Drage učenice i učenici!

Pred vama je e-udžbenik prilagođen informacijsko- komunikacijskoj tehnologiji. Udžbenik se sastoji od 3 dijela;

Udžbenik e-KEMIJA namijenjen je čitanju i učenju kod kuće. Kroz udžbenik ćete upoznati teoriju o atomima i molekulama kao najmanjim česticama tvari. Atomska teorija jedna je od najvažnijih znanstvenih teorija, ugrađena u temelje svih prirodnih znanosti: fizike, kemije, biologije, geologije, astronomije, astrofizike itd. Osim teorijskih sadržaja, udžbenik sadržava i podatke o fizikalnim i kemijskim svojstvima tvari iz svakodnevnog okruženja. Nadalje, kroz udžbenik se tumače rezultati pokusa koje ćete izvoditi samostalno ili u skupini s drugim učenicima.Čitajući udžbenik, naići ćete na poveznice koje vas upućuju na internetske sadržaje, najčešće na engleskom jeziku. Ne, to nisu obvezni sadržaji i ne morate na njih obraćati pažnju. Živimo u informatičkom dobu koje ne možemo zamisliti bez interneta, koji je uz ostalo i velika riznica znanja. Da ne biste lutali i zalutali na internetu, mi smo za vas izdvojili neke korisne video-sadržaje, samo zato da vidite kako to drugi rade. Slika govori više nego stotine riječi. 

POJMOVNIK sadržava šire objašnjenje pojmova koji su u udžbeniku podcrtani i otisnuti masno plavom bojom. Ako vam je pojam razumljiv, čitajte dalje, ako pak ne razumijete, kliknite na taj pojam i dobit ćete šire objašnjenje sadržano u POJMOVNIKU.

POKUSI, najvažniji je dio e-udžbenika i namijenjen je radu u školi. Čitajući udžbenik na računalu ili tabletu naići ćete na masno otisnut naslov pokusa. Klikom na pokus otvora se uputa za izvođenje pokusa. Upute su popraćene kratkim video-uratkom, koji svakako treba pogledati prije izvođenja pokusa.  Raditi ćete u skupini od 6 učenika. Pokušajte što više pridonijeti izvođenju pokusa, diskusiji i formuliranju zaključaka. Kad pokus izvedete, samostalno ili u skupini, svoja opažanja i zaključke upišite u pretinac na svom računalu i podijelite s nastavnikom i drugim članovima skupine. Nemojte doslovno odgovarati na navedena pitanja, već napišite esej u kojem ćete opisati svoja opažanja i zaključke. Pitanja služe samo kao podsjetnik na sadržaje koje esejom treba obuhvatiti. Tako vježbate dosljednost u zaključivanju, uviđate važnost nekih opažanja, razvijate sklonost misaonoj razradi problema te razvijate osobni način izlaganja i zaključivanja. Na kraju se ocijenite uzimajući u obzir vlastiti doprinos. 

Pri pisanju ovog udžbenika pošlo se od ideje stjecanja znanja, vještina i sposobnosti na temelju vlastitog iskustva. Umjesto da pasivno sjedite, slušate, gledate i pamtite, samostalno ili u skupini, izvodit ćete pokuse koje će pripremiti nastavnik. U školi se pokusi ne izvode radi zabave već se pokusom želi istražiti neka svojstva tvari, riješiti neki problem (zadatak) i na temelju vlastita iskustva spoznati neku prirodnu zakonitost. Takva se nastavna metoda naziva učenje otkrivanjem ili učenje istraživanjem. Proizašla je iz metodologije znanstvenih istraživanja koja uključuju: a) opažanje prirodnih pojava, b) klasificiranje prikupljenih podataka, c) donošenje zaključaka na temelju prikupljenih podataka, d) izvođenje pažljivo odabranih pokusa kako bi se uočene promjene ponovile u laboratoriju pod strogo kontroliranim uvjetima, e) postavljanje hipoteze (pretpostavke) kojom se opažene pojave objašnjavaju na temelju postojećeg znanja i f) iskazivanje rezultata istraživanja matematičkim izrazom ili prirodnim zakonom.

Vaša je zadaća pažljivo izvesti pokus, uočiti i zapisati sve uočene promjene. Opažanje i bilježenje prirodnih pojava najstarija je znanstvena metoda. Na temelju opažanja ili mjerenja pokušajte naći odnose između opažanih činjenica. Zatim trebate razmisliti i na temelju već stečenog znanja pretpostaviti što se dogodilo. Diskutirajte s drugim učenicima u skupini pa zajedno utvrdite činjenice i otkrijete pravilo ili zakonitost koja objašnjava rezultate pokusa.

Na kraju svakog poglavlja nalazi se i zadatak: izradite plakat o jednoj od zadanih tema. No, time se ne misli isključivo na plakat na papiru, već to može biti i „PowerPoint“ prezentacija ili video uradak. Poželjno bi bilo da tijekom školske godine, u okviru redovne nastave ili izvanškolskih aktivnosti, održite dvije prezentacije na kojima ćete izložiti rezultate svojih istraživanja. Tako ćete razviti sposobnost nalaženja literaturnih podataka, kritičkog mišljenje i samostalnog donošenja zaključaka. Plakati i njihova prezentacija odlično su sredstvo za usavršavanje vlastita likovnog izraza i vještine govorništva. Teme koje zahtijevaju više rada dobro je obraditi u paru ili manjoj skupini. Tako se razvija sposobnost suradnje (timski rad) i razmjena ideja, uči „pregovarati“ s drugima i ocijeniti njihov doprinos na društveno prihvatljiv način, što je bitno za uspjeh u stvarnom svijetu.

Metodom učenja otkrivanjem ili učenja istraživanjem želi vas se potaknuti na znanstveni pristup pojavama u prirodi i društvu. Sposobnost samostalnog i kritičkog promišljanja o opaženom, sposobnost samostalnog donošenje zaključaka, a konačno i odluka, važne su sposobnosti u svakom zanimanju i svakoj čovjekovoj djelatnosti.

Sve što naučite napamet, to ćete i zaboraviti. No, sve što sami učinite, vidite, zaključite i izgovorite vlastitim riječima ostaje vam kao trajna vještina, sposobnost i uporabivo znanje.
 

Stožac iskustva (Prilagodio Bruce Hyland prema predlošku Edgara Dalea)

Izvor: https://bib.irb.hr/datoteka/284657.Edgar_Dale.doc

Kemija – znanost za sva vremena

Suvremena je kemija nastala kao ishod iskustva prikupljanog od samih početaka čovjekova postojanja. Kao znanje o tvarima i pojavama iskustvo se tijekom vremena nakupljalo i povećalo toliko da je promijenilo način života čovjeka pojedinca i njegove zajednice. To se dogodilo u doba neolitika, oko 8 000 godina prije Krista. U halkolitiku, oko 5 000 godina prije Krista, samorodni bakar zamijenio je kremen, a oko 3 000 godina prije Krista otkrivena je bronca. S brončanim dobom podudaraju se počeci drevnih civilizacija. Oko 1 500 godina prije Krista počelo se rabiti željezo istaljeno iz rude.

Prvotna se kemija razvila u Aleksandriji u prvim stoljećima nove ere. Aleksandrijski „kemičari” nastojali su pretvorbom bakra i drugih metala napraviti pravo zlato. No, teorija koju su slijedili nije bila kemijski dobra. Ipak su izumili pribor, naprave i peći za kemijske pokuse, otkrili destilaciju te dobili nove kemijske spojeve.

Aleksandrijsku „kemiju” u 9. stoljeću preuzeli su Arapi, načinili od nje alkemiju, koju je zatim, u 13. stoljeću preuzeo Zapad. Za alkemiju je karakteristično miješanje znanosti i magije, čuda i čaranja. Tražio se kamen mudraca kojim će se neplemenite kovine pretvoriti u zlato i životni eliksir kao opći lijek kojim bi se liječile sve bolesti i produljio život. Tijekom 16. i 17. stoljeća alkemija je procvala. Njome su se bavili čak i školovani ljudi. Plemići, knezovi i vladari nadali su se alkemijom doći do novca koji bi im osigurao bogatstvo i prestiž. Rudolf II., rimsko-njemački car, od 1572. godine kralj hrvatsko-ugarski, i sam se bavio alkemijom i na svom dvoru u Pragu zapošljavao alkemičare. Čak je i genijalni Newton, svestrani znanstvenik i istraživač, uporno izvodio alkemijske pokuse. Bio je uvjeren da sličnost kovina dokazuje mogućnost njihove pretvorbe. Ipak, alkemičari su u 16. i 17. stoljeću unaprijedili tehnologiju i metalurgiju, proizveli porculan, a u potrazi za ljekovitim kemikalijama otkrili mnoge kemijske spojeve.

U 18. stoljeću razvila se tzv. pneumatska kemija ili kemija plinova. Kemičari su istraživali gorenje, disanje, svojstva zraka i drugih tada dostupnih plinova. Na kraju 18. stoljeća francuski znanstvenik Lavoisier dokazao je da je gorenje spajanje s kisikom iz zraka, što je u to doba bilo epohalno otkriće. On je svojom knjigom Osnove kemije iz 1789. godine postavio temelje suvremene kemije jer je jasno pokazao što su elementarne tvari. Elementarne tvari su primjerice zlato, srebro, bakar, željezo, živa, olovo, aluminij, kisik i dr. Sva priroda Zemlje i svemira izgrađena je od samo 98 elementarnih tvari. Kemija je tek Lavoisierovim djelom postala prava znanost.

1. ŠTO RADE SUVREMENI KEMIČARI

Suvremeni kemičari uglavnom proučavaju sastav i svojstva tvari. No, nismo kazali što je tvar. Pa jednostavno, tvar je sve ono od čega su načinjene stvari koje svakodnevno rabite. Osim određivanja sastava tvari, kemičari pronalaze i postupke dobivanja novih tvari željenih svojstava. Sve predivne boje koje krase vašu odjeću, smislili su kemičari. Plastične mase od koje je načinjena vaša odjeća i obuća, također je djelo kemičara. Običan aspirin, ali i mnoštvo drugih lijekova koji ubijaju bakterije i čuvaju naše zdravlje, također su otkrili kemičari. Sredstva za održavanje osobne higijene, sapuni, šamponi, mirisi, sredstva za zaštitu kože od opeklina pri sunčanju i još mnogo toga pronašli su kemičari. Teško bi bilo nabrojiti sve koristi koje su proizašle iz kemijskog znanja do kojega su kemičari došli svojim istraživanjima. Zato je teško odgovoriti na pitanje što je kemija i što rade kemičari.

Berzelius je 1821. godine definirao kemiju kao znanost o sastavu tvari i o ponašanju jedne tvari prema drugoj.

Sudionici jedne konferencije 1970. godine raspravljali su o tome što je kemija. Složili su se da je najbolje reći: kemija je ono čime se bave ljudi koji sebe zovu kemičarima.

No, možda je najbolje kemiju opisati kao prirodnu znanost koja proučava svojstva i promjene poznatih tvari te postupke dobivanja novih tvari željenih svojstava.

Slika 1.1. Kemija je središnja znanost koja međusobno povezuje sve prirodne znanosti. No, iako smo kemiju postavili kao središnju znanost, ona je samo dio fizike. Sve prirodne znanosti imaju svoje temelje u fizici. Ništa se u prirodi ne događa mimo zakona fizike. Jedino čemu i u što možemo vjerovati jesu zakoni fizike.

Kemičari moraju kontrolirati sirovine koje se rabe u nekom proizvodnom procesu, ali i gotove proizvode kako bi utvrdili zadovoljavaju li kvalitetom. Zato svako industrijsko postrojenje, počevši od onoga koje pravi obične cigle, pa sve do onoga koje proizvodi antibiotike, ima svoj kemijski laboratorij u kojemu rade kemičari.

Slika 1.2. Tipično radno mjesto jednog kemičara

Osim u kontrolnim laboratorijima, velik broj kemičara radi u istraživačkim institutima pri sveučilištima, fakultetima i kemijskim industrijama. Kemičari rade na rješavanju problema važnih za obranu zemlje, gospodarski razvoj ili opće dobro, primjerice na istraživanju nekih bolesti i traženju novih lijekova.

1.1. Kemija u svakidašnjem životu

Možete li zamisliti da iz naših života odjednom nestanu sve tvari koje su smislili kemičari. Nestale bi vaše tenisice, jakne, košulje, torba i većina odjeće iz ormara. Praktično, bili bismo goli. Ostale bi samo stvari načinjene od drveta, lana, pamuka i prirodne kože, ali bijednog izgleda: tkanine uglavnom sive, a koža kruta i smrdljiva. Bez lijekova umirali bi od danas lako izlječivih bolesti, a bez umjetnih gnojiva bili bismo gladni. Konačno, sva osobna računala, televizori, i cjelokupna elektronika sadržavaju dijelove koji se izrađuju kemijskim postupcima. Očito, nitko pametan ne želi se odreći dobrobiti proizašlih iz primjene kemijskog znanja.

Mnogo prije nego je kemija postala znanost obrtnici su znali iskoristiti tvari (kemikalije) koje su našli u prirodi. Za štavljenje kože rabili su hrastovu koru, za pranje prirodnu sodu i lukšiju dobivenu iz pepela drveta itd. Znalo se da su ekstrakti dijelova nekih biljaka ljekoviti ili pak otrovni. Do tog se znanja došlo iskustvom. Istaljivanje metala, izrada glinenih predmeta, dobivanje i obrada stakla ili proizvodnja piva nije znanost nego obrt ili umijeće. Majstori lončari, talioničari i ljevači, staklari i pivari znali su odgovoriti na pitanje kako, a znanost počinje s odgovorima na pitanje zašto.

1.2. Kemijski laboratorij (radionica)

Bilo koja obrtnička radionica ili tvornica ne može se zamisliti bez odgovarajućih strojeva, uređaja, alata ili pribora potrebnih u radu. Kemičari se u svojim laboratorijima (lat. labor - rad, posao) također služe različitim uređajima, alatima i priborom. Zato, prije nego počnete izvoditi pokuse, morate upoznati najosnovniji laboratorijski pribor. Način rada s pojedinim priborom upoznat ćete postupno samostalnim izvođenjem pokusa.

Mjere opreza pri radu u kemijskom laboratoriju

Školski kemijski laboratorij mora imati dva izlaza na suprotne strane. Vrata laboratorija u kojem se nalaze učenici nikad ne smiju biti zaključana.

Slika 1.3. Pri radu u kemijskom laboratoriju obvezno se nose zaštitne naočale. Miris kemikalije ili plina ispituje se tako da se boca ili epruveta iz koje se širi miris drži dalje od sebe, a blagim pokretima ruke pare se usmjeravaju prema sebi.

Ako se pridržavate mjera opreza i nosite zaštitne naočale, kiseline, lužine i druge kemikalije ne mogu vam dospjeti u oči. Ako se to ipak dogodi, oči trebate odmah i dugo ispirati mlačnom vodom i obvezno zatražiti liječničku pomoć. U školskom se laboratoriju najčešće događaju male opekline prstiju. Ako je koža ostala cijela, opečeno mjesto trebate dugo hladiti tekućom vodom.

Slika 1.4. a) Kemijski laboratorij ne može se zamisliti bez mnoštva bočica u kojima se čuvaju različite kemikalije. b) Za spremanje kemikalija nikada se ne smiju rabiti bočice od osvježavajućih napitaka, sokova ili bilo kojeg prehrambenog proizvoda. Možete se zabuniti i umjesto osvježavajućeg napitka popiti otrov.

Slika 1.5. Stari (gornji niz) i novi (donji niz) znakovi upozorenja i opasnosti. Na svim bocama s kemikalijama nalaze se znakovi upozorenja. Prije rada s bilo kojom kemikalijom treba uočiti je li ona nagrizajuća, zapaljiva ili možda čak eksplozivna. Ako koncentrirana kiselina ili lužina ipak dospiju na kožu, poliveno mjesto treba odmah obrisati suhom krpom, a potom kožu dugo ispirati mlazom hladne vode.

Slika 1.6. Aparat za gašenje požara mora se nalaziti u svakom školskom laboratoriju, kao i u kabinetu za pripremu pokusa. U upotrebi je više vrsta aparata za gašenje požara. Obvezno upoznajte način uporabe aparata kojim je opskrbljen kemijski laboratorij. Požar na električnim instalacijama nikad se ne gasi vodom jer ona provodi električnu struju. Takav se požar gasi aparatima punjenim ugljikovim dioksidom i prahom (sodom bikarbonom) koji ne provodi električnu struju i ne podržava gorenje.

Izradite plakat o jdnoj od tema:

a) laboratorijski pribor,

b) mjere opreza pri radu s kemikalijama.

2. FIZIKALNA SVOJSTVA TVARI

Pogledate li oko sebe, lako ćete uočiti mnoštvo različitih predmeta. Neki su predmeti načinjeni od drva, neki od metala, neki od plastične mase, kamena, stakla, gline, vune, pamuka itd.

Slika 2.1. Pretpovijesni alat načinjen od iste tvari – bakra. (Vučedolska kultura, 2800 do 2200 godina pr. Krista. Pretpovijesna zbirka Arheološkog muzeja u Zagrebu.)

Ne treba posebno dokazivati da se različite tvari međusobno razlikuju po fizikalnim svojstvima. Neke su tvari krutine, ali se međusobno razlikuju bojom, tvrdoćom, gustoćom, električnom i toplinskom vodljivošću, magnetičnošću, talištem i mnogim drugim svojstvima. Druge su tvari pri sobnoj temperaturi tekućine, opet različito obojene, različita vrelišta, gustoće ili viskoznosti. Plinovi se ne mogu opipati, ali se neki od njih mogu prepoznati po mirisu. Različite tvari razlikujemo na osnovi nabrojenih i mnogih drugih fizikalnih i kemijskih svojstava.

2.1. Gustoća

Napunite li posudu vodom i u vodu potopite neki predmet, on će istisnuti onoliko vode koliki je njegov volumen. To je jedno od bitnih fizikalnih svojstava tvari, a iskazano je zakonom o neproničnosti: dvije tvari (ili stvari) ne mogu u isto vrijeme biti na istome mjestu.

Pokus 3. Mjerenje gustoće Arhimedovom metodom

Gustoća je temeljno svojstvo tvari, jer tvar je sve ono što ima gustoću, odnosno ima masu i zauzima prostor. Gustoća tvari iskazuje se omjerom mase i volumena uzorka ispitivane tvari. SI jedinica mase je kg, a volumena m³. Prema tome SI jedinica gustoće jest kg/m³, ali se češće iskazuje kao g/cm³.

2.2. Električna i toplinska vodljivost

Kovine (metali) općenito su dobri vodiči topline i elektriciteta. Ipak, različite kovine različito provode toplinu i elektricitet. Srebro i bakar su najbolji vodiči električne struje. Oni su pet puta bolji vodiči električne struje od željeza. Zato se vodovi za električnu struju i namotaji u električnim strojevima izrađuju od bakra.

Općenito vrijedi pravilo da su tvari koje dobro provode električnu struju ujedno i dobri vodiči topline. Tako je bakar oko pet puta bolji vodič topline od željeza, a dva puta bolji od srebra. Nemetali su slabi vodiči topline i električne struje. Staklo je oko 400 puta, drvo oko 2 000 puta, a pluto čak 10 000 puta slabiji vodič topline od bakra. Tvari koje ne provode toplinu i elektricitet zovu se izolatori.

Pokus 4. Toplinska provodnost

2.3. Agregacijska stanja tvari

Iz iskustva vam je poznato da su pri sobnoj temperaturi neke tvari krutine, kao npr. kuhinjska sol, šećer i bakar. Druge su tvari tekućine, npr. voda, ulje i alkohol. Zrak koji udišete je smjesa plinova, dušika, kisika, ugljikova dioksida, vodene pare i plemenitih plinova.

Slika 2.2. Čestice u krutinama slažu se na najgušći mogući način, najčešće s geometrijski pravilno uređenim razmještajem. Čestice se u krutinama ne mogu slobodno gibati, mogu samo titrati oko ravnotežnog položaja.

Krutine imaju stalan oblik, a mnoge kristaliziraju u obliku pravilnih geometrijskih tijela. Udarcem čekića neke će se krutine razmrviti, a većina metala promijenit će oblik. No, i pod najvećim tlakom volumen krutina ostaje gotovo nepromijenjen.

Krutine ne moraju nužno biti kristalizirane. Primjerice, staklo i mnoge plastične mase jesu krutine, ali imaju strukturu tekućina, odnosno kaotičan razmještaj čestica.

Slika 2.3. Čestice u tekućinama također su gusto složene jedna do druge, ali bez ikakva reda. Čestice u tekućinama mogu se gibati neovisno jedna o drugoj.

Tekućine poprimaju oblik posude, ali im je površina uvijek vodoravna. Tekućine i pod najvećim tlakom samo neznatno smanje volumen, pa se rabe u hidrauličnim sustavima automobila za kočenje i u hidrauličnim dizalicama.

Slika 2.4. Čestice plina daleko su jedna od druge. Kreću se velikom brzinom, nekoliko stotina metara u sekundi. Povišenjem temperature brzina čestica plina raste. Čestice plina manje mase pri istoj temperaturi kreću se brže od čestica veće mase. Tlak plina potječe od udaraca mnoštva čestica na stijenke posude.

Plinovi nemaju stalan oblik niti volumen. Čestice plina zauzeti će sav raspoloživi prostor. Gustoća plinova je mnogo manja od gustoće krutina i tekućina. Plinovi se mogu lako stlačiti. Sjetite se pumpanja lopte ili zračnica na biciklu.

Agregacijsko stanje neke tvari ovisi o jakosti privlačnih sila među česticama te tvari te o temperaturi i tlaku. Prijelaz tvari iz jednoga u drugo agregacijsko stanje neposredno je povezan s prijenosom topline između promatranog uzorka i okoline. Primjerice, dovođenjem topline led se postupno tali pa se dobije smjesa vode i leda. Sve dok se sav led ne rastali, smjesa vode i leda ima temperaturu 0 °C. Pri toj su temperaturi led i voda u ravnoteži. Obratno, hlađenjem voda se zaledi. Temperatura 0 °C zove se talište leda ili ledište vode. Talište ili temperatura taljenja leda i ledište vode jedna su te ista temperatura.

Slika 2.5. Na ohlađen komadić crnog papira uhvatite samo jednu snježnu pahuljicu i pogledajte jakim povećalom. Snježne pahuljice su voda u kristalnom stanju, odnosno kristali leda. Javljaju se u mnogo oblika, ali uvijek imaju šest krakova.

Pri normalnom atmosferskom tlaku svaka tvar ima vlastito, samo njoj svojstveno talište. Neke tvari, staklo i većina plastičnih masa, pri skrućivanju ne kristaliziraju već zadržavaju strukturu tekućine. Te tvari nemaju definirano talište već postupno omekšavaju.

Pokus 5. Taljenje stearinske kiseline - krivulja hlađenja

Zagrijavanjem vode njezina temperatura raste sve dok ne dosegne 100 °C. Pri toj temperaturi, pri normalnom atmosferskom tlaku, voda prelazi u plinovito stanje. Ta se temperatura naziva vrelište vode. Bez obzira na to koliko jako zagrijavali, temperatura kipuće vode se ne mijenja. Prijelaz tekućine u plin naziva se isparavanje.

Slika 2.6. Vrelište tvari ovisi o tlaku. U mnogim se kućanstvima za brzo kuhanje hrane rabe tzv. ekspres-lonci. U njima se hrana kuha pri povišenom tlaku. Pri tlaku višem od normalnog atmosferskog tlaka voda vrije pri temperaturi višoj od 100 °C,  pa se hrana brže skuha. Pri tlaku nižem od normalnog atmosferskog tlaka, primjerice na visokim planinama, vrelište vode je pri temperaturi nižoj od 100 °C, pa hranu treba dulje kuhati.

Ako se iznad lonca s kipućom vodom postavi posude s hladnom vodom njezino se dno orosi jer se vodena para kondenzira u tekućinu. Neposredni prijelaz tvari iz plinovitog u tekuće agregacijsko stanje općenito se naziva kondenzacija. Tekućine i krutine su kondenzirane ili zgusnute za razliku od plinova. Pri kondenzaciji vodena para predaje toplinu posudi s hladnom vodom.

Plinovi i pare najčešće su nevidljivi. Vidljive su samo ljubičaste pare joda, crvenosmeđe pare broma i još nekih obojenih plinova. Slično je i s vodom. Kad voda proključa u čajniku, iz njega izlazi "para". Ne, to nije vodena para, već sitne kapljice vode nastale kondenzacijom vodene pare zbog naglog hlađenja. Već malo dalje od čajnika "para" nestaje zato što kapljice vode ispare, odnosno voda prijeđe u plinovito stanje i izmiješa se s okolnim zrakom.

Pokus 6. Sublimacija NH₄Cl

Neke tvari pri zagrijavanju ispare prije nego se rastale. Prijelaz tvari iz krutog u plinovito stanje bez prethodnog taljenja zove se sublimacija. Sublimiraju primjerice kristali joda, kamfora, naftalena (naftalin), nekad popularnog sredstva protiv moljaca, i drugih tvari.

Slika 2.7. Ljubičaste pare iznad kristala joda. Jod sublimira već pri sobnoj temperaturi, pritom mali kristali nestaju, a veliki se još povećaju.

Pri opisivanju agregacijskih stanja tvari znanstvenici se služe kraticama. Krutine se označuju znakom (s), što potječe od latinskog solidus = krut. Tekućine se označuju znakom (l), što također potječe od latinskog liquidus = tekuć. Plinovi se označuju znakom (g) što potječe od gas = plin. Riječ gas izmislio je nizozemski liječnik van Helmonth na temelju grčkog chaos = nered.

Izradite plakat o temi „fizikalna svojstva tvari“

3. FIZIKALNE I KEMIJSKE PROMJENE TVARI

Zagrijavanjem led se tali pa nastane voda. Zagrijavanjem vode do ključanja nastane vodena para, a njezinom kondenzacijom ponovno se dobije voda. Led, voda, vodena para, to je jedna te ista tvar, samo u različitim agregacijskim stanjima. Takvu vrstu promjene pri kojoj se tvari ne mijenjaju zovemo fizikalnom promjenom. Kad kipar dlijetom i čekićem kleše komad mramora, iz njega će nastati skulptura. Mramor je samo promijenio oblik, ali i skulptura i otklesani komadići mramora ista su tvar. Udarci čekića i dlijeta po mramoru izazvali su samo fizikalnu promjenu.

Pokus 7. Kemijska promjena

Kad se komadići mramora stave u čašu s octom ili klorovodičnom kiselinom, kakva se u kućanstvu rabi za čišćenje sanitarnih uređaja, nastaje plin. Komadići mramora postupno se smanjuju i nakon nekog vremena potpuno otope.

Slika 3.1. Ljuska jajeta i mramor sastoje se od iste tvari, kalcijeva karbonata. Otapaju se u octu i pritom nastaje plinoviti ugljikov dioksid. To je onaj plin koji se oslobađa kad otvorite bocu s kiselom vodom ili nekim gaziranim napitkom.

Međusobnim djelovanjem mramora i octa, ili klorovodične kiseline, nastale su nove tvari  drukčijih svojstava. Kaže se da su mramor i ocat, ili mramor i klorovodična kiselina, međusobno kemijski reagirali. Takvu vrstu promjene pri kojoj iz jednih tvari nastaju druge tvari drukčijih fizikalnih i kemijskih svojstava zovemo kemijskom promjenom.

Pokus 8. Je li gorenje svijeće fizikalna ili kemijska promjena

Uzmite svijeću i opišite njezina svojstva, oblik, boju, tvrdoću, opip, topljivost u vodi itd. Istražite je li gustoća materijala od kojeg je načinjena svijeća veća ili manja od gustoće vode. Upalite svijeću i pokušajte uočiti što više različitih svojstava njezina plamena. Obrazložite promjene koje se događaju pri gorenju svijeće. Koje su od opaženih promjena fizikalne, a koje kemijske?

Slika 3.2. Kad se drveni štapić nakratko unese u plamen svijeće, on pougljeni na rubnim dijelovima plamena gdje je najveći dotok svježega zraka i najviša temperatura. Srednji dio plamena svijeće je relativno hladan jer tu svijeća gori uz nedostatan dostup zraka.

3.1. Fiziološko djelovanje tvari

Pokus 9. Podržava li ugljikov dioksid gorenje i disanje

Kad se u visokoj čaši na sodu bikarbonu dolije ocat, smjesa se zapjeni jer se razvija  ugljikov dioksid. Gustoća ugljikova dioksida veća je od gustoće zraka pa ga se skuplja u posudama s otvorom okrenutim prema gore. Upaljena se svijeća ugasi u čaši s ugljikovim dioksidom. 

Ugljikov dioksid nastaje kao jedan od produkata gorenja drveta, ugljena, benzina, zemnog plina i drugih zapaljivih tvari. Na nekim mjestima ugljikov dioksid izlazi iz zemlje. Kako mu je gustoća veća od gustoće zraka nakuplja se u dubokim bunarima. Nastaje i pri alkoholnom vrenju grožđa i drugog voća pa se nakuplja u donjem dijelu podruma. Ugljikov dioksid ne podržava gorenje i disanje. Zato podrum ili duboki bunar treba prisilno provjetriti i ispitati upaljenom svijećom prije nego u njih uđe čovjek.

Slika 3.3. U podrum u kojemu vrije mošt ulazi se s upaljenom svijećom. Ako se svijeća ugasi to je siguran znak da se u podrumu nakupio ugljikov dioksid.

Ose, pčele, zmije i neke vrste riba proizvode otrove koji im služe za obranu. Južnoamerički Indijanci, a i neka afrička plemena, znaju iz određenih vrsta biljaka proizvesti otrove kojima mažu vrhove svojih strelica pa se njima služe u lovu. Otrov sa strelice paralizira životinju tako da blokira djelovanje acetilkolina koji sudjeluje u prijenosu živčanih impulsa. Ti se otrovi u vrlo malim količinama danas rabe u bolnicama pri kirurškim zahvatima jer izazivaju opuštanje mišića. Mogli bismo tako u beskraj nabrajati tvari prirodnog podrijetla koje imaju različite fiziološke učinke (fiziologija, grč. fysis – priroda + logos – riječ, znanost koja proučava životne pojave i procese).

Kemičari su u laboratorijima proizveli mnoge tvari kojih nema u prirodi, a koje imaju određene fiziološke učinke. Neugodne komarce koji nas ljeti grizu, ali ujedno i prenose neke bolesti, prskamo tvarima koje paraliziraju njihov živčani sustav pa ugibaju. Kemijska industrija proizvodi velike količine pesticida različite namjene, kao što su herbicidi (lat. herba – biljka + occidere – ubiti) koji služe za uništavanje nepoželjnih korova u usjevima, fungicidi (lat. fungus – gljiva) koji se rabe za suzbijanje štetnih gljivica na usjevima, voću i povrću, insekticidi koji služe za borbu protiv insekata itd. Sve se to radi s ciljem povećanja proizvodnje hrane. Ipak, ta su kemijska sredstva otrovna za ljude, ribe, pčele i druge korisne životinje. Zato se moraju rabiti u umjerenim količinama, točno prema uputi, kako ne bi došlo do zagađenja hrane, vode i tla. Danas se protiv najezde insekata čovjek sve češće bori prirodnim sredstvima koja ne zagađuju okoliš.

Konačno, kemičari su proizveli i mnoštvo ljekovitih tvari bez kojih se suvremena medicina ne može ni zamisliti. Aspirin je jedna takva tvar i ujedno najprodavaniji lijek u svijetu. Tu su još mnoga sredstva za snižavanje temperature, tvari koje spriječavaju razvoj nekih vrsta bakterija te antibiotici širokog spektra kao što su npr. različiti derivati penicilina. Protiv raka, danas jedne od najopakijih bolesti, suvremena se medicina bori različitim kemijskim spojevima (kemoterapija) koji ometaju razvoj stanica raka. Sve ljekovite tvari nastale su kao rezultat zajedničkih znanstvenih istraživanja kemičara, biologa, biokemičara, farmaceuta i liječnika.

3.2. Zlouporaba kemijskog znanja

Nažalost, kemiju i kemičare optužuju za zagađenje zraka, vode i tla. Ali kemija i kemičari nisu za to krivi jer oni znaju kako se štetne tvari mogu učiniti bezopasnima. Kriva je čovjekova gramzivost i nastojanje da se uz što manji trošak, ostvari što veći profit. To dovodi do nezgoda u industrijskim postrojenjima. Pri takvim nezgodama u okoliš iscure otrovne kemikalije, pa i one koje uzrokuju rak. I opet kemičari priskaču u pomoć, analiziraju zrak, vodu, zemlju te predlažu postupke uklanjanja štetnih tvari.

Mnoge tvari prirodnog podrijetla unesene u naš organizam izazivaju različite učinke. Primjerice, crna kava i indijski čaj sadržavaju tvari koje ubrzavaju rad srca i povisuju krvni tlak. To može biti korisno nekim ljudima sa sniženim krvnim tlakom. Obrnut učinak ima alkohol iz vina ili žestokih alkoholnih pića jer širi kapilare i snižava krvni tlak. No, alkohol usporava prijenos živčanih impulsa pa vozači sporije reagiraju na promjene u prometu. To je jedan od najčešćih uzroka prometnih nezgoda. Veće količine alkohola izazivaju stanje pijanstva, pa čak i gubitak svijesti.

Neke tvari biljnog podrijetla imaju opojno djelovanje, izazivaju san, umanjuju bol ili mijenjaju stanje svijesti. Takve se tvari zajedničkim imenom nazivaju drogama što dolazi od francuskog drogue, a znači osušene dijelove biljaka od kojih se pripravljaju lijekovi.

Slika 3.4 Ovakve i slične tabletice prvi su korak na putu u pakao. Ne vjeruj lijepim pričama „prijateljâ” koji će ti prvu tabletu ecstasyja ili bilo koje druge opojne droge dati besplatno. Oni računaju s tvojom radoznalošću i željom za novim „iskustvima”. Njihov je jedini cilj načiniti od tebe roba iz kojega će izvlačiti novac za kupnju droge bez koje više ne bi mogao biti. (Snimljeno u Centru za kriminalistička vještačenja „Ivan Vučetić” – Ministarstvo unutarnjih poslova RH.)

Alkohol i opojne droge djeluju neposredno na centralni živčani sustav i trajno ga oštećuju. Ovisnici o opojnim drogama najlakše postaju psihopatske, neotporne, nezrele i neizgrađene osobe. Oni koji se odaju alkoholu i drogama samo su teret svojim bližnjima jer su potpuno nesposobni za učenje ili bilo kakav rad. Dokazano je da droge oštećuju i kromosome pa se tako rađaju djeca s tjelesnim deformacijama i živčanim poremećajima.

Izradite plakat o jednoj od tema:

a) fizikalna i kemijska promjena,

b) droge i ovisnost,

c) bolesti uzrokovane pušenjem.

4. VRSTE TVARI

Sve tvari koje poznajemo možemo podijeliti u dvije velike skupine:  elementarne tvari i kemijske spojeve.

4.1. Elementarne tvari

Svatko od nas s lakoćom može prepoznati neke metale kao što su zlato, srebro, bakar, olovo, željezo i dr. Većina zna da se cink rabi za zaštitu željeznih limova od kojih su načinjeni žljebovi na kućnim strehama. Aluminij u obliku tankih listova (folija) svakodnevno rabimo za zamatanje hrane. Živa je tekući metal kojim je punjena većina termometara. Od volframa su načinjene niti električnih žarulja. Krom se rabi kao ukrasna prevlaka slavina i drugih metalnih dijelova sanitarnih uređaja. O uranu se svakodnevno može nešto pročitati u novinama ili čuti u TV vijestima. Sve nabrojene i masnim slovima istaknute tvari su metali ili kovine. Mogu se kovati pa ih nazivamo kovine. Riječ metal proizašla je iz latinske riječi metallum, koja pak potječe od grčke riječi metallon - kovina.

Teško bismo pronašli nekoga tko nije čuo za sumpor jer se o njemu svakodnevno govori u vijestima o zagađenju okoliša, sadržaju sumpora u nafti i zemnom plinu itd. Sigurno vam je poznato da crvenosmeđi premaz na kutiji šibica sadržava fosfor. Kisik i dušik glavni su sastojci zraka, klor se rabi za dezinfekciju vode u bazenima za kupanje itd. Sve nabrojene masnim slovima otisnute tvari u ovom odjeljku nekovine su ili nemetali. Ne mogu se kovati.

Sve masnim slovima istaknute tvari u prethodnim odjeljcima su elementarne tvari. Znameniti francuski kemičar Lavoisier u svom udžbeniku iz 1789. godine prvi je naveo tablicu metalnih i nemetalnih tvari koje se ni na koji način ne mogu razložiti na jednostavnije, pa ih smatra elementarnim tvarima.

Metali ili kovine čine više od dvije trećine svih elementarnih tvari koje nalazimo u prirodi. Svi su metali pri sobnoj temperaturi krutine osim žive koja je jedina tekuća. Uglađene površine svih metala reflektiraju svjetlost. To se svojstvo naziva metalni sjaj.

Od svih nemetala pri sobnoj temperaturi krutine su ugljik, sumpor, fosfor i jod. Ugljik se u prirodi javlja u dva oblika, kao dijamant i grafit. Dijamant je tvrd, proziran, a njegova uglađena površina reflektira svjetlost poput ogledala. Grafit je mekan i crn, a uglađena površina grafita slabo reflektira svjetlost. Kristali sumpora su žuti, a kristali crvenog fosfora i joda pokazuju ljubičastu boju. Iako njihove uglađene površine slabo reflektiraju svjetlost, nemetali ne pokazuju metalni sjaj. Od svih nemetala pri sobnoj temperaturi samo je brom crvenosmeđa tekućina. Svi ostali nemetali su bezbojni plinovi, osim klora koji je žutozelen.

Slika 4.1. Bakar, aluminij, zlato i željezo samo su neki primjeri elementarnih tvari od kojih se izrađuju uporabni predmeti i nakit.

Slika 4.2. Izgled nekih elementarnih tvari koje svrstavamo u nemetale: brom, jod fosfor i sumpor. Bijeli fosfor se sam od sebe zapali na zraku. Čuva ga se pod vodom u tamnoj boci ili u mraku.

Tablica 4.1. Opća svojstva metala i nemetala

4.2. Kemijski spojevi

Već smo kazali da su bakar i sumpor elementarne tvari, odnosno tvari koje se nikakvim postupkom ne mogu razložiti na jednostavnije tvari. No, što će se dogoditi ako pomiješamo bakar i sumpor i smjesu zagrijemo? Najbolji odgovor dobit ćemo ako načinimo pokus.

Pokus 10. Što nastaje zagrijavanjem smjese bakra i sumpora

Slika 4.3. Kad se smjesa bakra i sumpora zagrije nastane kemijski spoj bakra sa sumporom. To je nova tvar, bakrov sulfid.

Zagrijani sumpor i bakar međusobno reagiraju uz oslobađanje topline i pojavu crvenog žara. Pritom nastaje nova tvar, kemijski spoj bakra sa sumporom. Spojevi sa sumporom nazivaju se sulfidi (lat. sulphur – sumpor), pa se kaže da je međusobnom reakcijom bakra sa sumporom nastao bakrov sulfid. Bakar i sumpor su reaktanti, a bakrov sulfid produkt kemijske reakcije.

Svojstva bakrova sulfida bitno se razlikuju od svojstava reaktanata, bakra i sumpora. Bakrov sulfid je tamnoplav i krt, te se može slomiti prstima. Takva svojstva nema ni bakar ni sumpor. Kad se smotuljak prelomi i prelomljeno mjesto pogleda povećalom može se uočiti prvotna struktura bakrenih niti. Ali, to više nije ni bakar ni sumpor, već nova tvar, bakrov sulfid. Nastali bakrov sulfid zadržao je samo oblik početnog smotuljka bakra.

Samorodnih elementarnih tvari, tj. onih koje nisu vezane u kemijske spojeve, na Zemlji ima vrlo malo. U Zemljinoj kori to su zlato, platina, živa i sumpor, a ponegdje se mogu naći još srebro i bakar. Svi drugi metali, primjerice željezo, cink ili olovo u prirodi dolaze u spojevima.  Velike prirodne naslage spojeva nekog metala nazivamo rudama.

Bakar se dobiva iz ruda koje sadržavaju bakrov sulfid, kemijski spoj bakra sa sumporom. Olovo se u prirodi javlja kao olovov sulfid, cink kao cinkov sulfid.

Željezo u prirodi dolazi u spojevima s kisikom. Spojevi s kisikom općenito se nazivaju oksidi. Ukratko, Zemljina kora izgrađena je od kemijskih spojeva.

Slika 4.4. Minerali – sastojci ruda iz kojih se dobivaju pojedini metali: a) Rutil ili titanijev dioksid najvažniji je sastojak titanijevih ruda. b) Sfalerit  ili cinkov sulfid najvažniji je sastojak cinkovih ruda. c) Cinabarit ili rumenica, odnosno živin sulfid, najvažniji je sastojak živinih ruda. Svijetle točkice koje se vide na slici su kapljice žive. d) Galenit ili olovov sulfid najvažniji je sastojak olovovih ruda.

Sulfidne rude najčešće se prže na zraku da bi se dobili oksidi iz kojih se pri visokoj temperaturi redukcijom ugljenom, točnije koksom, dobiju metali. Pritom se ugljik iz koksa oksidira u ugljikov monoksid. Procesi oksidacije i redukcije su nerazdvojni i uvijek se događaju istodobno. Dok se jedna tvar reducira druga se oksidira.

Pokus 11. Redukcija bakrova(II) oksida s drvenim ugljenom

Neki su metali postojani na zraku i u vodi, kao primjerice zlato i platina, pa se rabe za izradu nakita. No, većina metala već pri sobnoj temperaturi spontano reagira sa zrakom i vodom. Primjerice, površina novih i sjajnih željeznih čavala u doticaju s vodom i zrakom prevuče se ružnim crvenosmeđim naslagama koje nazivamo hrđa. Hrđa je smjesa više različitih kemijskih spojeva nastalih međusobnim spajanjem željeza, vode i kisika iz zraka. Nema stalan kemijski sastav.

Slika 4.5. a) Sidreni lanci hrđaju jer su nezaštićeni i stalno izloženi kisiku iz zraka i slanoj morskoj vodi.
b) Izgled novih željeznih čavala nakon 7 dana stajanja u običnoj (lijevo) i slanoj vodi (desno).

 
4.2.1. Kiseline i lužine

Kiseline su vrsta kemijskih spojeva. Octenom kiselinom (octom) svakodnevno zakiseljujemo salatu. Okus čaja popravit ćete tako da ga zakiselite limunovim sokom koji sadržava limunsku kiselinu. Kisele jabuke sadržavaju jabučnu kiselinu. Oksalna kiselina nalazi se u mnogim vrstama povrća, primjerice kupusu, špinatu, blitvi, rajčici itd. Za sve nabrojene kiseline kažemo da su slabe kiseline. Svakodnevno ih uzimamo hranom, odnosno različitim vrstama voća i povrća. U trgovinama kućanskih potrepština može se nabaviti limunska kiselina kojom se može zakiseliti čaj umjesto limunovim sokom. Ipak, bolje je upotrijebiti limun jer on osim limunske kiseline sadržava i askorbinsku kiselinu, poznatiju kao vitamin C.

Pokus 12. Indikatori kiselina i lužina

U svakoj trgovini kućanskih potrepština može se nabaviti 19-postotna solna ili klorovodična kiselina. To je jaka kiselina, a rabi se za čišćenje keramičkih sanitarnih uređaja jer otapa vodeni kamenac, odnosno kalcijev karbonat. Otrovna je i nagriza kožu pa se pri radu  solnom kiselinom moraju rabiti zaštitne naočale i gumene rukavice. Solnom se kiselinom ne smiju čistiti sudoperi od nehrđajućeg čelika, slavine i drugi kromirani dijelovi sanitarnih uređaja jer solna kiselina otapa metale.

Lužine su vodene otopine hidroksida alkalijskih i zemnoalkalijskih metala. Primjerice, na svakom gradilištu gdje se nešto zida, rabi se gašeno vapno ili kalcijev hidroksid, kako bi kazali kemičari. Smjesa kalcijeva hidroksida i pijeska s vodom rabi se za zidanje i žbukanje. Otopina kalcijeva hidroksida u vodi je jaka lužina. Nagriza kožu pa zidari pri radu rabe zaštitne rukavice. Ako vapno ili žbuka dospije u oko, posljedice također mogu biti katastrofalne. Neka sredstva za čišćenje pećnica su 5 do 10-postotne otopine natrijeva hidroksida. To su vrlo jake lužine koje razaraju masti i druge organske tvari. Najčešće se nanose pomoću raspršivača, pa obvezno treba upotrijebiti zaštitne rukavice i naočale kako bismo sačuvali ruke i oči.

Kiseline i lužine mogu se prepoznati indikatorima kiselina i lužina. Najpoznatiji indikator kiselina i lužina je prirodna boja poznata pod imenom lakmus. U kiselim otopinama lakmus pokazuje crvenu, a u lužnatim plavu boju.

Slika 4.6. Karakteristične boje lakmusa, fenolftaleina i metiloranža u kiselim (a) i lužnatim otopinama (b).

Još su dva najpoznatija indikatora, a to su fenolftalein i metiloranž. Fenolftalein je bezbojan u kiselim, a ružičastoljubičast u lužnatim otopinama. Metiloranž u kiselim otopinama pokazuje crvenu, a u lužnatim žutu boju.

Sok crvenog kupusa također je dobar indikator kiselina i lužina. U kiselim otopinama pokazuje crvenu, u neutralnim ljubičastu, u lužnatim zelenu, a u jako lužnatim otopinama žutu boju.

4.2.2. Soli

Soli su također kemijski spojevi, a najčešće se dobiju međusobnom neutralizacijom kiselina i lužina. Primjerice, kad se u određenom omjeru pomiješaju otopine natrijeva hidroksida i klorovodične kiseline one se međusobno neutraliziraju pa se dobije otopina natrijeva klorida ili kuhinjske soli. Uparavanjem te otopine na dnu posude ostaju kristali natrijeva klorida. Imaju oblik kocke što se lako može uočiti povećalom. Natrijev klorid sastojak je svakodnevne prehrane. Vodena otopina natrijeva klorida ne mijenja boju indikatora kiselina i lužina pa se kaže da je neutralna.

Pokus 13. Ispitivanje svojstava modre galice

Slika 4.7. Zagrijavanjem kristala modre galice, bakrova(II) sulfata pentahidrata, dobije se bijeli bezvodni bakrov(II) sulfat i voda koja se skupi u koljenasto savijenom dijelu epruvete.

Modra galica je također sol, a dobije se otapanjem bakrova hidroksida ili bakrova oksida u razrijeđenoj sumpornoj kiselini. Uparavanjem te otopine na dnu posude zaostaju modri kristali. Kristali modre galice u svojoj strukturi sadržavaju tzv. kristalizacijsku vodu. Ako ih se ostavi na zraku, tijekom vremena izgube vodu pa pobijele. Ta se pojava naziva eflorescencija (lat. efflorescere – procvasti). Bijeli kristali su bezvodni bakrov(II) sulfat. Ako se bezvodnom bakrovu(II) sulfatu doda vode, on će poplaviti jer nastaju kristali modre galice.  Kemijski naziv (ime) za modru galicu jest bakrov(II) sulfat pentahidrat. Modru galicu  u smjesi s gašenim vapnom rabe vinogradari za zaštitu vinove loze od peronospore.

Izradite plakat o temi „vrste tvari“.

5. SMJESE I POSTUPCI RAZDVAJANJA SMJESA

Pogledajte malo po policama kuhinje u svom domu. Tamo ćete naći šećer, limunsku kiselinu, sodu bikarbonu, vrećicu s vitaminom C, kuhinjsku sol, prašak za pecivo, vegetu i još mnogo drugih kutijica i vrećica.

Proučite naljepnice na vrećicama ili kutijama. Na vrećici praška za pecivo nabrojani su sljedeći sastojci: pšenični škrob, regulator kiselosti: dinatrijev fosfat i tvar za rahljenje; natrijev hidrogenkarbonat.  Očito, prašak za pecivo je smjesa svih tih nabrojenih tvari. Pogledajmo dalje. Sadržava li kuhinjska sol samo jedan kemijski spoj ili je smjesa više različitih kemijskih spojeva? Ni jako povećalo ni mikroskop ne bi bili od velike koristi. Svi kristalići soli izgledaju podjednako. Ipak, na kutiji kuhinjske morske soli može se pročitati kemijski sastav.

Slika 5.1. Sastav kuhinjske morske soli. Aditiv E536 jest kalijev heksacijanoferat(II), K₄[Fe(CN)₆], a rabi se kao sredstvo protiv zgrudavanja u mnogim industrijskim prehrambenim praškastim proizvodima.

Kuhinjska sol je smjesa natrijeva klorida, NaCl, i nekih nečistoća. U trgovinama kućanskih potrepština može se pronaći i „sol sa smanjenim udjelom natrija“. To je također smjesa koja sadržava 49 % natrijeva klorida, 49 % kalijeva klorida, 25,5 do 38,5 mg/kg kalijeva jodata i aditiv E551 koji spriječava zgrudavanje soli. Aditiv E551 je bezopasan amorfni silicijev dioksid.

No, paketić limunske kiseline sadržava samo limunsku kiselinu, kutijica sode bikarbone sadržava samo sodu bikarbonu (natrijev hidrogenkarbonat), a na vrećici vitamina C piše askorbinska kiselina. Lako je zaključiti da se u tim vrećicama i kutijama nalaze čiste tvari ili kemijski spojevi točno određenog kemijskog sastava.

Promatrajući vegetu, običnim okom ili povećalom, lako ćete uočiti različite sastojke. Vegeta je heterogena smjesa (grč. heteros – drugi + genos – rod) jer se u njoj mogu uočiti različito obojena zrnca. Različito su obojena zrnca različite tvari, različita kemijskog sastava i različitih fizikalnih svojstava.

Promatranjem kristalića kuhinjske soli nije bilo moguće uočiti odijeljena zrnca pojedinih sastojaka navedenih na kutiji. Za uzorak kuhinjske soli može se kazati da je homogena smjesa (grč. homoios – jednak, isti + genos – rod). Homogenim smjesama svojstveno je da svaki dio smjese, svako njezino zrnce, ima isti kemijski sastav i ista fizikalna svojstva. To znači da su nečistoće i dodaci u kuhinjskoj soli jednolično raspodijeljeni po svim zrncima.

Elementarna tvar, zlato, po definiciji je čista tvar i ne sadržava nikakve druge sastojke osim zlata. Takvog čistog zlata u prirodi nema. I najčišće zlato, kakvo se može naći samo u kemijskom laboratoriju, također je homogena smjesa jer sadržava vrlo male količine drugih metala. Kad se zlato različitim kemijskim postupcima toliko pročisti da se u njemu ne može dokazati prisutnost drugih metala, onda se za njega kaže da je kemijski čisto zlato. Isto pravilo vrijedi i za sve druge elementarne tvari i njihove spojeve.

Zlatni se nakit nikad ne izrađuje od čistoga zlata, jer je ono mekano, već iz homogene smjese zlata sa srebrom, bakrom, platinom i još nekim metalima. Čistoća zlata od kojeg se izrađuje nakit iskazuje se jedinicom karat. Čisto zlato  označuje se kao 24 karatno. Nakit izrađen od smjese koja sadržava 50 % zlata i 50 % srebra, bakra ili drugih metala, ima 12 karata. Nakit izrađen od smjese koja sadržava 75 % zlata i 25 % drugih metala ima 18 karata itd.

Dijamanti, za koje najčešće mislimo da su čist ugljik, dakle elementarna tvar, također su homogene smjese jer sadržavaju male količine različitih primjesa koje im daju specifičnu boju. Primjerice žuti dijamanti, koji su inače i najčešća boja dijamanata, sadržavaju dušik. Masa dijamanata mjeri se posebnom jedinicom mase, karat (grč. keration – sjemenka rogača, 1 karat = 0,2 g).

5.1. Razdvajanje heterogenih smjesa

Ne postoji neki univerzalni postupak razdvajanja smjesa. Svaka vrsta smjese razdvaja se različitim postupkom. Primjerice, sastojci heterogene smjese imaju različita fizikalna svojstva kao što su gustoća, agregacijsko stanje, topljivost u različitim otapalima i dr. Postupci razdvajanja takvih smjesa temelje se na razlici fizikalnih svojstava pojedinih sastojaka.

Svatko je imao priliku vidjeti kako se voda potoka ili rijeka zamuti nakon obilnih kiša. Zamućenje vode potječe od vrlo sitnih čestica gline i pijeska koje lebde u vodi. Mutna voda je tipična suspenzija (lat. suspendere = objesiti, staviti nešto da lebdi) krutih čestica u vodi i zato neprikladna za piće.

Mnogi se gradovi opskrbljuju vodom iz rijeka i zato prije puštanja u vodovodnu mrežu, vodu moraju pročistiti. U tu se svrhu voda iz rijeke pumpa u velike rezervoare na čijem se dnu sedimentiraju krupne čestice gline i pijeska. Sedimentacija označava taloženje, a potječe od latinske riječi sedere što znači sjesti ili sjedati. Sediment općenito označava talog, naslagu ili mulj. Taj se izraz često rabi u geologiji pri opisivanju nastanka stijena u Zemljinoj kori.

Pokus 14. Dekantiranje

Nakon sedimentacije krupnih čestica relativno bistar gornji sloj vode potom se dekantira (franc. décanter = otakati), odnosno pretoči u drugi rezervoar. Tako pročišćenoj vodi dodaju se neke kemikalije pa nastaje voluminozni talog koji podsjeća na raspršene pahuljice. U taj se talog tijekom njegova stvaranja uklope zaostale suspendirane (lebdeće) čestice gline i različiti mikroorganizmi kao što su bakterije. Voda se potom filtrira kroz filtre načinjene od više slojeva pijeska. Prije puštanja u vodovodnu mrežu vodi se još po potrebi dodaje klor da bi se uništile zaostale štetne bakterije. Klor dodaju i vodi u bazenima za kupanje. U suvremenim se uređajima za pročišćavanje vode rabi ozon.

Slika 5.2. Shematski prikaz pročišćavanja riječne vode za uporabu u industriji i kućanstvu

Heterogena smjesa koja se sastoji od krutine pomiješane s tekućinom može se rastaviti i centrifugiranjem. (Sjetite se centrifuge u stroju za pranje rublja.) Centrifugalna sila djeluje na tekućinu i na krute čestice koje imaju veću gustoću od tekućine te se zbog povećane „sile teže” brže talože na dnu epruvete. 

Slika 5.3. Uzorci heterogene smjese prije i nakon centrifugiranja

Pokus 15. Filtriranje

Suspendirane krute čestice mogu se od tekućine razdvojiti filtriranjem. U laboratoriju u tu se svrhu rabe lijevak i filtrirni papir. Čestice koje su veće su od pora filtrirnog papira ne mogu kroz njih proći, već kao talog zaostaju na filtrirnom papiru. Bistra tekućina dobivena filtriranjem naziva se filtrat. Bitno je da pore filtrirnog papira budu manje od čestica taloga koji želimo odvojiti od vode. Zato se izrađuju filtrirni papiri s različitom veličinom pora. Za sitnozrnate taloge treba upotrijebiti papir s malim porama. Kroz njih voda teško prolazi pa je filtriranje sporo. Za krupnije taloge rabe se filtrirni papiri većih pora pa kroz njih voda prolazi brže.

Krute heterogene smjese mnogo je teže rastaviti. Treba poznavati fizikalna i kemijska svojstva sastojaka smjese, pa tada odabrati pravu metodu. Primjerice, željezo se magnetom odvaja iz smjese s drugim metalima. Neke krute smjese mogu se razdvojiti sublimacijom uz uvjet da jedna tvar sublimira, a druga ne. Tako smo već spomenuli da amonijev klorid, jod i kamfor sublimiraju, dok natrijev klorid ne sublimira.

Slika 5.4. Zagrijavanjem smjese natrijeva klorida i amonijeva klorida amonijev klorid će sublimirati i kondenzirati se na hladnijem dijelu epruvete, dok će natrijev klorid zaostati na njezinu dnu

Slika 5.5. Tekućine koje se međusobno ne miješaju, npr. ulje i voda, rastavljaju se tako da se smjesa ulije u lijevak za odjeljivanje i pusti na mirnu mjestu. Zbog razlike u gustoći tekućine se razdijele u slojeve. Donji „teži” sloj, odnosno sloj veće gustoće, ispusti se u jednu tikvicu, a gornji „lakši” sloj izlije se kroz grlo lijevka u drugu tikvicu.

5.2. Razdvajanje homogenih smjesa

Kojom će se metodom razdvojiti homogena smjesa ovisi o njezinom sastavu. Primjerice, voda je bistra pa ne možemo znati je li to čista tvar - voda, ili pak homogena smjesa vode i još nečega nevidljivog našem oku. Ako čašu napunimo pitkom vodom i ostavimo je na toplom mjestu, nakon nekoliko dana voda će ispariti, a na dnu čaše zaostat će talog. To nam dokazuje da pitka voda nije čista tvar već otopina. Morska voda je otopina natrijeva klorida (kuhinjske soli) i manjih količina nekih drugih soli. Prirodnim isparavanjem morske vode u plitkim bazenima u solanama na Pagu te u Stonu i Ninu dobiva se „morska sol“ koja se sastoji pretežito od natrijeva klorida. Voda je otapalo, a natrijev klorid i druge soli otopljene tvari. Voda se od otopljenih soli može odvojiti destilacijom jer isparava, a otopljene soli ne isparavaju.

5.2.1. Destilacija

Pokus 16. Destilacija

Laboratorijska aparatura za destilaciju sastoji se od tikvice za destilaciju i Liebigovog hladila. U tikvicu se ulije morska voda ili otopina natrijeva klorida i kap tinte. Zagrijavanjem do ključanja (vrenja) voda prelazi u vodenu paru koja se u Liebigovu hladilu kondenzira natrag u vodu i kao destilat hvata u predlošku. Destilat je bezbojan što dokazuje da tinta ne isparava. Stavimo li na stakalce za mikroskopiranje kap destilata nakon njegova isparavanja, ne zaostaju nikakvi tragovi. To dokazuje da i kuhinjska sol, odnosno natrijev klorid ne isparava. Tako smo destilacijom morske vode dobili destiliranu vodu koja ne sadržava otopljenih soli ili drugih tvari.

Slika 5.6. Aparatura za destilaciju

 5.2.2. Prekristalizacija

Pri sintezi većine spojeva koje nalazimo u laboratoriju, ili pri sintezi lijekova, dobiveni kruti produkt uvijek sadržava više ili manje nepoželjnih tvari. Kemikalije za laboratorijske svrhe, a pogotovo lijekovi, ne smiju sadržavati nečistoće. Zato se najčešće pročišćavaju prekristalizacijom iz različitih otapala.

Prekristalizacija se izvodi tako da se najprije načini zasićena otopina otapanjem nečiste krute tvari u vrućoj vodi ili odgovarajućem otapalu. Otopina je zasićena kad pri danoj temperaturi i nakon upornog miješanja na dnu posude ostane neotopljenih kristala. Vruća se zasićena otopina odlije u drugu čistu posudu i pusti da se spontano hladi. Hlađenjem takve zasićene otopine otopljena se tvar kristalizira jer joj se topljivost smanjuje sniženjem temperature. Dobiveni kristali filtriranjem se odvoje od matičnice, odnosno preostale hladne zasićene otopine. Hladna matičnica je zasićena u odnosu na dobivene kristale, ali je nezasićena u odnosu na nečistoće kojih ima malo i zato ostaju otopljene u matičnici.

Topljivost tvari u nekom otapalu obično se prikazuje krivuljom topljivosti, odnosno masom bezvodne tvari koja se otapa u 100 g vode.

Slika 5.7. Dijagram topljivosti nekih krutina u vodi. Iz dijagrama topljivosti lako se može očitati topljivost pojedine tvari pri zadanoj temperaturi. Primjerice, na krivulji topljivosti bezvodnog bakrova(II) sulfata dvije su točke označena crvenim kružićem. Spustite iz gornje točke okomicu na apscisu i pročitajte temperaturu, 90 °C. Iz iste točke povucite okomicu na ordinatu i pročitajte topljivost, 70 g bezvodnog bakrova(II) sulfata u 100 g vode. Istim postupkom dobiva se da se pri 20 °C u 100 g vode otapa 20 g bezvodnog bakrova(II) sulfata, 10 g kalijeva sulfata, 30 g kalijeva nitrata itd.

Topljivost modre galice u vodi jako se povećava porastom temperature. U 100 g vode pri 0 ºC otapa se  31,6 g modre galice, odnosno bakrova(II) sulfata pentahidrata. Za takvu otopinu kažemo da je zasićena pri 0 ºC, jer pri toj temperaturi ne može otopiti daljnju količinu modre galice. No, pri 100 ºC u 100 g vode otapa se 203,0 g modre galice. Pazite! Modra galica sadržava kristalizacijsku vodu pa se dio modre galice otapa u vlastitoj kristalizacijskoj vodi.

Otopine modre galice zasićene pri nekoj višoj temperaturi hlađenjem postaje prezasićena pa se višak otopljene modre galice kristalizira. Ohlađena otopina zasićena je u odnosu na modru galicu, ali je nezasićena u odnosu na nečistoće kojih ima malo. Zato nečistoće neće kristalizirati, već će ostati u matičnici.

Osim hlađenjem otopine zasićene pri nekoj višoj temperaturi prekristalizacija se može izvesti i isparavanjem otapala iz zasićene otopine. Primjerice, topljivost kuhinjske soli slabo se mijenja promjenom temperature. Isparavanjem vode iz zasićene otopine kristalizira čist natrijev klorid, a nečistoće ostaju u otopini. Kad dvije trećine otopine ispari izlučene kristale treba filtriranjem odvojiti od matičnice.

Isparavanjem zasićene vodene otopine mogu se dobiti lijepi kristali natrijeva nitrata, aluminijeva alauna (stipse) i modre galice. Mali lijep kristalić zavežite na konac i objesite u sredinu zasićene otopine. Što otopina polaganije isparava to je veća vjerojatnost da će početni mali kristalić, jezgra, izrasti u velik kristal.

Slika 5.8. a) Kristal kromove stipse (alauna) ima oblik oktaedra. b) Središnji dio kristala sadržava kromovu stipsu, koja je ljubičasta, a vanjski dio aluminijevu stipsu koja je bezbojna. Nakon što je u zasićenoj otopini kromove stipse izrastao dovoljno velik kristal, isti je premješten u zasićenu otopinu aluminijeve stipse u kojoj se nastavio rast. Kristali kromove i aluminijeve stipse imaju jednaku kristalnu strukturu pa se kaže da su izomorfni (grč. isos – isti + morfe – oblik).

Pokus 17. Prezasićena otopina

Topljivost limunske kiseline jako se povećava porastom temperature. No hlađenjem vruće zasićene otopine limunska kiselina najčešće ne kristalizira već nastaje prezasićena otopina gusta poput meda. Ona sadržava više otopljene tvari nego zasićena otopina. Kristalizaciju prezasićene otopine treba nečim potaknuti, primjerice ubacivanjem nekoliko kristalića limunske kiseline koji služe kao centri kristalizacije.

Zanimljivo je da se pri otapanju limunske kiseline u vodi otopina hladi, što se može osjetiti rukom. Obratno, kristalizacijom limunske kiseline toplina se oslobađa, što se također može osjetiti rukom.

10.6. Relativna atomska masa,  A_r

Mase atoma nije lako neposredno izmjeriti. Zato se čak od Daltonova vremena pa do danas, mase atoma iskazuju relativnom atomskom masom, odnosno brojem koji pokazuje relativni odnos mase pojedinog atoma prema nekoj odabranoj jedinici mase. Nekad se za atomsku jedinicu mase uzimala masa atoma vodika. Danas rabimo drugu jedinicu mase, koju u čast J. Daltonu nazivamo dalton, a koja se ne razlikuje puno od mase atoma vodika.

Relativne atomske mase kemijskih elemenata nisu cijeli brojevi. To je zato što su kemijski elementi u prirodi smjesa izotopa s različitim masenim brojevima. Kod određivanja relativnih atomskih masa treba uzeti prosječnu masu svih atomâ nekog elementa u prirodi. Npr. prirodni kositar je smjesa čak 10 izotopa. U prirodi su jednaki samo svi atomi helija, berilija, fluora, natrija, aluminija, fosfora, zlata i još nekih elemenata. Oni nemaju prirodnih izotopa. Njihovi se izotopi mogu dobiti umjetnim putem tako da ih se izloži zračenju u nuklearnom reaktoru.

Smisao prosječne mase atomâ nekog kemijskog elementa objasnit ćemo jednostavnim primjerom s kuglicama. Učenici su određivali relativne mase 17 crnih kuglica prema masi manje narančaste kuglice koju su odabrali za jedinicu mase. Vagom su ustanovili da 10 crnih kuglica ima relativnu masu 20, pet kuglica ima relativnu masu 21, a samo dvije kuglice imaju relativnu masu 22. Odavde proizlazi:

Ukupan broj kuglica: N = 10+5+2 = 17

Zbroj relativnih masa svih kuglica je: 

m_ukupno = 10×20 + 5×21 + 2×22 = 349.

Prosječna relativna masa kuglica, m_r, dobije se tako da se zbroj relativnih masa svih kuglica podijeli njihovim brojem, N.

            N           17

Isto se načelo primjenjuje pri izračunavanju relativnih atomskih masa kemijskih elemenata. Relativne atomske mase kemijskih elemenata možemo pročitati iz tablica. Te se tablice stalno nadopunjuju sve točnijim vrijednostima kako napreduju mogućnosti mjerenja.

10.7. Periodni sustav kemijskih elemenata

Tijekom XVIII. stoljeća i prvih desetljeća XIX. stoljeća mnogi su istraživači uspjeli prikupiti brojne podatke o svojstvima tada poznatih kemijskih elemenata i njihovih spojeva. Već se tada znalo da neki kemijski elementi  pokazuju slična kemijska svojstva.

Oslanjajući se na sličnosti kemijskih svojstava i na poznavanje relativnih atomskih masa, mnogi su istraživači pokušavali načiniti racionalnu klasifikaciju elemenata. Najviše je uspjeha pritom imao ruski kemičar profesor Sveučilišta u Petrogradu, Dmitrij Ivanovič Mendeljejev (1834. - 1907.). On je 1869. godine poredao kemijske elemente u niz po rastućim relativnim atomskim masama. Kad bi u nizu elemenata došao do elementa sličnih kemijskih svojstava s nekim prethodnim elementom, započeo je novi redak stavljajući kemijski slične elemente jedne ispod drugih. Tako je dobio tablicu koja je sadržavala horizontalne redove ili periode i vertikalne stupce ili skupine. Tim su se načinom u istoj skupini našli elementi sličnih kemijskih svojstava.

Slika 10.4. Suvremena tablica periodnog sustava kemijskih elemenata. Redni ili protonski broj elementa piše se iznad njegova simbola.

Mendeljejev je bio toliko siguran u otkrivenu zakonitost, po kojoj se svojstva elemenata periodički mijenjaju (periodni zakon), da je mnogim elementima ispravio tada krivo određene relativne atomske mase. Važno je naglasiti da je periodni sustav elemenata Mendeljejev otkrio prije spoznaja o građi atoma. Otkrića o građi atoma početkom 20. stoljeća samo su potvrdila ispravnost Mendeljejevog periodnog zakona.

10.8. Rasprostranjenost kemijskih elemenata u prirodi

U prirodi se nalazi 98 kemijskih elemenata, od kojih 84 postoje od iskona. Ostalih 14 elemenata nastalo je kao posljedica radioaktivnog raspada nekih od prvotnih elemenata. Svi elementi, počem od Einsteinija (redni broj 99) do ununoctium-a, Uuo (redni broj 118), ne nastaju prirodnim putem u svemiru, već su sintetizirani u laboratoriju. Ti umjetno stvoreni kemijski elementi vrlo brzo se raspadaju te se ne mogu dobiti u makroskopskim količinama. Svi elementi s rednim brojem većim od 92 nazivaju se transuranijskim elementima.

Slika 10.5. Rasprostranjenost kemijskih elemenata u Zemljinoj kori.

Zanimljivo je da je od svih poznatih kemijskih elemenata u svemiru najzastupljeniji vodik, a astronomi tvrde da on čini čak 75 % mase svemira i 90 % svih atoma u svemiru. Daljnjih 34 % mase svemira čini helij, a samo 1 % svi ostali kemijski elementi. Na zvjezdanom nebu vide se milijuni zvijezda i samo nekoliko planeta. Zvijezde se sastoje uglavnom od vodika. Primjerice, Sunce se sastoji od oko 73,5 % vodika, 24,5 % helija dok oko 2 % mase Sunca čine svi ostali elementi zajedno. Planeti imaju drukčiji kemijski sastav. Primjerice, samo 8 kemijskih elemenata čini 98,2 % mase Zemljine kore do dubine od 35 km, a od toga 46 % otpada na kisik, 28 % na silicij i 8 % na aluminij. (Napomena: Podaci iz različitih literaturnih izvora mogu se razlikovati.)

Živi organizmi sastoje se uglavnom od kisika, ugljika, vodika, dušika, sumpora, kalcija i fosfora. U sastav živih organizama ulaze još natrij, kalij, klor, željezo, a u vrlo malim količinama kobalt, cink, bakar i još neki kemijski elementi.

Izradite plakat o jednoj od tema:

a) atomi,

b) kemijski elementi,

c) simboli kemijskih elemenata.

YouTube Video: Elements and the Structure of the Atom

YouTube Video: The History of Atomic Theory

YouTube Video: Chemistry Music Video

YouTube Video: Element Rap

11. KEMIJSKE FORMULE I JEDNADŽBE

Spojevi nastaju međusobnim spajanjem atoma dvaju ili više različitih kemijskih elemenata. No, svi se atomi međusobno ne spajaju na jednak način. Ima više načina međusobnoga spajanja atoma elemenata. Atomi nemetala međusobno se spajaju tako da tvore molekule. Atomi metala s atomima nemetala spajaju se tako da tvore ione i spojeve ionske građe ili ionske strukture.

11.1. Zakoni kemijskog spajanja

Pokus 22. Sinteza željezova sulfida

Na temelju rezultata kemijske analize velikog broja kemijskih spojeva francuski kemičar Louis Joseph Proust (1754.-1826) još je 1797. godine najavio zakon stalnih omjera masa elemenata u kemijskom spoju.

Dva ili više kemijskih elemenata u određenom kemijskom spoju uvijek se međusobno spajaju u stalnom omjeru njihovih masa.

Kad se užarenom žicom dotakne smjesa željeza i sumpora u prahu, oni se međusobno spajaju u željezov sulfid uz pojavu svjetlosti i oslobađanje topline. Istraživanja su pokazala da se željezo i sumpor međusobno spajaju uvijek u istom uteznom omjeru. Primjerice, uvijek će se 55,85 g željeza spojiti s 32,06 g sumpora pri čemu će nastati 87,91 g željezova sulfida.

Stalan utezni omjer u kojem se međusobno spajaju kemijski elementi posljedica je atomske građe tvari. U željezovu sulfidu željezo i sumpor uvijek se spajaju tako da na jedan atom željeza dolazi jedan atom sumpora. Atomi željeza i sumpora imaju različite relativne atomske mase. Relativna atomska masa željeza je 55,85 a sumpora 32,06. Ako odvažemo 55,85 g željeza ili 32,06 g sumpora onda smo u oba slučaja odvagali jednak broj atoma. Kako se atomi željeza i sumpora spajaju u omjeru 1 : 1, logično je da se željezo i sumpor međusobno spajaju u stalnom uteznom omjeru, 55,85 : 32,06, odnosno u omjeru njihovih relativnih atomskih masa.

Zagrijemo li u zataljenoj kvarcnoj cijevi smjesu od 55,85 g željeza i 50 g sumpora, opet će nastati 87,91 g željezova sulfida pa ćemo dobiti smjesu od 87,91 g željezova sulfida i 17,94 g neizreagiranog sumpora. Na temelju sličnih pokusa francuski kemičar A. L. Lavoisier zaključio je 1789. godine da je ukupna masa tvari koje ulaze u kemijsku reakciju jednaka ukupnoj masi tvari koje nastaju tom reakcijom. Ta je činjenica poznata kao zakon o očuvanju mase kod kemijskih reakcija, jer tvari ne mogu nestati niti mogu nastati ni iz čega.

11.2. Formula spoja

Omjer broja atoma pojedinih elemenata međusobno vezanih u kemijskom spoju prikazuje se formulom. Kemijska formula opisuje sastav kemijskih spojeva pomoću simbola kemijskih elemenata. Kako se u željezovu sulfidu atomi željeza i sumpora spajaju u omjeru 1 : 1, formula željezova sulfida jest FeS.

U prirodi se može naći mineral poznat pod nazivom pirit u kojemu su atomi željeza i sumpora  međusobno vezani u omjeru 1 : 2. Prema tome formula pirita jest FeS₂. Lijepo razvijeni kristali pirita imaju oblik kocke. Zbog zlatnožute boje lako se prevariti i pirit zamijeniti za zlato.

Atomi sumpora s atomima drugih elemenata spajaju se i u drukčijim omjerima. Primjerice, u srebrovom sulfidu atomi srebra i sumpora međusobno su spojeni u omjeru 2 : 1, pa je formula srebrova sulfida Ag₂S.

Atomi željeza spajaju se s atomima kisika u omjerima 1:1, 2:3 i 3:4, pa su pripadne formule željezovih oksida FeO, Fe₂O₃ i Fe₃O₄.

Kad se dva elementa spajaju u više nego jedan spoj, onda se njihovi udjeli u spoju nalaze u omjeru malih cijelih brojeva. Zakon o višekratnim uteznim omjerima elemenata u kemijskom spoju otkrio je Dalton, ali ga nije postavio. Nije to smatrao potrebnim jer taj zakon proizlazi iz njegove atomske teorije spajanja kemijskih elemenata.

11.3. Jednadžba kemijske reakcije

Željezov sulfid, FeS, u laboratoriju se dobije sintezom (grč. synthesis – sastavljanje) iz kemijskih elemenata željeza i sumpora. Kaže se da je došlo do kemijske reakcije između željeza i sumpora. Kako se u željezovu sulfidu atomi željeza i sumpora spajaju u omjeru 1 : 1, nastajanje željezova sulfida iz željeza i sumpora prikazuje se jednadžbom kemijske reakcije:

Željezo i sumpor su reaktanti, a željezov sulfid je produkt ove kemijske reakcije. Reaktanti se uvijek pišu na lijevoj, a produkti na desnoj strani jednadžbe kemijske reakcije. Već smo kazali da tvari ne mogu nestati niti nastati ni iz čega. Zato broj atoma na lijevoj strani mora biti jednak broju atoma na desnoj strani jednadžbe.

Iz gornje jednadžbe reakcije željeza sa sumporom možemo pročitati da jedan atom željeza reagira s jednim atomom sumpora pri čemu nastaje jedna formulska jedinka željezova sulfida, FeS. Formulska jedinka pokazuje omjer broja atoma različitih kemijskih elemenata u spoju izražen najmanjim mogućim brojevima. Pomnožimo li obje strane gornje jednadžbe nekim koeficijentom, primjerice 2, dobivamo:

2 Fe  + 2 S  →  2 FeS                 

Ovu bismo jednadžbu pročitali kao da 2 atoma željeza reagiraju s 2 atoma sumpora pri čemu nastaju dvije formulske jedinke željezova sulfida. No, takav način pisanja jednadžbi nije uobičajen. U jednadžbi reakcije koeficijente ispred simbola atoma ili formulskih jedinki spoja uvijek treba svesti na najmanje moguće cijele brojeve.

Jednadžbu kemijske reakcije možemo ispravno napisati samo ako znamo formule reaktanata i produkata. Primjerice, gorenjem željeza u kisiku nastaje željezov(III) oksid, Fe₂O₃, u kojemu su atomi željeza i kisika  spojeni u omjeru 2 : 3.

Da bismo napisali ispravnu jednadžbu reakcije u prvom koraku treba napisati formule reaktanata na lijevu stranu i formule produkata na desnu stranu jednadžbe. U drugom koraku treba izjednačiti broj atoma kisika na desnoj i lijevoj strani. Formulska jedinka Fe₂O₃ sadržava 3 atoma kisika, no kisik dolazi u obliku dvoatomnih molekula, O₂. Zajednički višekratnik brojeva 2 i 3 jest šest.  Zato treba uzeti 3 molekule kisika O₂, a ispred formulske jedinke Fe₂O₃ staviti koeficijent 2. Kako se sada na desnoj strani jednadžbe nalaze 4 atoma željeza i na lijevoj strani moraju biti 4 atoma željeza pa ispred simbola atoma željeza treba staviti koeficijent 4.

12. IONI I IONSKE STRUKTURE

Kad se rastaljeni natrij u metalnoj žličici unese u tikvicu ispunjenu klorom, natrij se zapali. Pritom na stijenkama tikvice i u žličici nastane bijela naslaga koja se sastoji od natrijeva klorida, odnosno kuhinjske soli.

12.1. Što su i kako nastaju ioni

Tijekom gorenja natrija u kloru oslobađa se energija u obliku topline i svjetlosti. Pritom dolazi do promjene građe atoma natrija i klora jer jedan elektron preskači s atoma natrija na atom klora. Tako natrijevi atomi postaju pozitivno nabijeni natrijevi ioni, Na⁺ (čitaj: en-a-plus) jediničnog pozitivnog naboja, jer jezgra sadržava jedan proton više od broja elektrona u omotaču. Elektrone koje su otpustili atomi natrija istodobno primaju atomi klora i postaju negativno nabijeni klorovi ioni, Cl^–  (čitaj: ce-el-minus) jediničnog negativnog naboja, jer se u elektronskom omotaču nalazi jedan elektron više nego što ima protona u jezgri.

Slika 12.1. Shematski prikaz nastajanja iona Na⁺ i Cl^– u reakciji natrija s klorom

Kemijsku reakcija između natrija i klora opisuje se sljedećom jednadžbom:

Na + ½ Cl₂ → NaCl         ili       2 Na + Cl₂ → 2 NaCl        ili        2 Na + Cl₂ →  2 Na⁺ +  2 Cl^─

(Uočite da klor čini molekule Cl₂ u kojima su međusobno vezana dva atoma klora. Zato smo u jednadžbi reakcije ispred simbola natrija stavili koeficijent  2, kako bismo postigli jednak broj atoma na lijevoj i desnoj strani jednadžbe.) 

Električki nabijeni atomi nazivaju se ioni. Pozitivno nabijeni ioni nazivaju se kationi. Negativno nabijeni ioni nazivaju se anioni. Spojevi izgrađeni od kationa i aniona zajedničkim se imenom nazivaju soli. 

12.2. Ionska veza

Kationi i anioni u kemijskim spojevima međusobno su vezani ionskom vezom. Ta se vrsta kemijske veze temelji na elektrostatskoj privlačnosti iona suprotna naboja. Zbog jakih elektrostatskih privlačnih sila između kationa i aniona, spojevi s ionskom vezom su kristalizirane krutine visokog tališta. Primjerice, natrijev klorid, NaCl, ili kuhinjska sol tali se pri 801 ºC.

Ioni Na⁺ i Cl^– imaju jedinične naboje i zato se u kristalima natrijeva klorida nalaze u omjeru
1 : 1. Iz modela kristalne strukture natrijeva klorida (slika 12.2.) vidi se da tu nema izoliranih molekula NaCl. Zato se nikad ne govori o molekulama natrijeva klorida jer njih nema, već se kaže formulska jedinka natrijeva klorida.

Slika 12.4. Shematski prikaz ćelije za elektrolizu rastaljena natrijeva klorida. Elektrolizom taline natrijeva klorida dobivaju se elementarni natrij i klor. Kad pozitivno nabijeni ion Na⁺ dotakne katodu, on primi jedan elektron i postaje atom natrija. Kad negativno nabijeni ion Cl¯ dotakne anodu, on preda jedan elektron i postaje atom klora. Atomi klora spajaju se u molekule Cl₂.

Kad se tvar ionske građe rastali, talina provodi električnu struju jer se u talini ioni mogu kretati pod utjecajem električnog polja. Vodene otopine tvari ionske građe također provode električnu struju jer se i u vodenim otopinama ioni mogu kretati pod utjecajem električnog polja.

Slika 12.5. Model molekule vode. Molekule vode, H₂O, imaju oblik slova V. Elektroni u molekuli vode okružuju tri pozitivno nabijene jezgre. Jezgra atoma kisika ima pozitivni naboj +8, pa jače privlači elektrone nego jezgre atoma vodika koje imaju jedinični pozitivni naboj. Zbog toga se na atomu kisika javlja vrlo mali negativni, a na atomima vodika vrlo mali pozitivni naboj. Kaže se da su molekule vode polarne građe jer imaju pozitivni električni pol na atomima vodika i negativni na atomu kisika.   

14.2. Empirijska i molekulska formula

Valencije klora, kisika, sumpora, dušika i ugljika, dobivene su na temelju broja atoma vodika s kojima se vežu ti atomi. Tako određene valencije mogu se upotrijebiti za određivanje valencije atoma drugih elemenata. Primjerice, za kisik smo kazali da je dvovalentan. Prema tome, valencije drugih atoma u molekuli mogu se odrediti na osnovi broja vezanih atoma kisika.

U spojevima s kisikom fosfor može biti trovalentan i peterovalentan. Da bismo ispravno odredili formulu fosforova oksida, u kojemu je fosfor trovalentan, treba naći zajednički višekratnik valencija fosfora i kisika, odnosno brojeva 3 i 2, a to je 6. Ako zajednički višekratnik, 6, podijelimo valencijom fosfora, 3, dobivamo da je broj fosforovih atoma u tom oksidu  jednak dva jer je 6 : 3 = 2. Na isti način dobivamo da je broj atoma kisika u spoju 3 jer je 6 : 2 = 3. Prema tome, formula prvog fosforovog oksida je P₂O₃.

U drugom fosforovom oksidu, koji nastaje gorenjem fosfora uz dovoljan dostup zraka, fosfor je peterovalentan. Znamo da je kisik dvovalentan. Zajednički višekratnik brojeva 5 i 2 jest 10. Ako zajednički višekratnik podijelimo valencijom fosfora  dobivamo da je broj fosforovih atoma u spoju 2 jer je 10 : 5 = 2. Ako zajednički višekratnik podijelimo valencijom kisika, dobivamo da je broj atoma kisika u spoju 5 jer je 10 : 5 = 2. pa je formula drugog fosforova oksida  P₂O₅.

Formule P₂O₃ i P₂O₅ jesu empirijske formule koje pokazuju najmanji mogući omjer  broja atoma fosfora i kisika u ovim oksidima.

Istraživanja su pokazala da su prave molekulske formule fosforovih oksida P₄O₆ i P₄O₁₀. Do tog zaključka nismo mogli doći na temelju valencija elemenata u spoju. Prave ili molekulske formule spojeva određuju se različitim instrumentalnim metodama, ali to nije predmet razmatranja u ovom udžbeniku.

Slika 14.2. Modeli molekula fosforovih oksida i prikaz međusobnog povezivanja atoma ugljika u dijamantu

Neke su tvari izgrađene od „gigantskih molekula“, poput grafita, dijamanta, kvarca, rubina, safira i dr. Takve tvari uvijek opisujemo empirijskim formulama ili formulskom jedinkom koja pokazuju najmanji mogući omjer broja atoma kemijskih elemenata u spoju. Tako znak C označuje kemijski element ugljik, ali i dijamant i grafit. Formula SiO₂ označuje silicijev dioksid ili kvarc te kazuje da u silicijevu dioksidu na svaki atom silicija dolaze dva atoma kisika. Iz formule aluminijeva oksida, Al₂O₃, možemo zaključiti da su u tom spoju aluminij i kisik međusobno vezani u omjeru 2 : 3 itd. Aluminijev oksid u prirodi se javlja kao mineral korund. Ako je crven, naziva se rubin, a safiri su bezbojni, plavi, ružičasti, žuti ili zeleni u različitim nijansama boje.

14.3. Valencije atoma u ionskim spojevima

Valencija atoma elementa u ionskom spoju jednaka je broju elektrona koje je dotični atom otpustio ili primio.

Kad se spajaju elementi prve skupine s elementima 17. skupine, atomi prve skupine otpuštaju jedan elektron i postaju ioni jediničnog pozitivnog naboja, a atomi 17. skupine primaju taj elektron i postaju ioni jediničnog negativnog naboja. Prema tome, u ionskim spojevima atomi elemenata  prve i 17. skupine su jednovalentni. Atomi elemenata druge skupine, i cink, otpuštaju dva elektrona pa su dvovalentni. Atomi elemenata treće skupine, i aluminij, otpuštaju tri elektrona pa su trovalentni. Atomi elemenata 17. skupine u ionskim spojevima primaju jedan elektron pa su jednovalentni. Atomi elemenata 16. skupine u ionskim spojevima primaju dva elektrona pa su dvovalentni. (Za lakše razumijevanje upotrijebite periodni sustav elemenata.)

14.4. Valencija i nazivi spojeva

Nazivi spojeva izvode se na temelju njihova kemijskog sastava. Primjerice, sve spojeve metala i nemetala s kisikom zovemo oksidima. Spojeve metala i nemetala sa sumporom zovemo sulfidima. Spojeve metala i nemetala s fluorom zovemo fluoridima, s klorom kloridima, s bromom bromidima itd.

Pri imenovanju spojeva u kojima atom nekog elemenata može imati različite valencije obvezno treba naznačiti valenciju tog elementa. Na primjer, bakar čini dva oksida i dva sulfida čiji se sastav može opisati formulama Cu₂O, Cu₂S, CuO i CuS. U prva dva spoja bakar je jednovalentan pa će njihovi nazivi biti bakrov(I) oksid i bakrov(I) sulfid. U druga dva spoja bakar je dvovalentan pa ćemo ih nazvati bakrov(II) oksid i bakrov(II) sulfid. Kao što ovi primjeri pokazuju, valencija se piše rimskim brojem u zagradi odmah iza posvojnog pridjeva elementa.

Tablica 14.1. Nazivi nekih oksida i sulfida

15. RELATIVNA MOLEKULSKA MASA

Molekule, kao i atomi, vrlo su male čestice. No neke molekule, nastale povezivanjem nekoliko stotina tisuća atoma, mogu biti tako velike da se vide pod elektronskim mikroskopom. Mase molekula iskazuju se relativnim molekulskim masama, jednako kao i mase atoma.

Relativna molekulska masa, M_r, jest broj koji kaže koliko je puta prosječna masa molekulâ ili formulskih jedinki nekoga kemijskog spoja veća od atomske jedinice mase dalton.

Relativne molekulske mase lako je izračunati. Treba samo zbrojiti relativne atomske mase atoma koji čine jednu molekulu ili formulsku jedinku spoja. Primjerice, molekula vodika sastoji se od dva atoma vodika pa je njezina relativna molekulska masa dva puta veća od relativne atomske mase vodika. To se piše ovako:

M_r(H₂) = 2 × A_r(H) = 2 × 1,008 = 2,016

Po istom načelu za relativnu molekulsku masu vode, H₂O, dobije se:

M_r(H₂O) = 2 A_r(H) + A_r(O)
            = 2 × 1,008 + 16,00
            = 18,02

Na jednak način izračuna se relativna molekulska masa amonijaka, NH₃:

M_r(NH₃) = A_r(N) + 3 A_r(H)
            = 14,01 + 3 × 1,008
            = 17,03

Po istom načelu za relativnu molekulsku masu naftalena, C₁₀H₈, dobije se:

M_r(C₁₀H₈) = 10 A_r(C) + 8 A_r(H)
              = 10 × 12,01 + 8 × 1,008
              = 128,2

Kod ionskih spojeva kao što su natrijev klorid, silicijev dioksid, aluminijev oksid, željezov(II) oksid, željezov(III) oksid i dr. nema izoliranih molekula. Njihova se relativna molekulska masa računa se na temelju najjednostavnije formulske jedinke spoja. Formulska jedinka pokazuje omjer broja atoma u spoju izražen najmanjim mogućim brojevima.

Primjerice, relativna molekulska masa natrijeva klorida dobije se tako da se zbroje relativne atomske mase natrija i klora.

Za relativnu molekulsku masu bakrova(II) sulfata, CuSO₄, dobivamo:

Za relativnu molekulsku masu bakrova(II) sulfata pentahidrata, CuSO₄∙5H₂O, dobivamo:

M_r(CuSO₄∙5H₂O) = M_r(CuSO₄) + 5 M_r(H₂O)
                       = 159,6 +  5 × 18,02
                       = 249,7

Formulsku jedinku može se definirati po volji i onda izračunati njezinu relativnu molekulsku masu. Pritom treba jasno naznačiti o kojoj se formulskoj jedinki radi. Za formulsku jedinku može se uzeti, na primjer 3 H₂O, pa će pripadna relativna molekulska masa tako definirane formulske jedinke 3 H₂O biti:

M_r(3 H₂O) = 3 [2 A_r(H) + A_r(O)]
               = 3 [2 × 1,008 + 16,00]
               = 54,05

Po istom načelu za relativna molekulska masa formulske jedinke ⅓ Al(OH)₃ dobivamo:

M_r(⅓ Al(OH)₃) = ⅓ [A_r(Al) + 3 A_r(O) + 3 A_r(H)]
                    = ⅓ [27,00 + 3×16,00 + 3×1,008]
                    = 26,08

16. KEMIJSKE REAKCIJE I ENERGIJA

Za bacanje diska, koplja ili kamena s ramena potrebno je utrošiti energiju. Potrebnu energiju čovjek proizvodi kemijskim reakcijama u svom organizmu pri čemu „izgara“ šećer i druge hranjive tvari. Pritom se kemijska energija, pohranjena u energijom bogatim spojevima, pretvara u druge oblike energije, rad mišića, kinetičku i potencijalnu energiju kamena i konačno u toplinu.

Pri svakoj kemijskoj i fizikalnoj promjeni uvijek dolazi do razmjene energije između promatranog sustava i okoline. Pod sustavom kemičar uvijek razumije reakcijsku posudu, epruvetu, čašu ili tikvicu s reaktantima. Okolina može biti zrak ili čaša s vodom u koju je uronjena epruveta s reaktantima. Razmjena energije najčešće se očituje oslobađanjem ili vezanjem topline.

16.1. Egzotermne promjene

Kemijska ili fizikalna promjena pri kojoj se toplina oslobađa zove se egzotermna promjena (grč. egzo - van + thermos - topao). Najpoznatije su egzotermne promjene gorenje drveta, ugljena, zemnog plina i dr. Pri egzotermnim promjenama, osim topline, energija se može oslobađati u obliku svijetlosti, električne energije ili rada.

Slika 16.1. Gorenjem magnezija na zraku oslobađa se toplina i obilje svjetlosti. 2 Mg + O₂ → 2 MgO Da bismo zaštitili oči od prejake svjetlosti, moramo upotrijebiti tamne zaštitne naočale ili goruću magnzijevu vrpcu brzo umetnuti u smeđu bocu. Sve do 1980. g. proizvodile su se žaruljice s finim magnezijevim strugotinama u kisiku koje su služile kao bljeskalice za fotografiju.

Većina kemijskih reakcija, koje smo već upoznali tijekom izvođenja pokusa, događa se uz oslobađnje topline. Primjerice, pri zagrijavanju bakra sa sumporom smotuljak bakrene žice se užari jer bakar i sumpor međusobno reagiraju uz oslobađanje topline. Gorenjem magnezija na zraku oslobađa se obilje topline i vrlo intenzivna svjetlost itd.

Toplina koja se tijekom kemijske reakcije razmjenjuje između promatranog sustava i okoline može se izmjeriti kalorimetrom. Jednostavan kalorimetar sastoji se od termometra i plastične čaše u koju je smještena i druga manja plastična čaša. Unutarnja čaša sadržava poznatu masu vode, dok vanjska čaša spriječava prijenos topline iz okoline u reakcijsku smjesu i obratno.

Pokus 23. Toplina neutralizacije

Kad se pomiješaju razrijeđene otopine natrijeva ili bilo kojeg hidroksida i bilo koje jake kiseline, kiselina i lužina međusobno se neutraliziraju. Pritom uvijek nastaju soli pripadne kiseline i voda. U reakciji neutralizacije sudjeluju samo ioni OH^–  i  H⁺, dok kation i kiselinski ostatak tvore sol.

Na⁺ + OH⁻ + H⁺ + Cl⁻  →  H₂O +  Na⁺ +  Cl⁻

Pritom se oslobađa toplina pa se reakcijska smjesa ugrije. Na osnovi specifičnoga toplinskoga kapaciteta vode, izmjerene promjene temperature i poznate mase vode u kalorimetru lako je izračunati količinu oslobođene topline.

Pokus 24. Redukcija bakrovih iona cinkom

Kad se u otopinu modre galice doda cink u prahu i smjesa protrese otopina se obezboji. Umjesto sivoga praha cinka, kojeg smo dodali u epruvetu, dobili smo crvenosmeđi talog koji  bojom podsjeća na bakar. Na temelju rezultata pokusa možemo zaključiti da se cink otopio, a umjesto njega izlučio bakar. Kaže se da su se bakrovi ioni, Cu²⁺, reducirali u elementarni bakar, a cink se oksidirao u cinkove ione, Zn²⁺. To se opisuje sljedećom jednadžbom reakcije:

Cu²⁺ + SO₄²⁻ + Zn  →  Zn²⁺ + SO₄²⁻ + Cu

Eksperiment pokazuje da je to egzotermna promjena jer se temperatura reakcijske smjese povisila.

Reakciju između bakrovih iona, Cu²⁺, i metalnog cinka može se izvesti tako da se umjesto topline dobije električna energija. U tu svrhu treba načiniti galvanski članak kao na slici 16.2.

Slika 16.2. Galvanski članak. Deblju bakrenu žicu i pocinčani željezni čavao zabijte u limun ili jabuku na međusobnoj udaljenosti 1 do 2 cm. Pazite da se bakrena žica i čavao ne dotiču. Bakrena žica je pozitivni pol, a pocinčani željezni čavao negativni pol galvanskog članka. Limunov sok je elektrolit.

U galvanskom članku, odnosno bateriji, načinjenoj od limuna s elektrodama od cinka i bakra događa ista kemijska reakcija kao i u prethodnom pokusu kad se cink u prahu doda u otopinu modre galice. No, reakcija se odvija drugim putem tako da se umjesto topline dobije električna energija. O tomu ćete učiti kasnije.

16.2. Endotermne promjene

Kemijska ili fizikalna promjena pri kojoj energija (toplina) prelazi iz okoline u reakcijski sustav zove se endotermna promjena (grč. endon - unutra + thermos - topao). Fotosinteza je najpoznatija endotermna kemijska promjena koja se događa u prirodi. Odvija se u zelenim dijelovima biljaka koje nizom vrlo složenih kemijskih reakcija pomoću energije Sunčeve svjetlosti pretvaraju ugljikov dioksid i vodu u celulozu, škrob i druge spojeve. Fotosintezom se energija jednog oblika, tj. energija Sunčeve svjetlosti, pretvara u drugi oblik energije. Ta je energija sada pohranjena u glukozi, celulozi, škrobu i drugim sastojcima biljaka, kao kemijska energija.

Neke endotermne promjene već smo upoznali. Prisjetite se pokusa elektrolize vode. Za razlaganje vode na vodu i kisik na elektrode Hofmannova aparata trebalo je priključiti izvor istosmjerne struje. Energija utrošena za elektrolizu vode sada je pohranjena kao kemijska energija u molekulama kisika i vodika. Pri elektrolizi vode energija prelazi iz vanjskog izvora u promatrani sustav. Zato je elektroliza vode endotermna promjena.

U navedenim primjerima endotermnih promjena potrebnu energiju smo doveli izvana, kao Sunčevu svjetlost ili električnu energiju iz nekog drugog izvora. No, neke se endotermne promjene događaju spontano. Jedan od mnogobrojnih primjera spontanih endotermnih promjena je reakcija između limunske kiseline i kristalne sode.

Pokus 25. Reakcija limunske kiseline i kristalne sode

Limunska kiselina je jača od ugljične kiseline pa je istiskuje iz njezine soli. Kad se pomiješaju limunska kiselina i kristalna soda razvija se ugljikov dioksid. Temperatura reakcijske smjese se snizi pa kažemo da je došlo do endotermne promjene. Protekom vremena reakcijska smjesa poprimi temperaturu okoline jer toplina iz okoline prelazi u reakcijsku smjesu.

Izradite plakat o temi „energija“.  

17. BRZINA KEMIJSKE REAKCIJE

Smjesa vodika i zraka ili vodika i kisika može pri sobnoj temperaturi neograničeno dugo stajati, a da se ništa ne dogodi. Ako se kroz takvu smjesu propusti električna iskra, dolazi do žestoke eksplozije. Pri eksploziji smjese vodika i zraka, kao i pri drugim eksplozijama, kemijska se reakcija odvija velikom brzinom.

Neke kemijske reakcije odvijaju se vrlo polagano. Tipičan primjer je hrđanje željeza. U suhu zraku željezo će dugo zadržati metalni sjaj. Ostavljeno na kiši, zahrđat će za dan dva, a u blizini morske obale, gdje vjetar nanosi kapljice slane vode, željezo će zahrđati za nekoliko sati. Što sve utječe na brzinu kemijske reakcije, najbolje je istražiti pokusima.

17.1. Utjecaj veličine površine na brzinu kemijske reakcije

Svima je poznato da se brzina automobila mjeri duljinom puta koji automobil prijeđe u jedinici vremena. Brzina kemijske reakcije mjeri se masom ili količinom produkata kemijske reakcije koji nastaju u jedinici vremena. Primjerice, ako se na kiši ili u blizini morske obale ostave sitni željezni čavlići, oni će se za nekoliko tjedana pretvoriti u neupotrebljivu hrđu. Istodobno, komad željeza, primjerice, čekić jednake mase, zahrđat će samo po površini. Ne treba posebno dokazivati da količina nastale hrđe ovisi o površini željeza.

Izvedimo pokus sa cinkom i klorovodičnom kiselinom. Otapanjem cinka u klorovodičnoj kiselini razvija se vodik,

Zn + 2 HCl → ZnCl₂ + H₂

Pokusom se možemo uvjeriti da se ista količina (masa) cinka u prahu prije otopi u jednakoj količini klorovodične kiseline nego cink u granulama. Što je površina krutog reaktanta veća, to se kemijska reakcija odvija brže.

Slika 17.1. Cink u prahu brže se otapa od granula cinka. Brzina reakcije povećava se porastom površine krutih reaktanata.

17.2. Utjecaj koncentracije reaktanata na brzinu kemijske reakcije

Kemijska se reakcija može dogoditi samo ako se čestice reaktanata sudare. Što je koncentracija reaktanata u otopini veća, veća je i vjerojatnost da će se njihove čestice međusobno sudariti. Možemo pretpostaviti da veći broj sudara čestica reaktanata u jedinici vremena dovodi do više produkata kemijske reakcije.  Da bismo potvrdili ovu pretpostavku, načinit ćemo pokus s otopinama različite koncentracije natrijeva tiosulfata. Kad se u otopinu natrijeva tiosulfata doda jaka kiselina, tiosulfatni ioni se raspadaju na sumporov dioksid i sumpor od kojega se otopina zamuti.

Na₂S₂O₃ + 2 HCl → 2 NaCl + H₂O + SO₂ + S

Pokus 26. Kako koncentracija reaktanata utječe na brzinu kemijske reakcije

U prvom pokusu upotrijebljeno je 10 mL otopine natrijeva tiosulfata i 30 mL vode, a u drugom 20 mL otopine natrijeva tiosulfata i 20 mL vode. To znači da je u drugom pokusu koncentracija otopine natrijeva tiosulfata bila dva puta veća. U oba pokusa upotrijebljeno je 10 mL klorovodične kiseline pa je u oba pokusa njezina koncentracija jednaka. U oba pokusa ukupan volumen otopina bio je 50 mL. Pokusi su izvedeni u istoj čaši pa je i visina stupca otopina u oba pokusa bila jednaka. Kada su slojevi zamućene otopine jednako debeli, onda jednaka vidljivost znaka ispod čaše ukazuje na jednaku količinu izlučena sumpora.

 

Slika 17.2. Djelovanjem kiseline natrijev tiosulfat se raspada tako da nastaje sumporov dioksid i sumpor od kojega se otopina zamuti

Otopina s dvostruko većom koncentracijom natrijeva tiosulfata zamutila se u kraćem vremenu. Na temelju pokusa može se zaključiti da se brzina kemijske reakcije povećava porastom koncentracije reaktanata.

17.3. Utjecaj temperature na brzinu kemijske reakcije

Kinetička energija čestica reaktanata raste porastom temperature. Veća kinetička energija znači veću brzinu gibanja čestica. Zato se u jedinici vremena sudari više čestica reaktanata pa zbog toga istodobno nastaje više čestica produkata. Prema tome, možemo pretpostaviti da će se u otopini natrijeva tiosulfata jednake koncentracije pri višoj temperaturi ista količina sumpora izlučiti u kraćem vremenu. To bi značilo da brzina kemijskih reakcija raste povišenjem temperature. Vrijedi li ova pretpostavka, istražit ćemo pokusom.

Pokus 27. Utjecaj temperature na brzinu kemijske reakcije

Za većinu kemijskih reakcija vrijedi pravilo da se povišenjem temperature za 10 ºC brzina reakcije poveća približno dva puta.

17.4. Utjecaj katalizatora na brzinu kemijske reakcije

Neke tvari ubrzavaju a neke usporavaju kemijske reakcije. Tvari koje ubrzavaju kemijske reakcije nazivaju se katalizatorima, a one koje ih usporavaju inhibitorima. Mnogi konzervirani prehrambeni proizvodi sadržavaju tzv. konzervanse, primjerice natrijev benzoat, koji spriječava razvoj bakterija i tako produljuje rok uporabe konzerviranog proizvoda. Svježi prehrambeni proizvodi, posebno uvozno voće i povrće, redovito se tretira tzv. stabilizatorima, točnije tvarima koje spriječavaju truljenje i na policama trgovačkih lanaca održavaju svjež izgled namirnica. Konzervansi i stabilizatori djeluju kao inhibitori procese koji dovode do kvarenja hrane.

Utjecaj katalizatora na brzinu kemijske reakcije najlakše je pokazati na primjeru raspada vodikova peroksida. Pri sobnoj temperaturi vodikov peroksid u otopini vrlo polagano se raspada na vodu i kisik. No, neke tvari značajno ubrzavaju raspad vodikova peroksida.

Pokus 28. Katalitički raspad vodikova peroksida

Ako se u otopinu vodikova peroksida doda manganova dioksida, MnO₂, reakcijska smjesa se zapjeni jer se vodikov peroksid raspada na vodu i kisik

Slika 17.3. Kad se u otopinu vodikova peroksida doda malo deterdženta za pranje posuđa i manganova dioksida, MnO₂, koliko stane na vrh noža, vodikov peroksid se raspada na vodu i kisik, a reakcijska  smjesa se zapjeni

Vrlo koncentriran, 98-postotni vodikov peroksid, rabi se za pogon nekih vrsta raketa. Njegovim katalitičkim raspadom nastaje vodena para i kisik koji potiskuju raketu.

2 H₂O₂ → 2 H₂O + O₂

Manganov dioksid nije jedini katalizator koji ubrzava raspad vodikova peroksida. Razrijeđena otopina vodikova peroksida odmah će se zapjeniti ako u nju ubacite komadić svježe pileće jetre, pekarskog kvasca ili svježega krumpira. Isto će se dogoditi ako pljunete u otopinu vodikova peroksida. Jetra, slina, krv i sve naše stanice, kao i pekarski kvasac i krumpir, sadržavaju enzim katalazu koji razlaže vodikov  peroksid na vodu i kisik. Samo jedna molekula katalaze može sekundi razložiti milijune molekula vodikova peroksida na vodu i kisik.

Pokus 29. Enzimi su katalizatori kemijskih reakcija

Naše tijelo je prepuno različitih katalizatora koji ubrzavaju različite kemijske reakcije koje nam omogućuju kretanje, mišljenje i život uopće. Sve žive stanice sadržavaju više tisuća različitih katalizatora koji se zajedničkim imenom nazivaju enzimi. Svaki enzim katalizira samo jednu ili više sličnih kemijskih reakcija.

Slika 17.4. Svježi krumpir sadržava enzim katalazu koji razlaže vodikov peroksid na vodu i kisik. Prokuhani krumpir ne uzrokuje raspad vodikova peroksida jer se kuhanjem enzim katalaza denaturira, odnosno učini neprirodnom, pa više ne može djelovati kao katalizator.

Izradite plakat o temi „brzina kemijske reakcije“.

Slika 18.1. Dmitrij Ivanovič Mendeljejev je 1869. godine poredao kemijske elemente u niz po rastućim relativnim atomskim masama. Kad bi u nizu elemenata došao do elementa sličnih kemijskih svojstava s nekim prethodnim elementom, započeo je novi redak stavljajući kemijski slične elemente jedne ispod drugih. Tako je dobio tablicu, PERIODNI SUSTAV ELEMENATA, koja je sadržavala horizontalne redove ili periode i vertikalne stupce ili skupine. Tim su se načinom u istoj skupini našli elementi sličnih kemijskih svojstava.

Kemijski elementi su tvari koje se sastoje samo od jedne vrste atoma. Od 2012. godine periodni sustav sadržava 118 kemijskih elemenata. Otkriće elemenata s rednim brojem 113, 115, 117 i 118 Međunarodna unija za čistu i primijenjenu kemiju (IUPAC) priznala je tek 30. prosinca 2015. godine. U prirodi se nalazi 98 kemijskih elemenata, od kojih 84 postoje od iskona. Ostalih 14 elemenata nastalo je kao posljedica radioaktivnog raspada nekih od prvotnih elemenata. Svi elementi iza Einsteinija (redni broj 99) ne nastaju prirodnim putem u svemiru, već su sintetizirani u laboratoriju. Ti umjetno stvoreni kemijski elementi vrlo brzo se raspadaju te se ne mogu dobiti u makroskopskim količinama.

Slika 18.2. Suvremena tablica periodnog sustava elemenata

Periodni sustav elemenata dragocjeno je pomagalo svakom kemičaru jer iz njega može pročitati mnogo podataka i razumjeti kemijska svojstva mnogih elemenata. Tako su svi elementi na lijevoj strani periodnog sustava metali, a na desnoj nemetali. U sredini između metala i nemetala nalazi se nekoliko elemenata koje je teško svrstati jer su im fizikalna i kemijska svojstva na prijelazu između svojstava metala i nemetala. Ti se elementi obično nazivaju polumetalima.

Pojedine skupine elemenata imaju i zasebne nazive. Tako se svi elementi 1. skupine zovu alkalijski metali. To su Li, Na, K, Rb, Cs i Fr, a naziv su dobili po tome što tvore jake lužine (alkalije, arap. al + kali = pepeo). Elementi 2. skupine, Mg, Ca, Sr, Ba i Ra, zovu se zemnoalkalijski metali, jer su to metali koji ulaze u sastav zemlje, odnosno minerala i stijena, a čine također jake lužine (alkalije). Elementi između 3. i 12. skupine zovu se prijelazni metali. Elementi 16. skupine zovu se halkogeni elementi, jer čine rude bakra i cinka (grč. chalkos = slitina bakra i cinka + genesis = rod). Halogenim elementima (grč. hals = sol + genesis = rod) nazivaju se elementi 17. skupine: F, Cl, Br, I, jer oni sa svim metalima čine soli. Osamnaestu skupinu čine tzv. inertni ili plemeniti plinovi. Bitno je upamtiti da elementi iste skupine imaju slična kemijska svojstva.

YouTube Video: The Periodic Table - Part 1

YouTube Video: The Periodic Table Part 2 - Patterns in the Table

 Izradite plakat o temi „periodni sustav elemenata“.

19. NEMETALI

Osim vodika, koji je na lijevoj strani, na desnoj strani periodnog sustava elemenata nalazi se još 16 elemenata koje nazivamo nemetalima. Većina ih je pri sobnoj temperaturi u plinovitu stanju. Brom je tekućina, a ugljik, fosfor, sumpor, jod i astat krutine. Svi su nemetali izolatori, tj. ne provode električnu struju. Iznimku čini ugljik koji je u obliku dijamanta savršen izolator, dok druga alotropska modifikacija ugljika – grafit, provodi električnu struju. U ovom ćemo poglavlju podrobnije upoznati svojstva klora i sumpora.

19.1. Halogeni elementi

Elementi 17. skupine, odnosno halogeni elementi su fluor, klor, brom i jod. Halogeni elementi imaju slična kemijska svojstva. Svi su jako reaktivni pa ih nema slobodnih u prirodi već samo u spojevima. Otrovni su. Burno se spajaju s metalima, nemetalima, ali i međusobno. Reaktivnot halogenih elemenata u grupi raste odozdo prema gore, tj. od joda do fluora. Fluor je najreaktivniji od svih nematala. Iz vode istiskuje kisik, a spaja se čak i s plemenitim plinom ksenonom.

Slika 19.1. Pri sobnoj temperaturi klor je žutozelen plin (na slici), brom crvenosmeđa tekućina, a jod dolazi u obliku sjajnih tamnoljubičastih kristala. Pare joda su ljubičaste. (Vidi sliku 4.2). Miris klora osjeća se na bazenima za kupanje. Klor je dobro dezinfekcijsko sredstvo i zato ga u malim količinama dodaju čak i vodi za piće. Tako se spriječava mogućnost širenja zaraza u gradovima koji se vodom opskrbljuju iz zagađenih rijeka.

Klor je otrovan jer razara sluzokožu organa za disanje sa smrtonosnim posljedicama. U Prvom svjetskom ratu rabili su ga kao bojni otrov. Prvi napad izveli su Nijemci 22. travnja 1915. godine tako da su uz povoljne meteorološke uvjete pustili 168 tona klora prema francuskim položajima kod belgijskog grada Ypresa.

Gustoća klora veća je od gustoće zraka pa se u laboratorijskim pokusima skuplja u posudama s otvorom okrenutim prema gore. Pod tlakom lako prelazi u tekuće stanje pa se u tekućem stanju transportira u čeličnim bocama.

Klor je jedan od sastojaka varikine koja se može naći gotovo u svakom kućanstvu. Kad se otvori boca s varikinom, osjeća se kloru svojstven miris. Otopina varikine djeluje slično kloru, pa se u kućanstvu rabi kao dezinfekcijsko sredstvo i sredstvo za uklanjanje mrlja s tkanina. Treba upamtiti da klor i varikina razaraju tekstilna vlakna. Zato za izbjeljivanje tkanina treba rabiti razrijeđenu otopinu varikine. Tkanine ne treba predugo držati u otopini varikine kako bi se sačuvala čvrstoća tekstilnih vlakana.

Međusobnom reakcijom varikine i klorovodične kiseline, HCl, razvija se klor. Vlažan lakmusov papir i tkanina uprljana tintom pobijele jer u reakciji klora s obojenim spojevima nastaju novi bezbojni kemijski spojevi. Užarena željezna vuna gori u kloru pri čemu nastaje crvenosmeđ željezov(III) klorid. Rastaljeni natrij s klorom reagira uz pojavu žute svjetlosti, a na stijenkama posude nastaje bijeli talog natrijeva klorida.

YouTube Video: Reactions of chlorine

Slika 19.2. a) Užarena željezna vuna gori u kloru, pri čemu nastaje crvenosmeđi željezov(III) klorid. Klor je dobiven djelovanjem koncentrirane klorovodične kiseline na kruti kalijev permanganat. b) Rastaljeni natrij spaja se s klorom uz pojavu intenzivne žute svjetlosti i oslobađanje topline.

19.3. a) Vodik mirno izgara u kloru pri čemu nastaje klorovodik. Kor je dobiven djelovanjem koncentrirane klorovodične kiseline na varikinu. b) Kemijski vodoskok (fontana). Klorovodik željno upija vodu pa voda iz čaše ulazi u okruglu tikvicu kroz usku cijev tvoreći vodoskok. Voda u čaši obojena je lakmusom. Otopina klorovodika u vodi naziva se klorovodična ili solna kiselina. U kiselim otopinama lakmus pokazuje crvenu boju. 

Klorovodik, HCl,  je bezbojan i zagušljiv plin koji se industrijski dobiva gorenjem vodika u kloru. U laboratoriju klorovodik se dobiva djelovanjem koncentrirane sumporne kiseline na suhi natrijev klorid.

NaCl + H₂SO₄ →  HCl + NaHSO₄

Klorovodik razara sluzokožu organa za disanje. Dobro je topljiv u vodi. Vodena otopina pri sobnoj temperaturi može sadržavati 36 % klorovodika, a takva se otopina naziva koncentrirana klorovodična kiselina.

YouTube Video: HCl fountain

Slika 20.1. Metalni natrij se i pod petrolejem prevuče korom od natrijeva hidroksida, NaOH, i natrijeva karbonata, Na₂CO₃. To se događa zato što se malo vodene pare i ugljikova dioksida može otopiti u petroleju, a natrij s njima odmah reagira. Pri izvođenju pokusa s natrijem tu koru od natrijeva hidroksida i karbonata treba odrezati nožem. Na svježem presjeku vidi se metalni sjaj natrija.

Natrij i svi alkalijski metali burno reagiraju s vodom. Pritom nastaju hidroksidi alkalijskih metala. Njihove vodene otopine jake su lužine koje nagrizaju kožu i čine je skliskom. Zato se pri radu s natrijevim hidroksidom uvijek moraju rabiti zaštitne naočale i zaštitne rukavice. Kalij, rubidij i cezij, mnogo burnije reagiraju s vodom nego natrij. Tako cezij s vodom reagira uz eksploziju.

YouTube Video: Alkali metals in water, accurate!

YouTube Video: Reaction (Explosion) of Alkali Metals with Water

Slika 20.2. Natrij burno reagira s vodom prema jednadžbi: 2 Na + 2 H₂O  →  2 NaOH  +  H₂. Pritom se oslobađa mnogo topline tako da se natrij rastali. Kuglica rastaljena natrija kreće se u cik-cak putanjama po površini vode. Zbog visoke temperature, nastali vodik ponekad se zapali. Ako se u vodu doda malo fenolftaleina, pojavljuje se crvenoljubičasta boja svojstvena lužnatim otopinama. Natrij reagira i s etanolom (običnim alkoholom) ali ne tako burno. Zato se otpaci natrija u laboratoriju uništavaju tako da se preliju etanolom.

Slika 20.3. Spojevi alkalijskih i zemnoalkalijskih metala boje plamen karakterističnim bojama, pa je to najjednostavniji način dokazivanja prisustva tih kemijskih elemenata u ispitivanim uzorcima. Na slici su od lijeva na desno prikazane karakteristične boje plamena dobivene raspršivanjem u sitne kapljice otopina litijevih, natrijevih i kalijevih soli. Litijeve soli boje plamen karmincrveno, natrijeve žuto, a kalijeve ljubičasto. Uočite mjesto na kojem treba užarenom željeznom žicom dotaknuti otopinu kako bi struja zraka povukla raspršene kapljice u plamenik.

20.2. Zemnoalkalijski metali

Elementi druge skupine periodnog sustava elemenata zovu se zemnoalkalijski metali jer izgrađuju Zemljinu koru i tvore lužine (alkalije). To su magnezij, kalcij, stroncij i barij. Nema ih u prirodi u slobodnom stanju nego samo u spojevima. Boje plamen jarkim bojama pa se njihovi spojevi rabe pri izradi raketa za vatromete.

Slika 20.4. Kalcijevi spojevi boje plamen ciglastocrveno, stroncijevi crvenoljubičasto, a barijevi žuzozeleno.

Magnezij u prirodi dolazi samo u spojevima u obliku različitih minerala, a jedan od njih je magnezit, magnezijev karbonat, MgCO₃. Njegovim se žarenjem pri visokoj temperaturi dobije magnezijev oksid, MgO.

MgCO₃  →  MgO + CO₂

Talište magnezijeva oksida je iznad 2800 ºC pa se od njega izrađuju „magnezitne opeke“ koje služe za obloge specijalnih metalurških peći.

Magnezijevi ioni igraju posebnu ulogu u živom svijetu. Primjerice, svaka molekula klorofila sadržava ion magnezija. Bez klorofila ne bi bilo fotosinteze, a time ni mnogih drugih oblika života. Magnezija ima u svim živim organizmima, morskoj vodi, mineralnim vodama i mnogobrojnim mineralima Zemljine kore.

Kalcij u prirodi dolazi samo u spojevima, najčešće kao kalcijev karbonat, CaCO₃, odnosno kao vapnenac i mramor. Vapnenac je sedimentna stijena nastala taloženjem kućica i skeleta izumrlih morskih životinja. Mramor je zrnatokristalasti vapnenac nastao preobrazbom (metamorfozom) vapnenca u uvjetima visokog tlaka i povišene temperature.

Kalcijevi ioni, Ca²⁺, bitan su sastojak svih kostiju, zuba, bilja, školjaka morskih organizama itd. Kalcijevi ioni imaju važnu ulogu u kontrakciji mišića, prijenosu živčanih impulsa i dr. Magnezij i kalcij zajedno dolaze u dolomitu, Mg,Ca(CO₃)₂.

Pokus 35. Kako magnezij i kalcij reagiraju s vodom


Magnezij vrlo polagano reagira s hladnom, ali znatno brže s vrućom vodom.

Mg + 2 H₂O →  Mg(OH)₂ + H₂

Kalcij burno reagira već i s hladnom vodom.

Ca + 2 H₂O →  Ca(OH)₂ + H₂

Pokus 36. Što nastaje žarenjem kalcijeva karbonata


Žarenjem mramora ili vapnenca, odnosno kalcijeva karbonata, dobije se kalcijev oksid, CaO, kojeg često nazivaju živo vapno.

CaCO₃ → CaO + CO₂

Živo vapno „gasi ” se vodom pa se dobije gašeno vapno. Pritom se razvija toplina.

CaO + H₂O  →  Ca(OH)₂

Gašeno vapno u smjesi s pijeskom i vodom rabe u građevinarstvu za zidanje i žbukanje. Svježa žbuka željno upija ugljikov dioksid iz zraka pa nastaje voda i netopljiv kalcijev karbonat koji povezuje zrnca pijeska.

Ca(OH)₂ + CO₂  → CaCO₃ + H₂O

Kalcijev hidroksid slabo je topljiv u vodi, a dobivena bistra otopina, vapnena voda, jaka je lužina. Kao i sve lužine, vapnena voda s fenolftaleinom daje crvenoljubičasto obojenje. Bistra vapnena voda se zamuti kad se u nju puše zrak iz pluća jer nastaje netopljiv kalcijev karbonat (vidi prethodnu jednadžbu).

Slika 20.5. a) Grumen svježega kalcijeva oksida raspadne se u prah kad ga se navlaži vodom. b) Reakcijska smjesa pritom se ugrije. c) Nastali kalcijev hidroksid slabo je topljiv u vodi. Otopina kalcijeva hidroksida s fenolftaleinom daje crvenoljubičastu boju svojstvenu lužnatim otopinama.

20.3. Kako nastaju špiljski ukrasi

Kada kišne kapi prolaze kroz atmosferu, otapaju ugljikov dioksid sadržan u zraku. Prolazom kroz tlo voda zasićena ugljikovim dioksidom otapa kalcijev karbonat i neke druge minerale pri čemu nastaje u vodi topljiv kalcijev hidrogenkarbonat, Ca(HCO₃)₂.

CaCO₃ + H₂O + 2 CO₂ → Ca(HCO₃)₂

Slika 20.6. Špilja Vrelo nedaleko Fužina

Voda koja sadržava otopljen kalcijev hidrogenkarbonat u podzemnim šupljinama vrlo polagano isparava, pa se kalcijev hidrogenkarbonat raspada prema jednadžbi:

Ca(HCO₃)₂ → CaCO₃ + H₂O + 2 CO₂

Pritom se kalcijev karbonat taloži na stropu i podu podzemne šupljine. Za samo nekoliko stotina tisuća godina nastanu lijepi špiljski ukrasi kao na slici 20.6. Oni što vise sa stropa nazivaju se stalaktiti, oni što se izdižu s dna špilje stalagmiti, a spojeni od stropa do poda stalagnati.

Vodovodna voda koju pijemo i rabimo u kućanstvu također sadržava otopljen kalcijev hidrogenkarbonat. Kad se vodovodna voda ugrije, kalcijev hidrogenkarbonat se raspada pa se na električnim grijačima u strojevima za pranje rublja i bojlerima izlučuje kalcijev karbonat. On je slab vodič topline. Zato se električni grijači slabije hlade pa dolazi do njihovoga pregaranja.

20.4. Željezo

Metali iz srednjeg dijela periodnog sustava od 3. do 12. skupine nalaze vrlo raznoliku primjenu u svim područjima tehnologije. Najširu primjenu ima željezo.

Slika 20.7 Shematski prikaz visoke peći

Željezo se još uvijek u nekim zemljama dobiva tako da se smjesa rude, najčešće hematita, Fe₂O₃, ili magnetite, Fe₃O₄, koksa i dodataka, kao što su vapnenac, CaCO_3, i kvarcni pijesak, SiO₂, zagrijava u visokoj peći pri temperaturi oko 1900 °C. Pritom se događa čitav niz različitih kemijskih reakcija. Kad se zbroje sve reakcije koje se događaju u visokoj peći, može se napisati:

2 Fe₂O₃  + 3 C   →  4 Fe  +  3 CO₂   

Pri temperaturi od 1600 °C željezo je u tekućem stanju. Povremeno se ispušta iz visoke peći i odmah, još dok je tekuće, zatim se pročišćava radi smanjenja sadržaja ugljika. Željezo od kojeg se izrađuju lijevani predmeti sadržava oko 4 % ugljika. Strojevi, brodovi, željezničke tračnice, pa i obični čavli izrađuju se od slitina željeza i ugljika kojeg sadržavaju između 0,16  i 1,7 %. Takve slitine nazivaju se čelik. Od čelika se izrađuju alati za obradu drva, metala plastike i dr. Kad se izradi alat željena oblika, užari ga se i kali naglim uranjanjem u hladnu vodu ili ulje. Kaljenjem čelika s 0,6 – 0,9 % ugljika dobiju se vrlo tvrdi alati pogodni za obradu drugih mekših materijala.

Suvremenim postupkom željezo se proizvodi u rotacionim pećima, a željezovi oksidi reduciraju zemnim plinom (metanom). Pri povišenoj temperaturi i uz katalizator zemni plin se najprije djelomično oksidira.

2 CH₄ + O₂  →  2 CO + 4 H₂

Tom smjesom plinova u rotacionim pećima pri povišenoj temperaturi željezovi oksidi se reduciraju.

Fe₂O₃  +  CO  + 2 H₂  →   2 Fe + CO₂ + 2 H₂O

Pritom se dobije spužvasto željezo koje se zatim tali i dalje pročišćava istim postupcima kao i željezo iz visokih peći.

Pokus 37. Usporedba svojstava ukosnice i željeznog čavla

Željezo je jeftin materijal dobrih mehaničkih svojstava. Problem je njegova sklonost hrđanju na vlažnome zraku. Pritom se na njegovoj površini stvara željezov(II) hidroksid, Fe(OH)₂, koji postupno s kisikom iz zraka oksidira i prelazi u crvenosmeđu hrđu promjenjiva kemijskog sastava. Hrđa se uglavnom sastoji od hidratiziranog željezova(III) oksida, Fe₂O₃·nH₂O.

Željezo u spojevima može biti dvovalentno i trovalentno. Spojevi u kojima je željezo dvovalentno zeleni su, a u vodenim otopinama brzo se oksidiraju kisikom iz zraka u trovalentne. Spojevi trovalentnog željeza su crvenosmeđi, a s otopinom amonijaka i drugim lužinama daju crvenosmeđ u vodi netopljiv željezov(III) hidroksid.

Fe³⁺ + 3 OH⁻  → Fe(OH)₃

Slika 20.8. a) U amonijevu željezovu(II) sulfatu heptahidratu, (NH₄)₂Fe(SO₄)₂∙7H₂O, željezo je dvovalentno. Spojevi dvovalentnog željeza zeleni su. b) Otopina željezova(III) klorida crvenosmeđe je boje svojstvene spojevima trovalentnog željeza. c) Kad se otopinu soli trovalentnog željeza doda otopina amonijaka (slaba lužina), taloži se crvenosmeđ željezov(III) hidroksid, Fe(OH)₃.

YouTube Video: Iron Production Process

YouTube Video: Blast Furnace

Izradite plakat o jednoj od  tema:

a) alkalijski i zemnoalkalijski metali,

b) kako nastaju špiljski ukrasi,

c) željezo.

21. KISELINE, BAZE I SOLI

Kiseline su tvari koje u vodenoj otopini imaju kiseo okus i lakmus boje crveno. Neku tvar zvat ćemo bazom ako njezina vodena otopina ima opor okus i boju lakmusa mijenja u modro. Kiseline, baze i soli Michael Faraday je 1834. svrstao u elektrolite. Justus von Liebig pretpostavio je 1838. da su kiseline spojevi koje sadržavaju vodik kojeg je moguće zamijeniti metalom. Vodene otopine baza obično se nazivaju lužinama.

21.1. Elektrolitička disocijacija

Pokus 38. Provode li otopine kiselina i lužina električnu struju

Kad se u destiliranu vodu urone ugljene elektrode spojene u strujni krug koji sadržava izvor izmjenične struje 4 do 8 V i digitalni miliampermetar, vidi se da destilirana voda vrlo slabo provodi električnu struju.

Električnu struju u metalnim vodičima provode elektroni. U vodenim otopinama i talinama soli električnu struju provode ioni. Postavlja se pitanje od kuda potječu ioni u destiliranoj vodi? Oni nastaju elektrolitičkom disocijacijom molekula vode (lat. disassociare  - odvojiti, rastaviti), odnosno tako da protoni, H⁺, preskaču s jedne na drugu molekulu vode. To se može opisati modelima molekula.

Slika 21.1. Shematski prikaz disocijacije molekula  vode.

Dvostrana strelica u jednadžbi pokazuje da su ioni H₃O⁺ i OH ⁻ u dinamičkoj ravnoteži s molekulama vode. Koliko se molekula vode raspadne na ione, toliko se iona natrag spoji u molekule vode. Iz jednadžbe vidimo da disocijacijom molekula vode nastaje jednak broj iona H₃O⁺ i OH^–. Takva je otopina neutralna, odnosno nije ni kisela ni lužnata. 

Kad se u destiliranu vodu doda samo kap otopine klorovodične, dušične ili sumporne kiseline, jakost struje  naglo poraste, a dodatak druge kapi uzrokuje daljnji porast jakosti struje. Jake kiseline u vodenoj otopini praktično potpuno disociraju na ione. To se prikazuje jednadžbama:

HCl  + H₂O →  H₃O⁺  +  Cl^–

HNO₃ + H₂O →  H₃O⁺  + NO₃^–

H₂SO₄ + H₂O →  H₃O⁺  + HSO₄^–

Slika 21.2. Shematski prikaz disocijacije molekula klorovodika u vodenoj otopini

 
Jake kiseline jako povećaju koncentraciju iona u otopini. Otopina koja u jednakom volumenu sadržava više iona (veća koncentracija iona) bolje provodi električnu struju. Zato jakost struje raste dodatkom svake kapi klorovodične ili neke druge kiseline.

Slaba kiselina, kao što je octena kiselina, CH₃COOH, slabo disocira na ione.

CH₃COOH + H₂O  D  H₃O⁺  +  CH₃COO^–

Otopina koja u jednakom volumenu sadržava manje iona slabije provodi električnu struju. Zato otopine slabih kiselina slabo provode električnu struju.

Jake lužine, kao što je natrijev hidroksid, NaOH, u vodenoj otopini potpuno disociraju na ione.

NaOH → Na⁺ + OH^–

Zato vodene otopine jakih lužina dobro provode električnu struju.

Slabe lužine, kao što je otopina amonijaka u vodi, slabo disociraju na ione.

NH₃ + H₂O D NH₄⁺ + OH^–

Otopina koja u jednakom volumenu sadržava manje iona slabije provodi električnu struju. Zato otopine slabih lužina slabo provode električnu struju.

Slika 21.3. Otopina amonijaka u vodi je slaba lužina jer mali broj molekula amonijaka reagira s molekulama vode pa dolazi do malog povećanja koncentracije iona NH₄⁺ i OH^–. Zato otopina amonijaka slabo provodi električnu struju.

YouTube Video: How Water Dissolves Salt

21.2. Indikatori kiselina i lužina

Je li otopina kisela ili lužnata može se doznati indikatorima kiselina i lužina. Najpoznatiji indikator je lakmus. Filtrirni papir impregniran lakmusom, jednom prirodnom bojom, u kiselim otopinama pokazuje crvenu. a u lužnatima plavu boju. Fenolftalein se rabi u obliku alkoholne otopine. U lužnatim otopinama fenolftalein pokazuje crvenoljubičastu boju. U kiselim otopinama fenolftalein je bezbojan. Metiloranž u lužnatim otopinama pokazuje žutu, a u kiselim crvenu boju.

Kiselost ili lužnatost otopina iskazuje se pH-skalom (čitaj pe-ha) od 1 do 14. Neutralna je ona otopina koja ima pH = 7. U takvoj su otopini koncentracije iona H₃O⁺ i OH^– jednake.

H₂O + H₂O D H₃O⁺ + OH^–

Primjerice, klorovodična kiselina, kakvu rabimo u pokusima, ima pH oko 2, a otopina natrijeva hidroksida ima pH oko 12. Obična destilirana voda nije neutralna, već ima pH oko 6. To je zato što se ugljikov dioksid iz zraka otapa u destiliranoj vodi pri čemu nastaje vrlo malo slabe ugljične kiseline, H₂CO₃.

H₂O + CO₂  D H₂CO₃

Slika 21.4. Za određivanje pH otopina u školskim laboratorijima najčešće se rabi univerzalni indikator. To je papirnata traka impregnirana smjesom različitih indikatora koji pokazuju karakterističnu boju pri različitim pH-vrijednostima.

Na televizijskim reklamama često čujemo da je neko sredstvo za njegu tijela neutralno i da ima pH = 5,5. Takvo je sredstvo slabo kiselo. Ono “neutralno” zapravo znači da ima isti pH kao i koža, Kiselom površinom kože naše se tijelo brani od mnogih bakterija.

Kao indikator kiselina i lužina može poslužiti i sok crvenog kupusa pa se približna vrijednost pH otopina može odrediti na temelju sljedeće skale boja:

Slika 21.5. Boja otopine soka crvenog kupusa ovisi o pH otopine

21.3. Soli

Soli su spojevi ionske građe. Lako kristaliziraju, a kationi i anioni u kristalima zauzimaju međusobno strogo uređen razmještaj. Soli se mogu dobiti na više načina.

Dobivanje soli neutralizacijom kiselina i baza

Kad se u odgovarajućem omjeru pomiješaju vodene otopine kiseline i lužine, ioni H₃O⁺ i OH⁻ međusobno reagiraju tako da nastane voda. Primjerice, klorovodična kiselina i natrijev hidroksid reagiraju prema jednadžbi:

     H₃O⁺ + Cl⁻     +    Na⁺ + OH⁻    →    Na⁺ + Cl⁻    +    H₂O

Reakcije kiselina s lužinama nazivaju se reakcijama neutralizacije. Vidimo da pri neutralizaciji klorovodične kiseline natrijevim hidroksidom međusobno reagiraju samo ioni H₃O⁺ i OH⁻ pri čemu nastaje voda i otopina natrijeva klorida koja ima pH = 7.

Pokus 39. Mogu li kiselina i lužina istodobno biti u istoj epruveti

Soli mogu nastati i međusobnom neutralizacijom plinova, primjerice klorovodika i amonijaka. Pritom nastaje bijeli dim od amonijeva klorida.

      NH₃(g)  +  HCl(g)     →  NH₄Cl(s)

Slika 21.6. Kad se satna stakalca s koncentriranim otopinama klorovodika (klorovodične kiseline) i amonijaka približe, nastaje bijeli dim od amonijeva kloridaPri sobnoj temperaturi amonijev klorid je krutina izgrađena od amonijevih iona, NH₄⁺, i kloridnih iona, Cl⁻. Zagrijavanjem se raspada na amonijak i klorovodik. Pri nižoj temperaturi amonijak i klorovodik opet međusobno reagiraju pa nastaje kruti amonijev klorid. Zbog takvih se svojstava amonijev klorid može sublimacijom odvojiti od natrijeva klorida.

Dobivanje soli neposrednom reakcijom metala s nemetalima

Dobivanje soli neposrednom reakcijom metala s nemetalima već smo upoznali u sedmom razredu. Užarena željezna vuna u posudi s klorom gori pri čemu nastaje željezov(III) klorid, FeCl₃. Rastaljeni natrij spaja se s klorom u natrijev klorid, NaCl, uz pojavu intenzivne žute svjetlosti. Kad se smjesa cinka i joda u prahu dotakne užarenom željeznom žicom nastaje cinkov jodid, ZnI₂, uz pojavu svjetlosti i ljubičastih para. (Ljubičaste pare potječu od joda koji pri povišenoj temperaturi isparava.).  

2 Fe + 3 Cl₂ → 2 FeCl₃

2 Na + Cl₂ → 2 NaCl

Zn + I₂ → ZnI₂

YouTube Video: Aluminum & Iodine

YouTube Video: HCl+NH3=NH4Cl - Ammonium chloride smoke under 100,000,000x

Dobivanje soli otapanjem metala u kiselinama

Magnezij, cink, željezo i mnogi drugi metali otapaju su u jakim kiselinama. To možemo prikazati sljedećim jednadžbama reakcija:

Zn + 2 HCl  →  ZnCl₂ + H₂

Zn + H₂SO₄  →  ZnSO₄ + H₂

Fe + H₂SO₄  →  FeSO₄ + H₂

Otapanjem metala u klorovodičnoj kiselini dobju se vodik i soli klorovodične kiseline, magnezijev klorid, MgCl₂, cinkov klorid, ZnCl₂, željezov(II) klorid, FeCl₂ itd. Općenito, sve se soli klorovodične kiseline nazivaju kloridi, fluorovodične kiseline fluoridi, bromovodične kiseline bromidi, a jodovodične jodidi.  Otapanjem metala u sumpornoj kiselini dobiju se vodik i soli sumporne kiseline, magnezijev sulfat, MgSO₄, cinkov sulfat, ZnSO₄, i željezov(II) sulfat, FeSO₄. Soli sumporne kiseline nazivaju se sulfati, dušične kiseline nitrati, octene kiseline acetati, limunske kiseline citrati itd.

Dobivanje soli otapanjem oksida metala u kiselinama

Oksidi većine metala lako se otapaju u kiselinama. Pritom nastaju soli pripadnih metala i voda. Primjerice, bakar je netopljiv u klorovodičnoj i sumpornoj kiselini, ali se bakrov(II) klorid i sulfat mogu dobiti otapanjem bakrova(II) oksida u pripadnim kiselinama.

CuO + 2 HCl    →   CuCl₂ + H₂O

CuO + H₂SO₄    →   CuSO₄ + H₂O

Bakrove soli i njihove vodene otopine su plave (modre). Ako se otopina bakrova(II) sulfata ostavi da polagano isparava, iz nje će se iskristalizirati modri kristali koje još od srednjega vijeka nazivaju modra galica. U kristalima modre galice na svaku formulsku jedinku CuSO₄ dolazi 5 molekula vode, pa se formula modre galice piše kao CuSO₄·5H₂O.

Soli prijelaznih metala dobivene kristalizacijom iz vodenih otopina najčešće sadržavaju kristalizacijsku vodu. Primjerice, zagrijavanjem modre galice kristalizacijska voda može  ispariti, a dobiveni bezvodni bakrov(II) sulfat, CuSO₄, bijele je ili svijetloplave boje. Kad se na bezvodni bakrov(II) sulfat doda nekoliko kapi vode, on se u toj vodi otapa, a iz zasićene vodene otopine odmah kristalizira modra galica, CuSO₄·5H₂O.

21.4. Kako se dobiva kuhinjska sol

Natrijev klorid, NaCl, odnosno kamena ili kuhinjska sol, nalazi se u prirodi u podzemnim naslagama, slanim jezerima i u moru. Iz podzemnih naslaga može se dobivati rudarenjem, kao u Poljskoj, ili otapanjem podzemnih naslaga soli u vodi kao u Tuzli u BIH. Zasićena otopina crpi se na površinu i uparava pa se sol kristalizira u obliku sitnih kristalića.

U morskim solanama kuhinjska sol, odnosno natrijev klorid, dobiva se prirodnim isparavanjem morske vode u plitkim bazenima. Osim natrijeva klorida, morska sol sadržava magnezijev sulfat i magnezijev klorid zbog čega je higroskopna, a ponekad i gorka.

Za ljudsku prehranu sol se mora jodirati s 20 do 30 mg kalijeva jodida, KI, ili kalijeva jodata, KJO₃, na kilogram soli. Nedostatak joda u hrani uzrokuje gušavost i zaostajanje u umnom razvoju. Gušavost je posljedica povećanja štitnjače (tiroidne žlijezde). Štitna žlijezda luči tri hormona: tiroksin, tironin i kalcitonin. Molekula tiroksina sadržava četiri, a molekula tironina tri atoma joda. Ako u hrani nedostaje joda, štitnjača se poveća kako bi iz hrane i vode iscrpila i najmanje tragove joda.

YouTube Video: How to grow beautiful crystals of salt - do your chemical experiment!

Izradite plakat o jednoj od tema:

a) elektrolitička disocijacija.

b) soli,

c) kuhinjska sol u industrijski prerađenim namirnicama.

22. MASENI UDIO ELEMENATA U SPOJU

Maseni udio nekog sastojka u smjesi jest omjer mase tog sastojka smjese prema masi svih sastojaka u smjesi.

Maseni udio elemenata u spoju izračuna se po istom načelu. Maseni udio elementa u spoju je omjer relativne atomske mase elementa prema relativnoj molekulskoj masi formulske jedinke spoja. Najbolje je to pokazati na nekoliko primjera.

Primjer 22.1.

Izračunajte maseni udio natrija u natrijevu kloridu.

Rješenje

Primjer 22.2.

Izračunajte maseni udio magnezija u magnezijevu karbonatu.

Rješenje

Primjer 22.3.

Izračunajte maseni udio vode u modroj galici.

Rješenje

Maseni udio vode u modroj galice jednak je omjeru relativne molekulske mase pet molekula vode, M_r(5H₂O), prema relativnoj molekulskoj masi modre galice, M_r(CuSO₄·5H₂O).

Primjer 22.4.

Za zaštitu vinove loze od peronospore vinogradari pripremaju 1-postotnu „bordošku juhu“ tako da u 100 kg vode otope 1 kg modre galice, CuSO₄∙5H₂O i potom uz miješanje dodaju 0,5 kg gašena vapna, Ca(OH)₂. Koliki je udio modre galice u tako pripremljenoj „bordoškoj juhi“?

Rješenje

Maseni udio nekog sastojka u smjesi jednak je omjeru mase tog sastojka prema masi svih sastojaka smjese.

Izradite plakat o jednoj od  tema:

a) maseni udio sastojaka u smjesi,

b) maseni udio soli u prehrambenim proizvodima.

23. UGLJIK I NJEGOVI SPOJEVI

Ugljik se u prirodi javlja u elementarnom stanju kao dijamant i grafit. Najveće količine elementarnog ugljika u prirodi sadržavaju različite vrste ugljena. No najveći dio ugljika u prirodi vezan je u spojeve kao što su ugljikov dioksid, kalcijev i magnezijev karbonat i nafta. Osim toga, sav je živi biljni i životinjski svijet izgrađen od spojeva ugljika.

23.1. Dijamant i grafit

Dijamant i grafit razlikuju se po mnogim fizikalnim svojstvima. Dijamant je proziran i izolator, a grafit neproziran, crn i provodi struju. Gustoća dijamanta je 3,5 g cm^–3, a grafita 2,2 g cm^–3. Različita svojstva dijamanta i grafita proizlaze iz različitog načina vezivanja ugljikovih atoma. U dijamantu je svaki atom ugljika povezan sa četiri susjedna atoma vrlo čvrstim kemijskim vezama. Tako ugljikovi atomi čine krutu trodimenzijsku mrežu. Zato je dijamant najtvrđi poznati materijal. Zbog velike tvrdoće dijamanti se rabe za izradu alata za brušenje i rezanje kamena i metala.

Slika 23.1. Modeli kristalnih struktura dijamanta (a) i grafita (b)

Slika 23.2.  Obod ploče za rezanje kamena, stakla ili betona sadržava male krhotine dijamanata. Radi spriječavanja prejakog zagrijavanja, a time i izgaranja dijamanta, tijekom rezanja kamena ili stakla rezne ploče hlade se vodom.

YouTube Video: Diamond growing process

Struktura grafita (grč. grafo – pišem) razlikuje se od strukture dijamanta. U grafitu ugljikovi atomi čine slojeve. Veze između slojeva slabe su, a unutar slojeva jake. Zato slojevi ugljikovih atoma u grafitu mogu kliziti jedan preko drugoga, poput listova papira. Pisanjem grafitnom olovkom na papiru ostaju mali kristalići grafita sa slojevima usporednim površini papira.  

23.2. Ugljikovi oksidi

Grafit i dijamant zapaljeni na zraku ili u kisiku gore. Uz nedovoljan dostup zraka nastaje ugljikov monoksid, CO.

2 C + O₂  →  2 CO  

Ugljikov monoksid je bezbojan otrovan plin. U zimskim mjesecima događaju se trovanja ugljikovim monoksidom kad dimni plinovi ulaze u prostoriju zbog začepljenih ili neispravnih dimnjaka. Prvi znak trovanja ugljikovim monoksidom je glavobolja. Ugljikova monoksida ima u ispušnim plinovima automobila. Zato se motori automobila ne smiju paliti u zatvorenim garažama.

Slika 23.3. Znakovi trovanja ugljikovim monoksidom

Ugljikov monoksid zapaljen gori pri čemu nastaje ugljikov dioksid, CO₂.

2 CO   +  O₂ →  2 CO₂

Gustoća ugljikova dioksida veća je od gustoće zraka. Nije otrovan, ali onemogućuje disanje i gorenje. Na nekim mjestima izlazi iz zemlje pa se nakuplja u dubokim bunarima. Nastaje pri alkoholnom vrenju i nakuplja se u podrumima u kojima vrije mošt. Zato se u duboke bunare i podrume ulazi s upaljenom svijećom. Ako se svijeća ugasi, bunar ili podrum treba dobro provjetriti prije nego u njega uđe čovjek.

Pokus 40. Dokazivanje ugljikova dioksida u gaziranim napicima

23.3. Ugljična kiselina

Ugljikov dioksid je topljiv u vodi. Topljivost ugljikova dioksida u vodi povećava se povećanjem tlaka, a smanjuje povišenjem temperature. Vrlo mali dio ugljikova dioksida u otopini reagira s molekulama vode tako da nastaje vrlo malo ugljične kiseline.

CO₂ + H₂O  →  H₂CO₃   

Kiselkast okus gaziranih mineralnih voda potječe upravo od ugljične kiseline. Soli ugljične kiseline zovu se karbonati. Ugljična kiselina je vrlo slaba kiselina, slabija od octene i limunske kiseline. Zato su svi karbonati topljivi u octenoj i limunskoj kiselini. Mnogi lijekovi danas se prodaju u obliku šumećih tableta. Takva tableta osim lijeka sadržava kalcijev karbonat, šećer ili neko umjetno sladilo i limunsku kiselinu. Kad se tableta stavi u vodu,l limunska kiselina reagira s kalcijevim karbonatom. Pritom nastaju mjehurići ugljikova dioksida i čuje se karakterističan šum. Zato je nastao naziv šumeće tablete.

Izradite plakat o jednoj od  tema:

a) ugljikov monoksid i njegova svojstva,

b) ugljikov dioksid i njegova svojstva.

24. KRUŽENJE UGLJIKA U PRIRODI

U oko 4,6 milijardi godina, koliko Zemlja postoji, njezina atmosfera i klima prošle su kroz mnoge promjene. Pretpostavlja se da se prvotna atmosfera sastojala od vodene pare, vodika, metana, amonijaka i ugljikova dioksida, ali bez kisika. Prema kemijskim analizama i geološkim podacima procjenjuje se da su se prije oko dvije milijarde godina pojavile prve primitivne biljke koje su imale sposobnost fotosinteze. One su energiju Sunčeve svjetlosti iskorištavale da iz vode i ugljikova dioksida sintetiziraju mnogo složenije spojeve, kao što je glukoza, uz istodobno oslobađanje kisika. To se može prikazati pojednostavnjenom jednadžbom:

6 CO₂ + 6 H₂O  →  C₆H₁₂O₆ + 6 O₂

Nastalu glukozu biljka iskorištava za sintezu tvari potrebnih za preživljavanje te za sintezu škroba i celuloze.Škrob je glavni sastojak zrnja žitarica i krumpira, a od celuloze izgrađene su stijenke stanica i deblo drveta. Glukoza i škrob su rezervoari kemijske energije. Njih koristi biljka sama, ili pak životinje koje se hrane biljem. U stanicama se pritom događa drugi niz kemijskih reakcija pri kojima glukoza postupno, korak po korak, „izgara” u ugljikov dioksid i vodu uz oslobađanje energije.

C₆H₁₂O₆ + 6 O₂ →  6 H₂O + 6 CO₂

Taj proces zovemo stanično disanje. Fotosinteza i stanično disanje imaju suprotan učinak, ali zajedno održavaju kružni tok ugljika u prirodi. U prijelazu ugljikova dioksida iz atmosfere u biosferu značajnu ulogu ima hidrosfera (oceani) i litosfera (kruti dio Zemljine kore). U morskoj vodi otopljeno je 60 puta više ugljikova dioksida nego što ga ima u atmosferi. Ugljikov dioksid u atmosferi i morskoj vodi neprestano zamjenjuju svoja mjesta. Potrebno je oko 2 godine da ugljikov dioksid iz površinskog dijela oceana prijeđe u atmosferu i obratno. Dio ugljikova dioksida otopljena u oceanima taloži se u obliku kalcijeva karbonata.

U dugoj povijesti Zemlje svaki je ugljikov atom prosječno dvadesetak puta sudjelovao u kružnom toku ugljika. Fotosinteza je jedini proces kojim se ugljikov dioksid iz atmosfere veže u energijom bogate spojeve kao što su glukoza, škrob i celuloza. Stanično disanje, raspadanje organskih tvari, požari, vulkanske erupcije, otapanje stijena djelovanjem različitih kiselina i dr. dovode do ponovnog prijelaza ugljikova dioksida u atmosferu.

Slika 24.1. Uočite i opišite što više procesa, prikazanih na slici, koji sudjeluju u kružnom toku ugljika u prirodi

24.1. Ugljikov dioksid i globalno zatopljenje

Koncentracija ugljikova dioksida u atmosferi mijenjala se tijekom Zemljine prošlosti. Istraživanja su pokazala da se topla razdoblja na Zemlji podudaraju s velikom, a ledena s malom koncentracijom ugljikova dioksida u atmosferi. Pretpostavlja se da je glavni uzročnik globalnog zatopljenja povećanje koncentracije ugljikova dioksida u atmosferi zbog spaljivanja fosilnih goriva. Mediji nas svakodnevno uvjeravaju da je to tako. To se tumači općepoznatim činjenicama da se tijekom dana Zemljina površina zagrijava, a tijekom noći hladi. No svima je poznato da su vedre noći hladne, a oblačne tople. To je zato što vodena para i kapljice vode upijaju toplinske zrake koje noću odašilje Zemljina površina pa se Zemlja polaganije hladi. Jednako se ponaša i ugljikov dioksid. Molekule ugljikova dioksida preko dana propuštaju kratkovalno Sunčevo zračenje, a noću upijaju dugovalno toplinsko zračenje Zemljine površine. Volumni udio ugljikova dioksida u atmosferi krajem 19. stoljeća iznosio je 0,03 %, a danas iznosi 0,0399 %. Zato se pretpostavlja da je povećanje koncentracije ugljikovog dioksida u atmosferi glavni uzročnik globalnog zatopljenja jer u današnje vrijeme Zemlja tijekom noći odašilje u svemir manje energije nego što je tijekom dana primi od Sunca.

Na koncentraciju ugljikova dioksida u atmosferi i prosječnu temperaturu Zemljine površine ne utječe samo spaljivanje fosilnih goriva, već i vulkanske erupcije i mnogi drugi procesi u Zemljinoj hidrosferi, atmosferi i stratosferi. Primjerice, nakon velikih vulkanskih erupcija u stratosferi godinama lebde mikroskopske čestice prašine koje reflektiraju Sunčevo zračenje u svemir. Zemlja zato prima manje energije sa Sunca pa se hladi. Zbog toga nekoliko godina zaredom nastupaju vrlo hladne zime. Osim toga, zatopljenja i zahlađenja na Zemlji ciklički se izmjenjuju s periodom od oko 120 000 godina. Mjerenja, o kojima se ne govori, pokazuju da se trend globalnog zatopljenja zaustavio 1997. godine. Nadalje, sjeverna polarna kapa od 2012. do 2013. povećala se 920.000 kvadratnih milja. Zato neki znanstvenici tvrde da nas ne očekuje globalno zatopljenje nego upravo suprotno, slijedi nam veliko ledeno doba koje se zove Milankovićevo ledeno doba i koje traje oko 70 tisuća godina i ono neminovno dolazi. Glavni argument je taj da je takvih ledenih doba u proteklih milijun godina bilo 10.  Zadnje veliko ledeno doba je nestalo prije 11 tisuća godina kada je nastupilo veliko globalno zatopljenje. Ako su sada čovjek i industrija krivi, postavlja se pitanje što je uzrokovalo prijašnja globalna zatopljenja kada industrije nije bilo? Sve nam to govori da problem globalnog zatopljenja nije tako jednostavan kao što si to zamišljamo. Novo ledeno doba sigurno dolazi, ali ne znamo kad.

Može li povećanje koncentracije ugljikova dioksida u atmosferi utjecati na porast temperature Zemlje kao planete ustanovit ćemo pokusom kao na slici 24.2.

Pokus 41. Utječe li ugljikov dioksid na globalno zatopljenje

Slika 24.2. Aparatura za demonstraciju  „globalnog zatopljenja

U ovom pokusu žarulja predstavlja „sunce“, pločica na dnu boce „zemljinu površinu“ a plin u boci „zemljinu atmosferu“. Temperatura tog sustava ovisi o količini topline koju prima od žarulje i količini topline koju gubi zračenjem u okolinu. Nakon 20 do 30 minuta uspostavi se ravnotežno stanje. Kad se zrak u boci zamijeni ugljikovim dioksidom, dolazi do povišenja temperature sustava. Na temelju rezultata pokusa možemo zaključiti da povećanje koncentracije ugljikova dioksida u Zemljinoj atmosferi može dovesti do globalnog zatopljenja.

 
https://bs.wikipedia.org/wiki/Globalno_zatopljenje

https://hr.wikipedia.org/wiki/Globalno_zatopljenje

http://www.periodni.com/enig/klimatske_promjene

Izradite plakat o jednoj od tema:

a) ugljik i njegovi sojevi,

b) kruženje ugljika u prirodi,

c) globalno zatopljenje.

25. FOSILNA GORIVA I PETROKEMIJA

Kuhanje hrane, grijanje prostorija u kojima čovjek radi ili boravi, prijevoz od mjesta stanovanja do mjesta rada i još mnogo toga ne može se zamisliti bez energije. Energija se ne može dobiti ni iz čega. Danas se još uvijek najveći dio potrebne energije dobiva spaljivanjem fosilnih goriva, ugljena, nafte i metana.

25.1. Ugljen

Ugljen je nastajao iz bilja tijekom milijuna godina. Prije oko 300 milijuna godina, u blizini mora bile su rasprostranjene močvare. Podneblje je bilo blago, a raslinje u močvarama gusto. U crnom mulju rasle su goleme biljke, umirale i rušile se u crni mulj. Milijunima godina tako su se gomilali mrtvi ostaci bilja u području koje je polako tonulo. S vremenom se tlo opet počelo uzdizati. Milijunima godina rijeke i vjetar nanosili su pijesak i glinu na stare močvare. Snažne sile koje boraju zemlju stlačile su biljne ostatke nataložene u močvarama. U uvjetima bez kisika, pri povišenoj temperaturi i golemom tlaku, organske tvari su se raspadale uz izdvajanje hlapljivih produkata, ugljikova dioksida, metana i vode. Tako su se ostaci divovskih šuma pretvorili u ugljen. Različite vrste ugljena razlikujemo po geološkoj starosti. Najmlađi je lignit, koji ima drvenastu strukturu. Smeđi ugljen je nastao prije otprilike 50 milijuna godina iz nižeg močvarnog bilja. Kameni ugljen je nastao prije 250 do 300 milijuna godina. Antracit je vrsta ugljena koja sadržava 92 do 98 % ugljika. Gori kratkim, plavičastim plamenom bez dima. Antracit čini oko 1% globalnih rezervi ugljena, i nalazi se samo u nekoliko zemalja svijeta.

Ugljen je najlošije gorivo jer daje mnogo pepela i zagađuje okoliš velikim količinama sumporova dioksida. Zato se u termoelektranama spaljuje ugljen s malo sumpora. Nadalje, svaka termoelektrana mora imati uređaje za uklanjanje sumporova dioksida i krutih čestica iz dima.

Od ugljena se može proizvesti mnogo bolje i čišće gorivo konverzijom u tzv. sintezni plin. Preko užarenog ugljena prevodi se smjesa pregrijane vodene pare i zraka. Pojednostavnjeno, dolazi do sljedeće kemijske reakcije.

C + H₂O → CO + H₂

Sintezni plin može se neposredno uporabiti kao gorivo, ali i kao sirovina za dobivanje drugih goriva. Na primjer, pod određenim uvjetima sintezni plin može se izravno prevesti u metanol (metilni alkohol), CH₃OH.

CO + 2 H₂ → CH₃OH

Metanol se može odmah koristiti kao gorivo, kao sirovina za proizvodnju plastičnih masa, ali i za dobivanje benzina..

Slika 25.1. a) Okamenjeno drvo pokazuje strukturu nekadašnjeg drveta (Hrvatski prirodoslovni muzej u Zagrebu). b) Ožiljci listova na stablu drvolike paprati lapidodendrona. Paleozoik. (Zbirka Geološko-paleontološkog odjela Hrvatskog prirodoslovnog muzeja u Zagrebu.) c) Uzorak antracita. (Zbirka Rudarsko-geološko-naftnog fakulteta Sveučilišta u Zagrebu.)

Suhom destilacijom kamenog ugljena, pri temperaturi oko 1000 °C i bez pristupa  zraka, dobivaju se plinoviti produkti koji sadržavaju vodik, metan i ugljikov monoksid. Tekući produkt je smjesa različitih ugljikovodika i drugih organskih spojeva s kisikom i sumporom, tzv. katran kamenog ugljena. Služi kao izvor mnogih vrijednih organskih spojeva. Kruti ostatak nakon destilacije jest koks koji se rabi u metalurgiji.

Pokus 42. Kako izvesti suhu destilaciju drveta

Drveni ugljen dobije se suhom destilacijom drveta. Zapaljen gori bez pojave svjetlećeg plamena jer ne sadržava smolaste tvari.

Tijekom suhe destilacije ugljena, ali i drveta, velike molekule cijepaju se na mnogo manjih, pa se taj postupak zato naziva destruktivnom destilacijom (lat. destruere - razrušiti, upropastiti).

25.2. Nafta

Nafta je dugo nastajala, od samih početaka biljnog i životinjskog svijeta, prije otprilike 600 milijuna godina, pa sve donedavno. Stotinama milijuna godina rađali su se i ugibali nebrojeni morski organizmi, pa i oni vidljivi tek elektronskim mikroskopom. Uginuvši, oni su se taložili na dno starih oceana. U sredini siromašnoj kisikom bjelančevine i druge organske tvari raspadale su se djelovanjem anaerobnih bakterija. Otpornije, masne i voštane tvari, gomilale su se u obliku gnjila mulja. Taj osnovni materijal poslije je prekriven glinenim slojem koji ne propušta ni ulje ni plin. Pod pritiskom novih slojeva i pri nešto povišenoj temperaturi iz tog su materijala nastali nafta i zemni plin. Da je nafta organskog podrijetla dokazuju mnogi komplicirani organski spojevi koji mogu nastati samo u živom organizmu. Slana voda, koja prati naftu, i njezin sastav također dokazuju njezino morsko podrijetlo.

Sirova nafta je tekuća smjesa nekoliko desetaka tisuća različitih kemijskih spojeva. Nakon odvajanja krutih čestica i vode, sirova nafta se vodi u postrojenje za frakcijsku destilaciju.  Nafta, ugrijana na oko 350 do 400 °C, uvodi se u visoku kolonu s nizom horizontalnih rupičastih pregrada, tzv. tavana. Frakcije nižeg vrelišta penju se u obliku pare prema vrhu kolone, a one višeg vrelišta kondenziraju se i teku prema dnu kolone. S vrha kolone odvode se plinovi čije je vrelište niže od 20 °C. To je uglavnom smjesa ugljikovodika male relativne molekulske mase, metana, etana, propana i butana.  Najvažniji produkt koji se dobiva iz nafte jest benzin, jer služi kao pogonsko gorivo. To je frakcija s vrelištem od 70 do 150 °C. No, običnom frakcijskom destilacijom iz nafte dobiva se relativno malo benzina.

Slika 25.2. Shematski prikaz kolone za frakcijsku destilaciju nafte

Kako bi se dobilo više benzina, frakcije višeg vrelišta podvrgavaju se postupku poznatom pod nazivom katalitičko krekiranje (engl. cracking – razbijanje, cijepanje). Uz pogodan katalizator, neke prirodne i sintetičke gline, pri temperaturi od 400 do 500 °C, uz neznatno povišeni tlak, molekule ugljikovodika s većim brojem C-atoma cijepaju se na više molekula s manjim brojem C-atoma.

            pentan                          propan                eten

Općenito, pri krekiranju iz zasićenih ugljikovodika nastaju nezasićeni ugljikovodici, vodik i tzv. petrolkoks. Za petrolkoks je karakteristično da sadržava malo pepela pa se rabi za proizvodnju umjetnoga grafita potrebnog industriji, ali i za olovke. 

Pokus 43. Što nastaje katalitičkim krekiranjem parafinskog ulja

25.3. Plinovita goriva

Metan, CH₄, ili zemni plin danas je najjeftinije gorivo. I zemni plin sadržava sumpor, najčešće u obliku sumporovodika. Zato se odmah na izvoru provodi odsumporavanje, prije transporta plinovodom. Najveći potrošači zemnog plina su termoelektrane i petrokemija. Metan je pogodan za upotrebu u kućanstvu za kuhanje i zagrijavanje prostorija. Ne ostavlja pepeo i ne čađi. Uz dovoljan dotok zraka izgara plavičastim plamenom u ugljikov dioksid i vodu.

CH₄ + 2 O₂ → CO₂ + 2 H₂O

Uz nedovoljan dotok zraka metan izgara čađavim plamenom. Pritom nastaje ugljikov monoksid, CO, koji je jak krvni otrov. Česti su slučajevi trovanja ugljikovim monoksidom kad su, zbog neredovitog održavanja, dimovodne instalacije začepljene.

Smjesa metana i zraka je eksplozivna. Širom svijeta događaju se eksplozije smjesa plina i zraka uzrokovane nekontroliranim istjecanjem plina. Da bi se spriječilo nekontrolirano istjecanje plina, kad se plamen ugasi zbog propuha ili izlijevanja tekućine, štednjak mora biti opremljen sigurnosnim elektromagnetskim ventilom.

Pri preradbi nafte u rafinerijama nastaju velike količine propana i butana. Smjesa tih plinova već pri malom tlaku prelazi u tekućinu te se kao ukapljeni plin rabi u kućanstvima za pripremu hrane. Boca s ukapljenim plinom na štednjak se priključuje putem redukcijskog ventila i gumenog crijeva načinjena od posebne vrste gume. Ukapljeni plin razara običnu gumu pa može doći do nekontroliranog istjecanja plina. Redukcijskim ventilom veći tlak plina u boci smanji se na manji tlak kakav je potreban na priključku štednjaka. Matica redukcijskog ventila ima lijevi navoj. To znači da se ventil priključuje okretanjem matice u smjeru suprotnom od kretanja kazaljke sata. Na ventil obvezno dolazi brtva koju treba zamijeniti svaki put kad se zamjenjuje boca. Nikad se ne smiju stavljati dvije brtve jedna na drugu. Ispravnost brtvljenja spojeva provjerava se otopinom sapunice, a ne šibicom. Novine često izvještavaju o „eksplozijama boca s ukapljenim plinom“. No, nijedna boca još nije eksplodirala. Eksplodiraju smjese plina i zraka nastale nekontroliranim istjecanjem plina zbog nepažnje, neispravnih instalacija ili neispravnih priključaka na štednjake i druga trošila plina.

Pogledajte na Internetu galeriju slika: Eksplozija plina.

Vodik, H₂, je najidealnije gorivo jer njegovim gorenjem nastaje samo voda. Pri gorenju razvija najviše topline po jedinici mase. Zato se u tekućem stanju rabi kao pogonsko gorivo raketa za svemirska istraživanja. Nažalost, vodika nema slobodnog u prirodi, pa ga se mora dobiti različitim kemijskim postupcima. Nastaje kao nusprodukt tijekom prerade nafte. Obično se tako dobiveni vodik odmah dalje rabi za dobivanju drugih proizvoda iz nafte, tzv. petrokemikalija.

25.4. Petrokemija

Petrokemija je grana kemijske tehnologije koja se bavi proizvodnjom kemikalija iz nafte i zemnog plina. Važni proizvodi petrokemijske industrije su vodik, H₂, eten, C₂H₄, propen, C₃H₆, etin,C₂H₂, benzen, C₆H₆, alkohol, CH₃CH₂OH, octena kiselina, CH₃COOH itd. Iz njih se dalje sintetiziraju različite plastične mase, polieten, polipropilen, poli(vinil-klorid), umjetna gnojiva i mnogi drugi proizvodi.

Izradite plakat o jednoj od tema:

a) postanak nafte i ugljena,

b) alternativni izvori energije.

26. ORGANSKI SPOJEVI UGLJIKA

Sastav tvari organskog podrijetla prvi je odredio Lavoisier od godine 1781. do 1787. vaganjem proizvoda gorenja alkohola, šećera i octene kiseline. Dokazao je da tvari organskog podrijetla uvijek sadržavaju ugljik i vodik, a često i kisik. Također je dokazao da tvari životinjskog podrijetla često sadržavaju i dušik. Tom je analizom spojeva iz žive prirode Lavoisier postavio temelje organske kemije kao kemije ugljikovih spojeva.

Ugljik je po svojim svojstvima jedinstven u prirodi. Nijedan kemijski element u prirodi nema ta svojstva koja ima ugljik. To što ugljik čini tako važnim jest svojstvo njegovih atoma da se mogu međusobno vezati na bezbroj načina. Ugljik čini najveći broj različitih spojeva s vodikom, kisikom, dušikom i sumporom, a to su elementi koji izgrađuju sve biološki važne molekule.

Jedini poznati organski spojevi do početka 19. stoljeća bili su oni izdvojeni iz biljnog ili životinjskog organizma kao sastojci ili proizvodi biljke ili životinje. Zbog njihova podrijetla zvali su ih organskim spojevima. Dugo se je vjerovalo da je za nastanak organskih spojeva u biljci ili životinji potrebna posebna „životna sila” (lat. vis vitalis). Mislilo se da se organski spojevi neće moći sintetizirati u laboratoriju. Prijelomna je 1828. godina kada je njemački kemičar Friedrich Wöhler sintetizirao mokraćevinu, odnosno ureu, tvar životinjskog podrijetla i time dokazao da za sintezu organskih spojeva nije potrebna posebna životna sila. Wöhlerovim otkrićem oduševio se Justus von Liebig i ustvrdio da ono znači prekretnicu u organskoj kemiji, najavu sinteze organskih tvari kao skoru budućnost organske kemije. Uskoro je uslijedila i sinteza drugih organskih spojeva, kao što je sinteza octene kiseline iz elemenata, vodika, kisika i ugljika.

Slika 26.1. a) Friedrich Wöhler (1800. – 1882.), b) Justus von Liebig (1803. – 1873.).

26.1. Svojstva organskih spojeva

Fizička i kemijska svojstva anorganskih i organskih spojeva u mnogo čemu se razlikuju. Najbolje se to uočava usporedbom nekih njihovih karakterističnih svojstava.

Tablica 26.1. Usporedba karakterističnih svojstava anorganskih i organskih spojeva

26.2. Kvalitativna analiza sastava organskog spoja

Organski spoj uvijek sadržava ugljik i vodik. Osim ugljika i vodika mnogi organski spojevi, pogotovo prirodni, sadržavaju kisik, sumpor, dušik i fosfor. Organski spojevi dobiveni sintezom često sadržavaju halogene elemente, fluor, klor, brom i jod.

Nakon što kemičar izolira čist spoj mora odrediti njegov sastav. Najprije treba utvrditi je li spoj anorganski ili organski. To se može doznati tako da se malo ispitivanog spoja zapali na vrhu male metalne lopatice (špahtle). Organski spoj će izgorjeti ili pougljeniti jer uvijek sadržava ugljik i vodik. Potom slijedi kvalitativno dokazivanje prisustva drugih elemenata u ispitivanom spoju.

Pokus 44. Sadržava li urea dušik

Sve tvari životinjskog podrijetla sadržavaju dušik. Primjerice, urea, (NH₂)₂CO, je spoj prirodnog podrijetla prisutan u urinu svih životinja i čovjeka. Kad se u vodenu otopinu uree doda natrijeva hidroksida i otopina zagrije, urea se raspada uz oslobađanje amonijaka. Amonijak, NH₃, ima karakterističan miris pa ga se već na temelju mirisa može lako detektirati. No, amonijak je topljiv u vodi pa, ako se iznad epruvete stavi vlažan crveni lakmusov papir, njegova se boja promijeni iz crvene u plavu, jer je vodena otopina amonijaka slaba lužina. Ovaj jednostavan pokus dokazuje da urea, kao tvar organskog podrijetla, u svojoj molekuli osim ugljika sadržava i dušik.

Pokus 45. Dokazivanje prisutnosti sumpora u tvarima organskog podrijetla

Mnogi organski spojevi prirodnog podrijetla sadržavaju sumpor. Da bismo dokazali prisutnost sumpora organski spoj treba razgraditi tako da se sumpor dobije u ionskom obliku. Kuhanjem s natrijevim hidroksidom organska tvar se razgrađuje, a sumpor prelazi u sulfidne ione, S²⁻. Doda li se dobivenoj otopini olovova acetata, Pb(CH₃COO)₂, nastaje crni talog olovova sulfida, PbS. Tako se može dokazati da primjerice kosa i nokti sadržavaju sumpor.

Pokus 46. Dokazivanje prisutnosti halogena u tvarima organskog podrijetla

Jednostavnu metodu dokazivanja prisutnosti halogena u organskom spoju uveo je ruski kemičar Friedrich Beilstein, profesor kemije u St. Peterburgu. Najprije treba užariti bakrenu žicu pri čemu na njezinoj površini nastaje sloj bakrova(II) oksida, CuO. Potom se užarenu bakrenu žicu uroni u organski spoj i unese u rub šuštećeg plamena plinskog plamenika. U početku plamen zasvijetli jer bakrov(II) oksid oksidira organski spoj. Ako spoj sadržava neki od halogenih elemenata, plamen postane zelen jer nastaje hlapljivi bakrov halogenid. To je dokaz da spoj sadržava halogen. Bakrovi spojevi boje plamen zeleno, pa se to njihovo svojstvo iskorištava pri izradi raketa za vatromete.

Nakon kvalitativne analize slijedi kvantitativna analiza, odnosno određivanje masenih udjela pojedinih elemenata u spoju. Na temelju rezultata kvantitativne analize lako je izračunati najjednostavniju ili empirijsku formulu spoja. Pravu ili molekulsku formulu spoja teže je odrediti. U tu se svrhu rabe neke fizikalne metode.

Izradite plakat o jednoj od tema:

a) svijeća i njezina svojstva,

b) kvalitativno dokazivanje prisustva C, S, N i halogena u tvarima organskog podrijetla.

27. UGLJIKOVODICI

Ugljikovodici su kemijski spojevi ugljika i vodika. U organskim spojevima ugljik je uvijek četverovalentan i uvijek čini četiri veze. Ugljikovi atomi mogu se međusobno povezivati jednostrukim, dvostrukim i trostrukim vezama u dugačke ravne i razgranate lance te u prstenove. Ovisno o načinu međusobnog vezivanja ugljikovih atoma, ugljikovodike dijelimo u više skupina.

27.1. Zasićeni ugljikovodici ili alkani

Ugljikovodici u kojima su ugljikovi atomi međusobno povezani samo jednostrukim vezama jesu zasićeni ugljikovodici, a nazivaju se zajedničkim imenom alkani. Najjednostavniji alkan je metan, CH₄. U metanu je atom ugljika povezan s četiri atoma vodika.

Zasićeni ugljikovodici čine homologni niz u kojem svaki sljedeći ugljikovodik u nizu sadržava jednu skupinu CH₂ više. Zato se sastav zasićenih ugljikovodika ili alkana može prikazati općom formulom, C_nH_2n+2, u kojoj je n broj ugljikovih atoma.

Prva četiri ugljikovodika u homolognom nizu: metan, CH₄, etan, C₂H₆, propan, C₃H₈, i butan, C₄H₁₀, davno su dobila svoja imena. Daljnji članovi niza dobivaju imena na osnovi korijena grčkih brojeva s nastavkom -an; pentan, heksan, heptan, oktan, nonan, dekan itd.

Metan, CH₄, ili zemni plin nalazi se u gornjim dijelovima Zemljine kore u tzv. plinskim poljima. Primjerice, plinska polja u Sjevernom Jadranu nalaze se na dubini između 600 i 1300 m.  Metan nastaje na odlagalištima otpada, ali i u barama gdje trunu organske tvari pa su ga nekad zvali močvarni plin. Javlja se i u rudnicima ugljena te je uzročnik većine rudarskih nesreća jer su smjese metana i zraka eksplozivne.

Etan, C₂H₆, rabi se kao sirovina za dobivanje plastičnih masa.

Propan, C₃H₈, i butan, C₄H₁₀, lako prelaze u tekuće stanje pa se transportiraju u čeličnim bocama kao ukapljeni plin te se u kućanstvima rabe za zagrijavanje.    

Slika 27.1. Davy-jeva rudarska svjetiljka. Englesko "Društvo za spriječavanje nesreća u rudnicima ugljena", pozvalo je 1815. godine Davya da istraži mogućnost takve svjetiljke koja svojim plamenom ne bi izazvala eksploziju smjese zraka s metanom. Bilo je to u doba naglog porasta potrošnje kamenog ugljena, pa je trebalo povećati proizvodnju, ali i osigurati rudare od eksplozije. Godine 1813., samo u jednom rudniku, od eksplozije je poginulo više od devedeset rudara. U Francuskoj akademiji bili su mišljenja da je ventilacija u rudniku jedino rješenje. Davy se dao na istraživanje plamena, odredio plamište metana i njegovih smjesa sa zrakom i otkrio da uzduž uskih cijevi eksplozija sama prestane zato jer se plinovi ohlade ispod temperature plamišta. Početkom 1816. godine Davy je izvijestio dužnosnike spomenutog Društva o otkriću "sigurnosne svjetiljke". Otkrio je da se eksplozija ne proširi kroz finu žičanu gazu (mrežicu) i konstruirao svjetiljku s cilindrom od žičane gaze. Izum je poklonio rudarima i odbio zaštititi ga patentom. Postao je junak dana. Još i danas svi Englezi znaju za Davya po njegovoj svjetiljci.

Modeli molekula i formule alkana

Za prikazivanje građe molekula kemičari se služe modelima i formulama. Koji će se od uobičajenih načina prikazivanja građe molekula odabrati ovisi o tome što se modelom ili formulom želi istaknuti.

Slika 27.2. Različiti načini predočavanja građe molekula prikazani na primjeru metana: model sa štapićima i kuglicama, kalotni model, klinasta formula i strukturna formula s valentnim crticama

Model s „kuglicama i štapićima“ predočuje prostorni razmještaj atoma u molekuli.

Kalotni model predočuje pakovanje atoma u molekuli. Atomi u molekuli nisu vezani štapićima. Naprotiv, elektronski oblaci međusobno vezanih atoma prodiru jedan u drugoga (prekrivaju se).

Klinasta formula kao i model s „kuglicama i štapićima“ na drugi način predočuje prostorni razmještaj atoma u molekuli. Puni klin predočuje atom iznad, a crtkani ispod ravnine papira.

Strukturna formula s valentnim crticama predočuje kako su atomi u molekuli međusobno povezani. Takva je formula planarna i ne pokazuje prostorni razmještaj atoma u molekuli.

Sažeta strukturna formula na jednostavniji način predočuje redoslijed povezivanja ugljikovih atoma u molekuli.

Molekulska formula prikazuje broj i vrstu atoma u molekuli, ali ne daje podatke o tome kako su atomi međusobno povezani.

Slika 27.3. Modeli i različiti načini prikazivanja formula prva četiri člana homolognog niza alkana

Iz modela molekule metana, prikazanog na slici 27.2. vidi se da su atomi vodika oko ugljikova atoma razmješteni tako da budu što dalje jedan od drugoga. Može se zamisliti da su u molekuli metana vodikovi atomi smješteni na vrhovima tetraedra u čijem se središtu nalazi atom ugljika.

 
Izomeri

Ugljikovi atomi ne moraju se uvijek vezivati u ravne lance. Primjerice, strukturna formula butana može se napisati na dva, a pentana na tri načina, s ravnim i razgranatim lancem.

Molekula jednake molekulske formule, ali različitog redoslijeda vezivanja ugljikovih atoma, nazivaju se izomeri (grč. isos – jednak + meros – dio). Zbog različitog redoslijeda vezivanja ugljikovih atoma u molekuli izomeri imaju različita fizička svojstva, primjerice vrelište i krutište.

Strukturna formula heksana, C₆H₁₄, može se napisati na 5 načina. Što je broj ugljikovih atoma u molekuli veći, to je i veći broj različitih izomera. Tako ugljikovodik koji se naziva dekan, C₁₀H₂₂, jer ima 10 ugljikovih atoma, ima već 75 različitih izomera, a ugljikovodik s 20 ugljikovih atoma ima čak 366 379 izomera. To nam objašnjava zašto se nafta sastoji od tisuća različitih kemijskih spojeva.

Slika 27.4. Modeli molekula i sažete strukturne formule izomera pentana

 Cikloalkani

Ugljikovi atomi u zasićenim ugljikovodicima mogu se vezati u prstenove. Najmanji prsten može imati tri atoma. Takvi ugljikovodici dobivaju prefiks ciklo- (grč. kyklos – krug) te se općenito nazivaju cikloalkani. Cikloalkani čine homologni niz s općom formulom (CH₂)_n, a pripadna imena članova ovog niza su ciklopropan, ciklobutan, ciklopentan, cikloheksan itd.

Slika 27.5. Modeli molekula i sažete strukturne formule ciklopropana, ciklobutana, ciklopentana i cikloheksana

Zasićeni ugljikovodici kemijski su vrlo postojani. Kalijev permanganat  je jako oksidacijsko sredstvo, ali ne reagira sa zasićenim ugljikovodicima. Klor i brom reagiraju tek uz djelovanje jake svjetlosti. Zbog takvih svojstava zasićeni ugljikovodici nazivaju se parafini (grč. para - protiv + lat. affinitas - privlačnost). Kad se smjesa zasićenog ugljikovodika i klora izloži svjetlosti dolazi do kemijske reakcije u kojoj se jedan ili više atoma vodika zamijeni atomima klora.

CH₄ + Cl₂ " CH₃Cl + HCl

CH₃Cl + Cl₂ " CH₂Cl₂ + HCl

CH₂Cl₂ + Cl₂ " CHCl₃ + HCl

CHCl₃ + Cl₂ " CCl₄ + HCl

Svi atomi vodika reagiraju jednako pa se dobije smjesa više kloriranih ugljikovodika. Reakcije u kojima dolazi do zamjene jednog ili više atoma vodika atomima halogena nazivaju se reakcijama supstitucije (lat. supstituere - staviti mjesto koga).

27.2. Nezasićeni ugljikovodici

Ugljikovi atomi mogu se međusobno povezivati dvostrukim i trostrukim vezama.  Oni koji sadržavaju dvostruke veze nazivaju se alkeni, a oni s trostrukim vezama alkini. Dragocjene su sirovine za sintezu mnogih organskih spojeva, primjerice plastičnih masa, boja i lijekova.

Alkeni i alkini su nezasićeni ugljikovodici jer nemaju maksimalan broj vodikovih atoma koje atomi ugljika mogu vezati. U jednoj molekuli alkena, kao i alkina, može biti više dvostrukih ili pak trostrukih veza.

Slika 27.6. Modeli molekula, formule i imena nekoliko nezasićenih ugljikovodika

Nije svejedno na kojem se mjestu nalazi dvostruka ili trostruka veza u ugljikovodičnom lancu. Spojevi s istom brojem ugljikovih atoma vezanih u lanac, ali s dvostrukom ili trostrukom vezom na različitim mjestima, različiti su spojevi. Pokažimo to na primjeru molekule pentena.

Slika 27.7. Iako imaju istu molekulsku formulu to su dva različita spoja i imaju različita imena; pent-1-en i pent-2-en.

Imena alkena tvore se tako da se korijenu imena zasićenog ugljikovodika s istim brojem ugljikovih atoma doda nastavak -en. Brojka 1 ispred nastavka -en kazuje da se dvostruka veza nalazi na prvom ugljikovom atomu, a brojka 2 da se dvostruka veza nalazi na drugom ugljikovom atomu. Ugljikovi atomi u lancu uvijek se broje od onog kraja kojemu je dvostruka veza bliže. Imena alkina tvore se po istom pravilu, ali se korijenu imena zasićenog ugljikovodika s istim brojem ugljikovih atoma dodaje nastavak -in.

Za razliku od zasićenih ugljikovodika, nezasićeni ugljikovodici su vrlo reaktivni. Na dvostruke ili trostruke veze među ugljikovim atomima lako se adiraju mnogi reagensi, primjerice vodik, klor, brom, voda, klorovodik i dr.

Takva vrsta kemijske reakcije naziva se reakcijom adicije (lat. additio – dodavanje). Naveliko se primjenjuje u industriji. Primjerice, adicijom vodika na dvostruke veze u molekulama biljnih ulja, uz nikal kao katalizator, dobivaju se krute ili polukrute masti kao što je margarin.

Etin, više poznat po zastarjelom naziv acetilen, najjednostavniji je nezasićeni ugljikovodik s trostrukom vezom. U laboratoriju se može dobiti reakcijom kalcijeva karbida s vodom.

CaC₂ + 2 H₂O → H−C≡C−H + Ca(OH)₂

Etin je vrlo reaktivan. Uvođenjem etina u otopinu kalijeva permanganata, ili u bromnu vodu, nastaju zasićeni spojevi.

H−C≡C−H + 2 Br₂ → CHBr₂─CHBr₂

Zapaljen na zraku etin gori čađavim svjetlećim plamenom. U posebnom plameniku s kisikom izgara u ugljikov dioksid i vodu.

2 C₂H₂ +   5 O₂ → 4 CO₂ + 2 H₂O

Temperatura plamena doseže 3100 °C pa se taj plamen rabi za rezanje i spajanje (zavarivanje) čelika. Acetilen dolazi u bocama pod tlakom otopljen u acetonu.

Pokus 47. Dobivanje etina i ispitivanje njegovih svojstava 

27.3. Aromatski ugljikovodici

Aromatski ugljikovodici ili areni su nezasićeni ciklički (prstenasti) spojevi. Izolirani su najprije iz mirisnog bilja pa se zato nazivaju aromatskima (grč. aroma – mirisna trava, mirodija). Po svojim kemijskim svojstvima bitno se razlikuju od lančastih i cikličkih alkena. Zato se smatraju posebnom skupinom ugljikovodika. Najjednostavniji aromatski ugljikovodik jest benzen. C₆H₆. Otkrio ga je engleski kemičar i fizičar Michael Faraday (1791. – 1867.).

Slika 27.8. Strukturna formula i kalotni model molekule benzena. Svjetlije kalote označuju atome vodika, a crni dijelovi modela atome ugljika međusobno povezane u šesteročlani prsten

Prsten koji se sastoji od 6 ugljikovih atoma, povezanih na način kao u benzenu, naziva se benzenski prsten. Na svakom ugljikovu atomu u benzenskom prstenu nalazi se vezan po jedan atom vodika. Kao što model pokazuje, u molekuli benzena svi atomi leže u jednoj ravnini. Za takve se molekule kaže da su planarne građe (lat. planus - ravan).

Slika 27.9. Dugo nije bila jasna strukturna formula benzena. Formulu s jednostrukim i dvostrukim vezama prvi je predložio 1865. godine njemački kemičar F.A. Kekulé (1829. – 1896.). Mnogim kemičarima toga doba Kekuléova formula bila je nevjerojatna pa su se na njegov račun i šalili na način kao što to pokazuje slika iz jednog uglednog njemačkog znanstvenog časopisa.

Ugljikovi atomi mogu se vezati i tako da čine sljubljene šesteročlane prstenove, kao u naftalenu, nekad popularnom sredstvu protiv moljaca. I u njegovoj molekuli svi atomi leže u istoj ravnini.

Slika 27.10. Strukturne formule i model molekule naftalena.

Pri pisanju strukturnih formula aromatskih spojeva uobičajeno je izostaviti simbole ugljikovih atoma u prstenu. Čak se izostavljaju i vodikovi atomi vezani na prsten pa se formula benzena najčešće prikazuje šesteročlanim prstenom s krugom u sredini.

Slika 27.11. Različiti načini prikazivanja strukturne formule molekule benzena. Atomi ugljika u benzenu nisu naizmjenično vezani jednostrukom i dvostrukom vezom, već je to posebna vrsta veze.

Kad se žestoko promućkaju benzen i otopina kalijeva permanganata, boja vodenog sloja se ne mijenja. Uz kalijev permanganat benzen se ponaša kao zasićeni ugljikovodik. Takva svojstva benzena proizlaze iz posebne vrste veze kojom su ugljikovi atomi vezani u prsten. Benzen reagira s bromom tek uz pomoć željeznih strugotina kao katalizatora. Pritom ne nastaje zasićeni spoj već dolazi do reakcije supstitucije (zamjene) atoma vodika atomima broma.

Slika 27.12. Shematski prikaz reakcije bromiranja benzena, odnosno supstitucije atoma vodika bromom

Aromatski ugljikovodici su važne industrijske sirovine. Upotrebljavaju se pri proizvodnji eksploziva, plastičnih masa, lijekova, boja, lakova, otapala, dodaju ih benzinu itd.

Izradite plakat o jednoj od tema:

a) alkani, b) nezasićeni ugljikovodici,

c) aromatski ugljikovodici i njihova svojstva.

28. ALKOHOLI

Alkohol je otkriven u 12. stoljeću destilacijom vina. Naziv alkohol smislio je Paracelsus  (1493.-1541.) upotrijebivši arapsku riječ al-kohl za vrlo fini prah neke tvari pa ga je zvao alcohol vini, kao najfiniji sastojak vina. Paracelsus je bio liječnik i kemičar, a zasluge za medicinu i kemiju priznate su mu tek nakon smrti.

28.1. Građa molekula alkohola

Svi alkoholi u svojoj strukturi sadržavaju hidroksilnu skupinu –OH. Ona određuje kemijska svojstva alkohola. Zato se naziva funkcijskom skupinom.

Metanol, CH₃OH, je najjednostavniji alkohol. Slika 28.1. prikazuje građu molekule vode uspoređenu s građom molekule metanola. Kao da je jedan vodikov atom u molekuli vode zamijenjen skupinom –CH₃. Ta se skupina naziva metilna skupina. Zato je stariji naziv tog alkohola metilni alkohol. Tako gledano, alkoholi su derivati vode (lat. derivare – odvesti), tj. odvode se od vode. I zaista, metanol ima neka svojstva slična vodi. S vodom se miješa u svakom omjeru. U njemu se dobro otapaju lužine, na primjer, NaOH.

Može se kazati i drukčije, da je u molekuli metana jedan atom vodika zamijenjen skupinom –OH pa je taj alkohol derivat metana.

Slika 28.1. Usporedba građe molekula vode i metanola

Metanol se upotrebljava kao otapalo, kao sirovina za dobivanje plastičnih masa i dr. Nekad se dobivao suhom destilacijom drveta. Danas je to proizvod petrokemijske industrije i dobiva se kontroliranom oksidacijom metana ili sintezom iz ugljikova monoksida i vodika:

Metanol je otrovan. U manjim količinama izaziva sljepilo, a 25 g već je smrtonosno. Ilegalni proizvođači alkoholnih pića, da bi povećali zaradu, često dio običnog alkohola zamjenjuju metanolom bez obzira na spoznaju o tome da je otrovan.<b><span
 style="color: blue;">maseni broj</span></b

Nazivi alkohola tvore se tako da se imenu ugljikovodika od kojeg se alkohol odvodi doda nastavak -ol. Tako će alkoholi imati sljedeća imena: metanol, etanol, propanol, butanol itd.

28.2. Etanol

Etanol, CH₃CH₂OH, ili običan kupovni alkohol je derivat etana. Općenito, kad se kaže alkohol, uvijek se misli na etanol. Najrašireniji način proizvodnje alkohola „u kućnoj radinosti” jest alkoholno vrenje ili fermentacija šećera iz voća uz pomoć kvasca.

Pokus 48. Kako izvesti pokus alkoholnog vrenja

Alkoholno vrenje je proces kojim se šećer pretvara u etanol i ugljikov dioksid:

Ključnu ulogu u procesu alkoholnog vrenja imaju enzimi, složeni organski spojevi koje izlučuju žive stanice. Naziv enzim znači u kvascu (grč. en – u + zyme – kvasac) jer su prvi poznati enzimi bili oni koje izlučuju stanice kvasca, pa su zato i dobili taj naziv. Enzime ponekad nazivaju fermentima, prema latinskom fermentum – kvasac. Kvasac je jednostanična gljivica koja energiju potrebnu za rast crpi iz šećera. Ako je stanici kvasca kisik dostupan u dovoljnim količinama, onda se šećer postupno razgrađuje na manje molekule, a konačan produkt je ugljikov dioksid i voda. Nedostaje li kvascu kisika, onda razgradnja šećera nije potpuna i teče samo do etanola. Kvasac se razmnaža sve dok se sav šećer ne utroši ili dok maseni udio etanola ne poraste na 15 %. Ta je koncentracija etanola otrovna za kvasac. Provrela kaša od voća naziva se kom. Destilacijom koma u našim se selima proizvodi rakija u kojoj je maseni udio alkohola oko 35 %. Pri spontanoj fermentaciji (alkoholnom vrenju) uzrokovanoj „divljim mikroorganizmima” nastaju i male količine otrovnog metanola. Kako tijekom destilacije najprije destiliraju najhlapljivije tvari, to će prvi destilat sadržavati najviše metanola. Zato prvi dio destilata od koma treba baciti.

Etanol značajno oslabljuje psihomotoričke funkcije, a utjecaj se počinje osjećati već nakon popijene čaše od 200 mL vina, odnosno pri 0,5 ‰ alkohola u krvi. Manifestira se produljenjem vremena reakcije, a to znači da su u tom stanju sposobnosti vozača smanjene. Jedan promil etanola u krvi već utječe na osjećaj ravnoteže, pri 2 ‰ nastupa teturanje, pri 3 ‰ gubi se prisebnost, a pri 4 ‰ moguća je koma i smrt. Osobe koje imaju zdravstvene probleme, ili uzimaju neke lijekove, navedena će stanja dostići i s manjim koncentracijama alkohola u krvi. Kod mladih osoba, u razvoju, do gubitka svijesti dolazi već pri 2 ‰ alkohola u krvi. Takvo nesvjesno stanje može biti uvod u alkoholnu komu koja nerijetko završava smrću.

Koncentracija alkohola u krvi ne može se smanjiti uzimanjem bilo kakvih preparata. Jedino djelotvorno sredstvo je metabolizam u jetri koja koncentraciju alkohola u krvi smanjuje za 0,1 ‰ na sat. Nakon popijene pola litre vina za povratak u „normalu“ (0,3 ‰ alkohola u krvi) odraslom čovjeku potrebno je 5 i više sati. No, trajno uživanje alkohola oštećuje mozak i srčano-žilni sustav te izaziva cirozu jetre. Svaki četvrti bolnički krevet zauzima osoba koja se liječi od neke alkoholom izazvane bolesti. Trudnice koje prekomjerno uživaju alkohol često rađaju djecu s oštećenjima koja uključuju i mentalnu retardaciju djeteta.

28.3. Kemijska svojstva alkohola

Alkoholi reagiraju s natrijem na sličan način kao i voda, ali mnogo blaže.

U ovoj kemijskoj reakciji sudjeluje samo vodik koji je vezan na kisikov atom jer se ta veza lako cijepa. Naprotiv, vodikovi atomi vezani neposredno na ugljikove atome ne mogu se lako odcijepiti. Kaže se da je veza ugljik – vodik puno jača od veze kisik – vodik.

Slika 28.2. Model molekule etanola

Kupovni alkohol uvijek sadržava vodu. Frakcijskom destilacijom ne može se dobiti čisti alkohol jer smjesa koja sadržava 96 volumnih dijelova alkohola i 4 volumna dijela vode ima najniže vrelište. Bezvodni ili apsolutni alkohol može se dobiti tako da se voda ukloni nekom kemijskom reakcijom. Najčešće se kupovnom alkoholu doda kalcijeva oksida i dobivena smjesa destilira.

CaO + H₂O → Ca(OH)₂

Kalcijev oksid kemijski veže vodu, pa destilat sadržava bezvodni ili apsolutni alkohol.

Pokus 49. Katalitička oksidacija etanola

28.4. Alkoholi s više funkcijskih skupina -OH

Alkoholi mogu imati više funkcijskih skupina –OH. Etan-1,2-diol,  CH₂OH-CH₂OH, (zastarjeli naziv etilenglikol) sastojak je rashladnog sredstva automobilskih motora. Smjesa jednakih volumnih dijelova vode i etan-1,2-diola ledi se pri -37 ºC.  

Slika 28.3. Strukturne formule i modeli molekula etan-1,2-diola (etilen glikola) i propan-1,2,3-triola (glicerola ili glicerina)

Propan-1,2,3-triol, CH₂OH-CHOH-CH₂OH, (grč. glykys - sladak)  je alkohol slatkasta okusa s tri hidroksilne skupine. Poznatiji je po zastarjelom nazivu glicerol ili glicerin. Dobiva se hidrolizom masti. To je bezbojna, higroskopna i viskozna tekućina. Miješa se s vodom u svakom omjeru.  Upotrebljava se u izradi nitroglicerina, ali i u kozmetici kao dodatak raznim kremama, sapunima i sl. 

Izradite plakat o jednoj od tema:

a) destilacija,

b) alkoholno vrenje,

c) alkohol – uzročnik saobraćajnih nesreća,

d) građa molekula nekih alkoholâ,

e) kemijska svojstva alkoholâ,

f) alkoholizam.

29. KARBOKSILNE KISELINE

Mnoge karboksilne ili organske kiseline nalaze se u prirodi. Limun sadržava limunsku kiselinu, jabuke jabučnu kiselinu, kiselo mlijeko mliječnu kiselinu, kiselica oksalnu kiselinu itd. U kućanstvu svakodnevno rabimo octenu kiselinu ili ocat. Kiseline su nekad, kad su prvi put otkrivene, dobivale imena prema polaznoj tvari iz koje su izolirane. Tako je kiselina dobivena suhom destilacijom mrava nazvana mravlja kiselina.

29.1. Imena i svojstva karboksilnih kiselina

Osim uobičajenih imena, mravlja, octena i dr., karboksilne kiseline dobivaju racionalno ime prema imenu ugljikovodika s istim brojem ugljikovih atoma. Na ime ugljikovodika doda se nastavak –ska i doda riječ kiselina, na primjer, metanska kiselina, etanska kiselina, propanska kiselina, butanska kiselina itd.

Slika 29.1. Model molekule etanske (octene) kiseline

Sve organske kiseline sadržavaju karboksilnu skupinu, –COOH. Ona im daje kiselinska svojstva. U vodenim otopinama veza kisik-vodik u karboksilnoj skupini lako se cijepa. Zato vodene otopine karboksilnih kiselina sadržavaju ione, H₃O⁺.

Karboksilne kiseline s manjim brojem ugljikovih atoma dobro su topljive u vodi. S porastom broja ugljikovih atoma topljivost kiselina se smanjuje. Tako je, primjerice, stearinska kiselina u vodi netopljiva. Naprotiv, natrijeva sol stearinske kiseline topljiva je u vodi. Ta je sol glavni sastojak sapuna.

Karboksilne kiseline mogu sadržavati i više karboksilnih skupina, primjerice limunska kiselina, HOOC-CH₂-C(COOH)(OH)-CH₂-COOH, vinska, HOOC-CH(OH)-CH(OH)-COOH, oksalna, HOOC-COOH i dr.

29.2. Octena kiselina

Octena kiselina, CH₃COOH, važna je industrijska sirovina. U laboratorijima se često koristi 100-postotna octena kiselina. Nazivaju je još ledena octena kiselina jer se već pri 16,7 °C skrutne u bijelu, ledu sličnu masu. Octena kiselina je slaba kiselina, ali jača od ugljične kiseline. U njoj se otapaju zemnoalkalijski metali, njihovi oksidi i svi karbonati.

Mg + 2 CH₃COOH → Mg(CH₃COO)₂ + H₂

CaO  + 2 CH₃COOH → Ca(CH₃COO)₂ + H₂O

CuCO₃ + 2 CH₃COOH → Cu(CH₃COO)₂ + CO₂

Na₂CO₃ + 2 CH₃COOH → 2 CH₃COONa + CO₂

Soli octene kiseline nazivaju se acetati prema latinskom acetum – ocat.

Alkoholni ocat, kakav se rabi u kućanstvu za konzerviranje zelenog povrća i kao začin salati i nekim jelima, sadržava 8 do 9 % octene kiseline. Dobiva se fermentacijom alkoholnih otopina. Najstarije upute za pravljenje vinskog octa potječu iz 17. stoljeća. Postupak se temeljio na iskustvu da je za dobivanje octa potreban obilan dotok zraka i blaga toplina. Tek je u 19. stoljeću otkriveno da kisik iz zraka oksidira alkohol u octenu kiselinu posredstvom enzima iz štapićastih bakterija, Acetobacter aceti.

29.3. Masne kiseline

Karboksilne kiseline s ravnim ugljikovodičnim lancima najprije su bile izolirane iz prirodnih izvora, naročito masti. Zato se često nazivaju masne kiseline. Masne kiseline sadržavaju samo jednu karboksilnu skupinu, pa ih zato nazivamo monokarboksilnim kiselinama. Imena su dobivale prema tvari iz koje su izolirane. Tako je maslačna kiselina, CH₃CH₂CH₂COOH,  dobivena iz maslaca. Kaprilna kiselina (lat. caper – koza), CH₃(CH₂)₆COOH, iz kozje dlake, stearinska kiselina, CH₃(CH₂)₁₆COOH, iz loja (grč. stear – loj) itd. Oleinska kiselina, CH₃(CH₂)₇CH=CH(CH₂)₇COOH, ima u molekuli dva vodikova atoma manje od stearinske. Sastojak je mnogih ulja pa je zato nazvana oleinskom kiselinom (grč. oleum – ulje). Nezasićena je, ima dvostruku vezu i drukčija kemijska svojstva od zasićenih masnih kiselina.

Sve prirodne masne kiseline imaju paran broj ugljikovih atoma, najčešće između 10 i 20, vezanih u nerazgranati lanac. Paran broj ugljikovih atoma u masnim kiselinama posljedica je mehanizma biosinteze. Biosinteza se zbiva tako da se lanac uvijek produžuje za dva ugljikova atoma.

Tri najčešće masne kiseline u prirodi su palmitinska (16 C-atoma), stearinska (18 C-atoma) i oleinska (18 C-atoma). Na slici 29.2. uspoređeni su kalotni modeli i strukturne formule stearinske i oleinske kiseline.

Slika 29.2. Modeli molekula stearinske i oleinske kiseline. Obje kiseline sadržavaju 18 ugljikovih atoma. Stearinska kiselina ima oblik ravnog, a oleinska slomljenog štapića. Oko dvostruke veze u oleinskoj kiselini nije moguća rotacija dijelova molekule. Uočite da se vodikovi atomi na dvostrukoj vezi nalaze s iste strane. Takav se razmještaj vodikovih atoma naziva cis-konfiguracija. Sve prirodne nezasićene masne kiseline imaju cis-konfiguraciju. Ako se vodikovi atomi nalaze na suprotnim stranama dvostruke veza, tada je to trans-konfiguracija. Masne kiseline s trans-konfiguracijom su neprobavljive. Nastaju tijekom katalitičkog hidrogeniranja biljnih ulja s ciljem dobivanja biljnih masti i margarina.

Omega-3 masne kiseline su posebna skupina unutar nezasićenih masnih kiselina. Ime su dobile prema položaju dvostruke veze brojeći od -CH₃ kraja lanca.

Po toj nomenklaturi oleinska kiselina je omega-9-masna kiselina jer se dvostruka veza nalazi na devetom ugljikovom atomu brojeći od kraja lanca.

Ljudsko tijelo može sintetizirati sve masne kiseline koje treba za rast i život osim triju, a to su arahidonska, linolna i linolenska kiselina. Nazivamo ih esencijalnim masnim kiselinama jer su važne za naš organizam i moramo ih unositi hranom. Namirnice bogate omega-3-masnim kiselinama jesu laneno ulje, plava riba i orašasti plodovi. Omega-3-masne kiseline imaju pozitivni učinak na ljudsko zdravlje. Smanjuju razinu triacilglicerola (triglicerida), snizuju krvni tlak. Spriječavaju nastanak krvnih ugrušaka. Poboljšavaju cirkulaciju krvi i dr.

Izradite plakat o jednoj od tema:

a) tvorba naziva karboksilnih kiselina,

b) karboksilne kiseline u prirodi,

c) građa molekula zasićenih i nezasićenih masnih kiselina.

30. ESTERI

Esteri su vrlo raširena i gotovo svuda zastupljena skupina spojeva. Ne samo voćni mirisi, već i masti, biljna ulja, maslac, margarin, pčelinji vosak, voskovi na lišću mnogih biljaka, a i mnoge plastične mase, sadržavaju estere.

Pokus 50. Kako sintetizirati ester

30.1. Laboratorijska sinteza estera

U laboratoriju se esteri mogu sintetizirati međusobnom reakcijom karboksilne kiseline i nekog alkohola uz dodatak koncentrirane sumporne kiseline kao katalizatora. Primjerice, octena kiselina s etanolom (običnim alkoholom) tvori ester koji mirisom podsjeća na staro vino.

Proces se zove esterifikacija. Pri reakciji esterifikacije uvijek iz jedne molekule alkohola i jedne molekule kiseline nastaje jedna molekula estera i jedna molekula vode. Voda, koja jedan od izlaznih produkata ove reakcije, uvijek uključuje kisik iz karboksilne skupine.

Reakcija esterifikacije nikad ne ide do kraja. Alkohol i kiselina međusobnom reakcijom daju ester i vodu. Istodobno voda i ester međusobno reagiraju i daju alkohol i kiselinu. Između ove dvije kemijske reakcije, koje teku suprotnim smjerovima, konačno se uspostavi kemijska ravnoteža.

U stanju ravnoteže raspadne se toliko molekula estera koliko ih istodobno nastane. U jednadžbi kemijske reakcije to se označuje strelicama suprotnih smjerova. Reakcije u kojima neka tvar reagira s molekulama vode tako da nastaju nove tvari naziva se hidroliza.

Reakcijom pentanola (amilnog alkohola), C₅H₁₁OH, i etanske kiseline i dobije se ester s mirisom banane, metanol sa salicilnom kiselinom daje ester koji miriše poput zimzelenova ulja itd.

30.2. Imena estera

Imena estera tvore se tako da je na prvome mjestu ime alkohola, ali se nastavak –ol promijeni u –il, a na drugomu je mjestu ime karboksilne kiseline, ali se nastavak mijenja u -oat. Zato se ester etanola i etanske (octene) kiseline naziva etil-etanoat.

Izradite plakat o jednoj od tema:

a) kemijska svojstva alkohola,

b) esteri u prirodi,

c) tvorba naziva estera.

31. MASTI I ULJA

Među tisućama malih molekula u svakoj živoj stanici nalaze se i četiri grupe velikih molekula, a to su: lipidi, ugljikohidrati, bjelančevine i nukleinske kiseline. Lipidi (grč. lípos - mast) su organske tvari različite kemijske građe, netopljive u vodi, ali dobro topljive u organskim otapalima. U lipide svrstavamo masti, ulja, voskove, fosfolipide i steroide. Tri su glavne uloge lipida: skladištenje energije, izgradnja staničnih membrana i prijenos signala među stanicama.

31.1. Masti i ulja

Masti i ulja su esteri masnih kiselina i glicerola. Glicerol je alkohol s tri –OH skupine. Sve tri –OH skupine čine esterske veze s masnim kiselinama. Zato se ulja i masti nazivaju triacilglicerolima. Općenitu strukturu masti, odnosno triacilglicerola sa zasićenim masnim kiselinama, prikazuje slika 31.1.

Slika 31.1. a) strukturna formula glicerola, b) opća formula triacilglicerola, c) model molekule masti

Fizička svojstva triacilglicerola ovise o masnim kiselinama koje ulaze u njihov sastav. Općenito, tališta triacilglicerola rastu s porastom broja ugljikovih atoma u masnim kiselinama.

Masti su triacilgliceroli bogati zasićenim masnim kiselinama. Pri sobnoj temperaturi su krute ili kašaste. Takva svojstva masti proizlaze iz građe njihovih molekula. Naime, molekule zasićenih masnih kiselina, koje ulaze u sastav masti, imaju izgled ravnog štapića- (Vidi sliku 29.2.) Zbog štapićastog izgleda molekule masti mogu se gusto složiti poput šibica u kutiji. Privlačne sile među molekulama masti jake su, pa zato masti imaju viša tališta od ulja.

Ulja su triacilgliceroli s pretežito nezasićenim masnim kiselinama. Zbog izgleda slomljenog štapića ostataka molekula nezasićenih masnih kiselina (vidi sliku 29.2.), molekule ulja ne mogu se gusto složiti jedne pokraj drugih. Ponašaju se poput rogova u vreći. Privlačne sile među njihovim molekulama su slabe pa su zato tališta ulja niža od tališta masti s istim brojem ugljikovih atoma.

Slika 31.2. Model molekule ulja. Masne kiseline koje ulaze u sastav ulja imaju izgled slomljena štapića. Zato se molekule ulja ne mogu gusto složiti pa se ulja skrutnu pri nižoj temperaturi.

Ulja biljnog podrijetla danas se često katalitički hidrogeniraju uz nikal kao katalizator. Pritom se dio dvostrukih veza zasiti vodikom pa iz ulja nastaju krute masti. Dobivenom produktu dodaje se vitamini i prirodne boje da bi se dobio izgled i okus maslaca. To je dobro poznati margarin. Moderni margarini ne bi smjeli sadržavati trans-masne kiseline koje naš organizam ne može razgraditi. Trans-masne kiseline povezuju se s bolestima srca i krvožilnog sustava. Ako biraš između maslaca i margarina, tada više vjeruj kravama nego kemičarima.

31.2. Proizvodi od masti i ulja

Prirodne masti i ulja ne rabe se samo u prehrambene svrhe. Masti i ulja su važne industrijske sirovine. Laneno ulje i danas rabe za izradu specijalnih uljanih boja i lakova. Ricinusovo ulje rabi se u ljekarništvu i za specijalna maziva. Ulje nekih vrsta palmi sirovina je u industriji sapuna itd.