Sklářské a bižuterní materiály 2005/06, Cvičení 1
Textilní fakulta
Cvičení 1 1. Seznámení s podmínkami zápočtu • 100% účast na cvičení – případně omluva, • úspěšné zvládnutí testu, • aktivní účast na cvičení Podklady na stránce: www.ksr.tul.cz/studium-podklady.htm 2. Obecné vysvětlení pojmu: sklo a. Kde se lze se sklem setkat? b. Co je to sklo? c. Obecné vlastnosti skla? d. Jak sklo můžete ve svém oboru využít? e. Základní principy technologie skla (vysvětlení technologie – příprava kmene, vsázka, zakládání, tavení, tvarování, chlazení, zušlechťování) Běžně užívané skla jsou složena z látek, které se na povrchu planety Země vyskytují nejčastěji. Zemská kůra obsahuje především kyslík (asi 49%), křemík (26%), hliník (7%), hořčík (3,4%), vápník (3,2%), sodík (3%) a železo (2,8 %). Procento prvků v zemské kůře kyslík
49%
křemík
26%
hliník
7%
hořčík
3.40%
vápník
3.20%
sodík železo ostatní prvky
3%
Zemská kůra 3.2%
6.0%
3.4% 48.8% 7.0% 25.9%
2.80% 6%
3.0% 2.8%
kyslík
křemík
hliník
hořčík
vápník
sodík
železo
ostaní prvky
Obr. 1 Složení zemské kůry 3. Atom a periodická soustava prvků Atom Atom je z řeckého slova atomos – nedělitelný. Rozměr atomu je řádově 10–10m (0,1nm). Atom je chemicky nedělitelná částice s neutrálním elektrickým nábojem, která se skládá z jádra a obalu. Atomové jádro, které má rozměr 10–14 m, je tvořeno protony a neutrony - nukleony, jež jsou navzájem drženy jadernými silami (obr. 2). Počet protonů Z určuje náboj jádra a pořadové číslo prvku v Mendělejevově tabulce. Elektrony tvoří elektronový obal atomu. Chemických procesů se účastní pouze elektronový obal. V atomovém jádře je vázána obrovská energie, kterou lze uvolnit buď sloučením lehkých jader, anebo štěpením těžkých jader. Periodická soustava prvků D. I. Mendělejeva Prvky lze nejlépe seřadit podle periodické soustavy prvků D. I. Mendělejeva, kde podle pozice prvku můžeme určit jeho důležité vlastnosti. Prvky jsou uváděny značkou. Důležitou informací u prvků, která se udává v periodické soustavě, je: značka (někdy i název prvku), relativní atomová hmotnost, protonové číslo a elektronové konfigurace. Z pozice prvku v tabulce lze určit číslo periody a číslo skupiny (také podskupiny).
Strana 1 z 5
Sklářské a bižuterní materiály 2005/06, Cvičení 1
Textilní fakulta
? Obr. 2 Částice tvořící hmotu Tab. 1 Periodická soustava prvků (přejato z http://www.tabulka.cz) 1.A 2.A 3.B 4.B 5.B 6.B 7.B 8.B 8.B 8.B 1.B 2.B 3.A 4.A 5.A 6.A 7.A 8.A H He 1 1 2 Li Be B C N O F Ne 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Na Mg Al Si P S Cl Ar 3 11 12 13 14 15 16 17 18 K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr 4 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe 5 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 Cs Ba La Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn 6 55 56 57 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 Fr Ra Ac Rf Db Sg Bh Hs Mt Uun Uuu Uub Uut Uuq Uup Uuh Uus Uuo 7 87 88 89 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 Ce 58 Th 7 90 6
Pr 59 Pa 91
Nd 60 U 92
Pm 61 Np 93
Sm 62 Pu 94
Eu 63 Am 95
Gd 64 Cm 96
Tb Dy Ho Er Tm 65 66 67 68 69 Bk Cf Es Fm Md 97 98 99 100 101
Yb 70 No 102
Lu 71 Lr 103
Pro vyjádření hmotnosti atomu se užívá relativní atomová hmotnost (Ar). Základem relativní atomové hmotnosti je takzvaná uhlíková jednotka u, která se rovná 1/12 hmotnosti izotopu uhlíku 12C. Relativní atomová hmotnost je důležitá veličina pro výpočet určitých vlastností prvků i jejich sloučenin. Jednou z těchto vlastností je hmotnost, která je důležitá pro stanovení hmotnostních relací při chemických reakcích. (Úloha typu: kolik je potřeba výchozích sloučenin, aby nám vznikly konečné produkty a kolik jich vznikne – bude probráno na příštím cvičení) Počet protonů a elektronů v atomu odpovídá jeho protonovému číslu (pořadovému číslu prvku v periodické tabulce).
Strana 2 z 5
Sklářské a bižuterní materiály 2005/06, Cvičení 1
Textilní fakulta
Počet neutronů v atomu zjistíme takto: a) relativní atomovou hmotnost nebo také hmotnostní číslo atomu (je uvedeno v periodické tabulce) zaokrouhlíme do celého čísla; b) od zaokrouhleného hmotnostního čísla odečteme protonové číslo atomu. Přiklad: Sodík se nachází v periodické tabulce pod číslem 11 a má hmotnostní číslo 22,99. V jádře atomu sodíku se nachází 11 protonů a v obalu 11 elektronů. Zaokrouhlíme hmotnostní číslo 22,99 do celého čísla, to jest do 23. Počet neutronů v jádře atomu sodíku se rovná: 23 - 11 = 12. Atomy, které mají jiný počet neutronů a tedy i jinou hmotnost při zachování počtu protonů a elektronů, se nazývají izotopy. Číslo periody v periodické tabulce ukazuje, do kolika vrstev jsou roztříděny všechny elektrony v atomech této periody, tzv. elektronovou konfiguraci. (2e, 8e, 18e, 32e, 30e, 8e, 2e). Příklad: Atom fosforu (viz periodická tabulku) se nachází v třetí periodě, má 15 elektronů, které jsou rozdělené do tří vrstev. Na první vrstvě od jádra jsou -2e, na druhé - 8e a na třetí - 5e. Elektrony vnějších, nezaplněných vrstev mají název "valenční". Valenční elektrony jednoho atomu mohou tvořit chemické vazby s valenčními elektrony jiného atomu, což vede k vytvoření nové sloučeniny. Valence atomu ukazuje na to, kolik chemických vazeb může vytvořit tento atom s jinými atomy. Číslo skupiny v periodické tabulce ukazuje na maximální počet valenčních elektronů v atomech této skupiny, to jest jaký oxidační stupeň (oxidační číslo) mohou maximálně dosáhnout. Některé prvky mohou mít ovšem i nižší oxidační stupeň než maximální (S, N – N2O = oxid dusný (rajský plyn), NO = oxid dusnatý, NO2 = oxid dusičitý, N2O5 = oxid dusičný). Příklad: Atom síry se nachází v šesté skupině, na vnější vrstvě má šest valenčních elektronů. Maximální valence, kterou síra může projevit ve svých sloučeninách je šest (SO3, H2SO4). Důležité prvky ve sklářství jsou: Si, O, K, Na, Ca, B, Fe, Pb, … 4. Základy anorganické chemie Chemie jako taková se dělí na: • Organickou (Převážně sloučeniny, které obsahují uhlík a to především ve vazbě s vodíkem. Vyznačují se „možností řetězení“.) • Anorganickou (vše ostatní). Oxidy Oxidy dělíme na: o zásadotvorné (oxidy, jejichž sloučeniny s vodou jsou zásady); o kyselinotvorné (oxidy, jejichž sloučeniny s vodou jsou kyseliny); o amfoterní (oxidy, jejichž chování je obojaké). Názvosloví oxidů se řídí pravidly, která jsou shrnuta v následující tabulce. Název vytvoříme pomocí slova "oxid" a názvu prvku + koncovky odpovídající oxidačnímu číslu prvku. Tab. 2 Tabulka koncovek oxidů Oxidační číslo Koncovka Počet prvků / Příklad počet kyslíku I -ný 2:1 oxid sodný II -natý (2:2) 1:1 oxid vápenatý III -itý 2:3 oxid železitý IV -ičitý (2:4) 1:2 oxid křemičitý V -ečný 2:5 oxid chlorečný -ičný oxid dusičný VI -ový (2:6) 1:3 oxid selenový VII -istý 2:7 oxid manganistý VIII -ičelý (2:8) 1:4 oxid rutheničelý
Vzorec Na2+IO-II Ca+IIO-II Fe2+IIIO3-II Si+IVO2-II Cl2+VO5-II N2+VO5-II Se+VIO3-II Mn2+VIIO7-II Ru+VIIIO4-II
Ze vzorce Na2O vidíme, že molekula oxidu obsahuje dva atomy sodíku a jeden kyslík, tedy název bude: oxid + sodík + -ný = oxid sodný. Důležité oxidy ve sklářství: oxid křemičitý, oxid vápenatý (pálené vápno), oxid draselný, oxid sodný, oxid železitý, oxid olovnatý, oxid boritý, oxid fosforečný, oxid uhličitý, …
Strana 3 z 5
Sklářské a bižuterní materiály 2005/06, Cvičení 1
Textilní fakulta
Kyseliny Kyseliny jsou sloučeniny, které ve vodných roztocích disociují na kation vodíku a zbylý anion. Kyseliny můžeme rozdělit například na: • kyslíkaté (H2SO4) a • bezkyslíkaté (HF) nebo na: • silné (H2SO4) • středně silné (HF) • slabé (HCN - kyanovodíková) NÁZVOSLOVÍ Bezkyslíkaté kyseliny Jejich názvy se tvoří slovem kyselina a přidáním koncovky -ová k názvu původní sloučeniny. Tab. 3 tabulka bezkyslíkatých kyselin HF kyselina fluorovodíková HCl kyselina chlórovodíková (solná) H2S kyselina sirovodíková (páchne) Kyslíkaté kyseliny (oxokyseliny) Názvosloví kyselin záleží na oxidačním čísle (náboji) kyselinotvorného prvku. Podíváme se na vzorec H2SO4. Z něj vidíme, že iontů vodíků je 2, síry 1 (jednička se nepíše) a kyslíků 4. Náboj kationu vodíku je vždy +1, a protože vodíky jsou dva, celkový náboj je +2. Kyslík má náboj -2 a z toho vyplývá, že celkový náboj je -8. Součet nábojů se musí rovnat nule. Co se týče síry, její náboj x budeme muset zjistit jednoduchou rovnici: sečteme si všechny náboje po pořádku +2 + x -8 = 0. Řešení: x= +6 . Po zjištění oxidačního čísla si odvodíme název tak, že k názvu kyselinotvorného prvku (v tomto případě k síře) přiřadíme odpovídající koncovku. Podle tabulky si tuto koncovku vyhledáme. Bude to vypadat následovně: síra + -ová = kyselina sírová(H2SO3: 2+x-6=0 => x= +4-siřičitá; HNO2: 1+x-4=0 => x= 3-dusitá; HNO3: 1+x-6=0 => x= 5-dusičná). Tab. 4 Tabulka koncovek kyslíkatých kyselin Oxidační číslo Koncovka Příklad I -ná kyselina bromná II -natá Kyselina sirnatá III -itá kyselina boritá IV -ičitá kyselina uhličitá V -ečná kyselina dusičná -ičná kyselina chlorečná VI -ová kyselina sírová VII -istá kyselina jodistá VIII -ičelá kyselina osmičelá Důležité kyseliny chlórovodíková,…
ve
sklářství:
kyselina
Vzorec H+IBr+IO-II H2+IS2+IIO3-II H+IB+IIIO2-II H2+IC+IVO3-II H+IN+VO3-II H+ICl+VO3-II H2+IS+VIO4-II H+II+VIIO4-II H2+IOs+VIIIO5-II
fluorovodíková,
kyselina
sírová,
kyselina
Hydroxidy Hydroxidy jsou vodné sloučeniny zásadotvorných oxidů schopné odštěpit ve vodních roztocích skupinu OH-. NÁZVOSLOVÍ Názvosloví hydroxidů záleží na oxidačním čísle iontu kovu. Budeme pamatovat, že náboj hydroxoskupiny OH- se vždycky rovná -1. Podíváme se na vzorec Ba(OH)2. Z něj vidíme, že hydroxoskupiny jsou dvě, z čehož vyplývá oxidační číslo barya +II. Název vytvoříme pomocí slova "hydroxid" a názvu hydroxidotvorného prvku (v tomto případě barya) + koncovky odpovídající oxidačnímu číslu hydroxidotvorného prvku: hydroxid + baryum + -natý = hydroxid barnatý.
Strana 4 z 5
Sklářské a bižuterní materiály 2005/06, Cvičení 1 Tab. 4 Tabulka koncovek hydroxidotvorných prvků Oxidační číslo Koncovka Příklad I -ný hydroxid draselný II -natý hydroxid vápenatý III -itý hydroxid železitý IV - ičitý hydroxid manganičitý
Textilní fakulta
Vzorec K+IOH-1 Ca+II(OH)2-1 Fe+III(OH)3-1 Mn+IV(OH)4-1
Další typy látek Soli Sůl je sloučenina, která se skládá z iontu kovu a zůstatku kyseliny. Vzniká nejčastěji neutralizací kyseliny a hydroxidu. Na2SO4 - Síran sodný; NaCl - Chlorid sodný. Uhličitany CaCO3 - Uhličitan vápenatý (vápenec); K2CO3 - Uhličitan draselný. Dusičnany NaNO3 - Dusičnan sodný. Sírany ZnSO4 - Síran zinečnatý. Příště malý test z názvosloví oxidů, kyselin, hydroxidů, solí a další sloučenin. Probírat budeme a stechiometrické výpočty a výpočet chemického složení skla. Užitá literatura: [1] KLEBSA V. Technologie skla a keramiky I. - Sklo. Liberec: VŠST, 1981. [2] KLEBSA V. Základy technologie skla pro hospodářskou fakultu. Liberec: Technická univerzita v Liberci, 2002. ISBN 80-7083-556-7 S použitím zmíněných podkladů, podkladů z internetu a vlastních informací připravil: Ing. Vlastimil Hotař, Technická univerzita v Liberci, Katedra sklářských a keramických strojů, 20032005. Text neprošel redakční ani jazykovou úpravou.
Strana 5 z 5
