úvod
Na krabici stojí „100 % pomarančový džús“, na balenej vode „čistá horská voda“. V bežnej reči znamená slovo čistý bez špiny, bez prímesí, zdravý. V chémii má oveľa prísnejší význam: chemicky čistá látka obsahuje len jeden druh častíc. Džús aj horská voda sú v tomto zmysle zmesi. V tejto lekcii sa naučíš čistú látku od zmesi rozlíšiť a zistíš, prečo na tom v chémii tak záleží.
teória
Čistá látka má stále vlastnosti
Chemicky čistá látka sa skladá z jedného druhu častíc. Destilovaná voda obsahuje len molekuly vody H₂O, medený drôt len atómy medi. Preto má čistá látka stále vlastnosti. Destilovaná voda z laboratória v Bratislave aj v Tokiu sa pri normálnom tlaku topí pri 0 °C, vrie pri 100 °C a má hustotu 1,00 g/cm³. Vďaka tomu môžu byť vlastnosti čistých látok zapísané v chemických tabuľkách.
Chemicky čisté látky sú napríklad destilovaná voda, cukor (sacharóza), chlorid sodný, síra, ortuť, hélium v balóne, kyslík v tlakovej fľaši alebo diamant.
Keby sa kvapka destilovanej vody dala obrovsky zväčšiť, videli by sme v nej len rovnaké molekuly vody. V kvapke morskej vody by medzi nimi boli aj častice rozpustených solí. Morská voda preto nemá stále vlastnosti: v Mŕtvom mori je oveľa slanšia a hustejšia ako v Baltskom mori.
Pri zlúčeninách je stále aj zloženie. Voda obsahuje vždy 11,2 % vodíka a 88,8 % kyslíka (hmotnostné percentá), nech pochádza odkiaľkoľvek. Tento zákon stálych zlúčovacích pomerov sformuloval koncom 18. storočia francúzsky chemik Joseph Louis Proust. Stálosť vlastností chemici využívajú dvoma smermi: podľa nameraných hodnôt látku určia a podľa odchýlok od tabuliek zistia, či je čistá.
teória
Zmes a jej zložky
Zmes vznikne zmiešaním dvoch alebo viacerých látok, ktorým hovoríme zložky zmesi. Čaj s cukrom je zmes vody, cukru a látok z čajových lístkov. Každá zmes má tri znaky:
- Zloženie zmesi sa môže meniť. Do čaju môžeš dať jednu lyžičku cukru alebo tri, stále je to čaj s cukrom, len inak chutí.
- Zložky si v zmesi zachovávajú svoje vlastnosti. Cukor je v čaji stále sladký. Keď zmiešame železné piliny so sírou, síra ostane žltá a magnet zo zmesi železo vytiahne.
- Zložky zmesi sa dajú oddeliť fyzikálnymi metódami, napríklad magnetom, filtráciou, odparovaním alebo destiláciou. Spoznáš ich v lekciách o oddeľovaní zložiek zmesí.
Podľa toho, či zložky rozlíšime, delíme zmesi na dve skupiny:
- V rovnorodej zmesi zložky nerozlíšime okom, lupou ani mikroskopom. Takými zmesami sú slaná voda, ocot, vzduch aj zliatiny, napríklad mosadz.
- V rôznorodej zmesi zložky rozlíšime voľným okom, lupou alebo mikroskopom. Takými zmesami sú žula, piesok vo vode aj mlieko, v ktorom mikroskop ukáže kvapôčky tuku.
Druhy zmesí podrobne preberá lekcia Rovnorodé a rôznorodé zmesi.
vyskúšaj si
Čistá látka alebo zmes?
Klikni na kartu s látkou a potom na skupinu, do ktorej patrí.
0 / 0Chemicky čistá látka má stále zloženie aj vlastnosti. V rovnorodej zmesi zložky nerozlíšiš ani mikroskopom, v rôznorodej ich vidno okom, lupou alebo mikroskopom.
Roztrieď karty s látkami z bežného života do troch priečinkov: chemicky čistá látka, rovnorodá zmes a rôznorodá zmes. Pri každej karte si prečítaj, prečo patrí práve tam.
Roztrieď karty s látkami z bežného života do štyroch priečinkov: prvok, zlúčenina, rovnorodá zmes a rôznorodá zmes. Pri každej karte si prečítaj, prečo patrí práve tam.
teória
„Čistý“ v obchode a v chémii
Slovo čistý na obale takmer nikdy neznamená chemicky čistú látku:
- „100 % džús“ znamená, že džús je celý z ovocia, bez pridaného cukru. Chemicky je to zmes vody, cukrov, kyselín (napríklad kyseliny citrónovej), vitamínov, farbív a aromatických látok. Džús s dužinou je dokonca rôznorodá zmes, kúsky dužiny vidno.
- „Čistá horská voda“ z prameňa obsahuje rozpustené minerálne látky. Na etikete balenej vody nájdeš ich zoznam aj s množstvom v miligramoch na liter. Je to rovnorodá zmes, roztok.
- Čistý horský vzduch je zmes plynov: asi 78 % dusíka, 21 % kyslíka, trochu argónu a oxidu uhličitého.
- Kuchynská soľ je takmer celá chlorid sodný, jódovaná soľ však obsahuje aj malý prídavok jodičnanu draselného KIO₃, aby sme mali v strave dosť jódu.
- Rýdze zlato (24 karátov) obsahuje najmenej 99,9 % zlata, je teda takmer čistou látkou. Šperky z 18-karátového zlata (75 % zlata) sú už zliatiny, pozri lekciu Zliatiny.
Aj voda z vodovodu je zmes. Dôkaz nájdeš v rýchlovarnej kanvici: biely vodný kameň (hlavne uhličitan vápenatý) vzniká z látok rozpustených vo vode. Chemicky čistá je až destilovaná voda. Kúpiš ju aj v obchode, napríklad do naparovacej žehličky, lebo vodný kameň nevytvára.
V laboratóriu sa čistota chemikálií uvádza na etikete ako stupeň čistoty:
| stupeň čistoty | použitie |
|---|---|
| technický (techn.) | výroba a čistenie, obsahuje pomerne veľa nečistôt |
| čistý (purum) | bežné pokusy a príprava látok |
| čistý na analýzu (p. a., pro analysi) | chemická analýza, výrobca zaručuje najvyšší prípustný obsah jednotlivých nečistôt |
| chemicky čistý, zvlášť čistý | presné merania a špeciálne účely, napríklad elektronika |
Aj chemikália p. a. je len veľmi čistá, nie dokonale čistá. Úplne čistá látka neexistuje, vždy obsahuje aspoň stopy iných látok. Otázka je len, koľko ich je a či nám prekážajú.
teória
Ako rozlíšiť čistú látku od zmesi
Pohľadom to často nespoznáme, slaná voda vyzerá rovnako ako destilovaná. Pomôže teplomer:
- Čistá voda vrie pri normálnom tlaku pri 100 °C a kým sa celá nevyparí, jej teplota sa nemení. Všetko dodané teplo sa spotrebúva na premenu kvapaliny na paru. Podobne sa ľad topí pri stálej teplote 0 °C.
- Slaná voda začne vrieť až nad 100 °C a počas varu jej teplota pomaly stúpa. Voda sa vyparuje, soľ ostáva, roztok je čoraz slanejší a vrie pri čoraz vyššej teplote.
Zmes teda nemá jednu stálu teplotu varu ani topenia, jej teploty závisia od zloženia. Preto sa v zime chodníky posypávajú soľou: slaná voda zamŕza pri nižšej teplote ako čistá voda, a tak sa ľad posypaný soľou topí aj pod 0 °C.
vyskúšaj si
Krivka ohrevu
V kadičke je 100 g ľadu s teplotou −20 °C. Kahan dodáva stále rovnako veľa tepla, teplomer meria teplotu a graf ju zapisuje.
−20,0 °C
čistá voda
Čas od zapálenia kahana: 0 min 0 s.
Ľad sa zohrieva, teplota stúpa.
Čistá voda: Ľad sa zohrieva.
Vodorovný úsek znamená, že teplota sa nemení, hoci kahan stále hreje: teplo sa spotrebúva na zmenu skupenstva. Chemicky čistá látka má stálu teplotu topenia aj varu, zmes nie.
Keď pokus dobehne do konca, zobrazí sa otázka.
Zahrievaj ľad, kým sa voda nezačne variť, a sleduj, ako rastie graf teploty v čase. Potom pokus zopakuj so slanou vodou a porovnaj, kde sa krivka zastaví na vodorovnom schodíku a kde stúpa ďalej.
Druhá jednoduchá skúška je odparenie. Na čisté sklíčko kvapni destilovanú vodu a vedľa minerálku a nechaj ich voľne vyschnúť. Po destilovanej vode nezostane nič, po minerálke biely krúžok z látok, ktoré v nej boli rozpustené.
| znak | chemicky čistá látka | zmes |
|---|---|---|
| častice | jeden druh | dva alebo viac druhov |
| zloženie | stále | premenlivé |
| teplota topenia a varu | stála, počas topenia a varu sa nemení | závisí od zloženia, počas varu sa mení |
| rozdelenie na zložky | fyzikálnymi metódami sa nedá | fyzikálnymi metódami, napríklad filtráciou alebo destiláciou |
Rovnaký princíp využívajú chemici pri kontrole čistoty tuhých látok. Čistá kryštalická látka sa topí ostro, v rozmedzí asi 0,5 až 1 °C, pri teplote uvedenej v tabuľkách. Nečistoty teplotu topenia znižujú a rozmedzie rozširujú: vzorka mäkne a topí sa postupne v rozsahu niekoľkých stupňov. Kyselina benzoová sa má topiť pri 122 °C. Vzorka, ktorá sa topí od 115 do 119 °C, je znečistená a treba ju ďalej čistiť, napríklad prekryštalizovaním.
Teplota topenia pomôže overiť aj totožnosť látky. Neznámu vzorku zmiešame so vzorkou známej látky. Ak ide o tú istú látku, zmes sa topí rovnako ostro a pri rovnakej teplote. Ak ide o inú látku, obe si navzájom pôsobia ako nečistota a zmes sa topí nižšie a v širšom rozmedzí. Tejto skúške sa hovorí zmiešaná teplota topenia.
Podobne sa správa teplota varu: roztok tuhej látky vrie pri vyššej teplote ako čisté rozpúšťadlo. Nasýtený roztok chloridu sodného vrie až takmer pri 109 °C.
teória
Prvky, zlúčeniny a zmesi
Chemicky čisté látky sú dvoch druhov. Prvok sa skladá z rovnakých atómov: meď, síra, kyslík, zlato. Zlúčenina vzniká chemickou reakciou dvoch alebo viacerých prvkov a má úplne nové vlastnosti. Voda H₂O vzniká z vodíka a kyslíka, hoci vodík je horľavý plyn a kyslík horenie podporuje. Chlorid sodný NaCl vzniká z mäkkého kovu sodíka a jedovatého plynu chlóru, a predsa ním solíme jedlo. O prvkoch a ich značkách sa dozvieš viac v lekcii Úvod do periodickej sústavy prvkov.
Všetky látky tak môžeme roztriediť takto:
- chemicky čisté látky
- prvky: meď, síra, kyslík, hélium
- zlúčeniny: voda, chlorid sodný, oxid uhličitý, cukor
- zmesi
- rovnorodé: vzduch, slaná voda, ocot, mosadz
- rôznorodé: žula, mlieko, piesok vo vode, dym
Rozdiel medzi zmesou a zlúčeninou ukazuje pokus so železom a sírou.
Železné piliny a práškovú síru zmiešame. V zmesi vidno sivé zrnká železa aj žlté zrnká síry a magnet z nej železo vytiahne. Keď zmes zahrejeme (pokus robí učiteľ v digestore), na jednom mieste sa rozžeraví a žiara sa sama šíri celou zmesou. Vznikne nová látka, tmavosivý sulfid železnatý. Nevidno v ňom ani železo, ani síru a magnet z neho železo nevytiahne. Zo zmesi vznikla zlúčenina s novými vlastnosťami.
Prvok tvoria atómy s rovnakým protónovým číslom. Zlúčeninu tvoria atómy dvoch alebo viacerých prvkov, ktoré sú spojené chemickými väzbami v stálom pomere. Zo zmesi železa a síry vznikne po zahriatí zlúčenina: Fe + S → FeS.
| vlastnosť | zmes železa a síry | sulfid železnatý FeS |
|---|---|---|
| vzhľad | sivé a žlté zrnká, rozlíšime ich lupou | jednotná tmavosivá až čierna hmota |
| magnet | vytiahne železné piliny | železo z neho nevytiahne |
| s kyselinou chlorovodíkovou | uvoľňuje sa vodík H₂ bez zápachu | uvoľňuje sa sulfán H₂S so zápachom skazených vajec |
| zloženie | ľubovoľný pomer zložiek | vždy 63,5 % železa a 36,5 % síry |
| rozdelenie na zložky | fyzikálne, napríklad magnetom | len chemickou reakciou |
Hmotnostný zlomok železa v FeS vypočítame z relatívnych atómových hmotností:
Aby zreagovalo všetko železo aj všetka síra, treba ich zmiešať v hmotnostnom pomere asi 7 : 4. Čo je navyše, ostane nezreagované. Sulfán je jedovatý, skúšku s kyselinou preto robíme len v digestore.
Prvok chemickou reakciou na jednoduchšie látky nerozložíme. Zlúčeninu rozložíme len chemickou reakciou, napríklad vodu elektrickým prúdom (elektrolýzou) na vodík a kyslík. Zmes rozdelíme na zložky fyzikálnymi metódami.
Podobne sa zmes práškového zinku a síry po zapálení prudko zmení na novú zlúčeninu, sulfid zinočnatý ZnS. Pozri si pokus Reakcia síry so zinkom.
rozšírenie Aké čisté je čisté: kremík pre čipy
Úplne čistú látku nevyrobíme, vždy obsahuje aspoň stopy iných látok. Rekordy v čistote drží kremík, z ktorého sa vyrábajú čipy. Surový kremík sa získava z kremenného piesku, ktorý sa v elektrickej peci redukuje uhlíkom:
SiO₂ + 2 C → Si + 2 CO
Takzvaný metalurgický kremík má čistotu asi 98 až 99 %. Na výrobu hliníkových zliatin stačí, na čipy ani zďaleka. Preto sa pomocou chlorovodíka premení na prchavú kvapalinu trichlórsilán SiHCl₃, ktorá sa opakovane čistí destiláciou. V reaktore sa potom trichlórsilán s vodíkom rozkladá na rozžeravených kremíkových tyčiach pri teplote okolo 1100 °C a kremík sa na nich usadzuje (Siemensov proces):
SiHCl₃ + H₂ → Si + 3 HCl
Kremík pre solárne panely má čistotu najmenej 99,9999 % (šesť deviatok), kremík pre čipy 99,9999999 % (deväť deviatok) aj viac. Deväť deviatok znamená, že na miliardu atómov kremíka pripadá najviac jeden cudzí atóm.
Ešte ďalej ide zónové tavenie, ktoré v roku 1951 vynašiel William Pfann v Bellových laboratóriách pre germánium a neskôr sa ujalo aj pri kremíku. Úzka roztavená zóna sa pomaly posúva pozdĺž tyče. Nečistoty sa ľahšie rozpúšťajú v tavenine ako v kryštáli, preto putujú spolu s roztavenou zónou na koniec tyče, ktorý sa nakoniec odreže. Je to ten istý jav, pre ktorý nečistoty znižujú teplotu topenia. Až takto vyčistený kremík sa zámerne „znečistí“ presne odmeraným množstvom bóru alebo fosforu, ktoré určujú, ako bude viesť elektrický prúd.
teória
Časté chyby
- „Čistá horská voda je chemicky čistá látka.“ Obsahuje rozpustené minerálne látky, je to rovnorodá zmes. Chemicky čistá je destilovaná voda.
- „Zmes a zlúčenina je to isté.“ V zmesi si zložky zachovávajú svoje vlastnosti a ich pomer môže byť ľubovoľný. Zlúčenina má nové vlastnosti a stále zloženie, železo zo sulfidu železnatého magnetom nevytiahneš.
- „Čo je priehľadné, je čistá látka.“ Slaná voda, ocot aj vzduch sú priehľadné, a predsa sú to zmesi.
- „Voda vrie vždy pri 100 °C.“ Len čistá voda pri normálnom tlaku. Slaná voda vrie pri vyššej teplote a vysoko v horách, kde je nižší tlak, vrie voda pod 100 °C.
- „Zliatina je čistý kov.“ Mosadz, bronz aj oceľ sú rovnorodé zmesi kovov, prípadne kovu s uhlíkom. Rýdze zlato (24 karátov) je takmer čistá látka, 18-karátové zlato je zliatina.
Vlastnosti, podľa ktorých látky spoznávame, opakuje lekcia Vlastnosti látok. V ďalšej lekcii Rovnorodé a rôznorodé zmesi spoznáš roztoky, suspenzie, emulzie, peny, dym aj hmlu.