Základní chemické zákony a pojmy

Definice chemie:

Je přírodní věda, která se zabývá studiem složení, přípravou a strukturou stavby a vlastnostmi látek a jejich vzájemných přeměn. Základním zdrojem poznání v chemii je experiment (lidská činnost spočívající v realizaci předem stanovených podmínek) a sledováním výsledků.

• obecná chemie = zkoumá teoretické zákonitosti stavby látek, podstatu chemických dějů a vztahy mezi vlastnostmi a stavbou látek
• anorganická chemie = zabývá se prvky a jejich sloučeninami s výjimkou většin slouč. uhlíku
• organická chemie = zkoumá sloučeniny uhlíku s výjimkou oxidů, uhličitanů, hydrogen.
• analytická chemie = zabývá se kvalitativním a kvantitativním složením látek (= chem. barev)
• technická chemie = zabývající se problémy při výrobě chemikálií (řada oborů – petrochemie)
• fyzikální chemie = věda zabývající se zkoumáním zákonistostí látek pomocí fyz. přístrojů a metod
• biochemie = zkoumá chemické reakce v živých organismech
• makromolekulární chemie = zabývá se vysokomolekulárními látkami (příprava a výroba)

Historický vývoj chemie

Prehistorické období

úprava a konzervace potravin, stavba obydlí (pálená cihla), využití ohně při získávání a zpracování kovů, zpracovávání kůží (výroba oděvů)

období starověku

zpracování kovů a jejich zušlechťování, léčitelství (mumifikace v Egyptě), úprava potravy, výroba keramiky (porcelán v Číně). Do tohoto období můžeme rovněž zařadit i učení Aristotela, který tvrdil, že látky vycházejí ze 4 živlů (voda, oheň, vzduch, země). Toto tvrzení mělo význam 2 tisíce let. 

Středověk

V tomto období se rozvíjela předchůdkyně dnešní chemie, a to alchymie. Vycházela především z Aristotelových studií a tvrzení. Cílem alchymie byla především výroba zlata (transmutace), "elixír mládí", kámen mudrců

Období renesance

Odděluje se obor iatrochemie - přechůdce medicíny, byly prováděny první pitvy. Do tohoto obdoví rovněž spadá i rozvoj léčitelství a veškerých věd, protože byl kladen důraz na rozum, nikoliv na náboženství. 

Druhá polovina 17. století

V této době byly položeny základy chemie Robertem Boylem (25. ledna 1627 Lismore – 31. prosince 1691 Londýn, pozn.: wikipedia.org), který odmítá alchymii a definuje prvek a sloučeninu. Toto časové údobí lze zhodnotit jako období kvalitativní, protože se zkoumalo především složení látek. 

18. století

.. bývá označováno jako období pokusu a omylu, protože nepoužívali váhy. I zde jsou pro chemii slavná jména, která bychom měli znát. Například  Michail Vasilijevič Lomonosov (19. listopadu 1711, Denisovka (dnes Lomonosovo) – 15. dubna 1765, pozn.: zdroj wikipedia.org), který založil první chemickou laboratoř v Německu, deklaroval myšlenku zachování hmoty a pravděpodobně jako první zaznamenal bod tuhnutí rtuti. Další jméno, které stojí za zmínku Antoine Lavoisier (26. srpna 1743, Paříž – 8. května 1794, Paříž, pozn.: zdroj wikipedia.org). Pro příklad uvedu, že tento muž  v roce 1744 zformuloval zákon o zachování hmoty, v r. 1787 vydal spis o chemickém názvosloví a je považován za otce moderní chemie. 

19. a 20. století

V tomto období nastal velmi prudký rozvoj chemie jako vědy, chemické výroby a organické chemie. I zde si uvedeme jedno jméno, a to Friedrich Wöhler (31. červenec 1800 Eschersheim u Frankfurtu – 23. září 1882 Göttingen, pozn.: zdroj wikipedia.org), který se proslavil syntézou močoviny.  

Chemická výroba

změna kvalitativní, kde se suroviny mění na produkty za průběhu chemické reakce

• Suroviny lze dělit na:
  • fosilní - ropa, zemní plyn, rudy
  • recentní - jinými slovy obnovitelné (voda, dřevo, plodiny)
  • druhotné - lze nazvat recyklovatelné
• Chemická odvětví:
  • chemický průmysl – ropa, zemní plyn, výbušniny, pohonné hmoty, plasty, barviva
  • farmaceutický průmysl – léčiva
  • potravinářský průmysl - alkohol, cukry, tuky, mléčné výrobky, ocet
  • hutnický průmysl - zušlechťování kovů, ...
  • keramický průmysl - porcelán a keramika (kaolín a hlíny)
  • sklářský průmysl - používá křemičitý písek
  • průmysl stavebních hmot - pojiva, sádra, cement, nátěry

Základní chemické zákony

1. Zákon zachování hmotnosti: Součet látkových množství před reakcí se rovná součtu látkových množství po reakci.
   • tento zákon je využíván zejména při vyčíslování rovnic

2. Zákon stálých poměrů slučovacích: V každé sloučenině je hmotnostní poměr prvků vždy stejný a nezávisí na tom jak sloučenina vznikla.

3. Zákon násobných slučovacích poměrů: Slučují-li se dva prvky v několika hmotnostních poměrech jsou k sobě v poměru malých celých čísel.

4. Zákon stálých poměrů objemových: Při nezměněném taku objemy plynů vstupujících do reakce jsou mezi sebou k objemu vzniklých plynných sloučenin v poměru malých celých čísel.

5. Avogadrův zákon: 1 mol jakékoliv plynné látky za standardních podmínek zaujímá objem 22,4 dm³

Základní chemické pojmy

Hmota a její vlastnosti

Hmota

označuje vše co reálně existuje nezávisle na našem vědomí, vjemech a pozorování; nelze ji ani stvořit ani zničit a její součástí je neustálý pohyb

Základní formy hmoty

• látka - smyslům bezprostředně přístupná zpravidla jako ohraničené těleso různých tvarů
• pole - projevuje se silovým působením na tělesa, která se v něm nacházejí (gravitační pole, magnetické pole, elektrické pole)

Tyto dvě základní formy hmoty se mohou vzájemně přeměňovat, jejich celkové množství energie a hmotnosti je neměnné. Vlastnosti hmoty se rovněž dají podle Alberta Einsteina číselně vyjádřit: E = m.c².

Látka

... je forma hmoty, smysůlm bezprostředně přístupná zpravidla jako ohraničené těleso různých tvarů

Látky lze klasifikovat podle několika kritérií:

1. dle skupenství - pevné, kapalné, plynné a plazma
2. dle složení - chemicky čisté látky = chemická individua (prvky a sloučeniny)
3. dle původu - přírodní a syntetické

Chemicky čisté látky

... jsou látky, které mají stálé složení a charakteristické vlastnosti v celém svém objemu, které se žádnou fyzikální vlastností nemění. Vlastnosti těchto látek jsou buď chemické (hořlavost, rozklad, působení na živé organismy) a nebo fyzikální (většinou veličiny, které se dají změřit). Složení chemicky čisté látky udává vzorec. 

Chemická individua se dělí na:

• prvek: je složený z atomů se stejným protonovým číslem. Prvky jsou rozdělené na kovy, nekovy a polokovy, v přírodě se jich vyskytuje celkem 90, 28 jich je vyrobeno synteticky a  k jejich označování používáme mezinárodně stanovené symboly. 
• sloučenina: je složená z atomů dvou či více prvků, které jsou vázány chemickou vazbou charakterizovanou chemickým vzorcem, který udává složení z hlediska prvků a současně představuje 1 její molekulu. Sloučeniny rozdělujeme podle původu (organické a anorganické) a podle počtu prvků (dvouprvkové, tříprvkové a víceprvkové). 

Stavební částice chemických individuí:

Stavebními částicemi se rozumí atomy a ionty (částice jednojaderné) , molekuly, makromolekuly (částice vícejaderné). 

• atom: elektroneutrální jednojaderná částice skládající se z obalu a z jádra
• iont: jedno či vícejaderné nabité částice (kationty či anionty)
• molekula: elektroneutrální vícejaderná částice složená ze dvou a více atomů spojených chemickou vazbou
• makromolekula: molekula tvořená z obrovského množství atomů s velkou molární hmot

Směsi

... jsou soustavy dvou nebo více složek, které od sebe lze oddělit fyzikálně-chemickými metodami, mají proměnlivé složení a dělíme je na stejnorodé (homogenní) a různorodé (heterogenní).

Rozdíl v těchto dvou skupinách je, že zatímco u homogenních směsí pouhým okem složení nevidíme (například roztoky), tak u heterogenních směsí jejich složení okem vidět můžeme (například žula - slída, křemen, živec). 

Metody čištění směsí

1. filtrace = pevnou nerozpustnou látku oddělujeme od kapaliny za přítomnosti filtru – filtr = filtrační papír (z buničiny), urychlení za sníženého tlaku a za pomocí vývěvy
2.  sedimentace = usazování = oddělení jemně rozptýlenou pevnou látku v kapalině
3. destilace = oddělujeme dvě kapaliny od sebe na základě rozdílné teploty varu, nutný chladič
4. sublimace = oddělení pevné látky, která přechází na plyn (jod, arsen, naftalen, benzoová k.)
5. krystalizace = oddělení rozpuštěné pevné látky od kapaliny pomocí zahřívání
6. extrakce = vyluhování = získání složky na základě její rozpustnosti ve vhodném rozpouštědle
7. plavení = oddělujeme pevná skupenství, která se liší hmotností pomocí vody (rýžování)

Roztoky

... jsou homogenní směsí rozpouštědla a rozpouštěné látky, rozdělujeme je dle skupenství:

• kapalné (konentrovaná HCl)
• plynné (vzduch)
• pevné (barevné sklo, slitiny kovů, aj.)

... můžeme je také dělit dle velikosti rozpuštěných částic na pravé (< 10^–9m částice) nebo nepravé (koloidní, > 10^–9m částice).

Rozpustnost

...  je veličina udávající nejvyšší hmotnost látky, která se beze zbytku rozpustí při dané teplotě ve 100 g rozpouštědla, dle rozpustnosti dělíme roztoky na:

• rozpustné - m > 1 g
• málo rozpustné - 0,1 g < m < 1 g
• nerozpustné - m < 0,1 g

Koncentrace

... udává složení roztoku = poloměr, který vyjadřuje zastoupení rozpuštěné látky a rozpouštědla v roztoku, dle koncentrace dělíme roztoky na 

• nasycený – m = odpovídá rozpustnosti
• nenasycený – m < udává rozpustnost
• přesycený – m > udává rozpustnost

Koncentraci vyjadřujeme: 

• hmotnostní procentová koncentrace = udává kolik g látky je rozpuš. ve 100 g roztoku
• objemová procentová koncentrace = udává kolik ml látky je rozpuš. ve 100 ml roztoku
• molární koncentrace = udává počet molů látky v 1 dm3 roztoku
• poměrná (lučavka královská 1 HNO3 : 3 HCl)