Elektrolýza

Elektrolýza je velmi důležitý a v praxi využívaný redoxní děj. Aby mohla probíhat, potřebujeme dvě elektrody, zdroj stejnosměrného elektrického napětí a elektrolyt. Obě elektrody (katoda a anoda) jsou připojeny ke zdroji stejnosměrného elektrického napětí (každá k jinému pólu - na obrázku označené pomocí + a -) a musí být zavedeny do elektrolytu. Při takovém uspořádání vznikne uvnitř elektrolytu mezi elektrodami elektrické pole, které vyvolá usměrněný pohyb iontů v roztoku.

files/Clanky/Images/CHJ_04_Elektrolyza.png

Obr. 1 Jednoduché schéma průběhu elektrolýzy

Základní pojmy:

Elektroda – vodič elektrického proudu 1. třídy, tj. kov, např. železný plíšek, který je vodivě spojen s nekovovou vodivou částí obvodu (nejčastěji roztokem elektrolytu).

Elektrolyt – vodič elektrického proudu 2. třídy, tj. látka, která při rozpouštění nebo tavení disociuje (štěpí se) na volně pohyblivé nabité částice (ionty). Elektrolyty jsou především kyseliny, zásady a soli, např. chlorid sodný NaCl.

Kovové vodiče tedy vedou elektrický proud prostřednictvím elektronů a průchodem proudu se chemicky nemění, zatímco roztoky a taveniny elektrolytů vedou proud prostřednictvím iontů a průchodem proudu se naopak rozkládají na ionty, které podléhají chemickým změnám.

Anoda – elektroda, která je připojená ke kladnému pólu zdroje elektrického proudu, proto je nabitá kladně.

Katoda – elektroda, která je připojená k zápornému pólu zdroje elektrického proudu, proto je nabitá záporně.

 

Elektrolýza je složena ze dvou chemických dějů – oxidace a redukce.

Oxidace je děj, při kterém se zvyšuje oxidační číslo částic obsažených v elektrolytu, to znamená, že částice odevzdává své přebytečné elektrony elektrodě. Elektrony mají záporný náboj, proto tento děj probíhá na anodě (kladná elektroda). Záporně nabité částice (anionty) tedy putují k anodě, kde se oxidují.

Redukce je děj opačný k oxidaci. Dochází tedy ke snižování oxidačního čísla částic v elektrolytu, to znamená, že částice přijímají elektrony. Redukce probíhá na katodě, která „má přebytek elektronů“ - je záporně nabita (od zdroje k ní putují elektrony – teče k ní elektrický proud). Kladně nabité částice (kationty) putují ke katodě, kde se redukují.

Příkladem elektrolýzy může být elektrolýza vodného roztoku chloridu sodného (NaCl), který disociuje dle rovnice:

NaCl ↔ Na+ + Cl‾

Působením stejnosměrného elektrického proudu vznikají primární produkty elektrolýzy podle následujících rovnic:

Cl‾ – 1 elektron → Cl0 (oxidace, anoda)

Na+ + 1 elektron → Na0 (redukce, katoda)

Na katodě pak vyloučené atomy sodíku reagují s molekulami vody za vzniku sekundárních produktů elektrolýzy

2Na + 2H2O → 2NaOH + H2.

Elektrolýza je tedy děj, při němž průchodem stejnosměrného elektrického proudu roztokem nebo taveninou elektrolytu dochází k látkovým změnám. Podstatou těchto změn je výměna elektronů mezi nabitými ionty v elektrolytu a elektrodami. Z iontů se tak oxidačně-redukčními reakcemi stanou elektricky neutrální atomy nebo skupiny atomů, které se vylučují na elektrodách.

 

Využití:

  • Elektrolytická výroba kovů – kovy vyrábíme elektrolýzou jejich roztavené rudy. Tímto způsobem lze získat i jiné prvky než kovové, například jod.
  • Galvanické pokovování povrchů různých kovových předmětů – anoda musí být z kovu, kterým chceme pokrýt náš předmět (např. chceme klíč pokrýt mědí), elektrolytem je roztok kationu kovu, ze kterého je vyrobena anoda (síran měďnatý), a katodu tvoří předmět, který chceme pokrýt kovem (klíč). Po připojení ke zdroji elektrického proudu začne probíhat elektrolýza, anoda se začne rozpouštět, protože měď začne přecházet do roztoku v podobě měďnatých kationů, a na katodě se budou redukovat měďnaté kationy na měď, budou se tedy vylučovat na klíči.
files/Clanky/Images/CHJ_04_pred elektrolyzou.jpg files/Clanky/Images/CHJ_04_po elektrolyze.jpg

Obr. 2 Galvanické pokovování – situace před a po elektrolýze

 

  • Přečišťování kovů – anoda je ze znečištěného (surového) kovu, elektrolytem je roztok kationů tohoto kovu a na katodě se vylučuje čistý kov.

 

Faradayovy zákony:

Michael Faraday studoval vedení elektrického proudu v elektrolytech a své výsledky formuloval ve dvou zákonech popisujících průběh elektrolýzy po kvantitativní stránce:

  1. Faradayův zákon: Hmotnost látek vyloučených na elektrodách je přímo úměrná celkovému elektrickému náboji, který přenesly iony při elektrolýze.Matematické vyjádření zákona: m=A∙Q nebo-li m=A∙I∙t, kde A je elektrochemický ekvivalent látky, Q je náboj, I je proud a t je doba, kterou proud prochází. Vysvětlení: čím déle a čím větší proud prochází elektrolytem při elektrolýze, tím více látky se vyloučí na elektrodách.
  2. Faradayův zákon: Látková množství různých látek vyloučených při elektrolýze týmž nábojem jsou chemicky ekvivalentní. Vysvětlení: Pokud provádíme elektrolýzu různých látek a použijeme vždy stejně velký proud, vyloučí se nám vždy stejná látková množství elektrolyzovaných látek.

Literatura:

  1. Malmstajn.Elektrolyza.png. http://www.wikiskripta.eu/index.php/Soubor:Elektrolyza.png. Tento obrázek je publikován pod licencí Creative Commons Uveďte autora-Zachovejte licenci 3.0 Česko.
  2. http://www.cez.cz/edee/content/microsites/elektrina/fyz4.htm
  3. http://home.tiscali.cz/chemie/elektrolyza.htm
  4. http://www.e-chembook.eu/cz/obecna-chemie/elektrolyza
  5. http://www.vscht.cz/fch/pokusy/50.html
  6. http://www.cez.cz/edee/content/microsites/elektrina/2-2.htm
  7. http://www.e-chembook.eu/cz/obecna-chemie/poloclanky-a-clanky
  8. Zdeněk Opava. Chemie kolem nás.
  9. Jaroslav Honza, Aleš Mareček. Chemie pro gymnázia: 2 díl.
  10. Marika Benešová, Hana Satrapová. Odmaturuj z chemie.

 

Aminokyseliny

Aminokyseliny jsou látky, ze kterých je vytvořeno skoro celé lidské tělo. Protože jsou to deriváty karboxylových kyselin, musí stejně jako karboxylové kyseliny obsahovat skupinu atomů, která se skládá z atomu uhlíku, dvou atomů kyslíku a atomu vodíku (-COOH). Navíc ale obsahují ještě jednu skupinu atomů. Té se říká aminoskupina a obsahuje atom dusíku a dva atomy vodíku (-NH2). Strukturu obou skupin vidíš na obrázku.

CHJ 03 aminokyseliny

Obr. 1 Struktura karboxylové skupiny a aminoskupiny

CHJ 03 aminokyselina obecne

Obr. 2 Schematická struktura aminokyseliny

 Aminokyseliny se spojují do dlouhých řetězců. Spojením dvou až devadesáti devíti aminokyselin vzniká peptid. Spojením sta a více aminokyselin vzniká bílkovina, cizím slovem protein. Říkáme tedy, že aminokyseliny jsou základními stavebními jednotkami bílkovin.

Funkce aminokyselin v lidském těle:

tvoří základní stavební jednotky bílkovin a peptidů,

urychlují průběh biochemických reakcí,

jsou to výchozí látky pro výrobu jiných aminokyselin, hormonů, přenašečů...,

vytvářejí svalovou hmotu,

zajišťují rychlejsí zotavení organislu po fyzické zátěži,

ovlivňují srdeční činnost,

zlepšují viskozitu krve.

Biogenní (= proteinogenní) aminokyseliny:

V přírodě se vyskytuje více než 300 aminokyselin. Zvláštností je, že pouze 21 aminokyselin tvoří bílkoviny. Tedy všechny rostliny a všichni živočichové jsou tvořeni kombinací pouze 21 aminokyselin. Těmto aminokyselinám se říká biogenní aminokyseliny a jsou to:

Esenciální aminokyseliny – lidské tělo je nedokáže vyrobit, musíme je tedy přijmout v potravě – valin (V), leucin (L), izoleucin (I), fenylalanin (F), tryptofan (W), lysin (K), methionin (M) a threonin (T).

Neesenciální aminokyseliny – lidské tělo si je dokáže vyrobit – glycin (G), alanin (A), arginin (R), kyselina asparagová (D), asparagin (N), kyselina glutamová (E), glutamin (Q), cystein (C), prolin (P), histidin (H), serin (S), tyrosin (Y), selenocystein. 

Zdroje aminokyselin

Samotné aminokyseliny ve stravě prakticky nenajdeme. Ve stravě přijímáme bílkoviny, které naše tělo zpracuje a rozloží na jednotlivé aminokyseliny. Nejlepším zdrojem bílkovin jsou pro lidské tělo potraviny živočišného původu – vejce, maso, ryby, mléko. Důležité aminokyseliny jsou ale obsaženy i v rostlinných potravinách. Na bílkoviny jsou bohaté tyto potraviny: vejce, mléko a mléčné výrobky, ryby (tuňák, sardinky, losos, makrela), masa (hovězí, drůbeží, jehněčí, králičí, skopové), obiloviny (pšeničné klíčky, ovesné vločky, rýže, pohanka), luštěniny (čočka, hrách, fazole, sója), jádra ořechů (arašídy, mandle, vlašské ořechy, lískové ořechy, pistácie, kešu), semena (slunečnicová, sezamová, dýňová), ovoce (broskve, hrušky, vodní meloun, jablka, meruňky, papája, fíky, mango), zelenina (brambory, rajčata, květák, celer, petržel, řepa, špenát, květák), pivovarské kvasnice, houby.

CHJ 03 Good Food Display

Obr. 3 Ukázka pestré stravy plné různých aminokyselin

Literatura

1. Ludmila Lněničková. Struktura karboxylové skupiny a aminoskupiny. Tento obrázek je publikován pod licencí Creative Commons Uveďte autora-Zachovejte licenci 3.0 Česko.

2. Ludmila Lněničková. Schematická struktura aminokyseliny. Tento obrázek je publikován pod licencí Creative Commons Uveďte autora-Zachovejte licenci 3.0 Česko.

3. Lobo. Good Food Display – NCI Visuals Online.jpg. http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Good_Food_Display_-_NCI_Visuals_Online.jpg?uselang=cs. Tento obrázek je publikován jako volné dílo.

4. http://www.wikiskripta.eu/index.php/Aminokyseliny

5. http://web.vscht.cz/~dolezala/CHPP/4%20Aminokyseliny.pdf

6. http://www.e-aminokyseliny.cz/

Koroze

Koroze je postupné rozrušování kovů, ale i dalších materiálů (horniny, plasty) vlivem chemických reakcí s okolním prostředím. Tento děj se projevuje různě; od změny vzhledu až po úplný rozpad materiálu. Už jsi to jistě viděl na vlastní oči – zvětralé skály nebo zrezivělé železo. 

My se zaměříme na korozi kovů. Při tomto ději se vytváří na povrchu kovů vrstvička látek, většinou oxidů, které mění vlastnosti kovu a znehodnocují ho. Většinou korozi způsobuje atmosféra, která obsahuje vzdušnou vlhkost, ale také další agresivní látky, například oxid siřičitý a další. Čím více jich v atmosféře je, tím rychleji koroze probíhá. Některé kovy (např. hliník, měď, zinek) se však na vzduchu pokrývají tenkou, ale souvislou vrstvou sloučenin, která kov chrání před další korozí. Tomuto ději se říká pasivace kovů.

Nejznámějším druhem koroze je rezavění, které patří do skupiny reakcí zvaných oxidace. Rez je červenohnědý povlak, který vzniká chemickou reakcí železa se vzdušnou vlhkostí a kyslíkem. Rezivět mohou tedy jen železné předměty. Rezavěním se vytváří vrstva oxidů železa (stručně bývá rez označována jako hydratovaný oxid železitý – Fe2O3 . xH2O, i když jde o složitější směs oxidů železa), kterými se železný předmět pokryje. Rez ale postupně odpadává a odhaluje ještě neporušené železo, které je pod ním. A tak rezavění probíhá dál a dál. Oxidy železa mají úplně jiné vlastnosti než železo, proto se tento předmět stává postupně pro svůj účel nepoužitelným. 

CHJ 02 Rust and dirt

Obr. 1 Jak vypadá rez zblízka

Jak proti korozi bojovat?

Proti korozi musíme chránit téměř veškerý materiál. Kovové předměty před korozí chráníme:

a) olejováním a mazáním železných částí strojů a zařízení

b) nanášením různých nátěrových látek a smaltováním

c) vytvořením ochranných povlaků z odolnějších kovů: pozinkování - okapové roury, poniklování - jehly, pochromování - ozdobné části automobilů.

Boj proti korozi je důležitý, aby za krátký čas většina našich materiálů nedopadla tak, jak vidíš na druhém obrázku.

 CHJ 02 Corrosion r43

Obr. 2 Co dokáže způsobit koroze

Literatura: 

 1. Roger McLassus. Rust and dirt.jpg. http://cs.wikipedia.org/wiki/Soubor:Rust_and_dirt.jpg. Tento obrázek je publikován pod licencí GNU Free Documentation License.

2. Snoopy1974. Koroze r43.JPG. http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Corrosion_r43.JPG#file. Tento obrázek je publikován jako volné dílo.

3. http://www.kmt.tul.cz/edu/podklady_kmt_magistri/KPU/koroze%20druhy%20vscht.PDF

4. https://ukmki.vscht.cz/files/uzel/0016736/Koroze%20kov%C5%AF.pdf?redirected

5. http://www.komenskeho66.cz/materialy/chemie/WEB-CHEMIE9/koroze.html

6. http://cs.wikipedia.org/wiki/Koroze

Hoření

Hoření, které máme běžně na mysli, je prudká fyzikálně-chemická reakce. Však to sámi jistě znáte. Látka zahřátá na určitou teplotu, která je pro každou látku charakteristická, se slučuje s kyslíkem. Proto i hoření patří do reakcí zvaných oxidace. Zároveň dochází k vývoji tepla a světla, které vidíme a cítíme jako oheň. Asi není pro nikoho novinkou, že vznikají také zplodiny hoření, což je původní látka změněná touto reakcí.

Hoření ale obecně není jen slučování hořlavé látky s kyslíkem, ale i s dalšími reaktivními plyny. Například sodík může hořet v kyslíku, ale stejně krásně i třeba v chloru.

Druhy hoření:

Dokonalé hoření: je hoření, při kterém nevznikají zplodiny schopné dalšího hoření a zpravidla vzniká pouze oxid uhličitý a vodní páry.

Nedokonalé hoření: je hoření, při kterém vznikají zplodiny schopné dalšího hoření, které jsou často výbušné a toxické (oxid uhelnatý, kyanovodík, atd.).

Hořlaviny:

Jsou to látky, které se dají snadno zapálit, reagují tedy prudce a snadno s kyslíkem za vzniku plamene. Hořlaviny dělíme na 4 třídy podle toho, jak lehko vzplanou. Tyto látky jsou tedy nebezpečné, a proto se označují výstražným symbolem.

CHJ 01 GHS pictogram flamme.svg maly

Obr. 1 Symbol označující hořlavou látku (platný od roku 2008)

CHJ 01 Hazard F svg

Obr. 2 Symbol označující hořlavou látku (symbol používaný dříve)

Pokud se nacházíte v blízkosti nějaké hořlaviny, pak nesmíte pracovat s otevřeným ohněm – nesmíte si tedy ani zapálit svíčku, ani (a to doufám, že vás ani nenapadne) cigaretu. A že jste se ještě nikdy s žádnou hořlavinou nesetkali? Omyl! Například všechny paliva jsou hořlaviny, tedy ropa, propan-butan, benzín…

Plamen svíčky a teplota:

CHJ 01 svicka maly

Obr. 3 Teplota plamene svíčky není všude stejná

Literatura

1. Torsten Henning. GHS-pictogram-flamme.svg. http://cs.wikipedia.org/wiki/Soubor:GHS-pictogram-flamme.svg. Tento obrázek je publikován jako volné dílo.

2. PhroodHazard F.svg. http://cs.wikipedia.org/wiki/Soubor:Hazard_F.svg. Tento obrázek je publikován jako volné dílo.

3. 4028mdk09. Einzelne Kerze.JPGhttp://commons.wikimedia.org/wiki/File:Einzelne_Kerze.JPG. Tento obrázek je publikován pod licencí Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0 Unported licence.

4. dum.rvp.cz/materialy/stahnout.html?s=iecgukvq‎

5. http://www.dzz.kvalitne.cz/otazky/pv.doc

6. http://www.pozary.cz/clanek/2163-co-by-mel-znat-kazdy-a-nejenom-hasic/