Historický vývoj chemie

Pravěk

• První zvládnutá chemická reakce = rozdělání a používání ohně
• Výroba hliněných nádob, nástrojů, zpracování kůže, rud kovů a výroba slitin a skla, pigmentů a vonných látek
• Známé kovy: zlato, stříbro, měď, železo, cín, olovo a rtuť

Starověká praktická chemie a přírodní filosofie

• Praktická aplikace chemických dějů
• Egypt: výroba kosmetiky, soda, ocet, ledek, krystalový cukr, Electrum (slitina Au + Ag), Hg (kapalné stříbro), amalgámy
• Indie: Damascénská ocel – vysoce kvalitní ocel s mramorováním – kvalitní čepele nožů a mečů
• Čína: střelný prach, výroba papíru, porcelánu, známý ocet a ethanol
• Řecko: Milétská (Iónská) škola – idealistická: prvotní je myšlenka, hmota je nedělitelná, 4 živly, Platon, Aristoteles; Efesská škola – materialistická: prvotní je hmota, vše, co nás obklopuje, jsou malé částečky – atomy → atomisté Demokritos a Leukipos

Alchymie

• Alchymie zasahuje svými počátky do starověku, prochází celým středověkem a její stopy nalézáme ještě v prvním století raného novověku.
• Jako epicentra vzniku alchymie jsou známy Čína, odkud se rozšířila i do Indie, a potom starověký Egypt, odkud putovala do Řecka.
• Pojem alchymie (alchymia) vznikl polatinštěním arabského výrazu al-kímijá, což značí arabský člen al- a kombinaci řeckých a egyptských slov, zahrnující svým významem černou barvu a slévání.
• V popředí zájmu alchymistů bylo především dosažení nesmrtelnosti, a to zejména v Číně. Praktických výsledků však čínští alchymisté dosáhli v jiných oblastech – v metalurgii a vojenství.
• V Evropě se alchymisté zaměřovali více na práci s kovy. Po dlouhá staletí panovala víra, že existuje pouze sedm kovů, tzn. stejně jako tehdy známých planet. Věřilo se, že kovy se rodí v nitru země pod vlivem příslušných planet, zrají, čili samovolně transmutují. Proces zrání kovů trvá samozřejmě celou věčnost a cílem alchymistů bylo tento proces urychlit. K tomu měl sloužit Kámen mudrců, který lze tedy chápat jako jakýsi katalyzátor procesu.
• Za vrchol evropské alchymie je považováno období vlády císaře Rudolfa II. Na dvoře panovníka, v Praze, se vystřídalo mnoho alchymistů – Edward Kelly, John Dee, Tycho de Brahe
• Přínosem pro moderní chemii: destilační aparatury, třecí misky, baňky, vypracování základních technik a experimentálních postupů, objev řady chemických sloučenin a prvků

Iatrochemie

• až 17. století, iatros= lékař → iatrochemici = ranhojiči
• V iatrochemii výrobu zlata, kamene mudrců, hledání elixíru života aj. nahradila péče o zdraví lidí a chemoterapie.
• Hlavní představitel A. Paracelsus – používání anorganických léčiv (hlavně sloučeniny antimonu a rtuti), definoval jedy (jedem je každá látka, záleží na jejím množství) → zakladatel toxikologie

Přechodné období vzniku chemie jako vědy

• Po 30leté válce epidemie moru, války, emigrace a popravy vědců → úpadek alchymie
• Velkým pokrokem chemie století bylo, že se zkoumané problematiky zúžily na jedinou ústřední otázku. Tou byl problém spalování.
• Flogistonová teorie – flogiston = princip hořlavosti, při unikání se projevuje jako plamen, vysvětlení teorie hoření, žíhání, dýchání (v podstatě oxidace, ale neznali kyslík), hlavním představitelem je Johannes Becher
• Pneumatická teorie – studuje vlastnosti plynů – Robert Boyle – teorie plynů (vztah objemu a tlaku), oživení představ o atomech, vyvrátil teze alchymie a položil tak základy vědecké chemie, určoval čas reakce podle počtu slov odříkané modlitby

Základy vědecké chemie

• Od konce 18. století
• Lomonosov – popřel flogistonovou teorii a vysvětlil hoření, objev zákona zachování hmotnosti a energie
• Lavoisier – vysvětlil hoření jako slučování s kyslíkem, rozdělil látky na prvky a sloučeniny
• John Dalton – Daltonova atomová teorie, slučovací zákon
• Avogadro – Avogadrův zákon (stejné objemy plynů za stejných podmínek obsahují stejný počet molekul)
• Dmitrij Ivanovič Mendělejev – periodický zákon a tabulka
• Alfred Bernhard Nobel – švédský chemik, vynálezce dynamitu, od roku 1901 se uděluje Nobelova cena

Chemie jako přírodní věda – základní pojmy

• Chemie je přírodní experimentální věda o složení a struktuře látek ve vztahu k jejich vlastnostem a chování.
• Chemie je velmi obsáhlá věda a člení se na řadu oborů:
  • Obecná chemie – studuje základy chemických dějů, zákonitosti stavby látek a vztahy mezi vlastnostmi látek a jejich vnitřní strukturu
  • Anorganická chemie – zkoumá anorganické látky (všechny prvky a sloučeniny s výjimkou většiny sloučenin uhlíku)
  • Organická chemie – studuje organické látky (většinu sloučenin uhlíku)
  • Hraniční obory: biochemie (chemie živých soustav), fyzikální chemie (zkoumá chemické látky fyzikálními metodami), geochemie (zkoumá chemické složení Země)
  • Aplikované obory: agrochemie (chemie v zemědělství), chemická technologie (postupy chemické výroby), analytická chemie (zkoumá složení látek)
  • Nové obory: makromolekulární chemie

Složení látek

• Hmota (= materia) – abstraktní pojem, slouží k označení objektivní reality = vše, co nás obklopuje a působí na naše smysly
• Hmota má dualistický charakter = má částicový charakter (chemické látky – dusík, voda, dřevo, …) a vlnový charakter (pole – magnetické, gravitační, …)
• Základní stavební částice hmoty jsou:
  • Atomy (nejmenší elektroneutrální částice, která se účastní chemických reakcí)
  • Ionty (stavební částice nesoucí elektrický náboj)
  • Molekuly (nejmenší elektroneutrální částice, složená ze dvou či více atomů, která má složení a chemické vlastnosti dané látky)

Čím se chemické látky liší

Skupenství

• Pevné – CaCO₃ (s)
• Kapalné – H₂O (l)
• Plynné – CO₂ (g)
• Plazma – vzniká při teplotě 10⁶ °C a více, jeví se jako neutrální hmota
• (aq) = vodný roztok

Vlastnosti

• Fyzikální vlastnosti látky
  • Zjišťujeme pozorováním nebo měřením
  • Např. barva, váha, skupenství, pach, hustota, teplota tání, teplota varu, lesk
• Chemické vlastnosti látky
  • Zjišťujeme je zpravidla při chemických dějích
  • Např. rozklad, sloučení, spálení, přenos elektronů

Složení

• Kvalita
• Kvantita
• Např. H₂SO₄ – tříprvková sloučenina – vodík, síra, kyslík → kvalitativní; 2 atomy vodíku, 1 atom síry, 4 atomy kyslíku → kvantitativní

Struktura

• C₂H₆O CH₃-CH₂-O-H                     ethanol
• C₂H₆O CH₃-O-CH₃                          dimethyléter

Původ

• Přírodní
• Umělé

Třídění látek

• Látky dělíme na chemicky čisté látky (= chemické individuum) a na směsi
• CHEMICKY ČISTÁ LÁTKA (= CHEMICKÉ INDIVIDUUM) je tvořena stejnými částicemi (atomy, molekulami, skupinami iontů) a má stálé chemické vlastnosti (např. teplotu tání, varu, hustotu)
• Mezi chemicky čisté látky patří prvky a sloučeniny
• Prvek je chemicky čistá látka složená z atomů se stejným protonovým číslem, atomy prvků mohou být volné (He), vázané v molekulách (Cl₂), nebo v krystalové struktuře (např. uhlík v diamantu)
• Sloučenina je chemicky čistá látka tvořená stejnými molekulami sloučenými ze dvou a více atomů různých prvků (CO₂), nebo ionty vázanými v krystalové struktuře (NaCl)
• SMĚS je soustava složená z několika různých chemicky čistých látek (tzn. z různých druhů částic)
• Homogenní směs obsahuje pouze částice menší než 10^-9 m, např. pravé roztoky
• Koloidní směs obsahuje rozptýlené částice o velikosti v rozmezí 10^-7 až 10^-9 m, např. aerosol, koloidní roztok, emulze
• Heterogenní směs obsahuje rozptýlené částice větší než 10^-7 m, např. pěna, suspenze, inkluze (vzduch v pevné látce – např. molitanová houba)

Metody oddělování složek směsi

Filtrace

• Oddělíme pevnou složku, která se zachytí na filtru, od kapalné (plynné) složky, která filtrem protéká jako tzv. filtrát
• Používá se např. při zachycování nečistot při výrobě pitné vody nebo při čištění vzduchu

Krystalizace

• Oddělíme složky směsi na základě jejich různé rozpustnosti
• Nejdříve tvoří krystaly látka nejméně rozpustná (může být provedena ochlazením za horka nasyceného roztoku nebo odpařením rozpouštědla)
• Používá se např. při získávání čistého krystalového cukru z cukerné šťávy

Sedimentace

• Oddělíme pevné částice rozptýlené v plynu nebo kapalině, které se usazují na základě gravitačních sil
• Nejprve se usazují částice s největší hustotou
• Uplatňuje se např. při čištění odpadních vod

Destilace

• Oddělíme jednotlivé kapalné složky směsi na základě jejich rozdílné teploty varu
• Zahřátím se nejdříve uvolňují páry s převládajícím obsahem složky s nejnižší teplotou varu, které se vedou do chladiče, kde opět zkapalní
• Získává se tak např. ethanol ze směsi vzniklé ethanolovým kvašením cukrů
• V průběhu destilace stoupá teplota zahřívaného roztoku, a lze tak směs separovat do několika podílů neboli frakcí podle jejich teploty varu → frakční destilace – jsou zachycovány jednotlivé frakce destilující v určitém teplotním rozmezí
• Praktický význam v průmyslu má např. frakční destilace ropy nebo kapalného vzduchu

Sublimace

• Oddělíme ze směsi složku, která zahříváním přechází z pevného skupenství přímo do plynného (sublimuje)
• Lze tak získat např. čistý jód

Extrakce

• Oddělíme složky směsi na základě jejich rozdílné rozpustnosti v určitém rozpouštědle
• Oddělovaná složka se na rozdíl od ostatních složek směsi v rozpouštědle rozpustí a následně se získá odpařením rozpouštědla nebo destilací
• Můžeme tak získat např. surový olej z olejnatých semen

Chromatografie

• Oddělíme složky směsi na základě jejich rozdílných vlastností (např. adsorpce = hromadění plynné nebo rozpuštěné látky (adsorbátu) na povrchu jiné látky, adsorbentu; nebo velikosti částic) vzhledem ke dvěma nemísitelným fázím (stacionární, např. pórovitý materiál, a mobilní, např. rozpouštědlo)
• Při pohybu mobilní fáze podél stacionární dochází k oddělování složek
• Používá se např. při analýze složitých směsí látek

Elektroforéza

• Oddělíme složky směsi na základě rozdílné pohyblivosti elektricky nabitých částic různých látek v elektrickém poli
• Používá se např. v biochemii k dělení bílkovin

Soustavy (systémy) látek

• Soustava je soubor všech látek v určitém vymezeném prostoru
• Každá soustava je od okolí oddělena stěnami (skutečnými, např. sklo, nebo myšlenými, např. rovina)
• Soustava s okolím vyměňuje energii a částice
• Izolovaná soustava – její stěny zabraňují výměně energie i částic s okolím, např. voda v termosce
• Uzavřená soustava – její stěny nepropouštějí částice, ale umožňují výměnu energie s okolím, např. voda v baňce uzavřené zátkou
• Otevřená soustava – její stěny umožňují výměnu částic i energie s okolím, např. voda v kádince
• Soustavy můžeme dělit podle počtu fází (fáze = homogenní oblast v heterogenní soustavě, od sebe odděleny plochou = fázové rozhraní → vlastnosti se mění skokem)
• Homogenní (stejnorodá) soustava – má v celém svém objemu stejné vlastnosti, jsou tvořeny jedinou fází, např. směs plynů (vzduch)
• Heterogenní (různorodá) soustava – nemá všude stejné vlastnosti, je tvořena několika fázemi oddělenými hraniční oblastí, ve které se vlastnosti skokově mění, např. v soustavě voda a vzduch (1. fáze – voda, 2. fáze – vzduch) se při přechodu z jedné fáze do druhé mění hustota, skupenství, index lomu aj.

Analytická chemie a její metody

• Analytická chemie je jedním z oborů chemie, který se zabývá zkoumáním chemického složení vzorků látek a směsí
• V poslední době patří mezi nejrychleji se vyvíjející obory
• Analytická chemie má široké uplatnění v praxi, nejvíce při výrobě, kdy je třeba kontrolovat, jaké látky obsahují konečné produkty
• Dělí se na dva podobory: analytickou chemii kvalitativní a kvantitativní

Analytická chemie kvalitativní

• Zabývá se zjišťováním a prokazováním přítomnosti konkrétních látek, prvků, iontů a funkčních skupin ve vzorku a neurčuje, v jakém množství se tyto složky ve vzorku vyskytují

Metody kvalitativní analýzy

Organická analýza

• Zkoušky čistoty, rozpustnosti, elementární analýza, důkazy funkčních skupin

Anorganická analýza

• Na suché cestě – zahřívání v baničkách, žíhání dmuchavkou, plamenové zkoušky, perličkové zkoušky
• Na mokré cestě – dělení a důkazy kationtů a aniontů

Analytická chemie kvantitativní

• Zabývá se zjišťováním množství jednotlivých složek ve zkoumaných vzorcích
• Přitom může jít o sledování zastoupení jednotlivých chemických prvků ve vzorku, ale i zkoumání obsahu chemických sloučenin v nejrůznějších směsích

Metody kvantitativní analýzy

Organická analýza

• Elementární analýza

Anorganická analýza

• Vážkové metody, odměrné metody

Nomenklatura anorganické a organické chemie

Nomenklatura anorganické chemie

Obecné principy názvosloví

• Základní veličinou, na níž je názvosloví anorganické chemie vybudováno, je oxidační číslo prvků.
• !!! Součet oxidačních čísel všech atomů v elektroneutrální molekule (vzorci) je roven nule.
• !!! Součet oxidačních čísel všech atomů v iontu je roven jeho náboji.

• Ve víceprvkových sloučeninách mají atomy kovů I.A skupiny(alkalické kovy) oxidační číslo I; atomy kovů II.A skupiny (kovy alkalických zemin) oxidační číslo II; atom fluoru -I; atom vodíku často I; atom kyslíku často -II; atom hliníku III.
• Názvy sloučenin se tvoří z názvů jejich součástí tak, aby co nejlépe vystihovaly stechiometrické poměry i strukturu dané sloučeniny. Ve většině případů je název sloučeniny složen z podstatného a přídavného jména. Podstatné jméno je odvozeno od elektronegativní části sloučeniny (u solí anion), přídavné jméno charakterizuje částelektropozitivní (u solí kation). V názvu se dodržuje pořadí podstatné jméno – přídavné jméno.

• K vyznačení počtu větších atomových skupin (např aniontů oxokyselin) nebo tam, kde by použití jednoduchých číslovkových předpon vedlo k nejasnostem, se používá násobných číslovkových předpon bis(…), tris(…), tetrakis(…) , …
• Číslovkové předpony nejsou nutné, pokud koncovky oxidačních čísel jednoznačně určují stechiometrické složení. (Je-li název sloučeniny jednoznačný, je možno číslovkové předpony vynechat)

Na₂S₂                      disulfid disodný (sodný)

Li₂HPO₄                 hydrogenfosforečnan dilithný (lithný)

Ca₃(PO₄)₂               bis(fosforečnan) trivápenatý (fosforečnan vápenatý)

(SO₃)₃                     oxid sírový trimerní

• U některých sloučeni vodíku je možno použít jednoslovný název, v němž se na prvém místě uvede název prvku nebo atomové skupiny se zakončením -o a připojí se slovo „vodík“.

HF          fluorovodík

HBr         bromovodík