úvod
V kuchyni sa varia bryndzové halušky a o chvíľu ich cítiš aj v izbe na druhom konci bytu. Kocka cukru v čaji sa po chvíli stratí, a predsa je čaj sladký. Kvapka atramentu vo vode sa sama rozplynie a o hodinu je modrý celý pohár. Ako sa vôňa dostala do izby a kam sa podel cukor? Odpoveď je jednoduchá a zároveň úžasná: každá látka je z nepatrne malých častíc, ktoré sa neustále pohybujú. Sú také malé, že ich neuvidíš ani v najlepšom školskom mikroskope. Do jednej kvapky vody sa ich zmestí asi 1 600 triliónov, teda 16 a za ním dvadsať núl. V tejto lekcii spoznáš tri druhy častíc, z ktorých sú látky, a zistíš, ako sa správajú v tuhej látke, v kvapaline a v plyne.
teória
Z čoho sú látky
Látky okolo nás sú zložené z drobných častíc. Chemici rozlišujú tri druhy častíc:
- atómy sú najmenšie častice prvku, ktoré si zachovávajú jeho vlastnosti. Samostatné atómy tvoria napríklad vzácne plyny: hélium v balóne sú jednotlivé atómy He,
- molekuly sú častice z dvoch alebo viacerých atómov, ktoré sú navzájom pevne spojené. Molekula vody H₂O má dva atómy vodíka a jeden atóm kyslíka, molekula kyslíka O₂ dva atómy kyslíka,
- ióny sú častice s elektrickým nábojom. Kladný ión sa volá katión, záporný anión. Kuchynská soľ je z katiónov sodíka Na⁺ a aniónov chlóru, chloridových aniónov Cl⁻.
| druh častíc | čo to je | príklad | kde ho stretneš |
|---|---|---|---|
| atóm | samostatný atóm bez náboja | hélium He, argón Ar | balóny, žiarovky |
| molekula | pevne spojené atómy bez náboja | voda H₂O, kyslík O₂, oxid uhličitý CO₂ | voda, vzduch, sóda |
| ión | atóm alebo skupina atómov s nábojom | Na⁺, Cl⁻, OH⁻ | soľ, minerálka, hydroxid sodný |
Či je častica ión, poznáš podľa náboja v zápise: znamienko ⁺ alebo ⁻ vpravo hore. Aj skupina atómov môže byť ión, ak má náboj. Hydroxidový anión OH⁻ má dva atómy, a predsa je to ión, nie molekula.
Atómy sú ako kocky zo stavebnice. Prvkov je len 118, a predsa z nich vzniká obrovské množstvo látok, rovnako ako z niekoľkých druhov kociek postavíš hrad, auto aj loď. Niektoré látky tvoria samostatné atómy, iné molekuly a ďalšie ióny. Kovy, napríklad železo či meď, si zatiaľ predstav ako atómy natesno vedľa seba. Ako je to s nimi presnejšie, zistíš v lekcii Kovová a koordinačná väzba.
Pojem atóm pochádza z gréckeho atomos, nedeliteľný. Dnes vieme, že atóm sa skladá z jadra a elektrónového obalu, ako ukazujú lekcie Modely atómu od Démokrita po Bohra a Atómové jadro a izotopy. Pre chemika však zostáva atóm základnou stavebnou časticou, lebo pri chemických reakciách sa jadrá nemenia.
Rozdelenie na atómy, molekuly a ióny je zjednodušené. V kove nie sú celkom neutrálne atómy, ale katióny kovu, medzi ktorými sa voľne pohybujú elektróny. Diamant alebo kremeň SiO₂ netvoria malé molekuly, ale obrovskú sieť atómov spojených kovalentnými väzbami. Preto sa pri pevných iónových látkach ako NaCl nehovorí o molekule, ale o vzorcovej jednotke: vzorec NaCl udáva len pomer iónov 1 : 1. Podrobnosti prinesú lekcie o chemickej väzbe a Kryštály a vlastnosti látok.
vyskúšaj si
Atóm, molekula alebo ión?
Je to jeden samostatný atóm bez náboja, molekula z viacerých atómov bez náboja, alebo častica s nábojom? Pozri sa, či má zápis náboj (⁺, ⁻) a koľko atómov obsahuje.
0 / 0teória
Častice sa neustále pohybujú
Častice nevidíš, ale ich pohyb prezradí každodenný život. Vôňa jedla sa rozšíri po byte, aj keď nefúka vietor. Cukor sa rozpustí v čaji, aj keď nemiešaš, len pomalšie. Kvapka atramentu sa vo vode rozplynie. Samovoľné premiešavanie látok pohybom ich častíc sa volá difúzia. Častice vône sa pohybujú, narážajú do častíc vzduchu a postupne sa dostanú do celého bytu. V teplej vode prebieha difúzia rýchlejšie ako v studenej, lebo sa v nej častice pohybujú rýchlejšie. Vyskúšaj si to: do jedného pohára s horúcou a druhého so studenou vodou pusti vrecúško čaju.
Ešte priamejší dôkaz uvidíš pod mikroskopom. Keď sa pozrieš na kvapku zriedeného mlieka, uvidíš v nej malé kvapôčky tuku. Tie sa neustále trasú a poskakujú, aj keď je kvapka úplne pokojná. Do každej kvapôčky totiž z rôznych strán narážajú neviditeľné molekuly vody. Raz ju trochu viac strčia zľava, raz sprava. Tento jav sa volá Brownov pohyb podľa škótskeho botanika Roberta Browna, ktorý ho v roku 1827 pozoroval pri čiastočkách z peľových zŕn vo vode.
Brownov pohyb sa stal rozhodujúcim dôkazom, že atómy a molekuly naozaj existujú. Ešte okolo roku 1900 niektorí vážení vedci tvrdili, že atómy sú len užitočná predstava. Albert Einstein v roku 1905 vypočítal, ako ďaleko by sa mala čiastočka nárazmi molekúl v priemere posunúť, ak molekuly existujú a majú určitú veľkosť. Francúzsky fyzik Jean Perrin to v roku 1908 starostlivo zmeral pod mikroskopom, z meraní určil Avogadrovu konštantu a výsledok sa zhodoval s inými metódami. Pochybnosti zmizli a Perrin dostal v roku 1926 Nobelovu cenu za fyziku.
Rýchlosť častíc závisí od teploty a od ich hmotnosti. Pri rovnakej teplote majú všetky častice v priemere rovnakú pohybovú energiu, ľahšie častice ju však dosiahnu pri väčšej rýchlosti. Stredná rýchlosť je úmerná √(T / M), kde T je teplota v kelvinoch a M molárna hmotnosť. Molekuly vzduchu lietajú pri izbovej teplote rýchlosťou okolo 500 m/s, rýchlejšie ako zvuk. K susedovi sa však vôňa nedostane za sekundu, lebo každá molekula za sekundu narazí do iných molekúl miliardykrát a stále mení smer. Preto je difúzia v plyne pomalá a vôňa sa po byte šíri hlavne prúdením vzduchu. Ako ľahké molekuly hélia menia zvuk hlasu, ukazuje pokus Hélium a hlas.
teória
Tuhá látka, kvapalina a plyn
Tá istá látka môže byť tuhá, kvapalná aj plynná. Voda je ľad, kvapalná voda aj para. Častice sú vo všetkých troch skupenstvách tie isté, molekuly H₂O. Líši sa len to, ako ďaleko sú od seba a ako sa pohybujú:
| skupenstvo | ako sú častice uložené | ako sa pohybujú | čo z toho vyplýva |
|---|---|---|---|
| tuhé | tesne vedľa seba, na stálych miestach | len kmitajú okolo svojho miesta | látka má stály tvar aj objem |
| kvapalné | blízko seba, ale bez stálych miest | kĺžu sa po sebe | látka tečie, má stály objem, tvar podľa nádoby |
| plynné | ďaleko od seba | lietajú všetkými smermi | plyn vyplní celú nádobu a dá sa stlačiť |
Keď látku zohrievaš, jej častice dostávajú energiu a pohybujú sa rýchlejšie. V tuhej látke kmitajú čoraz silnejšie, až sa z miest vytrhnú a látka sa roztopí. V kvapaline sa častice pohybujú rýchlejšie, až sa niektoré odtrhnú od ostatných a látka vrie. Pri ochladzovaní je to naopak. Pozor: samotné častice sa pri zohriatí nezväčšujú. Látka sa pri zohriatí väčšinou rozťahuje preto, že sú častice ďalej od seba.
Zmeny skupenstva majú svoje názvy. Topenie je prechod z tuhej látky na kvapalinu, tuhnutie opačný dej. Var je prechod z kvapaliny na plyn v celom objeme kvapaliny, vyparovanie prebieha len na povrchu a pri každej teplote. Kondenzácia je prechod z plynu na kvapalinu, napríklad rosa na tráve. Niektoré látky prechádzajú z tuhej látky rovno na plyn, čo je sublimácia. Tak sa správa jód, pozri si pokus Sublimácia jódu, alebo suchý ľad, tuhý oxid uhličitý.
Voda je dôležitá výnimka. Väčšina látok je v tuhom stave hustejšia ako v kvapalnom a kúsok tuhej látky v tavenine klesne ku dnu. Molekuly vody sú však v ľade usporiadané do otvorenej mriežky a sú od seba ďalej ako v kvapalnej vode. Ľad je preto ľahší ako rovnaký objem vody a pláva. Preto zamŕzajú rybníky odhora a ryby pod ľadom prežijú zimu. Prečo sa voda správa takto, sa dozvieš v lekcii Medzimolekulové sily.
Teplota topenia a varu závisí od toho, ako silno sa častice navzájom priťahujú. Kuchynská soľ sa topí až pri 801 °C, lebo jej ióny drží pohromade silná príťažlivosť opačných nábojov. Molekuly dusíka sa priťahujú len veľmi slabo, preto dusík vrie už pri −196 °C. Ako dusík skvapalnený pri tejto teplote premení balón aj banán, ukazuje pokus Tekutý dusík. Pri vare sa pritom molekuly nerozpadajú: dusíková para sú tie isté molekuly N₂. Naopak, v pare chloridu sodného nad 1 465 °C nie sú voľné ióny, ale dvojice Na⁺Cl⁻, ktoré sa držia spolu.
Výnimočné správanie vody, ktorej ľad má menšiu hustotu ako kvapalina, sa volá anomália vody. Spôsobujú ju vodíkové väzby medzi molekulami. Podrobne ju vysvetľuje lekcia Medzimolekulové sily. Krivku ohrevu, na ktorej teplota počas topenia a varu stojí, poznáš z lekcie Čisté látky a zmesi.
vyskúšaj si
Časticový model
voda pri 20 °C: kvapalina. Molekuly H₂O: častice sú blízko seba, ale kĺžu sa po sebe a látka tečie.
V modeli vyber látku a posúvaj teplotu. Sleduj, ako sa častice v tuhej látke trasú, v kvapaline kĺžu a v plyne lietajú po celej nádobe. Všimni si, že častice ostávajú rovnako veľké. Pri vode porovnaj ľad a vodu tesne nad 0 °C: v ľade sú molekuly ďalej od seba. Pri kvapaline vyskúšaj tlačidlo Brownov pohyb. V záložke Úlohy nastavíš teplotu tak, aby mala látka zadané skupenstvo, a odpovieš na otázky o časticiach.
V sade pre SŠ pribudne dusík a chlorid sodný. Porovnaj, ako rýchlo sa pohybujú ľahké molekuly dusíka a ťažšie ióny pri rovnakej teplote a ako vyzerá para chloridu sodného. V záložke Úlohy ťa čakajú aj otázky na Avogadrov zákon.
teória
Koľko častíc je v plyne
Taliansky fyzik Amedeo Avogadro v roku 1811 vyslovil odvážnu myšlienku, ktorá sa volá Avogadrov zákon: rovnaké objemy plynov pri rovnakej teplote a rovnakom tlaku obsahujú rovnaký počet molekúl. Nezáleží na tom, či je to ľahký vodík alebo ťažký oxid uhličitý. Ako je to možné? V plyne sú molekuly od seba tak ďaleko, že väčšinu objemu tvorí prázdny priestor. Na veľkosti samotných molekúl preto takmer nezáleží. Balón naplnený oxidom uhličitým je ťažší ako rovnaký balón so vzduchom, lebo jeho molekuly sú ťažšie, nie preto, že by ich v ňom bolo viac. Ako ťažký plyn klesá ku zemi, uvidíš v pokuse Plyn ťažší ako vzduch.
Avogadrov zákon spája počet častíc s objemom plynu. Rovnaký počet častíc, 6,022 · 10²³, obsahuje jeden mól látky, ako vieš z lekcie Látkové množstvo. Jeden mól ľubovoľného plynu preto pri rovnakých podmienkach zaberá rovnaký objem, pri 0 °C a 101,325 kPa asi 22,4 dm³. Táto hodnota je molárny objem. Vzťah medzi tlakom, objemom, teplotou a látkovým množstvom plynu opisuje stavová rovnica pV = nRT z lekcie Stavová rovnica.
rozšírenie Ako sa dokázalo, že atómy naozaj existujú
Myšlienku, že látky sú z malých nedeliteľných častíc, vyslovili grécki filozofi pred viac ako 2 400 rokmi. Dlho to však bola len úvaha. Ešte v roku 1900 rakúsky fyzik a filozof Ernst Mach hovorieval o atómoch posmešne: „Videli ste nejaký?“ Chemici síce s atómami úspešne počítali, no nikto nevedel, či sú skutočné, alebo len pohodlná predstava.
Rozhodlo meranie. Jean Perrin pripravil rovnako veľké guľôčky živice, len asi tisícinu milimetra veľké, a pod mikroskopom sledoval ich Brownov pohyb. Každých 30 sekúnd zaznačil ich polohu a zmeral, ako ďaleko sa v priemere posunuli. Z Einsteinovej teórie z toho vypočítal, koľko molekúl je v jednom móle, teda Avogadrovu konštantu. Vyšlo mu približne 6 · 10²³, rovnako ako pri úplne iných metódach, napríklad pri meraní rádioaktivity alebo modrej farby oblohy. Keď viac nezávislých meraní dáva rovnaké číslo, je ťažké tvrdiť, že atómy neexistujú. Perrin za túto prácu dostal Nobelovu cenu za fyziku za rok 1926. Dnes už atómy vidíme aj na obrázkoch z rastrovacieho tunelového mikroskopu, kde vyzerajú ako drobné hrbolčeky na povrchu kovu.
teória
Časté chyby
- „Pri zohriatí sa častice zväčšujú.“ Častice ostávajú rovnako veľké. Pri zohriatí sa pohybujú rýchlejšie a väčšinou sú ďalej od seba, a preto sa látka rozťahuje.
- „Medzi časticami plynu je vzduch.“ Medzi časticami je prázdny priestor. Vzduch je sám plyn zložený z molekúl, hlavne dusíka a kyslíka.
- „Bubliny vo vriacej vode sú vodík a kyslík.“ Pri vare sa molekuly vody nerozpadajú. Bubliny sú vodná para, teda molekuly H₂O, ktoré sa odtrhli od ostatných.
- „Každá látka je z molekúl.“ Vzácne plyny tvoria samostatné atómy, kovy sú z katiónov a voľných elektrónov a soli z iónov. Kuchynská soľ nemá molekuly NaCl.
- „Ión musí mať jeden atóm.“ Ión je každá častica s nábojom. Hydroxidový anión OH⁻ alebo amónny katión NH₄⁺ majú viac atómov.
Čo sú čisté látky, prvky a zlúčeniny, opisuje lekcia Čisté látky a zmesi, ako sa líšia fyzikálne a chemické deje, lekcia Fyzikálne a chemické deje. V ďalšej lekcii sa pozrieš do vnútra atómu a zistíš, ako sa vedci postupne dopracovali k jeho modelu.