chemie I
chemie I p r o 8 . r o è n í k z á k l a d n í k o l y a n i í r o è n í k y v í c e l e t ý c h g y m n á z i í s k o m e n t á ø e m p r o u è i t e l e s k o m e n t á ře m p r o u či t e l e
I S B N 8 0 7 2 3 0 0 2 7 X
P R O D O S
I v o K a r g e r D a n u e P e è o v á P a v e l P e è
chemie I p r o 8 . r o è n í k z á k l a d n í k o l y a n i í r o è n í k y v í c e l e t ý c h g y m n á z i í s k o m e n t á ø e m p r o u è i t e l e
P R O D O S
. . . P o z o r !
. . . d o p o r u če n ý p o k u s
. . . p o z n á m k a p r o žá k y
R e c e n z o v a l i : M g r . V l a s t a A m b r o žo v á , P r o f . I n g . P a v e l R a u c h , D r S c . ( 1 9 9 9 ) d o c . R N D r . J i ří B a n ý r , C S c . ( 2 0 0 5 )
S c h v á l i l o M ŠM T čj . M S M T 2 3 6 9 / 2 0 1 7 d n e 2 7 . ú n o r a 2 0 1 7 k z a řa z e n í d o s e z n a m u u če b n i c p r o z á k l a d n í v z d ěl á v á n í j a k o s o u čá s t u c e l e n é řa d y u če b n i c p r o v z d ěl á v a c í p ře d m ět C h e m i e s d o b o u p l a t n o s t i še s t l e t .
I S B N 9 7 8 8 0 7 2 3 0 4 0 4 2
3
Úvod
Milí žáci! Všichni chodíte do školy již nějaký ten rok. Jistě s pocitem uspokojení zjišťujete, že vám škola mimo jiné pomáhá v objasňování záhad a tajů přírody. Ovšem ne všechny děje vám pomůže vysvětlit přírodopis nebo třeba fyzika. Na mnoho dalších otázek vám pomůže odpovědět nový předmět – chemie. V dnešní době totiž zaujímá chemie své pevné místo mezi ostatními přírodními vědami, jako je matematika, fyzika a biologie. Přírodními vědami nazýváme soubor věd zabývajících se jevy a zákonitostmi neživé a živé přírody.
mate− matika
přírodní vědy
chemie
ekologie
fyzika přírodní vědy o neživé přírodě astro− nomie
přírodní vědy o živé přírodě
chemie
genetika biologie geologie
zoologie
botanika
S chemií se každý z vás setkává denně, stejně jako naši předkové v dávných nebo méně vzdálených dobách. Z historie: V minulosti všechny přírodní obory téměř splývaly v jediný, ale časem díky potřebám lidstva a rozvoji společnosti se jednotlivé vědy začaly od sebe oddělovat. Předchůdkyní naší chemie se stala slavná alchymie, jejíž největší rozmach nastal v 16. a 17. století. Stačí si vzpomenout na Prahu za vlády habsburského císaře Rudolfa II. Cílem bádání alchymistů bylo nejen nalezení elixíru života a kamene mudrců, ale hlavně přeměna kovů ve zlato. Alchymisté byli především praktici, teorií se většinou nezabývali. Používané látky šifrovali do pro nás nezvyklých názvů, jako např. červený lev, Saturnův kov apod.
alchymie
4
Úvod Alchymistům nelze upřít zásluhy na rozvoji chemie. Vděčíme jim za rozpracování metod příprav a výrob, za jednoduché důkazy látek, za vývoj různých laboratorních potřeb a v neposlední řadě i za objev nových, do té doby neznámých látek. Za všechny uvedeme objev fosforu (podrobnosti v příslušné kapitole) nebo objev výroby porcelánu v Míšni.
chemie v životě člověka
Žáci vysloví své názory na výrobu předmětů či látek (materiálů) ze svého okolí.
zneužití výsledků práce vědců v laboratořích
Příprava mnohých drog je záležitostí průměrného chemika a jeho práce v laboratoři.
Samotná příroda, jejíž jsme součástí, odjakživa dává člověku vzduch k dýchání, vodu k pití a mnoho dalších látek nezbytných pro jeho život. Dnešní lidská společnost je proti minulosti mnohem vyspělejší a většinu látek člověk získává z pří− rodních surovin převážně složitým způsobem. Zamyslel se třeba někdo z vás nad výrobou železa ze železných rud? Není vůbec jednoduchá, jak by se na první pohled zdálo. Mnoho generací lidí muselo zkoušet různé postupy vedoucí k dnešní technolo− gii. Co sklo v oknech? Namítnete, že se dělá ve sklárnách. Ale jak vyrobit různé druhy skla, na− příklad okenní, láhvové nebo třeba sklo optické do brýlí či mikroskopů? Jakým způsobem se získávají plastické hmoty, kterými nahrazujeme tradiční přírodní materiály? Co vše je třeba zařídit, abychom načerpali do nádrží aut benzin nebo naftu? Třebaže lékaři léčí a příroda uzdravuje, zdraví a mnoho životů přece jen zachraňují léky a léčiva, výsledky ropná rafinerie mnohaletých výzkumů, pozorování a práce zkuše− ných odborníků v laboratořích. A protože čistota je zároveň půl zdraví, nesmíme zapomenout na průmysl mýdel, pracích, čisticích, dezinfekčních a konzervačních výrobků; a pro dobrý pocit žen a mužů i výrobu kosmetických přípravků. Chemici pracují na velkých úkolech mnoha odvětví vědy a techniky. Jejich znalosti přispívají k rozvoji zemědělství, zdravotnictví, průmyslu pohonných a mazacích hmot, plastů, barviv. Výčet rozsahu jejich práce zdaleka není ukončený. Člověk ale nebádá jen pro svoje blaho. Mnoho látek je také pro život nebezpečných, a snad právě proto vyráběných ve velkých množstvích. Válka v Perském zálivu ze začátku 90. let, pomineme−li zneužití otrav− ných látek v I. světové válce, je toho jednoznačným důkazem. Ne každý se umí vyrovnat se stále složitějšími podmínkami života, a proto sahá po drogách, přírodních nebo syntetických, a tím ohrožuje svůj život a bytí svých nejbližších. předměty vyrobené pomocí chemie
Úvod
5
Mezi uvedenými prospěšnými a škodlivými látkami existují produkty činnosti člověka, které negativně působí na životní prostředí, zejména na ovzduší, které vdechujeme, vodu, kterou požíváme, i půdu, ve které rostou plodiny pro naši výživu. O pojmech kyselý déšť, smog, zamoření ropnými a jinými produkty jistě každý z vás slyšel. Abychom tyto negativní vlivy omezili a ze života člověka postupně odstranili, musíme porozumět vlastnostem látek a chemickým zákonitostem mezi nimi. Každý z vás se na tomto procesu ozdravění našeho životního prostředí může podílet podle svých možností a schopností. Příroda si to totiž zaslouží. Vzhledem k širokému rozsahu všech těchto problémů je potřeba začít zcela od začátku. Ale jistě není třeba se obávat. Určité základy už máte a každý z vás je může využít. Při zkoumání látek uplatníte některé znalosti a dovednosti z pří− rodopisu, mnohé určíte pomocí známých fyzikálních vlastností. A té trochy matematiky, při které vystačíte se základními početními výkony, se bát nemusíte. Při vlastním studiu využívejte informací z učebnice a pozná− mek z vašich sešitů. Pomoc najdete u svého vyučujícího i ve školní knihovně. Nejcennější ovšem bude váš vlastní přínos, vaše pozorování, přemýšlení, vaše hledání shod a rozdílů mezi novými a dříve osvojenými poznatky. Věnujte proto přiměřený čas každé kapitole. Občas se podle doporučení vraťte k již probraným stránkám. Pozorně sledujte provedení některých pokusů a hledejte jejich vysvětlení. Přejeme vám mnoho radostí a úspěchů ve vaší nové práci.
chemie a její dopad na přírodu
znečištěná voda vtékající do řeky (nahoře) hořící deštný prales v Brazílii (dole)
Shrnutí: Přírodními vědami nazýváme soubor věd zabývajících se jevy a zákonitostmi neživé a živé přírody. Před− chůdcem chemie byla alchymie. Poznatků chemie využívá člověk pro výrobu látek, které v přírodě nejsou nebo se nacházejí v nedostatečných malých množstvích. Do chemie řadíme výroby kovů, skla, stavebních hmot, paliv, léčiv, mycích a pracích prostředků, barviv, umělých hnojiv a dalších látek. Látek škodlivých zdraví a životu bylo zneužito ve válkách, dnešním velkým problémem jsou drogy. Mnohé látky vzniklé špatnými technologiemi škodí životnímu prostředí.
jak se učit chemii
6
Žáci jmenují vlastnosti různých látek na základě vlastních zkušeností.
Zkumavkou to začíná
Musíme se vrátit k základnímu pojmu přírodních věd, a to k pojmu látka. Příroda, ať už živá nebo neživá, i předměty vyrobené lidskou rukou se skládají z různých látek. Chemickými látkami jsou například voda, cukr, kovy, sklo, laky, plastické hmoty, benzin nebo vzduch. Z těchto látek jsou vytvořena tělesa. Šrouby jsou z kovů, ze skla jsou nejen láhve, vázy, nebo okenní tabule, ale také vlákna v izolačních hmotách nebo v optoelektronice, různými plastickými hmotami lze v dnešní době nahradit takřka každý materiál. Každá látka má své význačné vlastnosti. Kovy jsou kujné, neprůhledné, vedou elektrický proud i teplo. Sklo je průhledné a křehké, nedá se rýpat nožem, je tvrdé a dobře izoluje elektřinu. Organické sklo (známé pod názvem plexisklo) je na pohled stejné jako sklo (proto také bylo vyvinuto), zjistíme však, že je poměrně měkké, snadno se poškodí poškrábáním, v teple měkne a je hořlavé. Některé látky stejného vzhledu od sebe zřetelně odlišíme podle chuti, např. cukr a sůl, jiné (benzin nebo ocet) podle zápachu. Vlastnosti látek poznáváme pomocí svých smyslů. K poznání některých stačí i jeden jediný, třeba mentol ze žvýkačky nebo ocet zjistíme čichem. Pro většinu látek však musíme použít více smyslů. Porovnejme vlastnosti některých známých látek. VLASTNOST
měď
hliník
cukr
kuchyňská sůl
líh
benzin
barva
měděně červená
stříbřitě bílý
bílý
bílá
tvrdost (zkouška nožem)
dá se rýpat
dá se rýpat
drtí se
dá se rýpat
—
—
lesk
kovový
kovový
matný
skelný až perleťový
—
—
8 900
2 700
1 610
2 200
790
690 – 770
rozpustnost ve vodě
nerozpustná
nerozpustný
rozpustný
rozpustná
rozpustný (mísitelný)
nerozpustný
jiné význačné vlastnosti
kujná, tažná
kujný, tažný
sladký
slaná
lihový zápach, hořlavina
benzinový zápach, hořlavina
bezbarvá kapalina bezbarvá kapalina
Zvídaví žáci namítnou, že uvedené fyzikální veličiny nemusí pro charakteristiku látek stačit. Může jim chybět teplota tání a teplota varu, tj. veličiny, které se vztahují ke změnám skupenství. Mnohé látky, zejména příbuzné svojí stavbou, se mohou lišit právě těmito fyzikálními konstantami.
7
Zkumavkou to začíná Teplota tání je teplota, při níž látka přechází z pevného skupenství do skupenství kapalného. (Je stejné hodnoty jako teplota tuhnutí.) Teplota varu je teplota, při níž je tlak nasycené páry roven vnějšímu tlaku, jemuž je látka vystavena; kapalina se vypařuje v celém svém objemu.
Chemika, tedy i vašeho učitele nebo učitelku, si nelze představit bez bílého pláště, z jehož kapes vyčnívá několik zkumavek. Ano, zkumavka je skutečně takovým hlavním chemikovým nádobíčkem. Ve zkumavce může chemik vzorek látky dobře pozo− rovat, může k němu přičichnout, zkouší v ní rozpustnost látek, může v ní zkoumat chování látek při různých reak− cích. Zkumavka, to je chemikova minilaboratoř.
zkumavky
Do tří zkumavek vložme v pořadí 1. cukr 2. rozdrcenou školní křídu 3. naftalen, vše v malých množstvích. Pozorováním zjistíme, že se vzhledem příliš neliší, jsou to bílé látky, snad naftalen někdy tvoří místo běžných krys− talků spíše šupinky. Pokusme se zjistit jejich další vlastnosti. Zrak si přišel na své, sluch a hmat je zde zbytečný, proto ke zkumavce přičichněme. Ale pozor, učitel vás upozorní na zkoušku čichem. různé laboratorní sklo Chemik totiž páry látky „nenasává“, „nefetuje“, jak by to mnozí nazvali, ale pustí je jen do chřípí nosu a rychle vy− dechne. Některé látky totiž působí na či− chové buňky a na dýchací orgány tak, že mohou poškodit vaše zdraví. Nyní mírně zahřívejme vzorky látek v plameni kahanu. Zjistíme, že cukr se pomalu zbarvuje dohněda, taje a voní po karamelu, školní křída se nemění, naftalen taje na bezbarvou kapalinu a místností se šíří jeho typický zápach. (Odkud tento typický zápach znáte?) Následuje zkouška rozpustnosti látek ve vodě. Proč právě rozpustnost ve vodě? Chemika tato vlastnost zvláště zajímá proto, že voda je na Zemi nejrozšířenější kapalinou. Zjistíme, že ve vodě se rozpouští pouze cukr (samozřejmě, jinak bychom chuť této látky v ústech necítili). Křída s vodou vytvoří mléčně zakalenou kapalinu s usazenou vrstvou křídy, naftalen na vodě plave (mimochodem, jakou má hustotu vzhledem k vodě?).
pozorování
zkouška čichem Učitel upozorní, že ochutnávání zkoumaných látek je hazardování se zdravím nebo i životem. Jediná a výjimečná situace je rozhodování chutí mezi kuchyňskou solí a cukrem, ale kdy taková situace může v laboratoři nastat?