Rychlokurz chemie
Rychlokurz chemie (8/29) · 10:27

Kyseliny a zásady Co jsou to kyseliny a zásady a jakou neplechu může způsobit spalování uhlí díky tvorbě kyselých dešťů, pokud ze zplodin neodstraníme oxid siřičitý?

Výborně, takže vy se učíte chemii. Co nejhoršího se vám může stát? Ve většině předmětů to nejhorší, co se může stát, je, že dostanete pětku. Pohoříte v testu, propadnete, musíte přehodnotit priority, možná vás úplně vyhodí ze školy začnete dělat ve fast foodu a kouřit Lucky Strikes. Ale v chemii se vám taky může stát, že umřete. A nechci to zlehčovat. Laborky jsou nebezpečné. Chemici umírají dříve, než je průměrný věk dožití, jak kvůli úrazům na pracovišti, tak kvůli rakovině vyvolané působením chemikálií. Ale chemici také udělali mnohem víc pro prodloužení délky života lidí na Zemi než, podle mě, jakákoli jiná profese, takže je tento hazard stojí za to. Minulý týden jsme mluvili o tom, jak se látky mísí, a to je jistě důležité, ale dnes a v dalších pár týdnech se budeme bavit o chemických reakcích, které se ve skutečnosti dějí v těchto roztocích, o nebezpečných reakcích, o tom, jak se atomy přeskupují a jak při tom vznikají nové látky. Toto jsou děje, které utvářejí náš svět, jak ho známe a jak ho máme rádi. Některé jsou neškodné a krásné. Některé jsou tak strašlivé, že se vám rozteče úsměv na tváři, a to není nadsázka, mám na mysli skutečné, poleptané obličeje. Tady kapitán John Mullan, který vybudoval železnici přes Skalisté hory a dovedl ji až na Severozápadní plošinu. Kapitán stál na tomto místě jen asi 75 let a podívejte, co se mu stalo s obličejem. Je mi jasné, že to není rozteklý úsměv, jaký jste si představovali, ale tady v našem rychlokurzu nejsme tak drsní. Bídný stav obličeje kapitána Mullana je výsledkem acidobazické reakce, jednoho ze třech hlavních typů reakcí, které se dějí v roztocích a o kterých se budeme bavit v Rychlokurzu chemie. A kyselina, která to způsobila je převážně kyselina sírová. Teď se možná ptáte: "Kdo sem chodí a lije kyselinu sírovou na sochy?" No, vlastně ten, kdo to sem lije, jsou mraky, padá to z nebe, nicméně zdrojem té kyseliny sírové je 400 mil vzdálená uhelná elektrárna. v Colstripu v Montaně a také ve všech dalších uhelných elektrárnách po celých USA. Ve spojených státech se spálí asi miliarda tun uhlí ročně, a většina tohoto uhlí je také v USA vytěžena. V Montaně, ve které žiji, se nachází pánev Powder River, což je oblast, která pokrývá ze 40 % spotřebu uhlí v Americe. Denně vyjíždí 50 až 70 nákladních vlaků z pánve Powder River. Každý vlak má alespoň 115 vagonů. a je více než míli a půl dlouhý. A když se tohle všechno uhlí spálí, tak to není bez následků. Následky jsou značné, vzniká spousta kyseliny. Ale počkat, co to vlastně je kyselina a zásada? Takže kyseliny... ... jsou kyselé. Hodně kyselé. To je to první, co se o kyselinách dozvíme. Proto se kyseliny jmenují kyseliny, Anglicky kyselý - acid - je z řečniny, nebo z latiny. [v pozadí: "Z latiny."] Z latiny. A kyseliny jsou skvělé v rozpouštění látek. Umí taky zabíjet a poleptat vám obličej. Co zásady? Asi zhruba tušíte, co jsou zásady. Chutnají štiplavě, jsou slizké jak mýdlo. Mýdlo je totiž zásada. A zásady, tak jako kyseliny, jsou opravdu nebezpečné a taky mohou poleptat obličej. Také jsou něco jako antikyseliny. A jsou v lécích proti překyselenému žaludku. Když smícháte kyseliny a zásady dohromady, navzájem se neutralizují. Ale jako je tomu s většinou věcí v chemii a v životě, když dojde na přesnou definici, co to je, začne to být divné, zmatené a komplikované. Takže zapomeňte na všechno, co zatím víte. Vymažte to. Nejběžnější kyselinou na Zemi je voda. Cože? A voda je také nejběžnější zásadou na Zemi. Že to říkám jen proto, abych vás zmátl? Ano, tedy hlavně, abych vás přesvědčil, že svět je mnohem složitější, než jste mysleli. V roce 1923 dva vědci definovali kyseliny a zásady nezávisle na sobě oba stejně. Byli to Brønsted a Lowry Netřídili je podle toho, jak se chovají, jak chutnají nebo podle toho, z čeho jsou vytvořeny. Definovali je jinak a to je převratné, protože spousta typů molekul, jsou do nějaké míry kyselé nebo zásadité. Takže přišli s definicí, která sedí u všech těchto skupin, což nebylo snadné. Bronsted a Lowry definovali kyseliny jako částici poskytující proton a zásadu jako částici přijímající proton. Když říkáme proton, tak tím myslíme vodíkový atom bez elektronu. Nejčastěji se to děje ve vodě. Kyseliny a zásady reagují i v plynech, ale zdaleka nejčastěji ve vodných roztocích. A když se proton předá vodě, je přijat vodou a H₂O se přemění na H₃O⁺, neboli hydroxoniový kation. Takže když se do vody přidá kyselina, disociuje jako každá jiná iontová sloučenina, za vzniku H₃O⁺ a aniontu kyseliny. Kyselina poskytla proton vodě. A teď k tomu, jak to popisujeme. Obvykle píšeme jen H⁺ nebo říkáme "proton v roztoku", i když ve skutečnosti máme na mysli hydroxoniové kationty. Je to zjednodušení. Ve skutečnosti H⁺ ve vodném roztoku je vždycky H₃O⁺. Podívejme se na disociaci kyseliny chlorovodíkové, abychom si na tom ujasnili pojmy. Že HCl poskytuje proton je jasné, ale u mnoha kyselin, hlavně slabších kyselin, může reakce probíhat i v opačném směru, kdy H₃O⁺ odevzdává proton. V takové situaci, každá látka v reakci, reaktanty i produkty, jsou buďto kyselinou nebo zásadou. Na levé straně voda přijímá proton, takže se chová jako zásada a HCl ho odevzdává, takže je to kyselina. A na pravé straně Cl⁻ přijímá proton, takže je konjugovanou zásadou a hydroxoniový kation konjugovanou kyselinou. Pojem konjugovaná kyselina se může zdát složitý ale je to od slova konjunkce neboli spojení, spřažení, a stejný základ má v angličtině slovo "conjugal" což znamená manželský. Ke každé kyselině existuje konjugovaná zásada, ke každé zásadě existuje konjugovaná kyselina. Dřívější definice kyselin a zásad, zejména Arrheniova, byla založena na některých částicích, zejména na hydroxidovém aniontu OH⁻. Hydroxidový anion je sice ve většině zásad, ale ne ve všech. Např. amoniak se chová jako zásada, když reaguje s kyselinou chlorovodíkovou za vzniku chloridu amonného. Nikde tu není žádný hydroxidový anion, ale dochází k poskytnutí a přijetí protonu. Kyseliny a zásady se mohou mezi sebou dost lišit. některé kyseliny se opravdu rády zbavují protonů a jen neochotně si je berou zpět od svých konjugovaných zásad. Říkáme jim silné kyseliny a jejich konjugované zásady jsou slabé zásady. Totéž se dá říci o silných zásadách a jejich slabých konjugovaných kyselinách. Důvodem, proč se nejdůležitější acido-bazické děje odehrávají ve vodě, je, že H₂O je současně výborná zásada, když přijímá proton od kyseliny a současně skvělá kyselina, když poskytuje proton zásadě. Takže voda je opravdu nejběžnější kyselina, a zároveň zásada na světě. A jak to souvisí s elektrárnami a tváří Johna Mullana? Uhlí obsahuje síru a ta reaguje s kyslíkem za vzniku oxidu siřičitého. Vzniklý oxid siřičitý pak reaguje s vodou a kyslíkem a vzniká kyselina sírová. Když prší kyselina sírová, nastává série acidobazických reakcí, které poškozují vápenec a kovy a okyselují vodní zdroje, což nedělá dobře rybám, korálům, mlokům a vůbec všemu živému. Vápenec je tvořen převážně uhličitanem vápenatým. Uhličitan reaguje jako zásada, protože přijme protony kyseliny sírové za vzniku kyseliny uhličité, což je konjugovaná kyselina, která se rozpadá na CO₂ a H₂O. Vápenaté a síranové ionty se srážejí jako sůl, které se také říká sádra. Průměrná tuna uhlí spálená v Americe obsahuje asi 3 % síry. Předpokládejme, že 100 % těchto kilogramů síry odchází komínem a přemění se na kyselinu sírovou. Kolik vápence dokáže zcela rozložit? Jak jsem již řekl, pojďme na to přes jednotky. 30 kilogramů síry vynásobeno 1000 pro převedení na gramy vynásobeno jedním molem na každých 32,1 gramů síry dává 935 molů síry v každé tuně spáleného uhlí. Kdyby se každý mol této síry přeměnil na H₂SO₄ a každý mol této kyseliny sírové zreagoval s molem vápence, za vzniku molu sádry, pak bude rozloženo 935 molů vápence. Každý milimol uhličitanu vápenatého odpovídá 100,1 gramu. Pokud to vynásobíme 935 moly, dostaneme 93600 gramů neboli 93,6 kilogramů. Takže každá tuna uhlí spáleného elektrárnou v USA vytvoří dost kyseliny sírové na to, aby rozpustila skoro 94 kilogramů vápence. A pokud spalujeme asi miliardu tun uhlí ročně, můžeme s jistotou říci, že žádná socha to nemá jisté, kromě těch, co jsou z kyselinovzdorných materiálů zejména z částečně oxidované mědi, které vydrží navěky. Takto vládne ruka sochy svobody nad Planetou opic. Takže je to zjevně problém. A to ne jen pro sochy, kyselé deště zničily nebo poškodily obrovské plochy lesů. Když kyselost dešťů v USA vrcholila, nejvyšší naměřená kyselost odpovídala kyselosti citronové štávy, což vám řeknu, je pěkně kyselé, dost na to, aby podráždila lidskou pokožku. Poprvé se to stalo tématem pro výrobce energie, když v britské sněmovně lordů v roce 1929 rozhodli, že elektrárna je zodpovědná za škody způsobené kyselými dešti na nedalekém obilí. Něco se s tím muselo dělat, ale co? Inu, už známe jednu běžnou látku, která snadno reaguje s kyselinou sírovou, starý dobrý vápenec. A v Anglii je hodně vápence. Tím, že spaliny v komíně projdou skrz drcený vápenec SO₂ zreaguje na kyselinu a pak s vápencem na CaSO₃ - siřičitan vápenatý. A teď si dáme něco trochu jiného, pro ty z vás, kteří se chtějí ještě něco dozvědět. Pokud se v USA ročně spálí miliarda tun uhlí se 3 procenty síry a všechna síra přejde na SO₂, kolik tun vápence budeme potřebovat, abychom se zbavili 100 % této síry? Odpověď je dole v komentářích. Záchyt na vápenci je dobrý systém, ale není dokonalý. Bylo vyvinuto mnoho jiných odsiřovacích systémů a nyní díky kombinaci dobrých opatření dobré vědy a tvrdé práce, zhruba 95% síry uvolněné v uhelných elektrárnách v USA je odstraněno dříve než opustí komíny. A díky dalším chemickým trikům je část tohoto SO₂ je ve skutečnosti přeměněna na průmyslově využitelné chemikálie, např. na čistou kyselinu sírovou, která se používá v papírnách, výrobě železa a oceli, průmyslových čističkách a chemické výrobě. Chemie problémy způsobuje, ale také řeší.
video