Základní pojmy z chemie pro muzejní konzervátory-restaurátory
Chemie • Přírodní věda, která se zabývá studiem složení a struktury látek a jejich přeměnami v látky jiné (chemické reakce). • Přírodní, experimentální věda, zabývající se studiem látek, jejich vnitřní strukturou a vlastnostmi a dále reakcemi látek a jevy, které tyto reakce doprovázejí.
Dělení chemie • Obecná chemie – zabývá se zákonitostmi stavby látek, vztahem mezi stavbou a vlastnostmi látek a také základními zákonitostmi průběhu chemických dějů. • Anorganická chemie – zkoumá chemické prvky a jejich sloučeniny, vyjma většiny sloučenin uhlíku. • Organická chemie – zkoumá sloučeniny uhlíku. • Biochemie – zabývá se složením a chemickými ději v živých soustavách. • Fyzikální chemie – zkoumá chemické děje fyzikálními metodami (termodynamika, kinetika, elektrochemie,…). • Analytická chemie – zabývá se analýzou látek (kvalitativně, kvantitativně). • Technická chemie a chemická technologie – zabývá se postupy v chemické výrobě.
Základní pojmy • Hmota – projevem hmotné podstaty jsou objekty, jejich vlastnosti a s nimi spojené děje. 1) látky, které tvoří předměty kolem nás 2) pole, projevuje se silovým působením mezi tělesy, které jsou v něm. • Látka – hmota, která se skládá z částic (má v celém svém objemu stejné složení) a má charakteristické vlastnosti (fyzikální a chemické). • Atom – základní stavební prvek látky. • Molekula – tvoří ji dva a více atomů stejného nebo různého prvku.
Základní pojmy • Prvek – chemicky čistá látka složená z atomů se shodným protonovým číslem. • Chemicky čistá látka – tvoří ji stejné částice (atomy, molekuly) a má stálé vlastnosti (teplota tání, teplota varu). • Sloučenina – je látka tvořená stejnými molekulami složenými ze dvou a více prvků (CO2). • Směs – soustava složená z více různých chemicky čistých látek. 1) homogenní (mají stejné vlastnosti v celém svém objemu, jsou ve stejném skupenství, např. vzduch). 2) heterogenní (mají různé vlastnosti v různých částech, např. směs vody a ledu, hrachu a čočky, bubliny v kapalině).
Atom a jeho stavba • Podle Daltonovy Atomové teorie je základní stavební jednotkou látek atom. • Atom = elektroneutrální částice složená z jádra a obalu.
Atomové jádro • Skládá se z protonů a neutronů, souhrnně označovány nukleony, jejich počet v jádře udává nukleonové číslo N (N=Z+P). • Protony - částice s kladným nábojem, značí se p+, počet v jádře udává protonové číslo Z. • Neutrony jsou částice bez náboje, značí se n0, počet v jádře udává neutronové číslo N. • Nuklidy – látky složené z atomů, které mají stejné protonové, neutronové a nukleonové číslo (např. 168O). • Izotopy – jsou atomy, jejichž jádro obsahuje stejný počet protonů ale jiný počet neutronů (11H protium, 2 3 1 H deuterium, 1 H tritium).
Elektronový obal • Je tvořen elektrony e-, což jsou částice se záporným nábojem. • Jejich počet v elektricky neutrálním atomu je roven počtu protonů v jádře, kompenzují tedy kladný náboj jádra a výsledný náboj atomu je nulový.
Periodická soustava prvků • Periodickou soustavu prvků sestavil v roce 1869 ruský vědec D.I. Mendělejev • Zařadil do ní 63 tehdy známých prvků (v řadách vzrůstala atomová hmotnost (protonové číslo) a ve sloupcích se opakovaly chemické vlastnosti) některá místa zůstala prázdná, sem byly později zařazeny v té době neznámé prvky (např. Ge, Ga). • Periodický zákon: Vlastnosti prvků jsou periodickou funkcí jejich protonového čísla. S rostoucí hodnotou protonového čísla jsou si vždy po určitém počtu prvků (periodě) vlastnosti prvků podobné. • Periodická tabulka je uspořádána do 7 vodorovných řad period a do 18 sloupců – skupin, prvky ve skupinách mají podobné chemické vlastnosti.
Chemická vazba • Soudržné síly, které působí mezi jednotlivými atomy v molekulách a navzájem je k sobě poutají. Chemickou vazbu mezi atomy zprostředkovávají valenční elektrony. • Atomy různých prvků mají různě velkou schopnost přitahovat vazebné elektrony, tato schopnost se vyjadřuje pomocí atomové elektronegativity X. Atomová elektronegativita vyjadřuje schopnost vázaného atomu přitahovat vazebný elektronový pár. vzrůstající hodnota atomové elektronegativity K, Na, Ca, Mg, Al, Pb, Sn, Si, H, P, C, S, N, Cl, O, F • Podle rozdílu elektronegativity rozlišujeme vazby na: a) nepolární (rozdíl elektronegativity je menší je 0,4) b) polární (rozdíl je 0,4 - 1,7), c) iontová = extrémně polární (1,7 a více).
Chemické reakce • Je to děj, při němž dochází vlivem vnějších podmínek k přeměně z výchozích chemických látek, které vstupují do reakce na produkty, látky vystupující z reakce. A+B C+D Ca(OH)2+CO2 CaCO3+H2O (tvrdnutí malty) • Chemická rovnice = popis chemické reakce, popisuje počáteční a konečný stav chemické reakce.
Typy chemických reakcí Protolytické reakce (acidobázické) • reakce, při kterých dochází k přenosu kationtu H+. o Kyseliny - látky které H+ odštěpují. o Zádady - látky které H+ přijímají. HNO3+KOH H2O + KNO3 • Některé látky se mohou chovat jako kyseliny i zásady v závislosti na interakci s jinou látkou, mají tzv. amfoterní charakter (např. H2O, NH3). • Koncentrace H+ iontů udává kyselost roztoku – pH < 7 kyselý, pH = 7neutrální , pH > 7 zásaditý : pH = -log[H+]
Oxidačně-redukční reakce (redoxní) • Dochází při nich k přenosu elektronů mezi reagujícími složkami. • Souběžně probíhají dvě reakce, oxidace při které atomy elektrony odevzdávají a redukce při které jiné atomy elektrony přijímají. 2H-ICl-I + Zn0 ZnIICl2-I + H20 oxidace: Zn0+2eZn+II redukce: 2HI-2eH20
Srážecí a komplexotvorné reakce • Srážecí reakce - reakce při kterých se alespoň jeden z produktů vyličuje v podobě málo rozpustné látky – sraženiny. NaCl + AgNO3 AgCl (sraženina) + NaNO3 • Komplexotvorné reakce (koordinační) – dochází při nich k přenosu celých skupin atomů a vzniku komplexních sloučenin.
Chemické názvosloví anorganických sloučenin • • o o o •
Založeno na oxidačním čísle prvků ve sloučeninách. Pravidla pro určování: atomy v molekulách prvků mají ox. číslo 0. součet ox. čísel atomů v molekule je 0. H má ox. č. I, O má ox.č. –II, F má ox.č.-I, Al má ox.č. III. Názvy dvouprvkových sloučenin (oxidy ox.č. -II, halogenidy – F, Cl, Br, I ox.č. -I, sulfidy ox.č. –II, podobně hydroxidy –OH ox.č. -I) jsou dvouslovné. Podstatné jméno s koncovkou –id, koncovka přídavného jména vyjadřuje hodnotu oxidačního čísla.
Organická chemie • Oblast chemie, která se zabývá látkami, ze kterých jsou tvořeny živé organismy. • Chemie sloučenin uhlíku, vyjma CO, CO2, H2CO3 a její soli, HCN, CS2 a karbidy kovů. • Molekuly organických sloučenin jsou nejčastěji tvořeny atomy C, H, O, N, S, halogeny, P, méně kovy a Mg. • Vlastnoti: 1) citlivé vůči světlu a teplu, jsou snadno těkavé a hořlavé. 2) ve vodě většinou nerozpustné. 3) roztoky jsou obvykle elektricky nevodivé. Nejčastěji se vyskytuje kovalentní vazba. 4) Základní kostru molekul organických sloučenin tvoří uhlíkové řetězce a na nich jsou připojeny atomy jiných prvků.
Typy vzorců organických sloučenin • Sumární vzorec – vyjadřuje kvantitativní a kvalitativní zastoupení atomů v molekule, např. C2H4 • Strukturní vzorec – vyjadřuje pomocí vazebných čar všechny vazby mezi atomy v molekule, např. • Racionální vzorec – jsou v něm uvedeny jednotlivé skupiny a vyznačeny vazby, např. CH2=CH2
Klasifikace uhlovodíků • Alkany – acyklické uhlovodíky, v jejich uhlíkatém řetězci se vyskytují výhradně jednoduché vazby, přiřazujeme koncovku -an (např. Methan CH4, Ethan CH3 - CH3, Hexan CH3 - CH2 - CH2 - CH2 - CH2 CH3). • Alkeny – acyklické uhlovodíky, které mají v uhlíkatém řetězci mimo jednoduchých vazeb jednu dvojnou, přiřazujeme koncovku -en (např. Ethen CH2 =CH2, Penten CH2=CH - CH2 - CH2 - CH3). • Alkiny (alkadieny) – acyklické uhlovodíky, které mají v uhlíkatém řetězci dvě dvojné vazby., přiřazujeme koncovku -in (např. Propin CH2=C=CH2, Butin CH2 =C=CH - CH3). • Areny (aromatické uhlovodíky) – jejich molekula obsahuje tzv. benzenové jádro. Základním arenem je benzen, jeho molekuly tvoří uzavřený šestičlenný řetězec, sumární vzorec C6H6.
Další areny: • Naftalen • Toluen (methylbenzen) • Xylen (1,2-dimethylbenzen)
Deriváty uhlovodíků • Sloučeniny odvozené od uhlovodíků náhradou vodíkových iontů atomy jiných prvků, nebo celými skupinami atomů. • Dělíme je podle druhu charakteristické skupiny přítomné v molekule o halogenderiváty – charakteristickými skupinami jsou halogenidové atomy (F, Cl, Br, I) - CHCL3 chloroform. o nitroderiváty – charakteristickými skupinami jsou nitroskupiny –NO2 o aminy – charakteristická skupina –NH2, -NH-, -N= o hydroxyderiváty – charakteristická hydroxylová skupina –OH na (alkoholy,fenoly). o karbonylové sloučeniny – charakteristická karbonylová skupina =CO, -CHO o karboxylové kyseliny – charakteristická karboxylová skupina -COOH
Chemické výpočty Hmotnostní zlomek • Definován jako podíl hmotnosti určité složky soustavy k celkové hmotnosti soustavy. Př. Kolik g Paraloidu B72 je třeba pro přípravu 50g roztoku Paraloidu B72 v xylenu, aby výsledný hmotnostní zlomek Paraloidu B72 byl 0,03 (tedy 3%). 0,03=x/50 x=0,03*50 x=1,5g Paraloidu B72
Objemový zlomek • Definován jako poměr objemu výchozí složky k celkovému objemu soustavy. Př. Jaký objem vody je třeba k přípravě 1 dm3 roztoku, v němž činí objemový zlomek Syntaponu L 0,015 (tedy 1,5%). 0,015=x/1 x=0,015*1 x=0,015dm3
Látkové množství Př: Vypočítejte relativní molekulovou hmotnost amoniaku. • Relativní molekulová hmotnost Mr je součtem relativních atomových hmotností Ar prvků tvořících molekulu. Mr(NH3)= Ar (N) + 3*Ar(H) Mr(NH3)=14,01+3*1,008 Mr(NH3)=17,03
Látkové množství • Definováno jako poměr hmotnosti (g) k molární hmotnosti (g/mol)= relativní molekulové hmotnost. • Př. Jaká je hmotnost 5 mol kyseliny chlorovodíkové. Mr(HCl)= Ar(H)+Ar(Cl)= 1,006+35,45=36,456 m(HCl)=M(HCl)*n(HCl) m(HCl)=36,456*5 m(HCl)=182,28g
Látková (molární) koncentrace • Hmotnost roztoku m(g) je součinem látkové koncentrace c (mol/l), molární hmotnosti M(g/mol) a objemu V(dm3). m=c.M.V Př. V 1200ml roztoku je rozpuštěno 30g NaOH. Vypočítejte látkovou koncentraci NaOH v roztoku. (M(NaOH)=40g/mol) c=m/(M*V) c=30/(40*1,2) c=0,625 mol/l
Směšování roztoků m1*w1+m2*w2=(m1+m2)*w
m1…hmotnost původního roztoku m2…hmotnost rozpouštědla w1…hmotnostní procento původního roztoku w2…hmotnostní procento rozpouštědla w…hmotnostní procento výsledného roztoku
Př. Kolik vody a kolik 36,5% HCl potřebujete pro přípravu 1dm3 16% HCl. m1*w1+m2*w2=(m1+m2)*w m1*0,365+m2*0=1*0,16 m1*0,365=0,16 m1=0,438dm3 (35,5%HCl) m1+m2=1 0,438+m2=1 m2=0,562(H2O)
Použitá literatura • Blažek, J. a kol.:Přehled chemického názvosloví, Pedagogické nakladatelství,Praha, 2004, 114s. ISBN 807235-260-1 • Blažek, J. a kol.:Chemie pro studijní obory SOŠ a SOU nechemického zaměření, Pedagogické nakladatelství, Praha, 1999, 336s. ISBN 80-7235-104-4 • Mareček, A., Honza, J.: Chemie – sbírka příkladů, Proton, Brno, 2001, 149s. ISBN 80-902402-2-4 • Šrámek, V., Kosina, L.: Přehled středoškolského učiva chemie, Orfeus, Praha, 1992, 263s. ISBN 80-85522-21-7 • Kolektiv autorů: Odmaturuj z chemie, Didaktis, Brno, 2002, 208s. ISBN 80-86285-56-1
