Základní vlastnosti látek
Hlavní záložky
1. Skupenství látek a fázové přeměny
Každá látka se může vyskytovat ve skupenství pevném, kapalném, plynném či plazmatu. Jednotlivá skupenství mají své charakteristické vlastnosti. Látky přecházejí mezi skupenstvími v závislosti na teplotě a tlaku. Tyto přechody nazýváme jako fázové přeměny.
Látka v pevném skupenství má stálý tvar (pokud na ni není působeno vnější silou) a je nestlačitelná. Pevné látky rozdělujeme dle jejich vnitřní struktury na krystalické a amorfní. V prvním případě se látka skládá z pravidelně uspořádaných částic v krystalové mřížce, kde se nemohou částice volně pohybovat, jen kmitat kolem své rovnovážné polohy, zatímco v druhém případě mají částice jen krátkodosahové uspořádání. Mezi běžné krystalické látky řadíme například sůl, diamant či modrou skalici. Sklo, asfalt či vosk patří mezi látky amorfní.
Obr.: Ukázky krystalových mřížek - prosté, plošně centrované a prostorově centrované
Krystalické pevné látky přechází do kapalného skupenství při dosažení teploty (bodu) tání (při této teplotě se daná látka vyskytuje jak ve skupenství pevném, tak i kapalném). Teplota tání je závislá na tlaku - s rostoucím tlakem dochází ke snížení bodu tání pro danou látku. Amorfním látkám nelze změřit bod tání, neboť tají plynule při zahřívání. Většina pevných látek zvětšuje při zahřívání svůj objem, z čehož vyplývá i změna hustoty dané látky. Některé látky při zahřání za běžného tlaku sublimují, tedy přecházejí z pevného skupenství do plynného. Mezi tyto látky patří například jod, naftalen, chlorid amonný či kofein.
„Do kádinky postavené na síťce s keramickou vložkou ležící na trojnožce nasypeme 0,2 g jodu. Na kádinku položíme hodinové sklíčko, na které nalijeme studenou vodu. Zapálíme kahan a obsah kádinky začneme pozvolna zahřívat. Zahřívání ukončíme, jakmile budeme na hodinovém sklíčku pozorovat vznik krystalků jodu.“
Kapaliny zaujímají tvar dle nádoby či prostředí, ve kterém se nachází. Ačkoliv by měla být ideální kapalina nestlačitelná, u reálných kapalin je mírné stlačení pozorovatelné. Společně s plyny jsou kapaliny tekuté (kapaliny i plyny se nazývají souhrnným názvem tekutiny). Částice kapalin nejsou vázány v pevné mřížce, jako tomu je u krystalických látek, ale mohou se volně pohybovat v celém objemu kapaliny. Na povrchu kapaliny dochází při každé teplotě k jejímu vypařování (přechodu do plynného skupenství) - tento jev můžeme pozorovat například jako opar nad rybníkem. Kapalina (v celém svém objemu) začíná přecházet do plynného skupenství po dosažení své teploty (bodu) varu. Tato hodnota je funkcí tlaku - s rostoucím tlakem se zvyšuje i teplota varu dané látky. S rostoucí teplotou dochází mnohdy i ke změně objemu kapalin, a tak i její hustoty.
Plyny jsou tekuté (stejně jako kapaliny patří mezi tekutiny) a stlačitelné látky. Nemají stálý tvar ani objem. Během procesu zvaného kapalnění (kondenzace) a při teplotě varu přechází v kapalné skupenství. Některé plyny (páry) přechází po ochlazení do pevného skupenství (desublimují).
Zahříváním čiionizací plynu přechází látka do skupenství plazmatu. Plazma je plyn tvořený ionty a volnými elektrony. Mezi příklady přírodního plazmatu řadíme oheň či blesk. Umělé plazma nalezneme například v zářivkách (výboje).
Obr.: V plazmové kouli můžeme pozorovat elektrické výboje
Jednotlivá skupenství můžeme označit za fázi látky. Změnou teploty a tlaku může docházet k jednotlivým fázovým přeměnám. Závislost těchto veličin na skupenství látky zobrazuje fázový diagram.
Obr.: Fázový diagram
Při zahřívání může pevná látka přecházet ve skupenství kapalné (tát) či plynné (sublimovat). Pouze některé látky po zahřání za běžného tlaku sublimují. Kapalina se při každé teplotě vypařuje (tento děj probíhá pouze na jejím povrchu), při dosažení bodu varu začne vřít (přecházet v plyn) v celém svém objemu. Plynná látka se může dále zahřívat či ionizovat za vzniku plazmatu, či chladit tak, aby vznikala kapalina (docházelo ke kondenzaci, zkapalnění) či pevná látka (nastáva desublimace).
Obr.: Přehled skupenských přeměn
Z fázového diagramu vyplývá, že plyn můžeme zkapalnit nejen snížením teploty, ale i tlaku (tímto procesem se zkapalňuje mnoho plynů, které se distribuují v tlakových lahvích). Dále lze zjistit, že každá látka při určitém tlaku může po zahřání sublimovat. Spojnice křivek na fázovém diagramu se nazývá trojný bod - při této teplotě a tlaku se daná látka vyskytuje ve všech 3 skupenstvích zároveň.
Barevnost je způsobena přechody elektronů mezi rozdílně energeticky bohatými elektronovými hladinami v atomech dané látky. Tyto přechody jsou spojeny s vyzářením energie v podobě fotonů. Pokud spadá vlnová délka těchto fotonů do viditelné oblasti spektra, můžeme ji vnímat jako barvu. Většina barevných látek obsahuje násobné vazby (energetický přechod je způsoben převážně excitací π elektronů). Oproti tomu látky obsahující výhradně jednoduché vazby jsou většinou bezbarvé. Část molekuly, která způsobuje barevnost látky, se nazývá chromofor.
Rozpustnost látek je převážně ovlivněna typem chemické vazby, která se nachází jednak v částicích rozpouštěné látky, ale také rozpouštědla - ty dělíme na polární a nepolární. Hlavním zástupcem polárních rozpouštědel je voda. Tyto rozpouštědla v sobě dobře rozpouští iontové sloučeniny (např. NaCl). Naopak rozpouštědla nepolární (např. chloroform, aceton) jsou vhodnými rozpouštědly pro látky s rovněž nepolárními vazbami. Pro rozpustnost platí známé rčení „podobné se rozpouští v podobném“.
„Připravíme si 4 zkumavky, přičemž do dvou nasypeme půl lžičky manganistanu draselného a do dalších dvou stejné množství jodu. Vezmeme jednu zkumavku s manganistanem a jednu s jodem a do obou přilijeme do poloviny jejich objemu vodu. Do zbylých dvou zkumavek přilijeme benzín. Obsahy obou zkumavek důkladně promícháme.“
Látky mohou být omezeně či neomezeně rozpustné v určitých rozpouštědlech. Třeba líh můžeme neomezeně mísit s vodou, zatímco cukr se v ní po dosažení stavu nasycenosti přestane rozpouštět. Rozpustnost je brána jako chemická vlastnost, neboť se při tomto ději často mění uspořádání vazeb mezi látkami.
Hoření je prudká reakce látky s kyslíkem doprovázena uvolněním velkého množství energie ve formě světla a tepla. Látky jsou schopné hořet po dosaženíteploty vzplanutí v běžné atmosféře (v ní zaujímá kyslík 21 %), produkty jejich hoření jsou různé. Může rovněž dojít ke vzplanutí látek bez přístupu vzduchu – ty však mají kyslík obsažený přímo ve své struktuře. Na tomto principu funguje například černý střelný prach. Ten je tvořený dusičnanem draselným, sírou a uhlím – dusičnan draselný obsahuje vázaný kyslík, který se po dodání energie uvolní, a tak umožní hoření síry a uhlí.
5. Důležité chemické a fyzikální vlastnosti
V následující části článku jsou popsány nejdůležitější vlastnosti látek, se kterými se budeme často setkávat při studiu kapitol chemie anorganické, organické i biochemie.
Hustota určuje hmotnost látky připadající na daný objem. Značí se ρ (čti ró). Čím má látka větší hustotu, tím má při stejném objemu větší hmotnost (je těžší). Hustota látek se vypočítává jako podíl hmotnosti a objemu:
ρ = m/V
Základní jednotkou hustoty je kg·m-3, velmi často se pracuje rovněž s jednotkou g·cm-3 (což je tisícina hodnoty hustoty uvedené v základní jednotce). Hustotu kapalin lze změřit pomocí hustoměrů, u pevných látek a plynů se musí vypočítat. Pro výpočet hustoty plynů je možné v nejjednodušším případě užítstavové rovnice ideálního plynu (takový plyn, jehož jednotlivé částice na sebe silově nepůsobí) pV=nRT, která určuje vztah mezi tlakem, objemem a teplotou plynu. Poměrně jednoduše se dá z této rovnice odvodit vztah pro hustotu plynu ρ=(Mp)/(RT) (dosadíme za n=m/M a uvědomíme si, že podíl m/V můžeme přeznačit jako ρ). Tento vztah nám tedy říká, jak ze znalosti teploty, tlaku a molární hmotnosti plynu určit jeho hustotu.
Tab.: Příklady hustot látek
| Název látky | Hustota [g·cm-3] | Název látky | Hustota [g·cm-3] |
| Vodík H2 | 0,09·10-3 | Železo Fe | 7,86 |
| Kyslík O2 | 1,43·10-3 | Zlato Au | 19,32 |
| Benzín | 0,69 | Olovo Pb | 11,34 |
| Líh C2H5OH | 0,79 | Rtuť Hg | 13,50 |
| Voda H2O | 1,00 | Osmium Os | 22,61 |
Teplota tání určuje teplotu, při které existuje daná látka ve skupenství pevném i kapalném zároveň. Při této teplotě dochází k tání i tuhnutí látky.
Teplota varu určuje teplotu, při které existuje daná látka ve skupenství plynném i kapalném zároveň. Při této teplotě dochází k varu i kondenzaci látky.
Atomy prvku mají schopnost přitahovat valenční elektrony jiného prvku do svého atomového obalu. Elektronegativita vyjadřuje intenzitu, s jakou atom tyto elektrony přitáhne. Hodnoty elektronegativit je možné publikovat dle různých stupnic, mezi nejběžnější patří Paullingovy a Allred-Rochowy hodnoty elektronegativit. Nejvyšší elektronegativitu má fluor a nejnižší francium (nejelektropozitivnější prvek).
Ionizační energie je hodnota energie, která je nutná dodat pro odtrhnutí jednoho elektronu z obalu atomu. Tato energie se udává nejčastěji v jednotce kJ·mol-1. Čím je tato hodnota vyšší, tím méně ochotně opouští elektron atomový obal.
Graf: Závislost protonového čísla prvku a jeho ionizační energii
Elektronová afinita je hodnota energie, která se uvolní po přidání jednoho elektronu do obalu atomu. Tato energie se udává nejčastěji v jednotce kJ·mol-1.
