Martin Čapek Adamec
CHEMIE 1
Obecná a anorganická chemie Pro gymnázia
EDUKO nakladatelství, s. r. o., Praha 2025
Zpracovali: PhDr. Martin Čapek Adamec, Ph.D. Ing. Věra Čapková
Lektorovali: Mgr. Stanislav Luňák Mgr. Jaroslav Stránský
© Martin Čapek Adamec, 2024, 2025
© EDUKO nakladatelství, s. r. o., 2024, 2025
ISBN 978-80-88473-37-4
2
3
4
JAK S UČEBNICÍ PRACOVAT?
Text učebnice, kterou právě začínáte studovat, je pro větší přehlednost graficky rozčleněn do několika částí. V úvodu každé z devíti hlavních kapitol se nachází kromě úvodní fotografie také motivační text a přehled nejdůležitějších dovedností, které byste měli po prostudování dané kapitoly zvládnout.
CHEMICKÁ VAZBA
Proč se ve vodě rozpustí sůl či hypermangan, ale ne kovová lžička? Na úvodní fotografii je několik látek, které se liší uspořádáním svých atomů a způsobem, jakým jsou propojeny (sklo, voda, manganistan draselný, nerezová ocel).
V následujícím textu budeme zkoumat, proč drží látky pohromadě a jak jejich částicová struktura ovlivňuje makroskopické vlastnosti.
Dozvíme se o různých typech chemické vazby a silách, které působí mezi molekulami, atomy nebo ionty.
V TÉTO KAPITOLE SE NAUČÍTE
● Zapsat elektronovou konfiguraci iontů.
● Nakreslit strukturní elektronový vzorec molekuly.
● Určit oxidační číslo atomu v molekule.
● Rozlišit jednotlivé typy chemické vazby.
● Odhadnout, jaký typ vazby vznikne mezi různými atomy na základně vybraných vlastností prvků.
● Určit tvar molekuly a její polaritu.
● Podle krystalové struktury odhadnout vlastnosti pevných látek.
Výkladový text obsahuje některé zvýrazněné části: černým tučným písmem jsou vyznačeny důležité pojmy, obvykle vysvětlené přímo v textu, barevným tučným písmem jsou vyznačeny pojmy, které už byste měli znát z předchozích částí textu, z předmětů vyučovaných na střední škole či ze základní školy.
Pro lepší porozumění částí výkladu, v nichž se vyskytují výpočty nebo složitější postupy, je hlavní text proložen řešenými příklady. O vyřešení úlohy se můžete pokusit nejprve sami a až poté si projít vzorové řešení.
Příklad 4.3 ELEKTRONOVÁ KONFIGURACE ANIONTU
Podle elektronové konfigurace atomu v základním stavu odhadněte, jaké anionty vytvářejí brom a síra. Zapište jejich konfiguraci.
Řešení
Nejprve zapíšeme elektronovou konfiguraci atomů v základním stavu: 35Br: [18Ar]4s23d104p5, 16S: [10Ne]3s23p4
Atomu bromu chybí do konfigurace kryptonu jeden elektron, bude tedy vytvářet anion s nábojem 1− 35Br : [18Ar]4s23d104p6.
Síra potřebuje k dosažení konfigurace nejbližšího vzácného plynu přijmout dva elektrony, její anion tak má konfiguraci 16S2−: [10Ne]3s23p6.
Hlavní text je v pravé části stránky doplněn schématy či fotografiemi dokreslujícími výklad, ale také dalšími textovými rámečky. Ty jsou rozlišeny pomocí ikonek v levém horním rohu a barvou v dolní části rámečku. V místech, kde je to účelné, je v hlavním textu stejnou ikonou vyznačeno, ke které konkrétní části výkladu se rámeček vztahuje.
Schopnost některých solí ovlivňovat pH roztoků se využívá při hnojení půdy. Půdu můžeme okyselit přídavkem železnatých solí, přisypáním vápence (uhličitanu vápenatého) naopak zvýšíme její zásaditost.
Udržování pH půdy v určitém rozmezí vyhovuje některým typům rostlin, např. borůvky a azalky potřebují kyselejší prostředí, šeříkům a okrasným trávníkům se daří v zásaditější půdě. Zajímavým případem je hortenzie velkolistá, která na změnu pH půdy reaguje změnou zabarvení svých květů. Při pH do 6,5 jsou květy výrazně modré, při pH nad 7,2 mají červenou barvu.
PŘEHLED IKONEK
Rozšiřující informace
Připravte do sklenice nasycený roztok kuchyňské soli rozpuštěním asi 36 g soli ve 100 ml vody. Přes okraj sklenice položte špejli s bavlněnou nití spuštěnou do roztoku. Ponechejte několik dní na okně a pozorujte vznik krystalů. Porovnejte rychlost krystalizace u běžné soli a hrubozrnné soli.
Vodíkový kation je velmi malá kladně nabitá částice, proto velmi rychle reaguje s molekulami s vyšší elektronovou hustotou. Ve vodném prostředí se připojuje k atomu kyslíku v molekule vody dativní vazbou (viz str. 55) a vytváří oxoniový kation (H3O+). Ten dále interaguje s dalšími molekulami vody pomocí vodíkových vazeb. V kapalné vodě se tak vyskytují větší ionty jako H5O2+, H7O3+ nebo H9O4+. V praxi se pro zjednodušení používá zápis H+ nebo H3O+, i když plně nevystihuje skutečnost.
Představte si, že jste v Anglii na prázdninách a změříte si tělesnou teplotu 100 °F Budete uvažovat o návštěvě lékaře?
Informace, které doplňují nebo rozšiřují hlavní text. Mohou být také náročnější na porozumění.
Zajímavost
Propojení tématu s reálným životem, praktické aplikace, zajímavosti a kuriozity.
Úloha k zamyšlení
Otázka nebo úkol testující hlubší porozumění probíranému tématu. Řešení nemusí být jednoznačné, často vyžaduje diskuzi a dohledání informací.
Experiment
Jednoduchý pokus k dokreslení textu nebo k hlubšímu porozumění probíraného tématu. Obvykle jde provést v domácích podmínkách, výjimečně je nutný dozor dospělého. Při provádění pokusů je třeba vždy dodržovat pravidla bezpečné práce!
Mezipředmětový vztah
Vazba na jiné předměty vyučované na střední škole. Většinou jde o další přírodovědné předměty, ale také o historii, český jazyk a cizí jazyky.
Na konci kapitoly je shrnutí učiva, které slouží pro připomenutí, čím jsme se v dané kapitole zabývali. Shrnutí může pomoci při opakování nového učiva.
SHRNUTÍ
Chemie se zabývá zejména látkovými vlastnostmi hmoty a jejich částicovým charakterem. U látek rozlišujeme tři základní skupenské stavy: pevnou látku, kapalinu a plyn. Z hlediska složení můžeme rozlišit chemicky čisté látky (prvky a sloučeniny) a směsi.
Základními částicemi, z nichž jsou látky složeny, jsou atomy, molekuly a ionty.
Hmotnosti jednotlivých částic jsou příliš malé pro běžné použití, nahrazujeme je proto relativní atomovou nebo molekulovou hmotností (uváděnými v tabulkách). Pro počítání částic ve velkých souborech používáme látkové množství definované pomocí
Avogadrovy konstanty. Na hmotnost či objem je můžeme přepočítat pomocí molární hmotnosti, resp. molárního objemu.
V praxi pracujeme se soustavami látek, které charakterizujeme z různých hledisek (výměny částic a energie s okolím, hrubost).
Soustavy či směsi můžeme dělit pomocí separačních metod (filtrace, destilace atd.).
Složení soustav či směsí (zejména roztoků) vyjadřujeme pomocí veličin, jako je hmotnostní či objemový zlomek a látková koncentrace. Výpočty složení roztoků při jejich mísení nám umožňuje směšovací rovnice.
Tvar molekuly můžeme odhadnout na základě jednoduchého principu odpuzování elektronových párů (metodou VSEPR).
elektronů a kovovou vykazující výraznou delokalizaci elektronů mezi mnoha atomy. Umístění valenčních elektronů v molekulách znázorňujeme pomocí elektronových vzorců.
KLÍČOVÉ POJMY
Tvar molekuly můžeme odhadnout na základě jednoduchého principu odpuzování elektronových párů (metodou VSEPR).
KLÍČOVÉ POJMY
existence života. U krystalických pevných látek rozlišujeme různé typy krystalů (podle typu částic a vazeb) a krystalové soustavy (podle souměrnosti).
Podobnou funkci mají klíčové pojmy. U každého z nich byste měli být schopni aspoň stručně vysvětlit, čeho se týká nebo co znamená. Pokud o některém z uvedených pojmů nedokážete říct nic, nezoufejte, obvykle postačí podívat se zpět do textu kapitoly, k níž pojmy patří.
Typ vazbymezi atomya mezimolekulové působení mají zásadní vliv na strukturu látek a tím také jejich makroskopické vlastnosti. Vodíkové můstky a van derWaalsovy síly v biologických strukturách jsou podmínkou existence života. U krystalických pevných látek rozlišujeme různé typy krystalů (podle typu částic a vazeb) a krystalové soustavy (podle souměrnosti).
valenční elektrony ● vaznost ● konfigurace vzácného plynu ● ionizační energie ● elektronová afinita ● chemická vazba iontová a kovalentní ● násobnost vazby ● jednoduchá, dvojná a trojná vazba ● délka vazby ● vazebný úhel ● tvar molekuly ● metoda VSEPR ● elektronegativita ● polarita vazby ● dipól ● polární a nepolární molekula/látka ● parciální náboj ● oxidační číslo ● překryv orbitalů ● vazebný excitovaný stav ● hybridizace ● vazba σ a π ● koordinačně-kovalentní vazba ● donor a akceptor elektronového páru ● elektronový plyn ● kovová vazba ● kujnost a tažnost ● slabší vazebné interakce ● vodíková vazba ● van der Waalsovy síly ● krystalické a amorfní látky ● polymerní látky ● nanomateriály ● krystalové soustavy ● alotropie ● elementární buňka ● iontové, atomové molekulové a kovové krystaly
ÚLOHY KPROCVIČENÍ
V úplném závěru kapitol se nacházejí úlohy k procvičení. Slouží k ověření, že jste danou kapitolu dostatečně zvládli. Úlohy označené hvězdičkou jsou náročnější a při jejich řešení může být nutné využít i další zdroje mimo tuto učebnici. Abyste se přesvědčili, že jste úlohu vyřešili správně, jsou jejich výsledky uvedeny v závěru učebnice souhrnně pro všechny kapitoly.
valenční elektrony ● vaznost ● konfigurace vzácného plynu ● ionizační energie ● elektronová afinita ● chemická vazba iontová a kovalentní ● násobnost vazby ● jednoduchá, dvojná a trojná vazba ● délka vazby ● vazebný úhel ● tvar molekuly ● metoda VSEPR ● elektronegativita ● polarita vazby ● dipól ● polární a nepolární molekula/látka ● parciální náboj ● oxidační číslo ● překryv orbitalů ● vazebný excitovaný stav ● hybridizace ● vazba σ a π ● koordinačně-kovalentní vazba ● donor a akceptor elektronového páru ● elektronový plyn ● kovová vazba ● kujnost a tažnost ● slabší vazebné interakce ● vodíková vazba ● van derWaalsovy síly ● krystalické a amorfní látky ● polymerní látky ● nanomateriály ● krystalové soustavy ● alotropie ● elementární buňka ● iontové, atomové molekulové a kovové krystaly
4.1 Zapište elektronovou konfiguraci a vyznačte valenční elektrony pro atomy kyslíku, železa a antimonu.
4.2 Zapište elektronovou konfiguraci kationtů Fe2+ a Na+
ÚLOHY K PROCVIČENÍ
4.6 Jak se nazývá energie nutná k odtržení jednoho elektronu z valenční sféry atomu?
4.7* S využitím diagramu na str. 46 rozhodněte, zda se při vytvoření dvojice iontů Na+ a Cl z prvků (v plynné fázi) energie uvolní nebo je potřeba ji dodat.
4.1 Zapište elektronovou konfiguraci a vyznačte valenční elektrony pro atomy kyslíku, železa a antimonu.
4.3 Na základě elektronové konfigurace atomů v základním stavu odhadněte, jakýnáboj budou mít stabilní kationty vápníku, hliníku a zinku.
4.6 Jak se nazývá energie nutná k odtržení jednoho elektronu z valenční sféry atomu?
4.8* Čím by se dala urychlit krystalizace iontového jodidu olovnatého z jeho vodného roztoku?
4.4 Jakou elektronovou konfiguraci bude mít anion Te2−?
4.2 Zapište elektronovou konfiguraci kationtů Fe2+ a Na+
4.5 Pro každýz následujících prvků na základě elektronové konfigurace odhadněte, jaké ionty budou vytvářet: jod, rubidium, síra a beryllium.
4.3 Na základě elektronové konfigurace atomů v základním stavu odhadněte, jaký náboj budou mít stabilní kationty vápníku, hliníku a zinku.
4.4 Jakou elektronovou konfiguraci bude mít anion Te2−?
4.5 Pro každý z následujících prvků na základě elektronové konfigurace odhadněte, jaké ionty budou vytvářet: jod, rubidium, síra a beryllium.
Chemická vazba
4.9 Kolik elektronů se podílí na jednoduché kovalentní vazbě?
4.7* S využitím diagramu na str. 46 rozhodněte, zda se při vytvoření dvojice iontů Na+ a Cl z prvků (v plynné fázi) energie uvolní nebo je potřeba ji dodat.
4.10 Nakreslete elektronový strukturní vzorec pro Cl
4.8* Čím by se dala urychlit krystalizace iontového jodidu olovnatého z jeho vodného roztoku?
59 Chemická vazba
4.9 Kolik elektronů se podílí na jednoduché kovalentní vazbě?
4.10 Nakreslete elektronový strukturní vzorec pro Cl
59
Pro vyhledávání informací o pojmech vysvětlených v učebnici slouží rejstřík, který tvoří poslední část této učebnice. U každého pojmu je uvedena stránka, kde se daný pojem poprvé v textu objevuje, případně je zde odkaz na pojem se stejným významem.
ÚVOD
Zvídaví lidé od nepaměti zkoumali sebe a svoje okolí. Systematickým výzkumem přírody včetně člověka samotného se zabývají přírodní vědy. Každá z nich přitom používá svůj specifický pohled, metody a nástroje.
Jednou z přírodních věd je také chemie, které je věnována tato učebnice. Než se jí začneme věnovat podrobně, nahlédneme do historie a přiblížíme si základní principy společné pro všechny přírodní vědy.
Zjistíme, zda tunová paleta uhlí bude po přidání 1 kg uhlí vážit stále jednu tunu, a odhalíme další záludnosti počítání s naměřenými údaji.
V TÉTO KAPITOLE SE NAUČÍTE
● Zařadit důležité etapy vývoje chemie na časovou osu dějin lidstva.
● Objasnit základní principy vědeckého bádání v chemii a ostatních přírodních vědách.
● Vysvětlit, čím se zabývají jednotlivé chemické disciplíny a jaká je role chemie ve společnosti.
● Pracovat s jednotkami nejčastěji používanými v chemii, včetně jejich převodů.
● Posoudit přesnost a spolehlivost hodnot získaných měřením, správně pracovat s nepřesnými hodnotami při výpočtech a zohlednit přesnost v zápisu výsledků.
1.1 CHEMIE JAKO VĚDA
HISTORIE CHEMIE
Prvopočátky chemických přeměn záměrně prováděných člověkem sahají do doby, kdy se pravěcí lidé naučili používat oheň. Předpokládá se, že předchůdci člověka dokázali oheň ovládat dokonce již před 2 miliony let. Nálezy potvrzující jeho systematické využívání k výrobě nástrojů jsou datovány přibližně do období před 200 tisíci lety.
Výrobu užitkové keramiky lze vysledovat v době před více než 12 tisíci lety, počátky cíleného zpracování kovů (metalurgie) se objevují přibližně před 6 tisíci lety. Ve starověkém Egyptě byly chemické procesy využívány k barvení, mumifikaci, líčení i léčení. Pochází odtud výroba skla a také vína a piva.
Přibližně od počátku našeho letopočtu se snahami o přeměny látek zabývali alchymisté v různých místech civilizovaného světa (antické Řecko, Egypt, Mezopotámie, Persie, Indie, Čína). Středověkou Evropu nejvíce ovlivnila arabská alchymie, která se k nám dostala ve 12. století. Značného rozkvětu dosáhla alchymie za doby Rudolfa II. na konci 16. století. Praha se v té době stala útočištěm mnoha slavných osobností, jako byli např. John Dee a Edward Kelley. S postupující dobou se mezi alchymisty objevovalo také mnoho podvodníků, od nichž se ti poctiví snažili čím dál tím více odlišit. V té době synonymní pojmy alchymie a chemie se i z tohoto důvodu začaly oddělovat a chemické bádání postupně nabíralo rysy moderní vědy.
Alchymistická laboratoř
Připomeňte si, jaké cíle měla většina alchymistů. Jedním z nich byla transmutace běžných kovů na zlato. Je taková přeměna s využitím poznatků současné vědy a techniky možná?
−5 000 0 5001 0001 5002 000
počátky zpracování kovů
−1 000
← starověká → řemesla a umění počátky alchymie
Za průkopníky chemické vědy v Evropě je možné považovat R. Boyla a A.-L. Lavoisiera, kteří již při experimentech důsledně zaznamenávali jejich průběh včetně podmínek v laboratoři a definovali první chemické zákony Oni i další chemici při své práci navazovali na poznatky a bohaté zkušenosti alchymistů.
VĚDECKÁ METODA
Hlavním zdrojem informací v přírodních vědách je pozorování světa kolem nás. Abychom však mohli z pozorovaných jevů odvodit vědecký poznatek, je potřeba dodržet určitý postup – vědeckou metodu
Vědci při své práci shromažďují data z pozorování a snaží se v nich objevit určité pravidelnosti nebo vzory. Na základě těchto vzorů je možné vyslovit výzkumnou otázku, jejímž zodpovězením se dá pozorovaný jev vysvětlit (např. „Proč je obloha modrá?“). Potenciální odpovědi na výzkumnou otázku se nazývají hypotézy (např. „Atmosféra obsahuje nějakou modrou látku.“). Hypotéz, které přinášejí vysvětlení daného problému, můžeme formulovat více, důležité však je, aby hypotézu bylo možné otestovat, přesněji řečeno vyvrátit. Musíme tedy být schopni utvořit (aspoň teoreticky) experiment, který s ní bude v konfliktu. V našem příkladě bychom mohli z atmosféry extrahovat různé látky a zkoumat, zda jsou modré. V případě, že žádná taková látka v atmosféře není, je naše hypotéza popřena a musíme si k vysvětlení zkoumaného jevu vytvořit nějakou jinou.
Pokud se nám podaří dostatečným množstvím experimentálních dat podpořit některou z hypotéz, můžeme na jejím základě formulovat teorii. Vědecká teorie umožňuje předpovědět, jak se bude příroda chovat v situacích podobných našemu původnímu pozorování. Od nové teorie také obvykle vyžadujeme, aby
vrchol evropské alchymie chemie →
Řada významných objevů byla uskutečněna různými vědci na světě současně, aniž by objevitelé o svých výzkumech věděli. První možnosti rychlé komunikace přišly až se zavedením telegrafního spojení (v polovině 19. století) a později telefonních linek (mezikontinentálně začátkem 20. století). Není tedy divu, že se první chemické objevy mezi odbornou veřejností šířily v řádech měsíců až roků.
Příkladem může být zákon zachování hmotnosti, který nezávisle na sobě formulovali ruský chemik M. V. Lomonosov (1756) a francouzský chemik A.-L. Lavoisier (1773) s odstupem 17 let.
Jednou z vyvrácených teorií v chemii, je tzv. flogistonová teorie. Ta tvrdila, že hořlavé látky obsahují „flogiston“, který se hořením uvolňuje do okolí, a proto má popel menší hmotnost než původní látka. Zkuste navrhnout experiment, jímž byste ukázali, že flogistonová teorie neplatí.
byla v souladu s již přijatými obecnějšími teoriemi. Za přijatou teorii můžeme považovat takovou, která odpovídá velkému množství provedených nezávislých pozorování.
Žádnou teorii není možné beze zbytku dokázat, je však možné ji vyvrátit, pokud se objeví pozorování, která s ní budou v rozporu. Známým příkladem je Newtonova teorie (mechanika), která poskytuje velmi přesné předpovědi o pohybu těles za běžných podmínek. Existují však situace, v nichž jeho teorie neplatí. Na základě těchto rozporů formuloval A. Einstein svou teorii relativity, která vysvětlila chování těles i v nestandardních situacích (např. při rychlostech blízkých rychlosti světla) a významně změnila nahlížení vědců na prostor a čas. Neznamená to však, že bychom Newtonovy zákony nemohli používat – jsou totiž jednodušší a pro běžné situace odpovídají realitě s dostatečnou přesností.
Získávání dat pozorováním
Tvorba otázek a hypotéz
experimenty, výběr hypotéz
Dalším z důležitých pojmů v přírodních vědách je (vědecký) zákon. Jedná se ozobecnění mnoha pozorování přírodních jevů. Například zákon zachování hmotnosti říká, že během chemické reakce se hmotnost uzavřené reakční soustavy (měřitelně) nezmění. Na rozdíl od teorií zákony dané chování nevysvětlují, ale pouze popisují.
VZTAH CHEMIE K OSTATNÍM VĚDÁM
Z přírodních věd má chemie velmi blízko k fyzice. U prvních vědců, které dnes považujeme za chemiky, neexistovala ostrá hranice mezi chemií a fyzikou a velmi často se zabývali oběma obory. V řadě oblastí, jako např. částicové složení hmoty, vlastnosti látek, skupenské přeměny a energetické zabarvení reakcí, používá chemie poznatky i nástroje z fyziky. Obě vědy pak využívají matematiku, která se velmi často rozvíjela v důsledku požadavků na řešení fyzikálních problémů. Disciplína na pomezí fyziky a chemie se nazývá fyzikální chemie.
Chemie pomáhá vysvětlit i řadu procesů probíhajících v živých organismech. Zabývá se např. dýcháním, fotosyntézou, metabolismem, přenosem genetické informace. Tato oblast chemie, která úzce souvisí s biologií, se nazývá biochemie. Dalšími vědami, s nimiž chemie spolupracuje, jsou medicína, geologie a astronomie.
Vzhledem k rozmanitosti světa a neustále rostoucímu množství poznatků se přírodní vědy včetně chemie specializují. Přehled nejdůležitějších chemických disciplín naleznete (po doplnění) v následující tabulce.
Název disciplíny Předmět zkoumání analytická chemie anorganická chemievlastnosti chemických prvků a sloučenin neživé přírody biochemie fyzikální chemie chemické složení Země, horniny a minerály příprava, struktura a vlastnosti polymerů organická chemiesloučeniny uhlíku potravinářská chemie farmaceutická chemie vztah chemické struktury léčiv s jejich účinkem v organismu toxikologie
K rozvoji chemie přispěli také čeští vědci, jejichž objevy a vynálezy se používají na celém světě v každodenním životě. Například hydrogelové kontaktní čočky nosí více než 100 milionů lidí. U jejich objevu stál profesor O. Wichterle, zakladatel Ústavu makromolekulární chemie Československé akademie věd. Dalším úspěšným materiálem, na jehož vývoji se podílel, je silon. Původně se používal jako textilní vlákno, pro svou odolnost však našel využíti v rybářských vlascích, kluzných ložiscích, bezhlučných převodech, ozubených kolech a dalších strojírenských komponentách.
Měkká kontaktní čočka
Polyamidové kolečko s nosností 350 kg
S využitím svých dosavadních znalostí, literatury či internetu doplňte tabulku s chemickými disciplínami.
Testování,
Formulování teorie
Úprava či zamítnutí teorie
Chemie pronikla do všech oborů lidské činnosti. Když se rozhlédneme v místnosti doma, ve škole či v práci, těžko nalezneme předmět, který nebyl vytvořen nebo upraven s využitím chemických technologií. Chemie má nespornou zásluhu na růstu populace (hnojiva, pesticidy) a prodloužení průměrné délky lidského života (léčiva, ochrana zdraví). Díky poznatkům z chemie můžeme chránit sebe i životní prostředí, máme k dispozici nové materiály, které nám usnadňují život. Nezodpovědné zacházení s chemickými látkami však může přispívat ke znečišťování přírody a představovat zdravotní rizika, chemie se také dá zneužít pro válečné účely. Prostřednictvím studia chemie se můžeme naučit využívat její poznatky zodpovědně na všech úrovních společnosti od jednotlivců po nadnárodní uskupení, abychom co možná nejvíce eliminovali případné negativní dopady.
1.2 MĚŘENÍ V CHEMII
VELIČINY A JEDNOTKY POUŽÍVANÉ V CHEMII
Mnoho vlastností látek, kterými se zabýváme v chemii, má kvantitativní povahu, to znamená, že je můžeme vyjádřit číselnou hodnotou. Samotné číslo však neposkytuje dostatek informací a je potřeba jej doplnit jednotkou. Například když řekneme, že vzdálenost školy od našeho domova je 150, nedává tento údaj smysl. Teprve doplněním čísla o jednotku na „150 m“ jsme poskytli smysluplnou informaci. Pro použití ve vědeckých měřeních existuje mezinárodní systém jednotek SI. Je v něm definováno 7 základních veličin a jejich jednotky.
V chemii se nejčastěji setkáme s prvními pěti jednotkami a také s některými odvozenými jednotkami, které je možné vyjádřit jako součiny nebo podíly těchto základních jednotek. Například jednotka tlaku pascal (Pa) má rozměr kg m−1 s−2. Pokud je hodnota veličiny řádově příliš velká nebo příliš malá, můžeme k jejímu vyjádření použít násobnou nebo dílčí jednotku vytvořenou pomocí násobicí předpony.
Vyhledejte některé výrobky, které jsou propagovány souslovím „bez chemie“. Posuďte, zda se na jejich vzniku opravdu nijak nepodílel chemický průmysl.
Prakticky nerozložitelný plastový odpad přestavuje značnou zátěž pro životní prostředí.
Každá ze sedmi základních jednotek má svoji pevnou definici, všechny přitom vycházejí z fyzikálních konstant (jako např. Planckova konstanta či Avogadrova konstanta), jejichž hodnota byla dohodou zafixována na přesném čísle.
Definice jednotek se však v průběhu času od jejich zavedení měnily. Například jeden metr byl nejprve definován jako desetimiliontina vzdálenosti pólu od rovníku, poté jako délka prototypu uloženého v Mezinárodním úřadu pro váhy a míry v Sèvres u Paříže. Následně byl metr vyjádřen pomocí vlnové délky světla vyzářeného atomem kryptonu a v současnosti používáme definici založenou na rychlosti světla.
prototypu metru
Ve výpočetní technice se používají předpony kilo-, mega-, giga- a tera- ve spojení s jednotkou bajt pro označení kapacity paměťových médií či velikosti souborů. Tradičně však tyto předpony neznamenaly mocniny deseti, ale odpovídaly nejbližší mocnině dvou. Například předpona kilo odpovídala násobku 1 024 (= 210).
Aby se předešlo nedorozumění, byly později předpony pro výše uvedené násobky přejmenovány na kibi-, mebi-, gibi- a tebi- Označení kapacity pevného disku 1 TB tak skutečně znamená 1012 bajtů, přičemž 1 TiB by odpovídal kapacitě 240 ≈ 1,1 1012 bajtů, tedy asi o 10 % více.
Detail
Při práci v chemické laboratoři budeme měřit zejména objem, hmotnost a teplotu, případně počítat s hustotou.
Objem
Základní jednotkou objemu v soustavě SI je metr krychlový (m3), který je však příliš velký pro běžně zpracovávaná množství látek v laboratoři. Místo něj obvykle používáme decimetr krychlový (dm3) nebo centimetr krychlový (cm3), případně litr (l, L) a jeho dílčí jednotky – mililitr (ml) a mikrolitr (μl). Přitom platí následující vztahy:
1 dm3 = 1 l; 1 cm3 = 1 ml; 1 mm3 = 1 μl
K odměřování objemu kapalin slouží specializované odměrné nádoby, jako je odměrný válec, odměrná baňka, pipeta a byreta. Běžné objemy kapalin jsme jimi schopni odměřit s přesností na desetiny mililitru. V odměrném válci a odměrné baňce má kapalina daný objem v okamžiku, když se nachází uvnitř nádoby, nádoba je kalibrována „na dolití“ (ozn. „In“). Pipety a byrety jsou kalibrovány „na vylití“ (ozn. „Ex“), přesný objem kapaliny je tedy odměřen v okamžiku jejího volného vypuštění. Kalibrace nádob se provádí při 20 °C a je určena pro vodu nebo vodné roztoky, při odměřování jiných kapalin nebo vody při výrazně odlišné teplotě deklarované přesnosti nedosáhneme.
Hmotnost
K měření hmotnosti v laboratoři používáme laboratorní váhy. Dnes se používají téměř výhradně váhy digitální, které přímo zobrazují hmotnost váženého předmětu. Pro běžná vážení postačují tzv. předvážky – váhy s přesností od 0,1 až po 0,01 g. V analytické chemii se používají analytické váhy, jejichž přesnost se pohybuje v rozmezí desetitisícin až stotisícin gramu. Na laboratorních vahách nikdy nevážíme chemické látky přímo, vždy je potřeba použít vhodnou podložku (filtrační papír) nebo nádobku. Moderní váhy umožňují hmotnost podložky automaticky odečíst.
Odměrné baňky a odměrné válce
Existuje mnoho odvětví lidské činnosti, v nichž z historických důvodů přetrvává použití jednotek mimo soustavu SI. Například v kosmetice se můžeme setkat s uváděním hmotnosti i objemu v uncích, zejména v zemích západní Evropy a v USA. Jedna unce (oz.) odpovídá přibližně 28,35 g, dutá unce (fl. oz.) může mít objem asi 29,6 ml (americká) nebo 28,4 ml (britská). Do stejného systému jednotek (angloamerické měrné soustavy) patří např. libry, kameny, pinty a galony.
Ve šperkařství je stále používanou jednotkou hmotnosti karát, kterým se vyjadřuje velikost drahých kamenů (1 ct = 200 mg).
Označení množství v uncích (oz. / fl. oz.)
Prsten s pěti brilianty o velikosti 0,25 ct
Hustota
Pomocí hmotnosti a objemu můžeme vyjádřit hustotu. Tuto veličinu označujeme řeckým písmenem ρ a v chemii nejčastěji používáme jednotku gram na centimetr krychlový (g cm−3). Na rozdíl od hmotnosti a objemu hustota nezávisí na množství látky, a může tedy být použita jako její charakteristická veličina. Vztah mezi hmotností (m), objemem (V) a hustotou (ρ) vyjadřuje následující rovnice:
ρ = m V
Teplota
Při chemických reakcích hraje důležitou roli teplota. Často je potřeba udržovat teplotu reakční směsi v určitém rozmezí nebo ji v průběhu reakce sledovat. K měření teploty používáme laboratorní teploměry. Nejrozšířenější jsou skleněné teploměry, které obsahují teploměrnou kapalinu uzavřenou v kapiláře opatřené stupnicí. Použitá kapalina musí mít zvláštní vlastnosti – zejména dostatečnou teplotní roztažnost a stabilitu v celém měřeném rozsahu. Dříve se jako náplň teploměrů používala rtuť, s ohledem na toxické vlastnosti jejích sloučenin však byla nahrazena jinými kapalinami, obvykle organickými. V poslední době se také používají elektronické (digitální) teploměry, které kromě lepší čitelnosti údajů často umožňují automatizovaný sběr naměřených hodnot. Přesnost laboratorních teploměrů se obvykle pohybuje kolem 0,5 °C podle rozsahu měřitelných hodnot.
V ČR používáme k vyjádření teploty stupně Celsia (°C), pro fyzikálně-chemické výpočty je však potřeba mít teplotu vyjádřenou v základních jednotkách – kelvinech (K), pro přepočet můžeme použít jednoduchý vztah:
T (K) = t (°C) + 273,15
POČÍTÁNÍ S NEPŘESNÝMI HODNOTAMI
Při výpočtech v chemii se setkáváme se dvěma typy hodnot – přesnými a nepřesnými. Přesná čísla mají přesně definovanou hodnotu, např. počet lidí ve skupině, počet předmětů, koeficienty v chemických rovnicích, násobky vyjádřené násobicími předponami (1 kg = 1 000 g, přesně). Nepřesná čísla jsou hodnoty získané měřením, jejich přesnost je daná vlastnostmi měřicího zařízení a chybami při provádění měření. Například hmotnost předmětu nemůžeme na kuchyňských vahách změřit přesněji než na desetiny gramu.
Přesnost hodnoty můžeme vyjádřit explicitně uvedením odchylky, např. 245,2 ± 0,1 g, nebo implicitně pomocí platných číslic. V číselném údaji považujeme za platné všechny číslice kromě nul vyjadřujících řád. Poslední platná číslice je neurčitá. Napíšeme-li např. 4,50, údaj obsahuje tři platné číslice a jeho skutečná hodnota leží mezi 4,49 a 4,51.
Problém nastává u čísel bez desetinné čárky, jejichž zápis končí jednou nebo více nulami. Bez dalších informací totiž nemůžeme určit, zda jsou tyto nuly součástí naměřené hodnoty nebo pouze vyjadřují řád. Například u hodnoty 1 400 nevíme, zda je přesná na jednotky, desítky či stovky. Abychom se této nejistotě vyhnuli, budeme nepřesná čísla tohoto typu zapisovat vždy s desetinnou čárkou – číslo 1,40 103 má tři platné číslice a je přesné na desítky.
Počet platných číslic musíme zohlednit i během výpočtu a hlavně při zaokrouhlování výsledku. Počítáme-li například třetinu z objemu změřeného s přesností na desetiny mililitru, nemá smysl uvádět ve výsledku 8 desetinných míst, jak jsou zobrazeny na kalkulačce. Výsledek musíme zaokrouhlit tak, abychom uměle nezvyšovali (ale ani nesnižovali) jeho přesnost.
Bimetalový teploměr se dvěma stupnicemi
Zatímco objem a hmotnost uměli lidé měřit (a vyjádřit číselnou hodnotou) už ve starověku, první zařízení na měření teploty byla vytvořena až v první polovině 17. století. Před tím lidé teplotu pouze odhadovali pocitově, případně si pomáhali pozorováním různých jevů. Například ve starém Egyptě hlídali teplotu v líhních kuřat pomocí směsi sádla a másla – ideální teplota prostředí byla dosažena v okamžiku, kdy tato směs právě začala tát.
První teploměry (přesněji termoskopy) měly podobu skleněné baňky napojené na trubičku ponořenou do kapaliny. V závislosti na změně teploty se měnila výška hladiny a bylo tak možné určit, jestli se teplota zvýšila nebo snížila. Teprve později začaly být kapiláry s kapalinou opatřeny stupnicí s pevně danými body. Například Newtonova stupnice dělila interval mezi teplotou tání ledu a teplotou lidského těla na 12 stupňů.
V současnosti se v běžném životě používají hlavně dvě stupnice – Celsiova a Fahrenheitova. Platí přitom převodní vztahy:
t (°F) = t (°C) 1,8 + 32
t (°C) = [t (°F) 32] : 1,8
Představte si, že jste v Anglii na prázdninách a změříte si tělesnou teplotu 100 °F Budete uvažovat o návštěvě lékaře?
22,4 ml 3 = 7,466 666 666… ml = 7,47 ml
Při násobení a dělení nepřesných čísel má výsledek tolik platných číslic, kolik jich má nejméně přesné číslo ve výpočtu. Na tento počet platných číslic poté zaokrouhlujeme. Například součin 2,54 · 8,314 bude mít tři platné číslice, zaokrouhlíme tedy na 21,1 (neponecháme výsledek z kalkulačky 21,117 56).
Méně častou operací je sčítání a odčítání, při nichž se přesnost výsledku řídí řádem, na kterém je umístěna poslední platná číslice v nejméně přesném čísle vstupujícím do výpočtu. To je důležité zejména v případě, kdy se sčítají (odečítají) údaje, které se řádově výrazně odlišují.
U přesných čísel se platnými číslicemi nezabýváme, tato čísla přesnost výsledku nezvyšují ani nesnižují. Mezivýsledky ve složitějších výpočtech nezaokrouhlujeme, abychom konečný výsledek nezatížili zbytečně další chybou.
Technická kalkulačka zobrazí výsledek na devět desetinných míst. Mají však všechna smysl?
Přesnost měření (váhy zboží, obsah čistých látek) je důležitá také v obchodě. Zejména u sypkých látek se setkáváme s poměrně velkou tolerancí, která vyjadřuje odchylku skutečného množství od hodnoty uvedené výrobcem. Například stavební písek může mít při 25kg balení toleranci ±3 %, uhlí pro maloodběratele při balení po 750 kg dokonce ±5 %. Odchylka je zapříčiněna jednak způsobem odměřování (vážení), proměnlivým obsahem vlhkosti, ale také započtením možných ztrát při manipulaci.
S údaji s takto velkou tolerancí nemůžeme počítat jako s přesnými čísly (na jednotky). V tomto případě neplatí, že 750 kg + 1 kg = 751 kg, protože přidáním jednoho kilogramu uhlí na dodanou paletu nezvýšíme přesnost dodaného množství, které se pohybuje v intervalu 713–787 kg.
Pětadvacetikilové balení stavebního písku
Změní se počet platných číslic v údaji při jeho převodu na jiné jednotky?
SHRNUTÍ
Historie chemie se dá počítat od pravěkých pokusů o zkrocení ohně a s nimi spojené první keramické výroby, přes starověké postupy přípravy barviv, potravin a léků, středověkou alchymii, až po současnost, kdy si bez chemie nejde představit fungování společnosti.
Chemie patří mezi přírodní vědy založené na vědecké metodě, tj. na neustálé tvorbě a ověřování vědeckých teorií na základě pozorování a provádění experimentů.
Značné množství poznatků a jejich provázanost na další oblasti lidské činnosti vedlo ke vzniku
KLÍČOVÉ POJMY
řady samostatných chemických disciplín, jako jsou anorganická a organická chemie a další.
Pro usnadnění komunikace a zajištění opakovatelnosti výsledků měření byla zavedena mezinárodní soustava jednotek SI. Mimo vědecké kruhy se však můžeme setkat i s dalšími, tradičními jednotkami.
Dostupné metody a nástroje pro měření poskytují pouze určitou přesnost, proto je potřeba správně zacházet s naměřenými hodnotami a nepřesnost zohlednit ve výpočtech i v zápisu jejich výsledků.
alchymie ● přírodní vědy ● vědecká metoda ● hypotéza ● teorie ● chemické zákony ● chemické disciplíny ● soustava SI● základní veličiny a jednotky ● násobicí předpony ● přesná a nepřesná čísla ● platné číslice
ÚLOHY K PROCVIČENÍ
1.1 Seřaďte následující události a činnosti od nejstarší po nejnovější: masové používání plastových obalů, první snahy o nalezení kamene mudrců, výroba nejstarších zlatých šperků, objevení Ameriky K. Kolumbem, vynález hydrogelových kontaktních čoček, konec druhé světové války. Pořadí nejprve odhadněte a poté ověřte v dostupných zdrojích včetně internetu.
1.2 Chemické disciplíny mají svůj název často složený z latinského či řeckého označení dané oblasti zájmu a slova „chemie“. Zkuste odhadnout, čím se zabývá agrochemie, petrochemie, hydrochemie nebo termochemie.
1.3 Při práci s plyny a kapalinami se setkáme také s nutností uvádět jejich tlak, případně s ním dále počítat. Jednotkou tlaku v soustavě SI je pascal (Pa), v laboratoři i v běžném životě však občas narazíme na jiné jednotky tlaku jako jsou bary (bar), milimetry rtuťového sloupce (mmHg, torr) nebo libry na čtvereční palec (psi). Například krevní tlak měřený u lékaře se uvádí v jednotce torr, o níž platí, že 760 torr = 101 325 Pa. Jakým hodnotám v kilopascalech odpovídá „normální“ tlak krve 120/80?
1.4* Srovnejte svůj krevní tlak (tj. tlak, jímž působí krev na stěny cév) s tlakem, který vyvíjíte na podlahu při stání na obou nohách.
1.5 V akčních filmech můžeme vidět zločince, kteří si lehce přehazují bedýnky naplněné zlatem přes zeď a utíkají s nimi. Odpovídá taková situace realitě? Vypočítejte hmotnost zlata, které by vyplnilo bednu ovnitřních rozměrech 30 cm × 50 cm × 20 cm.
1.6* K měření hustoty kapalin se může v laboratoři použít speciální odměrná nádoba, pyknometr. Prázdný pyknometr o objemu 25,00 ml jsme zvážili a zjistili jsme, že má hmotnost 32,256 1 g. Pyknometr naplněný kapalinou váží 63,755 8 g. Vypočítejte hustotu neznámé kapaliny a odhadněte, zda se jedná o glycerol, vodu, nebo rostlinný olej. Nezapomeňte správně zaokrouhlit výsledek.
1.7 Student při laboratorních cvičeních provedl několik výpočtů s naměřenými hodnotami. Rozhodněte, zda výsledky v jednotlivých případech zaokrouhlil správně, případné chyby opravte:
a) 22,45 g : 25 ml = … ˙ = 0,898 g cm−3
b) 0,300 dm3 0,561 mol dm−3 = … = 0,168 mol
c) 15,236 7 g − 10,2 g = = 5,04 g
d) (0,004 2 g : 58,443 g mol−1) : 0,050 dm3 = … = 1,4 10−3 mol dm−3
LÁTKY A JEJICH SOUSTAVY
Jaký je rozdíl mezi hmotou a látkou?
Z čeho se látky skládají? Na tyto otázky se pokusíme odpovědět hned v úvodu kapitoly.
Seznámíme se s dalšími veličinami, které nám pomohou s vyjádřením množství částic i látek jak v čisté formě, tak ve směsích.
Podíváme se na metody, kterými můžeme rozdělit směsi na jejich složky, a zjistíme, že řadu z nich většina z nás vlastně už dávno používá.
V TÉTO KAPITOLE SE NAUČÍTE
● Rozlišit látky podle různých kritérií a klasifikovat jejich soustavy.
● Pracovat s počty částic, tedy s látkovým množstvím.
● Popsat principy nejdůležitějších separačních metod.
● Používat různé způsoby určení složení roztoků a počítat s nimi.
● Připravit roztoky daného složení.
2.1 FORMY HMOTY
Všechny objekty, jevy a děje kolem nás vyplývají z hmotné podstaty světa. Rozeznáváme dvě formy hmoty – látky a pole. Látky se skládají z částic (mají korpuskulární charakter) a představují materiál, ze kterého jsou tvořeny všechny předměty (tělesa). U polí převažuje vlnový charakter, a přestože pole nevytvářejí tělesa, s jejich projevy se setkáváme neustále. Působí na nás gravitační pole, elektricky nabité částice ovlivňuje elektrické pole, očima vnímáme světlo, což je část elektromagnetického pole.
Vlastnostmi polí se zabývá zejména fyzika, v chemii většinou klademe důraz na látkové vlastnosti hmoty a její částicový charakter. Mikrostruktura látek (typy částic, jejich vzájemné uspořádání) se promítá i do jejich makroskopických vlastností (barvy, skupenství, tvrdosti, rozpustnosti). Pochopení částicové struktury látek je důležité pro vysvětlení celé řady jevů, které nás obklopují.
Látky (velké soubory částic) můžeme třídit podle různých hledisek. V následujícím schématu jsou uvedeny příklady často používaných dělení.
SKUPENSKÉ STAVY
Jedna z nejběžnějších charakteristik látek používaná v chemii je skupenství –pevné (s), kapalné (l) a plynné (g).
Pevné látky
Částice v pevných látkách jsou blízko u sebe, téměř se nepohybují, vůči okolním částicím prakticky nemění svoji polohu. V krystalických látkách jsou částice fixovány v pevné, pravidelné struktuře, která se periodicky opakuje ve všech třech směrech. Navenek se pevné látky vyznačují stálým tvarem.
Kapaliny
V kapalinách se částice pohybují volněji, i když jsou stále vůči sobě vázány nezanedbatelnými silami. V důsledku těchto sil se utváří na rozhraní kapaliny a jejího okolí povrchové napětí, spolu s vnějšími silami (zejména gravitací) zodpovídají za vznik hladiny a vysvětluje se jimi např. vzlínání kapaliny po stěnách nádoby. Kapaliny zachovávají stálý objem, ale tvar se přizpůsobuje nádobě.
K ohřevu potravin v mikrovlnné troubě se používá elektromagnetické vlnění. Vlnění s obdobnou frekvencí je také nositelem signálu pro mobilní komunikaci nebo bezdrátové datové sítě (wifi).
Částice hmoty mají ve skutečnosti dualistický, tzv. vlnově-korpuskulární charakter. Poprvé s myšlenkou dualismu přišel A. Einstein začátkem 20. století pro světlo a jeho částice – fotony. Jeho přístup dále rozvinul kvantový fyzik L. de Broglie a rozšířil jej na všechny částice hmoty (zejména elektrony). Oba vědci za své objevy v této oblasti získali Nobelovu cenu. Obecný vztah pro vlnovou délku částice má tvar λ = h / mv,
kde h je Planckova konstanta, m hmotnost a v rychlost pohybu částice.
Spolu jsou také provázány dvě základní veličiny charakterizující hmotné objekty – hmotnost a energie. Vztah mezi nimi rovněž objevil A. Einstein a vyjádřil jej známou rovností E = mc2
Částicový model skupenství vody (shora pevné, kapalné, plynné)