úvod
Ráno si do čaju nasypeš cukor a po chvíli miešania ho už nevidno. Kakao v hrnčeku mlieka sa naopak časom usadí na dne a fľašu so zálievkou z oleja a octu treba pred použitím pretrepať, lebo olej vypláva na povrch. Všetko sú to zmesi, každá sa však správa inak. V tejto lekcii zistíš, ako zmesi rozdeliť a pomenovať, ako ich pripraviť a prečo sa niektoré z nich po čase samy oddelia.
teória
Rovnorodá alebo rôznorodá
Zmes vznikne spojením dvoch alebo viacerých látok, pričom každá si v nej zachová svoje vlastnosti. Cukor v čaji cítiš aj po rozpustení a soľ zo slanej vody získaš späť, keď vodu odparíš. Podľa toho, či zložky zmesi dokážeme rozlíšiť, delíme zmesi na dve skupiny:
- Rovnorodá (homogénna) zmes: zložky nerozlíšime voľným okom, lupou ani mikroskopom. Zmes má v každom mieste rovnaké zloženie aj vlastnosti. Takou je slaná voda, čaj s cukrom, ocot, vzduch alebo mosadz.
- Rôznorodá (heterogénna) zmes: zložky rozlíšime voľným okom, lupou alebo aspoň mikroskopom. Takou je žula, v ktorej vidno zrnká kremeňa, živca a sľudy, ďalej piesok vo vode, bahno alebo olej s vodou.
Niektoré zmesi len vyzerajú rovnorodo. Mlieko sa v pohári zdá úplne rovnaké, pod mikroskopom však v ňom vidno množstvo drobných kvapôčok tuku, ktoré plávajú vo vode. Mlieko je preto rôznorodá zmes.
Rýchly test: pozri sa na zmes proti svetlu. Ak je priehľadná, nič v nej nepláva a na dne sa nič neusadí, ide väčšinou o rovnorodú zmes. Ak je zakalená, tvorí vrstvy alebo v nej vidno zrnká či kvapky, je rôznorodá. Rovnorodá zmes pritom môže byť farebná: roztok modrej skalice je modrý, ale priehľadný.
Presnejšie povedané, rovnorodá zmes tvorí jednu fázu: v celom objeme má rovnaké zloženie a vlastnosti. Rôznorodá zmes obsahuje aspoň dve fázy, ktoré oddeľuje rozhranie, napríklad hladina medzi olejom a vodou alebo povrch zrnka piesku. Kde presne leží hranica medzi rovnorodou a rôznorodou zmesou, rozhoduje veľkosť rozptýlených čiastočiek. K tomu sa vrátime v časti o disperzných sústavách.
teória
Ako sa volajú zmesi
Rovnorodé zmesi majú tri známe mená. Kvapalné rovnorodé zmesi voláme roztoky, plyny sa miešajú v každom pomere na rovnorodé zmesi plynov a roztavené kovy po zmiešaní a stuhnutí tvoria zliatiny, o ktorých je lekcia Zliatiny. Rozpustená látka v roztoku nemusí byť tuhá: v sódovke je rozpustený plyn (oxid uhličitý), v octe kvapalina (kyselina octová).
Rôznorodé zmesi pomenúvame podľa toho, čo je v čom rozptýlené, teda podľa skupenstva zložiek. Tabuľka zhŕňa všetky druhy zmesí:
| názov | čo je v čom | príklady | zmes |
|---|---|---|---|
| roztok | látka rozpustená v kvapaline | slaná voda, sódovka, ocot | rovnorodá |
| zmes plynov | plyn v plyne | vzduch, zemný plyn | rovnorodá |
| zliatina | kov v inom kove | mosadz, bronz | rovnorodá |
| suspenzia | tuhé čiastočky v kvapaline | bahno, krieda rozmiešaná vo vode | rôznorodá |
| emulzia | kvapôčky kvapaliny v inej kvapaline, s ktorou sa nemieša | mlieko, majonéza, pretrepaný olej s octom | rôznorodá |
| pena | bublinky plynu v kvapaline | šľahačka, mydlová pena | rôznorodá |
| tuhá pena | bublinky plynu v tuhej látke | polystyrén, pemza | rôznorodá |
| dym | tuhé čiastočky v plyne | dym z ohňa | rôznorodá |
| hmla | kvapôčky kvapaliny v plyne | ranná hmla, sprej z rozprašovača | rôznorodá |
| zmes tuhých látok | zrnká rôznych tuhých látok vedľa seba | piesok so soľou, žula | rôznorodá |
Penový polystyrén je z 98 % vzduch uzavretý v drobných bunkách, preto je taký ľahký a dobre izoluje. Pemza, sopečná hornina plná bubliniek, dokonca pláva na vode. Voda a plyn pritom môžu vytvoriť rôzne zmesi: kyslík rozpustený vo vode, ktorý dýchajú ryby, tvorí roztok, bublinky zo vzduchovača v akváriu sú však rôznorodá zmes vzduchu a vody.
vyskúšaj si
Mixér zmesí
Vyber dve zložky, zamiešaj ich alebo pretrep a pomenuj zmes, ktorá vznikne.
0 / 0Tuhé látky
Kvapaliny
Plyny
Vyber prvú zložku.
Objavené druhy zmesí: 0 z 9
- ?
- ?
- ?
- ?
- ?
- ?
- ?
- ?
- ?
Vyber dve zložky, zmiešaj ich alebo pretrep a pozri sa na zmes lupou. Pomenuj, aká zmes vznikla, a chvíľu počkaj: niektoré zmesi sa samy oddelia.
V širšom zmysle voláme roztokom každú rovnorodú zmes bez ohľadu na skupenstvo. Vzduch je potom plynný roztok a mosadz tuhý roztok, v ktorom atómy zinku nahrádzajú niektoré atómy medi v kryštálovej mriežke.
teória
Príprava zmesí
Pri príprave zmesi ide vždy o to, aby sa zložky čo najlepšie premiešali. Spôsob závisí od toho, akú zmes chceme dostať:
- Miešanie. Suché tuhé látky, napríklad múku s cukrom, stačí premiešať lyžicou. Rozmiešaním nerozpustnej látky v kvapaline, napríklad kriedy vo vode, vznikne suspenzia.
- Rozpúšťanie. Roztok vznikne, keď látku nasypeme do rozpúšťadla a miešame, kým sa nerozpustí. Ako to urýchliť, ukáže lekcia Roztoky a ich zloženie.
- Pretrepanie a šľahanie. Dve kvapaliny, ktoré sa nemiešajú, prudko pretrepeme a jedna sa rozbije na drobné kvapôčky: vznikne emulzia. Metla alebo šľahač vháňa do smotany či bielkov vzduch a vznikne pena.
- Tavenie. Kovy roztavíme, premiešame a necháme stuhnúť, tak vzniká zliatina.
- Rozprašovanie a horenie. Rozprašovač rozbije kvapalinu na kvapôčky, ktoré vo vzduchu vytvoria hmlu. Pri horení vzniká dym.
Roztok by vznikol aj bez miešania, len oveľa pomalšie: kryštálik manganistanu draselného (hypermangánu) sa v kadičke s vodou rozpúšťa sám a fialová farba sa postupne rozšíri do celej vody. Emulzia ani pena však samy od seba nevzniknú. Poriadne veľkú penu plnú bubliniek kyslíka ukazuje pokus Slonia zubná pasta.
Emulzia sama nevznikne preto, lebo rozbitím oleja na milióny kvapôčok vznikne obrovská plocha rozhrania medzi olejom a vodou. Molekuly na rozhraní majú vyššiu energiu ako vo vnútri kvapaliny (prejavuje sa to ako medzifázové napätie), takže vytvorenie rozhrania stojí prácu šľahača. Sústava sa naopak snaží plochu rozhrania zmenšiť, a preto sa kvapôčky pri stretnutí spájajú. Plyny sa naproti tomu miešajú samovoľne difúziou.
teória
Prečo sa zmesi oddelia
Rovnorodá zmes sa sama od seba neoddelí. Soľ zo slanej vody neklesne na dno, ani keď voda stojí celé roky, a vzduch sa nerozvrství na dusík a kyslík. Rôznorodé zmesi sú však často nestále:
- Suspenzia sa usadí. Tuhé čiastočky majú väčšiu hustotu ako voda a pomaly klesajú na dno. Piesok klesne takmer okamžite, krieda oveľa pomalšie a najjemnejšie čiastočky zeminy môžu vodu kaliť aj celé dni. Tento dej voláme usadzovanie.
- Emulzia sa oddelí. Kvapôčky oleja sa pri zrážkach spájajú do väčších kvapiek. Olej má menšiu hustotu ako voda, a tak vypláva na povrch a vytvorí vrstvu.
- Pena spľasne. Kvapalina zo stien bubliniek steká nadol, steny sa stenčujú a bublinky praskajú.
Emulziu udrží pohromade emulgátor, látka, ktorá obalí povrch kvapôčok a nedovolí im spojiť sa. V majonéze je emulgátorom vaječný žĺtok, preto sa olej s octom alebo citrónovou šťavou v nej nerozvrství. Podobne pôsobí saponát pri umývaní riadu: obalí kvapôčky mastnoty a voda ich spláchne. Aj pena vydrží dlhšie, keď bublinky chráni mydlo alebo bielkoviny.
Čerstvé kravské mlieko sa po čase samo rozvrství a na povrchu sa vytvorí vrstva smotany. Mlieko z obchodu je väčšinou homogenizované: pod vysokým tlakom sa v ňom kvapôčky tuku rozbijú na oveľa menšie, ktoré stúpajú tak pomaly, že sa smotana takmer nevytvorí.
Rýchlosť usadzovania rastie s veľkosťou čiastočiek a s rozdielom hustôt. Veľmi malé čiastočky sa neusadia takmer vôbec, lebo ich neustále postrkujú molekuly kvapaliny (Brownov pohyb). V odstredivke sa usadzovanie mnohonásobne urýchli, tak sa oddeľujú krvinky od krvnej plazmy alebo smotana od mlieka.
Molekula emulgátora má hydrofilnú časť, ktorá sa viaže s vodou, a hydrofóbnu časť, ktorá sa s vodou nemieša, ale dobre sa mieša s olejom. Hydrofóbnou časťou sa zanorí do kvapôčky oleja, hydrofilnou trčí do vody a kvapôčku obalí ako ochranný plášť. Vo vaječnom žĺtku túto úlohu plní hlavne lecitín. Podľa toho, čo je v čom rozptýlené, rozlišujeme emulzie olej vo vode (mlieko, majonéza) a voda v oleji (maslo, margarín).
teória
Disperzné sústavy
Všetky sústavy, v ktorých je jedna látka rozptýlená v druhej, volajú chemici spoločným názvom disperzné sústavy (z latinského dispergere, rozptýliť). Patria k nim roztoky aj väčšina rôznorodých zmesí z tabuľky vyššie. Ich vlastnosti určuje hlavne to, aké veľké sú rozptýlené čiastočky.
V roztoku sú rozptýlené jednotlivé molekuly alebo ešte menšie čiastočky, menšie ako milióntina milimetra. Neuvidíš ich ani mikroskopom a nikdy sa neusadia. V suspenzii sú čiastočky také veľké, že ich vidno aspoň mikroskopom, a časom klesnú na dno. Medzi nimi sú zmesi s čiastočkami strednej veľkosti, napríklad mydlová voda alebo voda s kvapkou mlieka. Tieto čiastočky sa neusadia, ale rozptyľujú svetlo.
Vyskúšaj to v tmavej miestnosti: posvieť baterkou alebo laserovým ukazovátkom cez pohár slanej vody a cez pohár vody s niekoľkými kvapkami mlieka. V slanej vode dráhu svetla takmer neuvidíš, vo vode s mliekom svieti ako svetlý pás. Rovnako vidno lúče svetiel auta v hmle. Laserom nikdy nemier nikomu do očí.
Disperzná sústava sa skladá z disperzného prostredia, teda látky, v ktorej sú čiastočky rozptýlené, a z disperznej fázy (v učebniciach aj disperzný podiel), teda rozptýlených čiastočiek. V mlieku je disperzným prostredím voda a disperznou fázou kvapôčky tuku a bielkoviny, v hmle je prostredím vzduch a fázou kvapôčky vody.
Podľa veľkosti čiastočiek disperznej fázy rozlišujeme tri skupiny:
| sústava | veľkosť čiastočiek | príklady | vlastnosti |
|---|---|---|---|
| analytické disperzie (pravé roztoky) | menej ako 1 nm | slaná voda, sladká voda, vzduch | rovnorodé, neusadia sa, prejdú filtračným papierom, svetlo nerozptyľujú |
| koloidné disperzie (koloidy) | 1 až 1000 nm | mydlová voda, želatína, dym, bielkoviny v mlieku | na pohľad rovnorodé, neusadia sa, prejdú filtračným papierom, rozptyľujú svetlo |
| hrubé disperzie | viac ako 1000 nm | bahno, piesok vo vode, pretrepaný olej s vodou | rôznorodé, čiastočky vidno mikroskopom, usadia sa alebo oddelia |
Hranice medzi skupinami nie sú ostré (1000 nm je 1 µm) a niektoré učebnice kladú hornú hranicu koloidov už na 500 nm. Koloidy vyzerajú rovnorodo, obsahujú však rozhranie medzi fázami, preto ich niekedy voláme mikroheterogénne sústavy.
Koloidné čiastočky rozptyľujú svetlo do strán, preto dráhu svetelného zväzku v koloide vidno zboku ako svetlý kužeľ. Tento Tyndallov jav, pomenovaný podľa írskeho fyzika Johna Tyndalla, odlíši koloid od pravého roztoku, aj keď obe kvapaliny vyzerajú priehľadne. Koloidné čiastočky prejdú filtračným papierom, filtráciou ich teda neoddelíme. V Mixéri zmesí si na úrovni SŠ všímaj aj veľkosť čiastočiek a Tyndallov jav.
Niektoré disperzné sústavy majú vlastné mená:
- aerosól: disperzným prostredím je plyn. Patrí sem dym (tuhé čiastočky vo vzduchu), hmla a oblaky (kvapôčky vody alebo kryštáliky ľadu) aj obláčik z rozprašovača.
- sól: tuhé čiastočky alebo veľké molekuly koloidnej veľkosti rozptýlené v kvapaline, ktorá tečie.
- gél: koloid, v ktorom čiastočky disperznej fázy, najčastejšie dlhé molekuly, vytvoria súvislú sieť a uzavrú v nej kvapalinu. Želatína rozpustená v horúcej vode je sól, po vychladnutí stuhne na gél. Gélom je aj puding, sliz z pokusu Výroba svietiaceho slizu alebo napučaný prášok z pokusu Instantný sneh.
rozšírenie Prečo je mlieko biele
Mlieko neobsahuje žiadne biele farbivo. Je v ňom však obrovské množstvo drobných čiastočiek, na ktorých sa svetlo rozptyľuje: kvapôčky tuku s priemerom od asi 0,1 µm po viac ako 10 µm a zhluky bielkoviny kazeínu, takzvané kazeínové micely, veľké desiatky až stovky nanometrov. Čiastočky porovnateľné s vlnovou dĺžkou viditeľného svetla (asi 400 až 700 nm) alebo väčšie rozptyľujú všetky farby takmer rovnako. Svetlo sa v mlieku mnohokrát odrazí na všetky strany a k oku sa vráti zmes všetkých farieb, teda biele svetlo. Preto sú biele aj oblaky, sneh či šľahačka.
Odtučnené mlieko pôsobí proti svetlu mierne modrasto. Chýbajú v ňom veľké kvapôčky tuku a prevládajú menšie kazeínové micely, ktoré rozptyľujú modré svetlo silnejšie ako červené, podobne ako molekuly vzduchu farbia oblohu namodro (Rayleighov rozptyl). Keď mlieko skysne, kyselina mliečna spôsobí, že sa kazeínové micely zhlukujú do vločiek. Koloid sa zrazí a z vyzrážaného kazeínu sa vyrába tvaroh.
teória
Časté chyby
- „Mlieko je rovnorodá zmes, veď vyzerá všade rovnako.“ Pod mikroskopom v ňom vidno kvapôčky tuku rozptýlené vo vode. Mlieko je rôznorodá zmes, emulzia.
- „Krieda sa vo vode rozpustí.“ Krieda sa vo vode nerozpúšťa, len sa v nej rozptýli. Zakalená kvapalina je suspenzia a krieda sa časom usadí na dne.
- „Biely oblak nad hrncom je vodná para.“ Vodná para je neviditeľný plyn. Biely oblak tvoria drobné kvapôčky vody, ktoré vznikli ochladením pary, je to teda hmla.
- „Keď olej s vodou poriadne pretrepeme, zmiešajú sa natrvalo.“ Vznikne len emulzia, ktorá sa bez emulgátora po chvíli znova rozvrství.
- „Dym a hmla sú to isté.“ V dyme sú rozptýlené tuhé čiastočky, napríklad sadze a popol, v hmle kvapôčky vody.
Ako rozlíšiť chemicky čistú látku od zmesi, opakuje lekcia Chemicky čisté látky a zmesi. V ďalšej lekcii Roztoky a ich zloženie sa pozrieme bližšie na najdôležitejšie rovnorodé zmesi a vypočítaš, koľko látky je v roztoku rozpustenej. Ako zmesi rozdeliť späť na zložky, ukážu lekcie o usadzovaní, filtrácii a odparovaní a o destilácii, sublimácii a chromatografii.