCl, Glauberova sůl Na[2]SO[4] . 10H[2]O, chilský ledek NaNO[3], sylvín KCl…) Sloučeniny: • K[2]O[2] a Na[2]O[2] - bělicí účinky • NaOH, KOH – žíraviny, odmašťování kovů, výroba celulózy, tuků, plastů • NaHCO[3] – jedlá soda, bílá krystalická látka, proti překyselení žaludku, kypřící prášek do těsta, šumivé přípravky, sněhové hasicí přístroje • Na[2]CO[3] – soda – nyní se vyrábí Solvayovým způsobem : (solanka) NaCl + H[2]O + NH[3] + CO[2] → NaHCO[3] + NH[4]Cl soda se využívá při výrobě skla, v textilním a papírenském průmyslu. • K[2]CO[3] – potaš, výroba mýdel a chem. skla • NaCl, KCl – domácnost, hnojiva • KNO[3] – hnojiva • NaNO[3] – čilský ledek, hnojiva ( pozn. Ca (NO[3])[2] – ostravský ledek) • KClO[3] – travex, ničí trávu a plevel • KMnO[4][ ]– hypermangan, fialová krystalická látka, desinfekce s^2 prvky Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra Výskyt: • jen ve formě sloučenin (sůl kamenná NaCl, Glauberova sůl Na[2]SO[4] . 10H[2]O, chilský ledek NaNO[3], sylvín KCl, magnezit - MgCO[3], dolomit MgCO[3]·CaCO[3], olivín (Mg,Fe)[2]SiO[4], mastek Mg[3]Si[4]O[10](OH)[2], v mořské vodě MgCl[2], zelené barvivo rostlin – chlorofyl (Mg), vápenec - CaCO[3] - kalcit (šesterečná soustava) + aragonit (kosočtverečná soustava), sádrovec - CaSO[4].2H[2]O, kazivec (fluorit) - CaF[2], apatit - 3Ca[3](PO[4])[2].CaCl[2] nebo 3Ca[3](PO[4])[2].CaF[2], smolinec…) Plamenové zkoušky Sloučeniny: • oxid hořečnatý - pálená magnézie, bílý prášek, nepatrně rozpustný ve vodě, ohnivzdorné kelímky,vyzdívky pecí • hydroxid hořečnatý - ve vodné suspenzi (magnesiové mléko), antacidum • síran hořečnatý – projímadlo v lékařství, v minerálních vodách (Šaratica) • chlorid vápenatý - hexahydrát CaCl[2]·6H[2]O, rozpustný ve vodě, příprava chladicích směsí, postřik komunikací při sněhu a náledí, proti zamrzání uhlí a rud na lodích a haldách • chlornan vápenatý - součást chlorového vápna Ca(ClO)[2]·CaCl[2], desinfekce, bělení • oxid vápenatý - pálené vápno - vyrábí se tepelným rozkladem vápence: CaCO[3] → CaO + CO[2], prudce reaguje s vodou za značného vývoje tepla: CaO + H[2]O → Ca(OH)[2] - hašení vápna, využití - k odstranění P, S, Si z oceli - struskotvorná látka • hydroxid vápenatý - CaO + H[2]O → Ca(OH)[2] – silně exotermická reakce, silný hydroxid, „hašené vápno“, vodný roztok - vápenná voda, suspenze hydroxidu vápenatého ve vodě - vápenné mléko, mlékárenství, cukrovarnictví, změkčování vody – změkčování vody - odstranění přechodné tvrdosti: Ca(HCO[3])[2] + Ca(OH)[2] → 2CaCO[3] + 2H[2]O Mg(HCO[3])[2] + Ca(OH)[2] → MgCO[3] + CaCO[3] + 2H[2]O – malta - směs písku s hašeným vápnem a vodou, na vzduchu postupně tuhne, protože odpařováním ztrácí vodu a hydroxid vápenatý reaguje se vzdušným oxidem uhličitým, tvoří se nerozpustný uhličitan vápenatý: Ca(OH)[2] + CO[2] → CaCO[3] + H[2]O • síran vápenatý - obvykle jako dihydrát (sádrovec), alabastr – CaSO[4]·2H[2]O, kalcinací – zahříváním (t = 150°C) ztrácí sádrovec vodu - hemihydrát - sádra CaSO[4]·1/2H[2]O • uhličitan vápenatý - CaCl[2] + Na[2]CO[3] → CaCO[3] + 2NaCl, nerozpustný ve vodě, výroba papíru, brusivo v zubních pastách, zdroj vápníku při dietách, složka žvýkaček • dusičnan vápenatý - norský ledek, hygroskopický, dusíkaté a vápenaté hnojivo • fosforečnan vápenatý – výroba hnojiv Krasový jev – vznik krápníků • uhličitan vápenatý je prakticky nerozpustný ve vodě • pokud je ve vodě protékající přes vápencové skály rozpuštěn oxid uhličitý, dochází k přeměně nerozpustného uhličitanu vápenatého na rozpustný hydrogenuhličitan vápenatý: CaCO[3] + CO[2] + H[2]O → Ca(HCO[3])[2] • roztok hydrogenuhličitanu po malých kapkách dopadá na skálu a pomalu se z něj odpařuje voda a uvolňuje oxid uhličitý • reakce probíhá tedy v opačném směru a dochází ke vzniku krápníků: Ca(HCO[3])[2] → CaCO[3] + CO[2] + H[2]O Výskyt: • borax Na[2][B[4]O[5](OH)[4]]. 8H[2]O, sasolin H[3]BO[3], hlinitokřemičitany (živce, slídy, jíly, hlína), bauxit (hydrát oxidu hlinitého), korund Al[2]O[3] … Výskyt: • diamant, grafit, fullereny, kalcit CaCO[3], magnezit MgCO[3], oxidy uhlíku, křemen SiO[2], křemičitany, hlinitokřemičitany, galenit PbS, kasiterit SnO[2]… Uhlík C Elementární uhlík je typický nekovový prvek, který se vyskytuje v několika modifikacích: • šedá krystalická forma uhlíku, atomy jsou uspořádány šesterečně, hybridizace sp^2 s delokalizovanými π-vazbami - dobrá tepelná a elektrická vodivost • atomy jsou ve vrstvách spojeny silnými kovalentními vazbami, (avšak mezi vrstvami slabými silami, které umožňují po sobě klouzat a způsobují měkkost, otíratelnost a šupinkovatost) • jediný nekov vedoucí el. proud a teplo • vzdálenost uhlíkových atomů v rovině je 141,5 pm, což je vzdálenost kratší než odpovídá jednoduché vazbě C- C a odpovídá vazebnému řádu 1,33 ( Þ delokalizace p - elektronové hustoty) • použití: mazadlo, při elektrolýze, na kontakty v elektromotorech a na tužky • černý uhlík, lesklý uhlík, saze aj. jsou mikrokrystalické formy grafitu Radiouhlíková metoda (metoda ^14C) radiouhlíková metoda^ • ^14C uhlík reaguje v atmosféře s kyslíkem za vzniku CO[2], který rostliny přirozeně vážou do svých pletiv v rámci fotosyntézy. Zvířata a lidé konzumují rostliny a s nimi i ^14C. Poměr normálního uhlíku ^12C a radioaktivního ^14C v atmosféře a v tělech všech živých organismů je v daném čase konstantní. Uhlík ^14C se v tělese neustále rozpadá, avšak je neustále nahrazován novým ^14C přijímaným v potravě. V této chvíli je v našich tělech stejně jako ve všech žijících organismech na Zemi stejná poměr ^12C k^ 14C. Ve chvíli kdy organismus umírá, přestává přijímat s potravou nový uhlík. V okamžiku smrti je poměr ^12C : ^14C stejný jako u všech živých bytostí, avšak ^14C se neustále rozpadá a není nahrazován, ^12C zůstává konstantní. • Srovnáním poměru C^12: ^14C v daném vzorku můžeme určit před kolika lety organismus zemřel. • V 1g uhlíku izolovaném z živého organismu, proběhne 16 rozpadů za minutu. Naměříme-li tedy např. v 1g vzorku (kostry) 4 rozpady za minutu, organismus zemřel přibližně před 11 400 lety. • Tato metoda funguje do rozsahu přibližně 60 000 let. Oxidy uhlíku Organické sloučeniny uhlíku Výskyt: • atmosferické plyny, sopečné plyny, apatit, fluoroapatit, dusičnany, amoniak, Chilský ledek (NaNO[3]), guano • výskyt: – jeden z nejméně rozšířených prvků na Zemi, vázaný ve sloučeninách tvoří přibližně 0,09% hmotnosti litosféry, vyskytuje se jako apatit Ca[5]F(PO[4])[3], hydroxyapatit Ca[5](OH)(PO[4])[3], fosforit Ca[3](PO[4])[2] – patří mezi biogenní prvky, tvoří část nukleových kyselin a ATP • sloučeniny: – Fosfan PH[3] - vzniká rozkladem fosfidů kovových prvků vodou: Ca[3]P[2] + 6 H[2]O → 3 Ca(OH)[2] + 2 PH[3] [ ]P[4] + 3 NaOH + 3 H[2]O → PH[3] + 3 NaH[2]PO[2] [ ]2 H[3]P^IO[2] → P^-IIIH[3] + H[3]P^VO[4] Molekuly mají podobný tvar jako molekula amoniaku. Fosfan je však méně stálý a je slabší zásadou než NH[3], se silnými kyselinami vytváří soli fosfonia. – Difosfan P[2]H[4] vzniká spolu s fosfanem při rozkladě fosfidů kovových prvků účinkem vody. Má podobný tvar molekul jako hydrazin, nemá však zásadité vlastnosti. – Oxid fosforitý (P[2]O[3])[2], resp. P[4]O[6] - vzniká nedokonalým spalovaním fosforu. Je anhydridem kyseliny fosforité, na kterou se mění při reakci se studenou vodou. Při reakci s vodou nastává složitá disproporcionační reakce. Při zahřívání se oxiduje atmosferickým dikyslíkem na oxid fosforečný. Zahříváním bez přístupu vzduchu se oxid fosforitý rozkládá na červený fosfor a oxid fosforičitý. – Oxid fosforičitý (PO[2])[n] - má polymerní strukturu a není anhydridem kyseliny fosforičité. – Oxid fosforečný (P[2]O[5])[2], resp. P[4]O[10] - se vyrábí spalováním fosforu s nadbytkem vzduchu. Jeho molekuly mají podobnou strukturu jako oxid fosforitý. Je anhydridem fosforečných kyselin. Prudce reaguje s vodou, používa se jako vysušovadlo a je výchozí látkou při výrobě mnohých sloučenin fosforu. – Kyselina fosforná H(H[2]PO[2]) – kyselina hydrogen-dihydrido-dioxofosforečná – je jednosytná kyselina. Je středně silnou kyselinou a má redukční vlastnosti. Připravuje se oxidačně-redukční disproporcionací P[4] v zásaditýém roztoku: P[4] + 3 NaOH → PH[3] + 3 Na(H[2]PO[2]) – Kyselina fosforitá H[2](HPO[3]) – dihydrogen-hydrido-trioxofosforečná – je středně silná dvojsytná kyselina. Vzniká účinkem studené vody na oxid fosforitý, nebo hydrolýzou halogenidů fosforitých: P[4]O[6] + 6 H[2]O → 4 H[2](HPO[3]) PCl[3] + 3 H[2]O → H[2](HPO[3]) + 3 HCl – Kyselina tetrahydrogendifosforičitá H[4]P[2]O[6] se připravuje nejčastěji ve formě disodné soli Na[2]H[2]P[2]O[6] oxidací červeného fosforu chlornanem sodným v zásaditém roztoku. – Kyselina fosforečná - vzniká reakcí oxidu fosforečného s různým množstvím vody. Při nadbytku vody přechází všechny formy fosforečných kyselin na kyselinu trihydrogenfosforečnou. Kyselina trihydrogenfosforečná H[3]PO[4] je středně silná kyselina, tvoří 3 řady solí: • Fosforečnany - fosforečnany alkalických kovů (mimo Li[3]PO[4] a (NH[4])[3]PO[4] ) a jsou dobře rozpustné ve vodě . Fosforečnany ostatních kovových prvků jsou málo rozpustné ve vodě. • Hydrogenfosforečnany • Dihydrogenfosforečnany – dobře rozpustné ve vodě Bezvodá kyselina fosforečná je bezbarvá krystalická látka, dobře rozpustná ve vodě. – Kyselina tetrahydrogendifosforečná H[4]P[2]O[7] - vzniká částečnou tepelnou dehydratací bezvodé kyseliny trihydrogenfosforečné nebo neúplnou hydratací P[4]O[10]. Je to čtařsytná kyselina, tvoří 2 řady solí: • Difosforečnany • Dihydrogendifosforečnany – Kyselina hydrogenfosforečná (HPO[3])[n] – vzniká tepelnou dehydratací kyseliny tetrahydrogendifosforečné, je bezbarvá sklovitá látka. Známe jsou některé soli: cyklo-trifosforečnan trisodný Na[3]P[3]O[9] nebo cyklo-tetrafosforečnan trisodný Na[4]P[4]O[12]. – metafosforečnany - využívané v praxi na změkčování vody • druhy vod: – měkká x tvrdá – tvrdost vody je způsobena rozpuštěnými solemi Ca a Mg. • tvrdost: – karbonátová (přechodná), hydrogenuhličitany – nekarbonátová (trvalá), sírany – vliv varu – napájecí x pitná – (tvrdost 10 – 20 stupňů, zdravotně nezávadná, limity na bakterie a ionty) – změkčování vody: • dekarbonizace - Varem, HCO[3] na nerozpustné CO[3] • srážení – Ca(HCO[3])[2] + Ca(OH)[2] → 2 CaCO[3] + 2 H[2]O – Mg(HCO[3])[2] + Ca(OH)[2] → CaCO[3] + MgCO[3] + 2 H[2]O [– ]MgSO[4] + Ca(OH)[2] → Mg(OH)[2] + CaSO[4] • iontoměniče • Síru znali již staří Řekové a Římané, od zničení Sodomy a Gomory sirným deštěm, až k objevu, že síra spolu s kyselinou sírovou je hlavní složkou atmosféry planety Venuše. V roce 1245 objevil Friar Bacon střelný prach, který se skládal z ledku, práškovitého dřevěného uhlí a síry. Poprvé byl použit v bitvě u Kresčaku. V roce 1746 zavedl John Roebuck výrobu kyseliny sírové v Anglii. • průmyslová výroba: – v první polovině 20. století – metoda H. Frasche – vháněním přehřáté vodní páry do ložisek síry a vytlačováním zkapalněné síry horkým vzduchem na povrch – ze zemního plynu, který obsahuje 15 - 20% sulfanu a z ropy • chemické vlastnosti: – síra hoří na vzduchu modrým plamenem za vzniku oxidu siřičitého a v malém množství i oxidu sírového – reaguje s kyselinami, které mají oxidační vlastnosti: S + 2HNO[3] → H[2]SO[4] + 2NO – reakcí s hydroxidy vzniká thiosíran a sulfid: 4S + 6KOH → K[2]S[2]O[3] + 2K[2]S + 3H[2]O • sloučeniny: – Sulfan • bezbarvý, nepříjemně páchnoucí plyn, velmi jedovatý,v sopečných plynech, v minerálních vodách, při rozkladu bílkovin • příprava působením kyselin na sulfidy:FeS + 2HCl → FeCl[2] + H[2]S • plynný H[2]S na vzduch hoří namodralým plamenem za vzniku oxidu siřičitého a vody: H[2]S + 3/2O[2] → SO[2] + H[2]O • sulfan reaguje s vodou za vzniku kyseliny sulfanové • dvojsytná kyselina, která existuje pouze ve vodném roztoku ^• tvoří dva druhy solí: sulfidy a hydrogensulfidy^ • sulfidy alkalických kovů a kovů alkalických zemin jsou rozpustné ve vodě, sulfidy těžkých kovů jsou nerozpustné a většinou barevné ^ • oxidy - 13 oxidů síry – oxid siřičitý • vyrábí se spalováním síry nebo sulfanu: S + O[2] → SO[2], H[2]S + 3/2 O[2] → SO[2] + H[2]O, vzniká při spalování uhlí obsahující síru (znečišťování ovzduší) • bezbarvý jedovatý plyn, dusivého zápachu • dobře rozpustný ve vodě, reakcí s vodou vzniká vodný roztok „kyseliny siřičité“ • oxiduje se na oxid sírový: SO[2] + 1/2O[2] → SO[3] (katalyzátor Pt nebo V[2]O[5]) • využití - výroba kyseliny sírové, bělící činidlo – např. recyklovaného papíru (výroba novin ), dezinfekční činidlo (vinařství), konzervační činidlo v potravinářském průmyslu (výroba marmelád, sušeného ovoce, nealko nápojů) – oxid sírový • připravuje se oxidací oxidu siřičitého: 2SO[2] + O[2] → 2SO[3] ( katalyzátor Pt nebo V[2]O[5] ) • meziprodukt při výrobě kyseliny sírové • s vodou reaguje za vzniku kyseliny sírové, s organickými látkami dochází k extrakci vody a k zuhelnatění organického materiálu • kyseliny – kyselina siřičitá • příprava - zaváděním oxidu siřičitého do vody: SO[2] + H[2]O → H[2]SO[3] • pouze jako vodný roztok • silné redukční činidlo • tvoří dvě řady solí: siřičitany a hydrogensiřičitany – kyselina sírová • bezbarvá olejovitá kapalina, neomezeně se mísí s vodou, je oxidačním činidlem, má dehydratační účinky, zuhelnaťuje organické látky • má vysokou elektrickou vodivost – způsobenou autoprotolýzou: 2H[2]SO[4] ↔ (HSO[4])^- + (H[3]SO[4])^+ • zředěná kyselina oxiduje a rozpouští neušlechtilé kovy za vývoje vodíku: H[2]SO[4] + Zn → ZnSO[4] + H[2] • horká koncentrovaná kyselina oxiduje a rozpouští některé ušlechtilé kovy: Cu + 2H[2]SO[4] → CuSO[4] + SO[2] + 2H[2]O • zlato,platina,olovo účinkům konc. H[2]SO[4] odolává • využití: výroba hnojiv, elektrolyt do akumulátorů • tvoří dvě řady solí - sírany a hydrogensírany – sírany [• ]příprava rozpouštěním kovu ve vodném roztoku kyseliny: Fe + H[2]SO[4] → FeSO[4] + H[2 ] • reakcí kyseliny s oxidy nebo hydroxidy kovů: 2NaOH + H[2]SO[4] → Na[2]SO[4] + 2H[2]O ZnO + H[2]SO[4] → ZnSO[4] + H[2]O • většina síranů je ve vodě dobře rozpustná, jsou to krystalické látky – kyselina peroxodisírová • bezbarvá pevná látka • soli: peroxodisírany - oxidační a bělicí činidla • výskyt: ve formě minerálů, tyto minerály se vyskytují v přírodě společně s minerály obsahujícími síru • fyzikální vlastnosti: polokov,pevná krystalická látka,v různých formách, např. šedý, černý nebo červený selen, nerozpustný ve vodě [– ]3 červené monoklinické polymorfní formy červený selen (alfa, beta, gama), z kruhů Se[8] – šedá „kovová“ - hexagonální krystalická forma – červený amorfní - spirálové poněkud deformované řetězce – sklovitý černý selen - nejdostupnější modifikace, má strukturu složenou z kruhů, které obsahují až tisíc atomů v jednom kruhu – selen má v organizmu esenciální význam pro tvorbu enzymu glutathionperoxidázy - nejvíce selenu obsahují mořské ryby a para ořechy • využití: – výroba fotočlánků – ve fotočlánku jsou atomy selenu schopny uvolňovat elektrony po ozáření viditelným světlem, fotočlánek se tak stává zdrojem el. Energie – fotočlánky se využívají v solárních panelech, v kopírkách – selen se také využívá pro výrobu světlocitlivého válce v laserových tiskárnách • historie: Marie Curie-Sklodowská v roce 1898 izolovala dva prvky ze smolince, jeden prvek pojmenovala podle své vlasti polonium, druhý podle vlastnosti (radioaktivity) radium – za tento objev získala v roce 1911 Nobelovu cenu za chemii • výskyt: • polonium se vzhledem ke svému krátkému poločasu rozpadu v přírodě téměř nevyskytuje • v přírodě v uranových rudách se vyskytuje pouze izotop ^210Po • ^210Po je těkavé, má krátký poločas rozpadu, takže uranové rudy jej obsahují pouze 0,1 mg v 1t rudy • fyzikální vlastnosti: – kovový prvek – tvoří stříbřité bílé krystaly – větší elektrická vodivost než u telluru – nemá žádný stabilní izotop – ^209Bi(n; γ) → ^210Bi →(β) ^210Po →(α) ^206Pb • chemické vlastnosti: – všechny sloučeniny polonia by měly být považovány za potencionálně toxické, usazuje se v ledvinách, slezině a játrech a již v nepatrných koncentracích způsobují bolesti hlavy, nevolnosti, zvracení a podráždění sliznic; LD50 = 7.10-12 g • využití: je to téměř čistý zářič α Charakteristika • p prvky (VII.A = 17.sk.) - celkem 7 val. elektronů v orbitalech s a p, elektronegativita jejich atomů roste od astatu k fluóru • jejich atomy jsou reaktivní, do oktetu jim chybí pouze 1 elektron, který získávají od atomu prvku se kterým vstupují do vazby, tvoří dvouatomové molekuly (X[2]) , téměř všechny jsou biogenní, nekovy • v přírodě se nevyskytují čisté, ale v minerálech • slovo halogen je odvozeno z řeckých slov hals a ganeo, sůl a tvořím – solitvorné prvky • používají se v nejširších odvětvích průmyslu • název od minerálu fluoritu, který se používal jako tavidlo (z latinského fluo = téci) – v hutích snížení teploty při tavení rud • výskyt: – fluorit = kazivec - CaF[2] - po zahřátí světlo (fluorescence) – kryolit - Na[3]AlF[6] – fluoroapatit - Ca[5]F(PO[4])[3] • chemické vlastnosti: – nejreaktivnější ze všech prvků, reaguje se všemi prvky vyjma helia, argonu a neonu, s některými za vzniku tepla a světla – monoizotopický – velmi silné oxidační činidlo – s vodíkem se slučuje i v temnu a při nízkých teplotách explozivně - tendence odebírat vodík jiným sloučeninám: 2H[2]O + 2F[2] → O[2] + 4HF … leptá sklo • sloučeniny: – Fluorovodík HF • silně páchnoucí bezbarvý plyn, bezvodý fluorovodík se vyrábí působením kyseliny sírové na kazivec=fluorit: CaF[2](s) + H[2]SO[4](l) → 2HF(g) + CaSO[4](s) - reakce endotermická • fluorovodík leptá sklo: SiO[2] + 4HF → SiF[4] + 2H[2]O • kyselina fluorovodíková je bezbarvá kapalina, lze ji připravit rozpouštěním fluorovodíku ve vodě • fluorovodík i kyselina silně leptají tkáně • použití k výrobě syntetického kryolitu (zvýšená výroba hliníku), při leptání skla, k výrobě fluoridů a kyselých pracích prostředků – fluorid sodný NaF • fluoridace vody, konzervování dřeva, výroba insekticidů a fungicidů – fluorid cínatý • do zubních past k prevenci tvorby zubního kazu – difluorid kyslíku • název chlóru vychází z barvy plynu (řecké chloros = nažloutlý, světle zelený) • výskyt: – vyskytuje se pouze ve sloučeninách – největší zásoby chloridů v mořské vodě - sylvín – KCl, halit - NaCl – v žaludeční šťávě je asi 0,5% HCl (aktivuje pepsin) • chemické vlastnosti: – velmi reaktivní - reaguje se všemi prvky kromě kyslíku, dusíku, vzácných plynů a platinových kovů – oxidační činidlo – ve vodě rozpustný, reaguje s vodou a vzniká chlorová voda: Cl[2] + H[2]O → HCl + HClO na světle pokračuje rozklad kyseliny chlorné na kyselinu chlorovodíkovou a kyslík: HClO → HCl + O • sloučeniny: – chlorovodík HCl • vznik spalováním vodíku v chloru: H[2] + Cl[2] → 2HCl, vytěsňováním chlorovodíku z chloridu sodného koncentrovanou kyselinou sírovou: 2NaCl + H[2]SO[4] → 2HCl + Na[2]SO[4] (600 °C) • bezbarvý plyn ostře štiplavého zápachu, těžší než vzduch – kyselina chlorovodíková HCl • výroba - reakcí chlorovodíku a vody • silná kyselina, koncentrovaná 37%, 42% - dýmavá kyselina • výroba chloroprenu a PVC, příprava chloridů – chloridy • soli kyseliny chlorovodíkové • podle způsobu vazby rozdělujeme chloridy: iontové, kovalentní • podle rozpustnosti ve vodě: – chloridy nerozpustné ve vodě (Ag, Hg, Pb) – chloridy rozpustné ve vodě (CaCl[2], FeCl[3]) • kyselina chlorná – slabá kyselina, málo stálá, známá pouze ve vodných roztocích • soli – chlornany – silná oxidační činidla – desinfekční a bělící činidla – vznikají zaváděním chlóru do roztoků hydroxidů: 2NaOH(aq) + Cl[2] → NaClO(aq) + NaCl + H2O – NaClO – obsažen např. v Savu – Ca(ClO)[2][ ]– bělení papíru • soli - chlorečnany – vznikají zaváděním chlóru do hydroxidu: 6KOH + 3Cl[2] → KClO[3] + 5KCl + 3H[2]O – NaClO[3] - herbicid, sušení sojových bobů – KClO[3] - složka zápalných směsí pro hlavičky zápalek • soli – chloristany – silná oxidační činidla – chloristan amonný - oxidační činidlo pro raketové palivo – chloristan draselný - složka pyrotechnických směsí pro ohňostroje – chloristan hořečnatý - silně hygroskopický, sušidlo anhydron – chloristan hořečnatý - elektrolyt v tzv. suchých článcích • Ca(ClO)[2]·CaCl[2]·Ca(OH)[2] · 2H[2]O - chlorové vápno - bělení a desinfekce • oxidy – oxid chloristý – oxid chlorový – oxid chloričitý • název z řeckého brómos = zápach • výskyt: – velmi reaktivní proto se vyskytuje pouze ve sloučeninách – hlavním přírodním zdrojem brómu jsou bromidy z mořské vody – Minerály • laboratorní příprava – zahřívání bromidu draselného s oxidem manganičitým: 2KBr + MnO[2] + 2H[2]SO[4] → Br[2] + K[2]SO[4] + MnSO[4] + 2H[2]O • průmyslová výroba [– ]oxidací bromidů chlorem: KBr + Cl[2] → KCl + Br[2] • chemické vlastnosti: – má oxidační vlastnosti – monoizotopický • sloučeniny: – bromovodík • bromovodík je bezbarvý plyn pronikavého zápachu • vyrábí se katalyzovanou syntézou vodíku a brómu H[2] + Br[2] → 2HBr (200 - 400 °C / Pt ) • mezi molekulami nedochází k vytváření vodíkových vazeb • katalyzátor v organické chemii – kyselina bromovodíková • roztok plynného bromovodíku, který se připravuje přímou syntézou vodíku a bromu: H[2] + Br[2] → 2HBr, reakcí fosforu s bromem a hydrolýzou: 2 P + 3 Br[2] → 2 PBr[3] PBr[3] + 3 H[2]O → H[3]PO[3] + 3 HBr • silná kyselina – bromidy • většinou bezbarvé látky, pokud zabarvení není způsobeno kationtem • většina bromidů je rozpustných ve vodě, nerozpustný je bromid stříbrný (fotografování), rtuťný a měďný • připraven vyluhováním popela mořských chaluh kyselinou sírovou a pojmenován podle charakteristické fialové barvy • výskyt: – v chilském ledku, v řasách – jodobromové vody – lázně Darkov, Klimkovice – minerály • chemické vlastnosti: – biatomická molekula – reaguje s méně prvky než fluór, chlór, bróm – slabé oxidační činidlo – při reakci se škrobovým roztokem vzniká intenzivní modré zabarvení, to při zahřátí zmizí, ale po ochlazení se obnoví (změna struktury škrobu) - důkaz jódu nebo škrobu • sloučeniny: – jodovodík • bezbarvý plyn, páchne, dráždí ke kašli, leptá sliznici • ve vodě se rozpouští na kyselinu jodovodíkovou - jodidy • většina jodidů ve vodě rozpustná, nerozpustné jodid stříbrný, jodid thalný, jodid olovnatý – kyselina jodičná (HIO[3]) • tvoří bílé krystalky,dobře rozpustné ve vodě, silné oxidační činidlo – kyselina jodistá (HIO[4]) – kyselina pentahydrogenjodistá • bezbarvá krystalická látka, silné oxidační činidlo • astat z řeckého astatos - nestálý • je známo 24 izotopů astatu, od ^196At až k ^219At • všechny mají krátký poločas rozpadu • výskyt: – astat je článkem radioaktivních rozpadových řad, produkt rozpadu uranových a thoriových rud charakteristika: • p prvky – celkem 8 elektronů mají v orbitalech s a p – proto jejich atomy netvoří vazby s jinými atomy • byly považovány za nereaktivní = inertní, bylo však připraveno několik sloučenin xenonu, kryptonu a radonu • bez barvy a zápachu, velmi lehké plyny • název z řeckého helios – Slunce – objeveno ve spektru Slunce • výskyt: – druhý nejrozšířenější prvek ve vesmíru – malé množství v zemské atmosféře (0,5 ml na 100 l vzduchu) • průmyslová výroba: – vedlejší produkt při frakční destilaci zkapalněného vzduchu • chemické vlastnosti: – mimořádně netečný plyn – netvoří žádné sloučeniny • název z řeckého néon – nový • výskyt: – v zemské atmosféře (1,8 ml ve 100 l vzduchu) • průmyslová výroba: – destilací zkapalněného vzduchu • název z řeckého argón – líný • výskyt: – v zemské atmosféře (1 l ve 100 l vzduchu) • výskyt: – malém množství v zemské atmosféře (0,114 ml ve 100 l vzduchu) • průmyslová výroba: – jako vedlejší produkt při frakční destilaci vzduchu • výskyt: – malém množství v zemské atmosféře (0,008 ml na 100 l vzduchu) • průmyslová výroba: – vedlejší produkt při frakční destilaci zkapalněného vzduchu • výskyt: – v malém množství v zemské atmosféře – v přírodě spíše společně s radiem, z něhož také vzniká radioaktivním rozpadem • průmyslová výroba: – vedlejší produkt při frakční destilaci vzduchu Organická chemie a biochemie • Věda o zabývající se strukturou, vlastnostmi, přípravou a využitím sloučenin uhlíku. • Věda studující chemické pochody v přírodě. • systematické názvosloví: přípona -an uhlovodíkový zbytek: přípona -yl • fyzikálně chemické vlastnosti: – obdobné alkanů – v přírodě cyklopentan a cyklohexan • izomery: – 1-buten – 2-buten (cis-trans) – 2-methyl-1-propen • fyzikálně chemické vlastnosti: – obdobné alkenů • významné sloučeniny: – 1,3-butadien - plyn, výroba syntetických kaučuků – isopren (2-methyl-1,3-butadien) – součást: • terpenů (např. vit. A, karotenoidy, přírodní pryž) • steroidů (např. cholesterol, žlučové kyseliny, kortikoidy) • fyzikálně chemické vlastnosti: – obdobné alkenů – adice - s různými mechanismy, nejčastěji elektrofilní – oxidace – vznik acetylidů • významné sloučeniny: – ethin - (acetylen) bezbarvý plyn, svařování, výroba výbušnin (díky snadnosti odštěpení vodíků => kyselý charakter) • fyzikálně chemické vlastnosti: – benzen a jeho deriváty - kapaliny silně lámající světlo. – kondenzované areny - pevné látky – nerozpustné ve vodě – většinou zdraví škodlivé – aromatický charakter • platí všechny 3 body: a) cyklické (= planární) molekuly, atomy tvořící kruh v jedné rovině b) existují nejméně 2 rezonanční struktury, p vazby jsou delokalizovány c) Hückelovo pravidlo: Celkový počet elektronů v obvodu cyklu musí být roven 4n + 2 (n = 1,2, 3, ...) • nitrace • sulfonace • halogenace kyslíkaté deriváty • A) Hydroxyderiváty : Aa) alkoholy Ab) fenoly • B) Ethery • C) Oxosloučeniny : Ca) aldehydy Cb) ketony Cc) organické kyseliny • Podle druhu uhlovodíku, na kterém je vázaná hydroxylová skupina: – Alkoholy – odvozené od alifatických a alicyklických uhlovodíků – Fenoly – OH skupina je vázána přímo na benzenové jádro, jestliže je OH skupina vázána v postraním řetězci aromatického uhlovodíku, jde o aromatické alkoholy – Enoly – OH skupina je na uhlíku, který je vázán se sousedním uhlíkem dvojnou vazbou • Rozdělujeme podle vazebného místa v řetězci : – Primární – OH skupina vázaná na primárním uhlíku – Sekundární – OH skupina je na sekundárním uhlíku – Terciální – OH skupina je na terciálním uhlíku • Podle počtu hydroxylových skupin: – Monohydroxyderiváty – Dioly – Trioly – Tetroly – Polyoly • chemické a fyzikální vlastnosti: – nižší alkoholy jsou bezbarvé kapaliny charakteristického zápachu, vyšší jsou tuhé látky – vysoké teploty tání a varu souvisejí s asociací molekul vodíkovými vazbami – prodlužováním uhlovodíkového řetězce se snižuje rozpustnost alkoholů ve vodě – polarita vazby mezi kyslíkem a vodíkem v OH skupině vyvolává slabě kyselí charakter – mají schopnost tvořit soli – alkoholáty – acidita alkoholů klesá od primárních k terciálním, bazicita alkoholátového aniontu naopak v tomto pořadí stoupá • primární alkoholy • sekundární alkoholy • terciální alkoholy • Fenoly jsou hydroxyderiváty s HO skupinou vázanou na uhlík aromatického jádra. • Fenoly jsou krystalické látky ve vodě málo rozpustné. Hydroxylová skupina fenolů se nachází na sp^2 uhlíku - tautomerie s oxoskupinou. • Ve srovnání s alkoholy je acidita fenolů vyšší. • Soli fenolů – fenoláty vznikají už s roztoky alkalických hydroxidů • Fenoly se získávají z kamenouhelného dehtu a používají se jako dezinfekční prostředky (lyzol). Přidávají se do zubních past, vyrábějí se z nich plasty (polymerací fenolu a formaldehydu vzniká bakelit). Redukční vlastnosti se využívají při přípravě fotografických vývojek. • Obsahují mezi alkylovými skupinami kyslík obsahující dva elektronové páry. Z hlediska Lewisovy teorie kyselin a zásad jsou zásadou. S kyselinami vytváři dialkyoxoniové kationty. Jsou mnohem těkavější než s nimi izomerní alkoholy, protože nemohou vytvářet mezi sebou vodíkové můstky. Reagují snadno s radikálovými činidly a směsi těkavých etherů se vzduchem po zapálení vybuchují. Samovolně se oxidují, za vzniku peroxidu etheru. Vůči iontovým činidlům jsou ethery stálé. Výjimkou je reakce se silnými minerálními kyselinami, při těchto reakcích vznikají oxoniové soli, která se nadbytkem vody hydrolyzují zpět na ethery. • zástupci: [– ]diethylether, dietyléter, C[2]H[5]OC[2]H[5] • často zvaný pouze éter, těkavá, velmi hořlavá kapalina lehčí než voda; vynikající rozpouštědlo, vyrábí se dehydrogenací ethanolu, má narkotické účinky, t.v. 35 °C – ethylenoxid (CH[2])[2]O • je jedovatý plyn, účinkem vody se v přítomnosti kyselých katalyzátorů štěpí jeho tříčlenný cyklus na ethylenglykol • Aldehydy jsou sloučeniny s funkční skupinou (-COH) na konci uhlovodíkového řetězce. Řadí se mezi karbonylové sloučeniny (spolu s ketony, které obsahují karbonylovou skupinu C=O uvnitř řetězce). Jak aldehydy tak ketony jsou v přírodě velmi běžné (vonné součásti rostlinných silic, intermediáty biochemických reakcí Krebsova cyklu). Využívají se v průmyslovém měřítku pro organické syntézy uhlíkatých skeletů. • fyzikální vlastnosti: – Nejnižší aldehydy jsou kapaliny s výjimkou plynného formaldehydu, ty vyšší a nejvyšší pak pevné látky. Mají vyšší body varu než příslušné alkany a cykloalkany, nižší než teploty varu příslušných alkoholů. Rozpustnost ve vodě závisí na počtu atomů uhlíku obsažených v molekule aldehydu. S rostoucím počtem těchto atomů rozpustnost značně klesá. Tyto sloučeniny se také dobře rozpouštějí v ethanolu a diethyletheru. • chemické vlastnosti: – Reaktivita aldehydů je značně vysoká. Způsobuje ji přítomnost karbonylové skupiny, v níž jsou π-elektrony posunuty k atomu kyslíku, který má oproti uhlíku vyšší elektronegativitu, díky tomu na atomu uhlíku dochází k tvorbě kladného parciálního náboje. Reaktivita aldehydů postupně klesá s rostoucím počtem atomů uhlíku, tj. nejreaktivnější je formaldehyd. – Většina aldehydů je zdraví škodlivá. • reaktivita: zástupci • Metanal (formaldehyd) – CH[3]OH je nejjednodušším aldehydem. – Metanal vzniká oxidací methanolu, při této reakci se používá atomární kyslík: CH[3]OH + O → HCHO + H[2]O – Také se může připravit za přítomnosti katalyzátorů ze syntézního plynu: CO + H[2] → HCHO – Metanal je bezbarvý, štiplavě páchnoucí, jedovatý plyn. Ve vodě je dobře rozpustný, jeho rozpouštěním vzniká 35-45% roztok. Ten se nazývá formalín, polymerizací se mění na bílou pevnou látku nazývanou paraformaldehyd. Má oxidační i redukční účinky. – Používá se na výrobu fenolických pryskyřic, aminoplastů, polyacetalových pryskyřic, ke sterilizaci půdy, k uchovávání praparátů v lékařství. • Benzenkarbaldehyd (benzaldehyd, fenylmethanal) – C[6]H[5]CHO je nejjednodušší aromatický aldehyd s velkým uplatněním v průmyslu. Za pokojové teploty to je bezbarvá, ve vodě málo rozpustná kapalina zapáchající po hořkých mandlích. Tvoří hlavní součást extraktu z hořkých mandlí a může být izolován z mnoha přírodních materiálů, které ho obsahují, např. z meruňky, třešně, broskve, ořechy a různá další semena. • Acetaldehyd (ethanal či aldehyd kyseliny octové) – CH[3]CHO je bezbarvá těkavá hořlavá kapalina štiplavého zápachu. V přírodě se vyskytuje ve zralém ovoci, kávě. Je produkován rostlinami jako součást jejich metabolismu. V lidském organismu vzniká při metabolizování ethanolu. – Acetaldehyd se připravuje oxidací ethanolu kyslíkem nebo oxidem měďnatým: 2C[2]H[5]OH + O[2] → 2CH[3]CHO + 2H[2]O C[2]H[5]OH + CuO → CH[3]CHO + Cu + H[2]O Může se také připravovat hydratací acetylenu (ethynu): C[2]H[2] + H[2]O → CH[3]CHO – Acetaldehyd je důležitým meziproduktem, používá se při výrobě kyseliny octové, která vzniká jeho oxidací. Polymer paraldehyd se používá jako uspávací prostředek, metaldehyd se používá jako moluskocid. • Ketony jsou organické sloučeniny, které obsahují ketoskupinu (C=O) uprostřed uholovodíkového řetězce. Řadí se mezi karbonylové sloučeniny (spolu s aldehydy, které obsahují karbonylovou skupinu -CHO na konci řetězce). • V chemickém názvosloví se u ketonu přidává koncovka „-on“. zástupci: • Aceton (propan-2-on, dimethylketon) – Charakteristickou skupinou je karbonyl. Aceton je bezbarvá kapalina specifického zápachu, hořlavá, s vodou neomezeně mísitelná. Směs par s kyslíkem je výbušná. Používá se jako rozpouštědlo organických látek. Aceton je toxický a karcinogenní! • chemické vlastnosti: • Aceton z chemického hlediska je zajímavý jako organické rozpouštědlo nebo výchozí surovina syntéz. Reaktivitu acetonu dodává přítomnost karbonylové skupiny. Kyslík má větší elektronegativitu než uhlík, a proto tuto vazbu polarizuje tak, že na kyslíku je parciální záporný a na uhlíku parciální kladný náboj. Aceton tedy reaguje s nukleofilními činidly, které mají přebytek elektronů. Aceton vykazuje keto-enol tautomerii, rovnováha této reakce je posunuta ve prospěch keto formy. • Organické kyseliny, které obsahují karboxylovou skupinu -COOH. Tvoří nezbytnou součást živých organismů. • V porovnání s minerálními kyselinami jsou kyselinami výrazně slabšími. • Při disociaci se odštěpuje proton z karbonylové skupiny a vzniká karboxylátový anion: R-COOH + OH− → R-COO− + H[2]O • Karboxylová skupina je polární a vytváří proto vodíkové můstky - vliv na body varu i tání. Body varu rostou s délkou řetězce. • Převažuje u nich lipofilní charakter a jsou tedy ve vodě nerozpustné. Dikarboxylové (např. kyselina šťavelová) nebo aromatické kyseliny (např. kyselina benzoová) jsou za laboratorních podmínek tuhé. •příprava kyselin z uhlovodíků 1. oxidací nasycených • obtížná vzhledem k nízké reaktivitě • neselektivní – vzniká směs kyselin •vznik a příprava: • Karboxylové kyseliny vznikají z uhlovodíků postupnou oxidací přes alkohol a aldehyd: R-CH[3] → R-CH[2]-OH → R-CH=O → R-COOH • Hydrolýza nitrilů - příslušné nitrily je třeba získávat z aminů • fyzikálně chemické vlastnosti: - nižší alifatické jsou kapaliny - vyšší jsou tuhé látky - aromatické jsou nerozpustné - nižší alifatické jsou rozpustné ve vodě - vodíkové můstky jsou silnější než v alkoholech – zvýšení bodu varu Optická izomerie aminokyselin - 15% potravy - obsahují vodík, uhlík, kyslík a dusík, síru, fosfor a některé kovové prvky - tvorba bílkovin je závislá výhradně na příjmu potravou na rozdíl od sacharidů, které se mohou tvořit z bílkovin a tuky ze sacharidů - minimální denní dávka je 0,6g na kilogram hmotnosti - při nedostatku příjmu dochází k odbourávání proteinů a využívání vzácných aminokyselin k tvorbě energie (glukoneogeneze) • Bílkoviny: – Živočišné bílkoviny – v potravinách živočišného původu: mase, rybách, mléce, mléčných výrobcích a vejcích. – Rostlinné bílkoviny - zdrojem jsou brambory, semena olejnatých rostlin, sója, obiloviny a obilné klíčky. – Jednoduché - Prolaminy - Albuminy - často přítomny s globuliny. - Globuliny - obsaženy ve většině bílkovinných látek - Histony - obsaženy v plazmě buněčného jádra a chromozomech - Gluteliny - spolu s prolaminy tvoří bílkovinu lepku (gluten) - Protaminy - vyskytují ve vaječných buňkách ryb - Skleroproteiny - podpůrná hmota buňky - Složené - Fosfoproteiny - Glykoproteiny - obsahující sacharidovou prostetickou skupinu - Chromoproteiny - obsahují prostetickou skupinu barviva - hemoglobin, katalázy, myoglobin, cytochromy, peroxidázy, a flavoproteiny - Lipoproteiny - mají na protein navázaný neutrální tuk nebo jiné lipidy. Mají velký fyziologický význam v metabolismu při transportu tuků v krvi. - Nukleoproteiny - spojení bílkovin s nukleovými kyselinami. Hrají roli v dědičnosti - Metaloproteiny - obsahují vázaný kov (ceruloplasmin, feritin) Peptidická vazba • aminokyseliny – vzájemně se spojují peptidickou vazbou – vytvářejí řetězce ( dipeptidy, tripeptidy, polypeptidy …) • proteiny (bílkoviny) – řetězce složené z více než sta aminokyselin Přenos genetické informace Model replikace DNA Replikační vidlička • Při replikaci DNA může DNA-polymeráza jednoduše přidávat k jednomu z řetězců nukleotidy ve směru 5´® 3´. Tomuto řetězci se říká vedoucí řetězec • Při elongaci druhého vlákna nové DNA se ale DNA-polymeráza musí pohybovat ve směru pryč od replikační vidličky. Řetězec takto syntetizované DNA se nazývá opožďující se řetězec Syntéza vedoucího a opožďujícího se řetězce DNA - 20% potravy - doporučená denní dávka silně závisí na hmotnosti - charakteristickou vlastností je hydrofobnost (jsou nerozpustné ve vodě, dobře rozpustné v organických rozpouštědlech) - zdroj a zásoba energie - jsou součástí biomembrán nebo jinými stavebními složkami - ochranné a izolační funkce Cukry - sacharidy • 65% potrvavy • minimální denní příjem sacharidů je 50 g, při nižším příjmu dochází k úbytku svalové hmoty • většina energetického příjmu člověka • slouží jako zásobárna energie • potřebujeme přijímat hlavně jednoduché cukry • sladkou chuť cítíme pouze z jednoduchých cukrů (díky ptyalinu), proto nám například nepřijdou sladké brambory (obsahují složité cukry) • nejvíce kazí zuby Ekologie a polymery • Věda zabývající se vztahem organismu s prostředím. • Věda o makromolekulárních látkách. Oxidy dusíku N[x]O[y] • Hlavním atropogenním zdrojem je energetika a automobilová doprava. • NO[2] (oxid dusičitý) je žlutohnědý plyn, dráždivý, toxický, je součástí fotochemického smogu. • NO (oxid dusnatý) je bezbarvý plyn, rovněž je součástí fotochemického smogu, působí zejména na centrální nervovou soustavu. • N[2]O (oxid dusný) je poměrně málo reaktivní, má dlouhou dobu setrvání v troposféře a proniká i do stratosféry, kde může mít vliv na koncentraci ozonu. • Oxidy dusíku jsou prekurzorem fotochemického smogu. Cyklus dusíku • SO[2] je bezbarvý, štiplavě páchnoucí, jedovatý plyn. • SO[2] se průmyslově připravuje spalováním síry S + O[2] → SO[2], pražením pyritu 4 FeS[2] + 11 O[2] → 2 Fe[2]O[3] + 8 SO[2], redukcí kyseliny sírové některými kovy 2 H[2]SO[4] + Cu → SO[2] + 2 H[2]O + CuSO[4]. • Ve vodě se rozpouští za vývoje tepla a vzniku kyseliny siřičité SO[2] + H[2]O → H[2]SO[3]. S kyslíkem reaguje za vzniku oxidu sírového 2 SO[2] + O[2] → 2 SO[3].Za žáru ho lze vodíkem zredukovat na síru: SO[2] + 2 H[2] → S + 2 H[2]O. • SO[2] se vyskytuje v sopečných plynech a rozpuštěný jako kyselina siřičitá v podzemních (minerálních) vodách ve vulkanicky aktivních oblastech.V malém množství byl spektroskopicky zjištěn v atmosféře Venuše. • Oxid siřičitý je základní surovinou pro výrobu kyseliny sírové. Má desinfekční a bělící účinky, používá se k desinfekci (tzv. síření) sudů a sklepních prostor pro skladování ovoce a zeleniny, k ošetřování osiv proti plísním a na bělení přírodních materiálů. • Působí dráždivě zejména na horní cesty dýchací, dostavuje se kašel, v těžších případech může vzniknout až edém plic. Značně toxický je oxid siřičitý pro rostliny, neboť reaguje s chlorofylem a narušuje tak fotosyntézu. V ovzduší pozvolna oxiduje vzdušným kyslíkem za přítomnosti vody na kyselinu sírovou, která je spolu s kyselinou siřičitou příčinou kyselých dešťů. Polymery • Polymery – makromolekulární látky, vyrobené polymerizací (chem. reakcí) – monomerních chemických sloučenin. • Vzniká tzv. makromolekulární řetězec. • Počet monomerů v řetězci – 10^3 – 10^5. • Stavba polymerů • Vnitřní stavba polymerního řetězce – Mezi atomy v řetězci – kovalentní vazba – Mezi různými řetězci – van der Waalsovy vazby Dělení plastů • Podle původu • přírodní • syntetické • Podle složení a teplot.chování • termoplasty • reaktoplasty • elastomery • Podle výroby • polymeráty • polykondenzáty • polyadukty • Podle molekulární struktury • lineární • větvené • síťované • Podle aplikací • standardní • hi-tech,… • Podle chemického složení Polypropylen • Podobný PE, pevnější • Zdravot.potřeby (dá se sterilizovat) • Text.vlákna • Obaly – na CD • Plenkové kalhotky – vrstva, která neprosákne J • Moira • Výborně se tvaruje za tepla • Není moc odolný proti teplotě nad 45°C a mrazu • Neměkčené PVC – Novodur (trubky,desky,nádrže) • Měkčené PVC – Novoplast (linolea, hračky, filmy,ubrusy) • Kopolymerace vinylchloridu a vinylacetátu – Vinyl • Netříditelný – obsahuje Cl – zplodiny • Okenní rámy, billboardy, klimatizace • Výborná přilnavost • Hydrolýza – PVA (lepidla – Herkules) • Trubky na pohonné hmoty • Výroba latexů – rozpustné ve vodě, nezávadné • Punčochy, prádlo, košile • Vlasce, padáky • Nitě pro chirurgy • Výplň lednic, izolace • Odolnost vůči agresivnímu prostředí • Toxický (izokyanát + alkohol) • Lyže – výplň • Matrace, umělý povrch-stadiony, autosedačky • Fotbalové míče • Bowlingové koule • Formaldehyd + aminosloučeniny • Močovinoformaldehydové pryskyřice • Tmely, lepidla, nátěrové hmoty • Nanášení na vhodný podklad – vrstvený materiál - Umakart • Z kaučukovníku brazilského – bílá šťáva – latex • 90% se vyrábí synteticky • Poly -1,3 – butadien, polyizopren • Butadien – styrenový kaučuk, nejběžnější, podrážky bot, pneumatiky • Vulkanizace – S můstky mezi vlákny, tvrdost • Měkká pryž – guma na gumování, prezervativy, chirurgické rukavice