Technologie skla 2005/06, Cvičení 1
Fakulta strojní, KSK
Cvičení 1 1. Seznámení s podmínkami zápočtu •
100% účast na laboratořích,
•
odevzdání protokolů z laboratorních prací,
•
odevzdání semestrální práce.
Podklady na stránce: www.ksk.vslib.cz/studium-podklady.htm 2. Obecné vysvětlení pojmu: sklo 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
Zemská kůra
3% 2.80% 6%
kyslík vápník
křemík sodík
hliník železo
hořčík ostaní prvky
Charakteristika skla Z chemického hlediska se vyskytují skla jak anorganická tak i organická. Organická skla jsou buď přechlazené kapaliny některých sloučenin (alkoholy, fenoly) nebo průhledné organické látky, které vznikají kondenzací či polymerací - nepřesné označení. Nicméně se budeme dále zabývat pouze skly anorganickými a to především skly na bázi oxidů. Proto je zde uveden jen výčet anorganických látek, které mohou sklo tvořit: Prvky (síra, selen a fosfor, arzen za určitých podmínek). Chalkogenidy (soustavy As-S, As-Se, P-Se, Ge-Se). Halogenidy (význam ve výrobě speciálních optických sklech – fluorid berylnatý BeF2 a Chlorid zinečnatý ZnCl2). Oxidová (SiO2, B2O3, P2O5) Oxidová skla jsou nejběžnější. Hlavní sklotvorný oxid určuje třídu skla (skla křemičitá, boritá a fosforečná). Pevné látky mohou být krystalické, ale třeba i ve skelném stavu – běžně označujeme jako skla. Tyto látky jsou mechanicky pevné a proto jsou často srovnávány s látkami krystalickými. Vnitřní struktura skel není (oproti krystalické struktuře) pravidelná. Pravidelnost je možné vypozorovat na nižších úrovních struktury ve formě jednoduchých koordinačních útvarů – strukturních elementů (v případě skla křemičitého tetraedů [SiO4]4-), které se mohou vyskytovat izolovaně nebo ve shlucích s větší nebo menší pravidelností. Mluvíme o uspořádání na malou vzdálenost. U krystalických látek o uspořádání na velkou vzdálenost. Sklo není přechlazenou kapalinou. Vyznačuje se tzv. transformačním intervalem nebo také interval zeskelnění. Látka nad tímto intervalem je nazývána sklovina pod ním je nazývána sklem.
Strana 1 z 6
Technologie skla 2005/06, Cvičení 1
Fakulta strojní, KSK Skla
Organická Organická skla jsou buď přechlazené kapaliny některých sloučenin (alkoholy, fenoly) nebo průhledné organické látky, které vznikají kondenzací či polymerací nepřesné označení.
Prvková Sklo na základě prvků: S, Se a P, As za určitých podmínek.
Halogenidová význam ve výrobě speciálních optických sklech – Fluorid berylnatý BeF2 a Chlorid zinečnatý ZnCl2
Anorganická
Chalkogenidová Soustavy které mohou sklo tvořit: AsS, As-Se, P-Se, GeSe Oxidová
SiO2
B2O3
P2O5
3. Atom a periodická soustava prvků Atom Atom je z řeckého slova atomos – nedělitelný. Rozměr atomu je řádově 10–10m (0,1 nm). Atom je chemicky nedělitelná částice s neutrálním elektrickým nábojem, která se skládá z jádra a obalu. Atomové jádro, které má rozměr 10–14 m (10 fm – femto), je tvořeno protony a neutrony - nukleony, jež jsou navzájem drženy jadernými silami. 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.
? Strana 2 z 6
Technologie skla 2005/06, Cvičení 1
Fakulta strojní, KSK
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. 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
Periodická soustava prvků (přejato z http://www.tabulka.cz) Důležitou informací u prvků, které 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). 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). 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 relativní atomové hmotnosti 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 obalů - 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.
Strana 3 z 6
Technologie skla 2005/06, Cvičení 1
Fakulta strojní, KSK
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. Tabulka koncovek oxidů Oxidační číslo
Koncovka
Počet prvků / Příklad počet kyslíku
Vzorec
I
-ný
2:1
oxid sodný
Na2+IO-II
II
-natý
(2:2) 1:1
oxid vápenatý
Ca+IIO-II
III
-itý
2:3
oxid železitý
Fe2+IIIO3-II
IV
-ičitý
(2:4) 1:2
oxid křemičitý
Si+IVO2-II
V
-ečný
2:5
oxid chlorečný
Cl2+VO5-II N2+VO5-II
-ičný
oxid dusičný
VI
-ový
(2:6) 1:3
oxid selenový
Se+VIO3-II
VII
-istý
2:7
oxid manganistý
Mn2+VIIO7-II
VIII
-ičelý
(2:8) 1:4
oxid rutheničelý
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 (oxidační podmínky), oxid olovnatý, oxid boritý, oxid fosforečný, oxid uhličitý,
Strana 4 z 6
Technologie skla 2005/06, Cvičení 1
Fakulta strojní, KSK
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. 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). Tabulka koncovek kyslíkatých kyselin Oxidační číslo
Koncovka
Příklad
Vzorec
I
-ná
kyselina bromná
H+IBr+IO-II
II
-natá
Kyselina sirnatá
H2+IS2+IIO3-II
III
-itá
kyselina boritá
H+IB+IIIO2-II
IV
-ičitá
kyselina uhličitá
H2+IC+IVO3-II
V
-ečná
kyselina dusičná H+IN+VO3-II kyselina chlorečná H+ICl+VO3-II
-ičná VI
-ová
kyselina sírová
H2+IS+VIO4-II
VII
-istá
kyselina jodistá
H+II+VIIO4-II
VIII
-ičelá
kyselina osmičelá
H2+IOs+VIIIO5-II
Důležité kyseliny chlórovodíková,…
ve
sklářství:
kyselina
fluorovodíková,
kyselina
sírová,
kyselina
Strana 5 z 6
Technologie skla 2005/06, Cvičení 1
Fakulta strojní, KSK
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. Tabulka koncovek hydroxidotvorných prvků Oxidační číslo
Koncovka
Příklad
Vzorec
I
-ný
hydroxid draselný
K+IOH-1
II
-natý
hydroxid vápenatý
Ca+II(OH)2-1
III
-itý
hydroxid železitý
Fe+III(OH)3-1
IV
- ičitý
hydroxid manganičitý
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 a vlastních informací připravil: Ing. Vlastimil Hotař, Technická univerzita v Liberci, Katedra sklářských a keramických strojů, 20052006. Text neprošel redakční ani jazykovou úpravou.
Strana 6 z 6
