Vlastnosti látek
Každý z nás je jedinečná bytost. Podobně jako se liší lidé svým vzhledem, chováním nebo schopnostmi, i látky se odlišují svými charakteristickými vlastnostmi. Tyto vlastnosti látek jsou dány druhem a uspořádáním jejich základních stavebních částic. Můžeme tak říct, že se látky vzájemně liší svojí strukturou.
Vlastnosti látek
O vlastnostech látek si určitě budete povídat při hodinách fyziky, kde toto téma představuje klíčovou část učiva. Nicméně právě zde můžete krásně pozorovat, jak se různé přírodní vědy navzájem proplétají a jak můžete vědomosti z jedné oblasti snadno využít v oblasti jiné. Dnes se zaměříme na vlastnosti látek, které jsou obzvláště zajímavé z hlediska chemie.
V chemii je především naším cílem zjistit, jaké vlastnosti mají různé látky. Často je nejjednodušší použít naše smysly, třeba zrak, popřípadě hmat (při dodržení bezpečnostních opatření). Tak můžeme zjistit, jestli je látka pevná nebo kapalná.
Jestliže chemik objeví novou látku, nejprve prozkoumá její fyzikální vlastnosti. Zjistí, jak se daná látka rozpouští ve vodě, při jaké teplotě vzplane nebo taje, jestli dokáže lámat světlo a tak dále. Až poté se snaží objasnit její strukturu. To může provést dvěma způsoby. Buď použije měřící přístroje nebo může nechat látku reagovat s jinou látkou a zjistí tak její chemické vlastnosti. Tím provede chemický pokus.
Chemický pokus
Můžeme říct, že vlastnosti látek se projevují především při dějích – chemických a fyzikálních. Chemický děj je většinou způsoben reakcí jedné látky s jinou látkou, kdy dochází ke změně ve složení látek. Jako příklad chemického děje si zmíníme hoření. Vlastnosti látek, které se projevují při chemických dějích, nazýváme chemickými vlastnostmi (např. reaktivita, hořlavost).
Chemický děj a chemické vlastnosti
Hoření ocelové vlny
Hoření ocelové vlny na vzduchu je chemická reakce železa s kyslíkem za vzniku oxidů železa.
Na hliníkovou misku nebo tácek vytvarovaný z alobalu si odvažte přesně přibližně 4 g ocelové vlny. Přesnou hmotnost ocelové vlny si zaznamenejte. Vlnu načechrejte tak, aby se k vláknům mohl dostat vzduch. Zároveň dbejte na to, aby byl chomáč kompaktní.
Připravte si 9V baterii nebo zapalovač.
Zapalte ocelovou vlnu na misce na několika místech. Vlnu lze pomocí 9V baterie zapálit tak, že se oběma póly baterie dotknete vlny. Následně ústy nebo pomocí horkovzdušné pistole či fénu na ocelovou vlnu foukejte tak, aby nezhasla, nerozfoukala se z misky, ale
aby celá prohořela. Pokud zhasne, zapalte ji znovu pomocí baterie nebo zapalovačem.
Jakmile železo celé shoří, zaznamenejte si hmotnost zbytku na misce.
Na druhou stranu existují i děje, při kterých se složení látek nemění, takové nazýváme fyzikálními ději (např. změny skupenství, rozpouštění). Vlastnosti, které charakterizují tyto fyzikální děje, jako je teplota tání, varu a hustota, se nazývají fyzikálními vlastnostmi.
Fyzikální děj a fyzikální vlastnosti
Kvalitativní vlastnosti
Fyzikální vlastnost, kterou dokážeme odlišit pouhým zrakem je třeba skupenství nebo barva. Takové vlastnosti látek, které poznáváme prostřednictvím našich smyslů – pozorováním, se nazývají kvalitativní vlastnosti. Zrakem můžeme také pozorovat tvar nebo lesk. Čichem zase vůni či zápach. Hmatem můžeme někdy zjistit, jestli je látka teplá nebo studená, pružná nebo pevná, hrubá nebo jemná. Sluchem můžete rozpoznat, zda je třeba látka zvukově vodivá. Posledním našim smyslem je chuť, avšak vy už víte, že v chemické laboratoři nikdy nic neochutnáváme!
Skupenství
To, jestli vás někdo postříká vodou nebo po vás hodí kostku ledu, je markantní rozdíl a sami byste jej na vlastní kůži jistě pocítili.
V současnosti známe 4 skupenství látek: 3 základní skupenství (pevné, kapalné, plynné) a plazmu. Jednotlivá skupenství mají své charakteristické vlastnosti.
Skupenství je konkrétní forma látky, která je charakterizována především uspořádáním částic.
V chemii při zápise chemických reakcí využíváme zkratky pro 3 základní skupenské stavy:
1) pevné skupenství (s) z lat. solidus
2) kapalné skupenství (l) z lat. liquidus
3) plynné skupenství (g) z lat. gasseus
V pevném skupenství stavební částice (Obr. 16) drží pohromadě pevnými silami a nemohou měnit svoji polohu, mohou pouze kmitat kolem své rovnovážné polohy. Díky tomu má pevná látka definovaný tvar, pevný objem.
Pevným látkám, kde je uspořádání částic pravidelné, říkáme krystalické látky (sůl, diamant, grafit). Pevné látky bez pravidelné struktury nazýváme amorfní (vosk, sklo, saze).
Částice pevné látky jako žáci ve třídě?
Částice v krystalické mřížce můžeme přirovnat k žákům ve třídě, kde každý žák má své místo v lavici. Často se žáci během vyučovací hodiny vrtí na svém místě, ale nemohou ho libovolně opustit, podobně jako částice v krystalu, které vibrují na svých pozicích, ale neopouštějí své místo.
Pevné skupenství
Kapalná voda teče, ale víte vlastně proč? Opět za to mohou stavební částice (Obr. 17). Ty jsou v kapalném skupenství sice blízko sebe, ale nemají pevně určené místo, mohou se vůči sobě posouvat a volně pohybovat v celém objemu kapaliny. Zároveň síly, které je drží pohromadě, jsou mnohem slabší než u pevných látek. Díky tomu je kapalina tekutá a proteče vám mezi prsty.
Limonáda v kulaté nádobě má jiný tvar než v hranaté, ale 1 litr limonády je stále 1 litr limonády, ať už ji nalijeme kamkoliv. Kapalina má tedy pevný objem, ale nemá sama o sobě definovaný tvar – vždy se přizpůsobí tvaru nádoby nebo prostředí.
Částice kapalné látky jako žáci ve školní jídelně?
Částice v kapalné látce můžeme opět přirovnat k žákům, akorát se teď podíváme na situaci ve školní jídelně. Žáci se vzájemně předbíhají, mohou o sebe zakopnout a pohybovat se tak přes sebe, a když jeden dojí svůj oběd, tak si na jeho místo sedne někdo jiný.
Kapalné skupenství
V plynu jsou částice (Obr. 18) daleko od sebe, rychle se pohybují a snadno mění svoji polohu. Plyny jsou schopny velmi snadno měnit svůj tvar i objem.
Z toho plyne, že plyn po umístění do jakékoli uzavřené nádoby během pár okamžiků rovnoměrně vyplní celý její objem. Spolu s kapalinami se plyny nazývají tekutiny.
Částice plynné látky jako děti na hřišti?
Částice v plynu se chovají podobně jako děti na hřišti, mohou si volně pobíhat a občas do sebe prostě narazí.
Plynné skupenství
Posledním skupenstvím je plazma. Pravděpodobně jste slyšeli pojem plazma ve spojení s biologií. V biologii slovem krevní plazma označujeme tekutou složku krve. Je to nažloutlá tekutina tvořená převážně vodou, ale také velkou spoustou důležitých bílkovin a jiných organických molekul. V chemii a fyzice slovem plazma označujeme plynné skupenství, které je tvořeno elektricky nabitými částicemi. Mezi příklady přírodního plazmatu řadíme oheň či blesk (Obr. 19).
Plazma
Změny skupenství
Je rtuť kapalná, plynná nebo pevná. Odpověď je ANO! Vše je totiž správně, záleží ale na teplotě a tlaku.
Za normálních podmínek, tj. je teplota 20 °C a tlak 101,325 kPa je však rtuť taková, jakou ji známe nejvíce – kapalná. Látky přecházejí mezi jednotlivými skupenstvími (Obr. 20) právě v závislosti na teplotě a tlaku.
Přeměna pevné látky na kapalnou se nazývá tání a přeměna kapalné na pevnou tuhnutí. Přeměna kapalné látky na plynnou se nazývá vypařování a přeměna plynné na kapalnou kondenzace. Některé látky se mohou měnit přímo z pevného skupenství na plynné. Říkáme, že látka sublimuje a v opačném směru desublimuje.
Podívejte se na změny skupenství prostřednictvím interaktivní simulace.
Animace – změny skupenství
Některé látky se postupně mohou nacházet i ve více skupenstvích, mezi nimiž mohou v rámci změn skupenství přecházet . Jedná se například o vodu (pevné skupenství – led, kapalné skupenství – voda, plynné skupenství - vodní pára). Ne každá látka však musí existovat ve všech skupenstvích.
Každá kapalina má tendenci vypařovat se, i při běžných pokojových teplotách. Tento proces se však odehrává pouze na povrchu kapaliny. Částice kapaliny jsou neustále v pohybu a může se stát, že se některé z nich z povrchu kapaliny odrazí a přejdou do plynné fáze.
Vypařování
Nicméně, když zahřejeme kapalinu, jako je například voda v hrnci, urychlíme pohyb těchto částic a tím i proces vypařování. Jakmile teplota vody dosáhne 100 °C, což je teplota varu vody, začne voda intenzivně vřít. V tomto okamžiku se voda v celém svém objemu mění na plynnou fázi.
Důsledkem zahřátí na bod varu je dodání dostatečného množství energie, která překoná slabé vazby mezi částicemi kapalné látky, což vede k jejich oddělení a vzniku páry.
Var
Teplota varu
Teplotu varu tv je zjednodušeně teplota, při které kapalná látka přechází z kapalného skupenství do skupenství plynného v celém svém objemu. Měříme ji nejčastěji ve °C a jako měřidlo používáme teploměr.
Fyzikální chemik by však řekl, že teplota varu je teplota, při níž tenze par nad kapalinou dosáhne vnějšího tlaku. Při teplotě varu se kapalina vypařuje z celého svého objemu, nikoli jen z povrchu, jako je tomu u vypařování.
Při teplotě varu se kapalina vypařuje z celého svého objemu, nikoli jen z povrchu, jako je tomu u vypařování.
Vložíme-li hrnec s vodou do mrazáku, po určité době mrazák odebere molekulám vody energii, což zpomalí jejich pohyb. Tyto molekuly se postupně uspořádají tak, aby bylo pro ně energeticky výhodnější, a tím přecházejí do pevného skupenství, což se projeví vytvořením ledu.
Tuhnutí
Teplota tuhnutí
Teplota, při které látka přechází z kapalného do pevného skupenství, se označuje jako teplota tuhnutí.
Naopak, když částicím pevné látky dodáme energii (například zahřátím), jejich rychlost se zvýší. V určitém okamžiku dosáhnou rychlosti, při níž přetrhají vazby, které je drží na místě a opustí své pevné pozice, což jim umožní volně se pohybovat. V této chvíli se pevná látka promění v kapalinu. Tuto teplotu nazýváme teplota tání.
Tání
Teplota tání
Teplotu tání tt je teplota, při které látka přechází z pevného skupenství do skupenství kapalného. Měříme ji nejčastěji ve °C a jako měřidlo používáme teploměr.
Elektrická vodivost
Další významnou vlastností látek je jejich schopnost vést elektrický proud, což nazýváme elektrickou vodivostí.
Pravděpodobně jste již slyšeli o elektrickém proudu. Bez něj byste si doma asi neposvítili, ačkoliv někdo samozřejmě namítne, že si můžeme zapálit svíčku. Ale přemýšleli jste někdy, co to vlastně elektrický proud je?
Můžete si jej představit jako proud částic, které nesou elektrický náboj. A různá schopnost látky vést tento elektrický proud je dána různou schopností přenášet právě tento elektrický náboj
Látky, které obsahují velké množství volných nábojů, které se mohou působením elektrického pole ve vodiči přemísťovat a může tak jimi téct elektrický proud, nazýváme elektrické vodiče. Klasickými zástupci vodičů jsou hlavně kovy (např. železo, měď, stříbro, zlato aj.).
Vodiče
Naopak látkám, kterými nemůže téct elektrický proud (anebo jen velmi obtížně), říkáme elektrické izolanty. To je třeba plast, sklo, porcelán a spousta dalších. Tyto látky neobsahují volné částice s elektrickým nábojem, a proto zamezují průtoku elektrického proudu.
Elektrické izolanty
Kvantitativní vlastnosti
Některé vlastnosti však nejdou zjistit pouhými našimi smysly a musíme je zjistit jinak. A jak? Měřením, což nám umožňuje získat konkrétní hodnoty veličin. Tyto hodnoty potom vyjadřujeme v příslušných jednotkách. Vlastnosti látek, které zjišťujeme měřením, nazýváme kvantitativní.
Hlavní vlastnosti, které měříme jsou: teplota varu, teplota tání a hustota, objem, hmotnost aj.