Zemská kůra - Katedra sklářských strojů a robotiky

Sklářské a bižuterní materiály 2005/06, Cvičení 1
Textilní fakulta
Cvičení 1
1. Seznámení s podmínkami zápočtu
• 100% účast na cvičení – případně omluva,
• úspěšné zvládnutí testu,
• aktivní účast na cvičení
Podklady na stránce: www.ksr.tul.cz/studium-podklady.htm
2. Obecné vysvětlení pojmu: sklo
a. Kde se lze se sklem setkat?
b. Co je to sklo?
c. Obecné vlastnosti skla?
d. Jak sklo můžete ve svém oboru využít?
e. Základní principy technologie skla
(vysvětlení technologie – příprava kmene, vsázka, zakládání, tavení, tvarování, chlazení,
zušlechťování)
Běžně užívané skla jsou složena z látek, které se na povrchu planety Země vyskytují
nejčastěji. Zemská kůra obsahuje především kyslík (asi 49%), křemík (26%), hliník (7%), hořčík
(3,4%), vápník (3,2%), sodík (3%) a železo (2,8 %).
Procento prvků v zemské
kůře
kyslík
49%
křemík
26%
hliník
7%
hořčík
3.40%
vápník
3.20%
sodík
železo
ostatní prvky
3%
Zemská kůra
3.2%
6.0%
3.4%
48.8%
7.0%
25.9%
2.80%
6%
3.0% 2.8%
kyslík
křemík
hliník
hořčík
vápník
sodík
železo
ostaní prvky
Obr. 1 Složení zemské kůry
3. Atom a periodická soustava prvků
Atom
Atom je z řeckého slova atomos – nedělitelný. Rozměr atomu je řádově
10–10m (0,1nm). Atom je chemicky nedělitelná částice s neutrálním
elektrickým nábojem, která se skládá z jádra a obalu. Atomové jádro, které
má rozměr 10–14 m, je tvořeno protony a neutrony - nukleony, jež jsou
navzájem drženy jadernými silami (obr. 2). Počet protonů Z určuje náboj jádra
a pořadové číslo prvku v Mendělejevově tabulce. Elektrony tvoří elektronový
obal atomu.
Chemických procesů se účastní pouze elektronový obal. V atomovém jádře je
vázána obrovská energie, kterou lze uvolnit buď sloučením lehkých jader, anebo štěpením těžkých
jader.
Periodická soustava prvků D. I. Mendělejeva
Prvky lze nejlépe seřadit podle periodické soustavy prvků D. I. Mendělejeva, kde podle pozice
prvku můžeme určit jeho důležité vlastnosti. Prvky jsou uváděny značkou.
Důležitou informací u prvků, která se udává v periodické soustavě, je: značka (někdy i název
prvku), relativní atomová hmotnost, protonové číslo a elektronové konfigurace. Z pozice prvku
v tabulce lze určit číslo periody a číslo skupiny (také podskupiny).
Strana 1 z 5
Sklářské a bižuterní materiály 2005/06, Cvičení 1
Textilní fakulta
?
Obr. 2 Částice tvořící hmotu
Tab. 1 Periodická soustava prvků (přejato z http://www.tabulka.cz)
1.A 2.A 3.B 4.B 5.B 6.B 7.B 8.B 8.B 8.B 1.B 2.B 3.A 4.A 5.A 6.A 7.A 8.A
H
He
1
1
2
Li Be
B C N O F Ne
2
3 4
5 6
7
8
9 10
Na Mg
Al Si P S Cl Ar
3
11 12
13 14 15 16 17 18
K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr
4
19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36
Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe
5
37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54
Cs Ba La Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn
6
55 56 57 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86
Fr Ra Ac Rf Db Sg Bh Hs Mt Uun Uuu Uub Uut Uuq Uup Uuh Uus Uuo
7
87 88 89 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118
Ce
58
Th
7
90
6
Pr
59
Pa
91
Nd
60
U
92
Pm
61
Np
93
Sm
62
Pu
94
Eu
63
Am
95
Gd
64
Cm
96
Tb Dy Ho Er Tm
65 66 67 68 69
Bk Cf Es Fm Md
97 98 99 100 101
Yb
70
No
102
Lu
71
Lr
103
Pro vyjádření hmotnosti atomu se užívá relativní atomová hmotnost (Ar). Základem relativní
atomové hmotnosti je takzvaná uhlíková jednotka u, která se rovná 1/12 hmotnosti izotopu
uhlíku 12C. Relativní atomová hmotnost je důležitá veličina pro výpočet určitých vlastností prvků i jejich
sloučenin. Jednou z těchto vlastností je hmotnost, která je důležitá pro stanovení hmotnostních relací
při chemických reakcích. (Úloha typu: kolik je potřeba výchozích sloučenin, aby nám vznikly konečné
produkty a kolik jich vznikne – bude probráno na příštím cvičení)
Počet protonů a elektronů v atomu odpovídá jeho protonovému číslu (pořadovému číslu prvku
v periodické tabulce).
Strana 2 z 5
Sklářské a bižuterní materiály 2005/06, Cvičení 1
Textilní fakulta
Počet neutronů v atomu zjistíme takto:
a) relativní atomovou hmotnost nebo také hmotnostní číslo atomu (je uvedeno v periodické
tabulce) zaokrouhlíme do celého čísla;
b) od zaokrouhleného hmotnostního čísla odečteme protonové číslo atomu.
Přiklad: Sodík se nachází v periodické tabulce pod číslem 11 a má hmotnostní číslo 22,99. V jádře
atomu sodíku se nachází 11 protonů a v obalu 11 elektronů. Zaokrouhlíme hmotnostní číslo 22,99 do
celého čísla, to jest do 23. Počet neutronů v jádře atomu sodíku se rovná: 23 - 11 = 12.
Atomy, které mají jiný počet neutronů a tedy i jinou hmotnost při zachování počtu protonů a
elektronů, se nazývají izotopy.
Číslo periody v periodické tabulce ukazuje, do kolika vrstev jsou roztříděny všechny elektrony v
atomech této periody, tzv. elektronovou konfiguraci. (2e, 8e, 18e, 32e, 30e, 8e, 2e).
Příklad: Atom fosforu (viz periodická tabulku) se nachází v třetí periodě, má 15 elektronů, které
jsou rozdělené do tří vrstev. Na první vrstvě od jádra jsou -2e, na druhé - 8e a na třetí - 5e.
Elektrony vnějších, nezaplněných vrstev mají název "valenční". Valenční elektrony jednoho atomu
mohou tvořit chemické vazby s valenčními elektrony jiného atomu, což vede k vytvoření nové
sloučeniny. Valence atomu ukazuje na to, kolik chemických vazeb může vytvořit tento atom s jinými
atomy.
Číslo skupiny v periodické tabulce ukazuje na maximální počet valenčních elektronů v atomech
této skupiny, to jest jaký oxidační stupeň (oxidační číslo) mohou maximálně dosáhnout. Některé prvky
mohou mít ovšem i nižší oxidační stupeň než maximální (S, N – N2O = oxid dusný (rajský plyn), NO =
oxid dusnatý, NO2 = oxid dusičitý, N2O5 = oxid dusičný).
Příklad: Atom síry se nachází v šesté skupině, na vnější vrstvě má šest valenčních elektronů.
Maximální valence, kterou síra může projevit ve svých sloučeninách je šest (SO3, H2SO4).
Důležité prvky ve sklářství jsou: Si, O, K, Na, Ca, B, Fe, Pb, …
4. Základy anorganické chemie
Chemie jako taková se dělí na:
• Organickou (Převážně sloučeniny, které obsahují uhlík a to především ve vazbě s vodíkem.
Vyznačují se „možností řetězení“.)
• Anorganickou (vše ostatní).
Oxidy
Oxidy dělíme na:
o zásadotvorné (oxidy, jejichž sloučeniny s vodou jsou zásady);
o kyselinotvorné (oxidy, jejichž sloučeniny s vodou jsou kyseliny);
o amfoterní (oxidy, jejichž chování je obojaké).
Názvosloví oxidů se řídí pravidly, která jsou shrnuta v následující tabulce.
Název vytvoříme pomocí slova "oxid" a názvu prvku + koncovky odpovídající
oxidačnímu číslu prvku.
Tab. 2 Tabulka koncovek oxidů
Oxidační číslo
Koncovka
Počet prvků / Příklad
počet kyslíku
I
-ný
2:1
oxid sodný
II
-natý
(2:2) 1:1
oxid vápenatý
III
-itý
2:3
oxid železitý
IV
-ičitý
(2:4) 1:2
oxid křemičitý
V
-ečný
2:5
oxid chlorečný
-ičný
oxid dusičný
VI
-ový
(2:6) 1:3
oxid selenový
VII
-istý
2:7
oxid manganistý
VIII
-ičelý
(2:8) 1:4
oxid rutheničelý
Vzorec
Na2+IO-II
Ca+IIO-II
Fe2+IIIO3-II
Si+IVO2-II
Cl2+VO5-II
N2+VO5-II
Se+VIO3-II
Mn2+VIIO7-II
Ru+VIIIO4-II
Ze vzorce Na2O vidíme, že molekula oxidu obsahuje dva atomy sodíku a jeden kyslík, tedy název
bude: oxid + sodík + -ný = oxid sodný.
Důležité oxidy ve sklářství: oxid křemičitý, oxid vápenatý (pálené vápno), oxid draselný,
oxid sodný, oxid železitý, oxid olovnatý, oxid boritý, oxid fosforečný, oxid uhličitý, …
Strana 3 z 5
Sklářské a bižuterní materiály 2005/06, Cvičení 1
Textilní fakulta
Kyseliny
Kyseliny jsou sloučeniny, které ve vodných roztocích disociují na kation vodíku a zbylý anion.
Kyseliny můžeme rozdělit například na:
• kyslíkaté (H2SO4) a
• bezkyslíkaté (HF)
nebo na:
• silné (H2SO4)
• středně silné (HF)
• slabé (HCN - kyanovodíková)
NÁZVOSLOVÍ
Bezkyslíkaté kyseliny
Jejich názvy se tvoří slovem kyselina a přidáním koncovky -ová k názvu původní sloučeniny.
Tab. 3 tabulka bezkyslíkatých kyselin
HF
kyselina fluorovodíková
HCl
kyselina chlórovodíková (solná)
H2S
kyselina sirovodíková (páchne)
Kyslíkaté kyseliny (oxokyseliny)
Názvosloví kyselin záleží na oxidačním čísle (náboji) kyselinotvorného prvku. Podíváme se na
vzorec H2SO4. Z něj vidíme, že iontů vodíků je 2, síry 1 (jednička se nepíše) a kyslíků 4. Náboj kationu
vodíku je vždy +1, a protože vodíky jsou dva, celkový náboj je +2. Kyslík má náboj -2 a z toho vyplývá,
že celkový náboj je -8. Součet nábojů se musí rovnat nule. Co se týče síry, její náboj x budeme
muset zjistit jednoduchou rovnici: sečteme si všechny náboje po pořádku +2 + x -8 = 0. Řešení: x= +6
.
Po zjištění oxidačního čísla si odvodíme název tak, že k názvu kyselinotvorného prvku (v tomto
případě k síře) přiřadíme odpovídající koncovku. Podle tabulky si tuto koncovku vyhledáme. Bude to
vypadat následovně: síra + -ová = kyselina sírová(H2SO3: 2+x-6=0 => x= +4-siřičitá; HNO2: 1+x-4=0
=> x= 3-dusitá; HNO3: 1+x-6=0 => x= 5-dusičná).
Tab. 4 Tabulka koncovek kyslíkatých kyselin
Oxidační číslo
Koncovka
Příklad
I
-ná
kyselina bromná
II
-natá
Kyselina sirnatá
III
-itá
kyselina boritá
IV
-ičitá
kyselina uhličitá
V
-ečná
kyselina
dusičná
-ičná
kyselina chlorečná
VI
-ová
kyselina sírová
VII
-istá
kyselina jodistá
VIII
-ičelá
kyselina osmičelá
Důležité kyseliny
chlórovodíková,…
ve
sklářství:
kyselina
Vzorec
H+IBr+IO-II
H2+IS2+IIO3-II
H+IB+IIIO2-II
H2+IC+IVO3-II
H+IN+VO3-II
H+ICl+VO3-II
H2+IS+VIO4-II
H+II+VIIO4-II
H2+IOs+VIIIO5-II
fluorovodíková,
kyselina
sírová,
kyselina
Hydroxidy
Hydroxidy jsou vodné sloučeniny zásadotvorných oxidů schopné odštěpit ve vodních roztocích
skupinu OH-.
NÁZVOSLOVÍ
Názvosloví hydroxidů záleží na oxidačním čísle iontu kovu. Budeme pamatovat, že náboj
hydroxoskupiny OH- se vždycky rovná -1.
Podíváme se na vzorec Ba(OH)2. Z něj vidíme, že hydroxoskupiny jsou dvě, z čehož vyplývá
oxidační číslo barya +II. Název vytvoříme pomocí slova "hydroxid" a názvu hydroxidotvorného prvku (v
tomto případě barya) + koncovky odpovídající oxidačnímu číslu hydroxidotvorného prvku: hydroxid +
baryum + -natý = hydroxid barnatý.
Strana 4 z 5
Sklářské a bižuterní materiály 2005/06, Cvičení 1
Tab. 4 Tabulka koncovek hydroxidotvorných prvků
Oxidační číslo
Koncovka
Příklad
I
-ný
hydroxid draselný
II
-natý
hydroxid vápenatý
III
-itý
hydroxid železitý
IV
- ičitý
hydroxid manganičitý
Textilní fakulta
Vzorec
K+IOH-1
Ca+II(OH)2-1
Fe+III(OH)3-1
Mn+IV(OH)4-1
Další typy látek
Soli
Sůl je sloučenina, která se skládá z iontu kovu a zůstatku kyseliny. Vzniká nejčastěji neutralizací
kyseliny a hydroxidu. Na2SO4 - Síran sodný; NaCl - Chlorid sodný.
Uhličitany
CaCO3 - Uhličitan vápenatý (vápenec); K2CO3 - Uhličitan draselný.
Dusičnany
NaNO3 - Dusičnan sodný.
Sírany
ZnSO4 - Síran zinečnatý.
Příště malý test z názvosloví oxidů, kyselin, hydroxidů, solí a další sloučenin.
Probírat budeme a stechiometrické výpočty a výpočet chemického složení skla.
Užitá literatura:
[1] KLEBSA V. Technologie skla a keramiky I. - Sklo. Liberec: VŠST, 1981.
[2] KLEBSA V. Základy technologie skla pro hospodářskou fakultu. Liberec: Technická univerzita v
Liberci, 2002. ISBN 80-7083-556-7
S použitím zmíněných podkladů, podkladů z internetu a vlastních informací připravil:
Ing. Vlastimil Hotař, Technická univerzita v Liberci, Katedra sklářských a keramických strojů, 20032005.
Text neprošel redakční ani jazykovou úpravou.
Strana 5 z 5