úvod
Voda môže byť ľad, kvapalina aj para. Rovnako môže byť každý chemický prvok tuhý, kvapalný alebo plynný, záleží len na teplote. Pri izbovej teplote je však väčšina prvkov tuhá. V tejto lekcii zistíš, ktoré prvky sú výnimkou, kde ich v tabuľke nájdeš a prečo je kúsok olova ťažší ako rovnako veľký kúsok hliníka.
vyskúšaj si
Skupenstvo prvkov pri zvolenej teplote
- pevné
- kvapalné
- plynné
- neznáme
Klikni na prvok v tabuľke a pozri si jeho kartu. Na úrovni SŠ uvidíš aj konfiguráciu, elektronegativitu a ďalšie vlastnosti.
sodík
alkalické kovy
- protónové číslo
- 11
- relatívna atómová hmotnosť
- 22,99
- perióda
- 3
- skupina
- 1., alkalické kovy (a vodík)
- typ
- kov
- skupenstvo pri 25 °C
- pevné
- valenčné elektróny
- 1
- teplota topenia
- 97,8 °C
- teplota varu
- 882,9 °C
- hustota
- 0,97 g/cm³
- história
- objavený 1807
Posúvaj teplotu od absolútnej nuly (−273 °C) až po 4000 °C a sleduj, ako sa prvky topia a vyparujú. Skús zistiť, ktorý kov sa roztopí ako prvý a pri akej teplote je už väčšina tabuľky plynná.
teória
Kedy je prvok tuhý, kvapalný alebo plynný
O skupenstve rozhodujú dve teploty: teplota topenia a teplota varu. Pod teplotou topenia je prvok tuhý, medzi teplotou topenia a teplotou varu kvapalný a nad teplotou varu plynný. Hodnoty v tabuľkách platia pri normálnom tlaku.
Čím pevnejšie sa častice látky navzájom držia, tým viac tepla treba, aby sa od seba odtrhli. Atómy železa sú spojené veľmi pevne, a preto sa železo topí až pri 1538 °C. Molekuly kyslíka sa priťahujú len veľmi slabo, takže kyslík je plyn a skvapalnie až pri −183 °C.
Teploty topenia a varu odrážajú silu väzieb a síl medzi časticami:
- kovová väzba (kovy): od slabej (ortuť, cézium) po veľmi silnú (volfrám, 3414 °C),
- kovalentná sieť (diamant, grafit, kremík, bór): pri topení treba rozbiť skutočné kovalentné väzby, preto sú teploty extrémne vysoké,
- molekulové látky (H₂, N₂, O₂, halogény, P₄, S₈): molekuly drží pohromade len slabé medzimolekulové pôsobenie (Londonove disperzné sily), teploty sú nízke,
- vzácne plyny: samostatné atómy s najslabším pôsobením zo všetkých.
Disperzné sily rastú s veľkosťou molekuly, lebo väčší elektrónový obal sa ľahšie deformuje. Preto teplota varu halogénov smerom nadol rastie: F₂ −188,1 °C, Cl₂ −34 °C, Br₂ 58,8 °C a I₂ 184,4 °C.
teória
Plyny a kvapaliny pri izbovej teplote
Pri 25 °C je plynných 11 prvkov. Okrem vodíka ležia všetky na pravom okraji tabuľky, v 15. až 18. skupine:
| Prvok | Teplota varu |
|---|---|
| hélium (He) | −268,9 °C |
| vodík (H) | −252,9 °C |
| neón (Ne) | −246 °C |
| dusík (N) | −195,8 °C |
| fluór (F) | −188,1 °C |
| argón (Ar) | −185,8 °C |
| kyslík (O) | −183 °C |
| kryptón (Kr) | −153,4 °C |
| xenón (Xe) | −108,1 °C |
| radón (Rn) | −61,7 °C |
| chlór (Cl) | −34 °C |
Kvapalné sú pri izbovej teplote len dva prvky: nekov bróm (topí sa pri −7,2 °C, vrie pri 58,8 °C) a kov ortuť (topí sa pri −38,8 °C). Tesne za nimi sú cézium, ktoré sa topí pri 28,5 °C, a gálium s teplotou topenia 29,8 °C. Gálium sa ti roztopí v dlani, pozri pokus Gálium. Francium by sa podľa odhadov topilo ešte skôr, no je také rádioaktívne, že jeho kúsok nikto nikdy nevidel. Ako vyzerá plyn ochladený pod teplotu varu, ukazuje pokus Tekutý dusík.
teória
Rekordy a trendy
Najnižšiu teplotu varu má hélium (−268,9 °C) a pri normálnom tlaku nestuhne vôbec, ani pri absolútnej nule. Najvyššiu teplotu topenia spomedzi kovov má volfrám (3414 °C). Uhlík sa pri normálnom tlaku ani neroztopí: pri asi 3642 °C sa grafit mení priamo na plyn, teda sublimuje. Sublimuje aj arzén (615 °C) a pri miernom zahriatí aj jód, hoci ten sa pri 113,7 °C dokáže aj roztopiť. Pozri pokus Sublimácia jódu.
V 3. perióde teplota topenia najprv stúpa a potom prudko klesá:
| Prvok | Teplota topenia | Čo drží častice pohromade |
|---|---|---|
| sodík | 97,8 °C | kovová väzba |
| horčík | 650 °C | kovová väzba |
| hliník | 660,3 °C | kovová väzba |
| kremík | 1414 °C | kovalentná sieť |
| fosfor | 44,2 °C | molekuly P₄ |
| síra | 115,2 °C | molekuly S₈ |
| chlór | −101,5 °C | molekuly Cl₂ |
| argón | −189,3 °C | samostatné atómy |
Kremík v strede periódy tvorí obrovskú sieť pevne spojených atómov, ktorú treba pri topení rozbiť. Fosfor, síra a chlór tvoria malé samostatné molekuly, ktoré sa od seba oddelia ľahko.
V skupinách vidno dva opačné trendy. Teplota topenia alkalických kovov smerom nadol klesá (Li 180,5 °C, Na 97,8 °C, K 63,5 °C, Rb 39,3 °C, Cs 28,5 °C), lebo väčšie atómy sú k sebe viazané slabšie. Teplota topenia halogénov naopak rastie (F −219,7 °C, Cl −101,5 °C, Br −7,2 °C, I 113,7 °C), lebo väčšie molekuly sa priťahujú silnejšie.
rozšírenie Prečo je ortuť kvapalná
Ortuť sa topí pri −38,8 °C, hoci jej susedia v 12. skupine zinok (419,5 °C) a kadmium (321,1 °C) sú bežné tuhé kovy. Vysvetlenie ponúka teória relativity. V ťažkom atóme ortuti (Z = 80) sa elektróny blízko jadra pohybujú takou rýchlosťou, že sa prejavia relativistické efekty: orbitál 6s sa zmrští a jeho dva elektróny drží jadro nezvyčajne pevne. Do kovovej väzby sa preto zapájajú len neochotne a atómy ortuti sa priťahujú slabo, skoro ako atómy vzácneho plynu. Výpočty ukazujú, že bez relativistických efektov by sa ortuť topila asi o 100 °C vyššie a pri izbovej teplote by bola tuhá. Ten istý efekt vysvetľuje aj vysokú ionizačnú energiu ortuti, viac v lekcii Ionizačná energia a elektrónová afinita.
teória
Hustota
Hustota hovorí, akú hmotnosť má jednotkový objem látky, . Pri tuhých látkach a kvapalinách ju udávame v g/cm³. Voda má hustotu 1 g/cm³: čo má menšiu hustotu, na vode pláva, čo väčšiu, klesne ku dnu. Počítať s hustotou sa naučíš v lekcii Hustota.
vyskúšaj si
Hustota prvkov
svetlé = ľahké (plyny), tmavé = veľmi husté (osmium, irídium). Čísla: g/cm³, pri plynoch g/dm³.
Klikni na prvok v tabuľke a pozri si jeho kartu. Na úrovni SŠ uvidíš aj konfiguráciu, elektronegativitu a ďalšie vlastnosti.
sodík
alkalické kovy
- protónové číslo
- 11
- relatívna atómová hmotnosť
- 22,99
- perióda
- 3
- skupina
- 1., alkalické kovy (a vodík)
- typ
- kov
- skupenstvo pri 25 °C
- pevné
- valenčné elektróny
- 1
- teplota topenia
- 97,8 °C
- teplota varu
- 882,9 °C
- hustota
- 0,97 g/cm³
- história
- objavený 1807
Tabuľka zafarbí prvky podľa hustoty. Nájdi najhustejšie prvky, všimni si, v ktorej časti tabuľky ležia, a kliknutím na prvok zisti presnú hodnotu.
| Prvok | Hustota (g/cm³) |
|---|---|
| lítium | 0,534 |
| draslík | 0,89 |
| sodík | 0,97 |
| horčík | 1,74 |
| hliník | 2,7 |
| železo | 7,87 |
| meď | 8,96 |
| olovo | 11,3 |
| ortuť | 13,53 |
| zlato | 19,3 |
| platina | 21,5 |
| osmium | 22,59 |
Lítium, sodík a draslík plávajú na vode, lítium dokonca aj na oleji. Najhustejšie sú prechodné kovy 6. periódy: osmium (22,59 g/cm³) a hneď za ním irídium (22,56 g/cm³). Liter osmia by vážil viac ako 22 kilogramov.
V skupine hustota smerom nadol väčšinou rastie, lebo hmotnosť atómov rastie rýchlejšie ako ich veľkosť. Malou výnimkou je draslík, ktorý je ľahší ako sodík. V perióde hustota rastie smerom k prechodným kovom v strede a potom znova klesá, až po plynné prvky na konci periódy.
Hustota plynov je asi tisíckrát menšia, preto ju udávame v g/dm³, teda v gramoch na liter. Vzduch pri 25 °C má asi 1,2 g/dm³. Vodík (0,082 g/dm³) a hélium (0,164 g/dm³) sú oveľa ľahšie, preto balón s héliom stúpa, pozri aj pokus Prečo hélium mení hlas. Chlór (2,9 g/dm³) a radón (9,07 g/dm³) sú ťažšie ako vzduch a držia sa pri zemi. Preto sa radón, ktorý uniká z podložia, hromadí v pivniciach.
Hustota prvku závisí od hmotnosti atómu, jeho veľkosti a od toho, ako tesne sú atómy v kryštáli uložené. Pekne to vidno v 8. skupine. Atóm osmia je takmer dvakrát ťažší ako atóm ruténia nad ním (relatívna atómová hmotnosť 190,23 oproti 101,07), no vďaka lantanoidovej kontrakcii je rovnako veľký (kovalentný polomer 144 pm oproti 146 pm). Osmium má preto takmer dvojnásobnú hustotu: 22,59 g/cm³ oproti 12,1 g/cm³. Hustotu plynu vypočítaš zo stavovej rovnice ako .
vyskúšaj si
Riešené príklady
Príklad 1
Aké skupenstvo má bróm pri 70 °C a pri −20 °C?
Riešenie
Bróm sa topí pri −7,2 °C a vrie pri 58,8 °C. Pri 70 °C je nad teplotou varu, teda je plynný. Pri −20 °C je pod teplotou topenia, teda je tuhý.
Príklad 2
Ortuť má hustotu 13,53 g/cm³. Bude na nej plávať kúsok olova? A zlatý prsteň?
Riešenie
Olovo (11,3 g/cm³) má menšiu hustotu ako ortuť, preto na nej pláva, rovnako ako železo (7,87 g/cm³). Zlato (19,3 g/cm³) je hustejšie ako ortuť, preto klesne ku dnu.
Príklad 3
Aký objem zaberá 1 kg osmia a aký 1 kg lítia?
Riešenie
Použijeme .
Osmium: , to je kocka s hranou asi 3,5 cm.
Lítium: , teda takmer 1,9 litra.
Príklad 4
Vypočítaj hustotu kyslíka O₂ pri 25 °C a tlaku 101,325 kPa.
Riešenie
To je 1,308 g/dm³, čiže 0,001308 g/cm³. Kyslík je o niečo ťažší ako vzduch. Viac v lekcii Stavová rovnica ideálneho plynu.
rozšírenie Hélium, ktoré netuhne
Všetky ostatné látky pri dostatočnom ochladení stuhnú, hélium však pri normálnom tlaku ostane kvapalné až po absolútnu nulu. Atómy hélia sú veľmi ľahké a priťahujú sa extrémne slabo. Podľa kvantovej mechaniky ani pri absolútnej nule úplne nestoja, majú takzvanú nulovú energiu kmitov, ktorá stačí na to, aby sa pravidelná mriežka nevytvorila. Tuhé hélium vznikne až pod tlakom asi 2,5 MPa, teda približne 25-násobku atmosférického tlaku. Pod teplotou −271 °C sa z kvapalného hélia navyše stáva supratekutina, ktorá tečie bez akéhokoľvek trenia a dokáže vyliezť po stene nádoby.
teória
Časté chyby
- „Hustota a hmotnosť sú to isté.“ Kilogram peria a kilogram olova vážia rovnako, olovo má však oveľa väčšiu hustotu, a preto zaberá oveľa menší objem.
- „Všetky kovy sú hustejšie ako voda.“ Lítium, sodík aj draslík na vode plávajú.
- „Gálium je pri izbovej teplote kvapalné.“ Pri 25 °C je tuhé, roztopí sa až pri 29,8 °C, napríklad v teplej dlani.
- „Plyny nemajú hustotu.“ Majú, len asi tisíckrát menšiu ako kvapaliny, preto ju udávame v g/dm³.
- „Teplota varu je pre prvok vždy rovnaká.“ Hodnoty v tabuľkách platia pri normálnom tlaku, pri inom tlaku sa menia.
Ako prvky delíme podľa vlastností na kovy a nekovy, opakuje lekcia Kovy, nekovy a polokovy. V ďalšej lekcii Polomer atómu a iónu zistíš, ako veľké sú samotné atómy.