Rychlokurz chemie
Rychlokurz chemie (7/43) · 12:40

Voda a roztoky Voda je klíčem téměř ke všemu. Padá z oblohy, tvoří 60 % našich těl a prakticky každá reakce v živých organismech probíhá v ní. Dozvíme se, co dělá vodu tak dobrým rozpouštědlem, jaké známe typy roztoků a jak spočítat jejich koncentraci.

Padá z nebe, tvoří asi 60 % našich těl, a je součástí téměř všech chemických procesů souvisejících s životem: H₂O. Žádná z chemických reakcí, díky kterým žijeme, by bez ní nebyla. Ty, které udržují život všemožných forem na Zemi, by bez ní nebyly. Ani většina anorganických chemických reakcí, které utvořily povrch Země, by nebyla. Voda je klíčem téměř ke všemu. A jedním z důvodů je to, že je tak dobrá v rozpouštění. Potřebujeme ji tak moc, že jí do sebe ročně nalijeme přes 680 litrů, abychom si uvnitř buněk udrželi vodný roztok, protože vodné prostředí je pro parádní chemii to nejlepší. Každý z nás vodu denně využívá k různým chemickým procesům. Chemické procesy v těle, v jídle, a ano, i u prádla, se všechny dějí ve vodě. Fuj. [Znělka] Tahle ponožka bývala bílá. Teď je spíš šedá a místy i nažloutlá. Ale chci aby byla zase bílá a využiji k tomu chemii. K vybělení bílé se dá použít roztok chloranu sodného, neboli bělidla. Bělidlo je silné oxidační činidlo, a proto taky bělí tak dobře. Atom kyslíku totiž skvěle přitahuje elektrony jiných sloučenin, tím je štěpí. Sice je to vážně užitečné na skvrny, ale ze vzorce poznáte, že bělidlo obsahuje také chlór, který je náhodou skvělý zabiják. Proto ho využíváme v bazénech a jako dezinfekci. Dobrých oxidačních činidel je ale spousta a třeba peroxid vodíku chlór neobsahuje. Také se dá použít jako bělidlo a stejně jako voda obsahuje jen vodík a kyslík. O oxidaci a jiných reakcích si popovídáme za pár týdnů. Nejdřív je ale třeba porozumět roztokům. Napřed se zbavím toho prádla, trošku totiž zapáchá. Tahle láhev peroxidu vodíku obsahuje roztok nejen pro moje špinavé prádlo. Roztokem mám na mysli kapalinu, ve které je rozpuštěná nějaká další látka. Mým rozpouštědlem je voda a rozpuštěnou látkou je peroxid vodíku. Voda je úžasné rozpouštědlo, pravděpodobně to nejlepší na světě. Proč? Důvodů je mnoho. Skvělé je už to, že je jí na světě tolik. Voda je kapalná při široké škále teplot a rozpouštědlo musí být kapalné. Voda je taky silně polární molekula. Pamatujete, jak jsem říkal, že kyslík skvěle přitahuje elektrony? Atomy kyslíku jsou elektronegativnější než vodík. Atom kyslíku přitahuje elektrony v molekule silněji než atom vodíku. Proto elektrony molekuly vody tráví většinu času v blízkosti kyslíku a předávají kyslíku částečný záporný náboj a atomům vodíku částečný kladný náboj. Díky téhle polaritě je voda tak účinným rozpouštědlem pro jiné polární molekuly. Například cukr, co jsme si minulý týden dali do čaje, byl polární. Když pevnou polární látku jako cukr vmícháte do polární kapaliny jako voda, molekuly vody obklopí molekuly cukru. Záporný náboj molekul vody je přitahován ke kladnému náboji cukru a naopak. Při vzájemné reakci s molekulami cukru se voda vmísí mezi molekuly cukru, které předtím byly shluknuté do cukrových krystalků. V litru vody lze rozpustit až 1800 gramů sacharózy. Pokud je rozpouštědlo voda, mluvíme o vodných roztocích. A nazývám je tak i teď, abyste si pamatovali, že se jim tak říká. Vodné. Z vody, nerostů i z kyselin lze vyrobit mnoho různých vodných roztoků. Etanol, který tvoří 95 % tohohle obilného alkoholu, je polární. Takže se dobře rozpouští ve vodě. Ne-iontové, nepolární látky ale voda nerozpouští. Třeba olej není polární, a proto s vodou neinteraguje. Když je smícháte, oddělí se. Díky polaritě má voda i další užitečné vlastnosti. Může například snížit přitažlivost mezi ionty s odlišným nábojem. Je to kvůli dielektrickým vlastnostem vody. Například kuchyňská sůl. Je vyrobená z kladně nabitých iontů sodíku a záporně nabitých iontů chlóru. Když ji smícháte s vodou, voda sůl rozpustí na dílčí ionty. Molekuly vody obklopí jednotlivé ionty a chrání je před vzájemným vlivem elektrického náboje. Ionty ve vodě se pak nazývají elektrolyty, doslova "uvolněná elektrická energie". Oddělení pomocí rozpuštění jim umožňuje nezávisle se se svým nábojem pohybovat. Možná jste o elektrolytech slyšeli v biologii, ale určitě jste o nich slyšeli v reklamách na iontové nápoje. Vaše tělo elektrolyty potřebuje pro přenos elektrických signálů, které hýbou svaly, zažehávají mozkové buňky a umožňují všechno kolem žití. Krom toho, že vám elektrolyty pomáhají žít, jsou velice důležité pro klasifikaci chemických roztoků. Čistá voda sama o sobě elektrický náboj nevede, což se možná zdá zvláštní... Koupat se s fénem je i přes to dost špatný nápad. Když do vody přidáte sůl, tedy iontovou pevnou látku, rozpustí se na elektrolyty. A právě elektrolyty vedou elektrický náboj. Možná jste to nečekali, ale za to zjištění vděčíme švédskému fyzikovi Svantemu Arrheniovi. Když v 80. letech 19. století pracoval na své dizertaci, přišel s myšlenkou, že elektrická vodivost roztoku souvisí s jeho iontovou koncentrací. Už jeho předchůdce, britský supergénius Michael Faraday objevil, že látky rozpuštěné ve vodě vedou elektrický proud. Faraday neuměl věci pojmenovávat, a tak napsal Williamu Whewellovi, který tím byl vyhlášený. Možná jste zaslechli něco o jeho slavném výtvoru slova "vědec". Whewell Faradayovi odpověděl: "Navrhuji, aby se konstituenty vzniklé elektrolýzou nazývali aniont a kationt." A oba souhrnně můžete nazývat 'ionty'." Teď jsme narazili na něco, čeho jsem si napřed nevšiml. Whewell řekl přesně: "konstituenty vzniklé elektrolýzou". Faraday si totiž myslel, že ionty jsou vytvářeny elektrickým proudem. Arrhenius ale přišel na to, že voda některé látky jako sůl jednoduše rozpouští na dílčí ionty, které samy nesou náboj. Jelikož elektrolyty nesou elektrický náboj, čím větší je jejich koncentrace v roztoku, tím je roztok vodivější. Arrthenius zjistil, že to celé můžete také obrátit a měřením elektrické vodivosti zjistit koncentraci iontů. Arrheniova učitele chemie žákova dnes už uznávaná práce moc nenadchla a dostal za ni jen průměrné ohodnocení, takže když za ní v roce 1903 vyhrál Nobelovu cenu, musel si to opravdu užívat. Dnes už toho o elektrolytech víme o něco víc. Třeba to, že vztah mezi jejich koncentrací a vodivostí není vždy jednoduchý, protože ne všechny elektrolyty se ve vodě rozpouští stejně. Například silný elektrolyt se ve vodě rozštěpí nebo zcela rozdělí, a přitom má výbornou vodivost. Sem patří soli a silné kyseliny jako kyselina sírová, chlorovodíková a dusičná. Totéž platí pro silné zásady jako hydroxid sodný a draselný. Slabé elektrolyty se ve vodě štěpí jen částečně a jejich vodivost je menší. Většina molekul rozpuštěné látky zůstává pohromadě a neutrální. Kyselina octová, účinná látka v octu, a hydroxid amonný jsou toho příkladem. A některé látky se ve vodě rozpustí, ale mají nulovou vodivost, protože se na ionty neštěpí. Například alkohol a cukr nejsou elektrolyty. A co má tohle všechno společného s mým špinavým prádlem? Peroxid vodíku je polární molekula, takže se velice dobře rozpouští ve vodě. Ale taky je to slabý elektrolyt. Když se rozpustí, štěpí se na molekulu vody a osamocený iont kyslíku. Rozpuštěný peroxid vytváří další vodu a koncentrace iontů je proto nízká. Ten osamocený kyslíkový iont ale nechce být sám. Začne zuřivě oxidovat a nabírá elektrony ze všeho, na co narazí. Výborně boří ty záludné dvojné vazby, které dávají skvrnám na oblečení barvu. Jakmile řádící iont zničí dvojnou vazbu, skvrna zmizí. Peroxid vodíku obvykle považujeme za poměrně slabou chemikálii, hlavně proto, že volně prodejné látky jsou hodně zředěné. Příliš peroxidu by moje oblečení úplně rozpustilo. Mám tam pár oblíbených košil, tak peroxid musíme zředit na správnou koncentraci. Pokud jste se mnou nedávno vydali na výlet do světa stechiometrie, asi tušíte, že když chemici mluví o koncentraci nějakého roztoku, počítají ji v molech. Než tedy látku zředíme, musíme si spočítat s kolika moly rozpuštěné látky máme co do činění. Doufám, že si pamatujete, že mol látky obsahuje 6,022 krát 10²³ molekul. Což je hodně. Takže abychom si to zjednodušili, stanovíme si váhu molekuly dané látky. V našem případě mol peroxidu vodíku váží 34,014 gramů. Počtu molů rozpuštěné látky obsažených v roztoku se říká molární koncentrace nebo také molarita roztoku. Zpravidla se molarita rovná počtu molů rozpuštěné látky dělenému litry roztoku. Jednomolární roztok tedy obsahuje jeden mol látky na jeden litr roztoku. Nepleťte si tohle měření koncentrace na základě objemu s měřením na základě hmotnosti. Tomu se pak říká molalita a vyjadřuje se počtem molů látky na kilogram roztoku, nikoliv na litr. Molalita udává moly na jednotku hmotnosti a molarita udává moly na jednotku objemu. Já vím, vědci někdy vymýšlejí hrozné názvy. Prostě si to musíte zapamatovat. Když už víme, co je to molarita, můžeme spočítat molaritu roztoku peroxidu vodíku. Na lahvi se píše "3% roztok, váha na objem". Vyjadřovat procenta ve dvou různých jednotkách je chemická příšernost, ale aspoň známe množství rozpuštěné látky v roztoku: 30 gramů H₂O₂ na litr vody. Abyste chápali, procenta se dvěma různými jednotkami nedávají moc smysl. Ti lidé by se měli podívat na pár rychlokurzů chemie. Když chceme vypočítat molaritu našeho roztoku, musíme napřed zjistit kolik molů peroxidu vodíku je obsaženo ve 30 gramech peroxidu vodíku. Pokud vydělíme 30 gramů v roztoku jeho molární hmotností 34,014 gramů na mol, vyjde nám, že máme 0,88 molů peroxidu vodíku na litr roztoku. Takže řečí chemiků v téhle hnědé lahvičce máme 0,88 molárního roztoku H₂O₂. Když už známe molaritu původní receptury, můžeme přemýšlet, jak ji nejlépe zředit. Ředí se tak, že buďto přidáte rozpouštědlo nebo snížíte množství solutu. V mojí láhvi je roztok a tak musím přidat rozpouštědlo, tedy vodu, třeba do tohohle škopku a prádlo prostě vysypeme. Řeknu vám šikovné chemické pravidlo pro ředění: moly rozpuštěné látky před zředěním se rovnají molům rozpuštěné látky po zředění. Tím pádem celkové množství peroxidu vodíku zůstane stejné, ať už přidáme vody, kolik chceme. Když ale roztok ředíte, roste jeho objem, moly se nemění a molarita se sníží. K výpočtu vzájemného vlivu hodnot slouží standardní jednoduchá rovnice pro ředění. M₁ a V₁ jsou molarita a objem původní koncentrace, které se někdy říká zásobní. V našem případě je to obsah láhve. M₂ a V₂ jsou molarita a objem zředěného roztoku. Takže naše M₁ se rovná 0,88, tedy molaritě peroxidu vodíku, kterou máme. Na odstranění skvrn z prádla potřebujeme získat M₂, tedy 0,1 molární roztok. Škopek, kam namočím své oblečení má obsah 38 litrů tekutiny, to je naše V₂. Chybí jen objem roztoku peroxidu, který musíme přidat do 38 litrů vody, aby nám vyšla cílová molarita. Když to spočítáte, vyjde vám, že V₂ se rovná 0,24 litrů neboli 240 mililitrů peroxidu vodíku. Nalijeme to sem. Snad máme dost. Přesně to potřebujeme. A během těch pár hodin, než peroxide udělá svou práci, si budu užívat další z mých oblíbených vodných roztoků: čaj.
video