1.3: Klasifikace látek

Čisté látky a směsi

Čistá chemická látka je každá látka, která má pevné chemické složení a charakteristické vlastnosti. Například kyslík je čistá chemická látka, která je při teplotě 25 °C bezbarvý plyn bez zápachu. Jen velmi málo vzorků látek se skládá z čistých látek; místo toho se většinou jedná o směsi, což jsou kombinace dvou nebo více čistých látek v různých poměrech, ve kterých si jednotlivé látky zachovávají svou identitu. Vzduch, voda z vodovodu, mléko, sýr, chléb a hlína jsou směsi. Pokud jsou všechny části materiálu ve stejném stavu, nemají viditelné hranice a jsou v celém objemu homogenní, pak je materiál homogenní. Příkladem homogenní směsi je vzduch, který dýcháme, a voda z vodovodu, kterou pijeme. Homogenní směsi se také nazývají roztoky. Vzduch je tedy roztokem dusíku, kyslíku, vodní páry, oxidu uhličitého a několika dalších plynů; voda z vodovodu je roztokem malých množství několika látek ve vodě. Konkrétní složení obou těchto roztoků však není pevné, ale závisí jak na zdroji, tak na místě; například složení vody z vodovodu v Boise ve státě Idaho není stejné jako složení vody z vodovodu v Buffalu ve státě New York. Ačkoli většina roztoků, se kterými se setkáváme, je kapalná, roztoky mohou být i pevné. Šedá látka, kterou někteří zubaři stále používají k vyplňování zubních kazů, je složitý pevný roztok, který obsahuje 50 % rtuti a 50 % prášku, který obsahuje převážně stříbro, cín a měď s malým množstvím zinku a rtuti. Pevné roztoky dvou nebo více kovů se běžně nazývají slitiny.

Pokud složení materiálu není zcela homogenní, pak je heterogenní (např. těsto na čokoládové sušenky, modrý sýr a hlína). U směsí, které se zdají být homogenní, se po mikroskopickém zkoumání často zjistí, že jsou heterogenní. Například mléko se zdá být homogenní, ale při zkoumání pod mikroskopem se zřetelně skládá z drobných kuliček tuku a bílkovin rozptýlených ve vodě. Složky heterogenních směsí lze obvykle oddělit jednoduchými prostředky. Směsi pevné látky a kapaliny, jako je písek ve vodě nebo čajové lístky v čaji, se snadno oddělí filtrací, která spočívá v průchodu směsi přes bariéru, například sítko, s otvory nebo póry, které jsou menší než pevné částice. Směsi dvou nebo více pevných látek, jako je cukr a sůl, lze v zásadě oddělit mikroskopickou kontrolou a tříděním. Obvykle jsou však nutné složitější operace, například při oddělování zlatých nugetů od říčního štěrku rýžováním. Nejprve se z říční vody odfiltruje pevný materiál a poté se pevné látky oddělí kontrolou. Pokud je zlato uloženo v hornině, může být nutné jej izolovat pomocí chemických metod.

Obrázek 1.2.2: Heterogenní směs. Pod mikroskopem je plnotučné mléko ve skutečnosti heterogenní směs složená z kuliček tuku a bílkovin rozptýlených ve vodě. Obrázek použit se svolením Wikipedie

Homogenní směsi (roztoky) lze rozdělit na jednotlivé složky pomocí fyzikálních procesů, které se opírají o rozdíly v některé fyzikální vlastnosti, například o rozdíly v jejich bodech varu. Dvěma z těchto separačních metod jsou destilace a krystalizace. Destilace využívá rozdílů v těkavosti, což je míra toho, jak snadno se látka při dané teplotě mění na plyn. Jednoduchý destilační přístroj pro oddělení směsi látek, z nichž alespoň jedna je kapalná. Nejtěkavější složka se nejprve vaří a kondenzuje zpět na kapalinu ve vodou chlazeném kondenzátoru, z něhož vytéká do přijímací baňky. Pokud se například destiluje roztok soli a vody, těkavější složka, čistá voda, se shromažďuje v přijímací baňce, zatímco sůl zůstává v destilační baňce.

Obrázek 1.2.3: Destilace roztoku kuchyňské soli ve vodě. Roztok soli ve vodě se zahřívá v destilační baňce, dokud nezačne vřít. Vzniklá pára je obohacena o těkavější složku (vodu), která ve studeném kondenzátoru zkondenzuje na kapalinu a poté se shromažďuje v přijímací baňce.

Složitějším destilačním přístrojem lze oddělit směsi dvou nebo více kapalin s různými body varu. Jedním z příkladů je rafinace surové ropy na řadu užitečných produktů: letecké palivo, benzín, petrolej, motorovou naftu a mazací olej (v přibližném pořadí podle klesající těkavosti). Dalším příkladem je destilace alkoholických nápojů, jako je brandy nebo whisky. Tento relativně jednoduchý postup způsobil federálním úřadům ve 20. letech 20. století v době prohibice, kdy se v odlehlých oblastech Spojených států rozšířily nelegální palírny, nejednu bolest hlavy.

Krystalizace odděluje směsi na základě rozdílů v rozpustnosti, což je míra toho, kolik pevné látky zůstane rozpuštěno v daném množství určité kapaliny. Většina látek je rozpustnější při vyšších teplotách, takže směs dvou nebo více látek lze rozpustit při zvýšené teplotě a poté nechat pomalu vychladnout. Alternativně lze kapalinu, nazývanou rozpouštědlo, nechat odpařit. V obou případech nejméně rozpustná z rozpuštěných látek, tedy ta, která má nejmenší šanci zůstat v roztoku, obvykle vytvoří krystaly jako první a tyto krystaly lze ze zbývajícího roztoku odstranit filtrací.

Obrázek 1.2.4: Krystalizace octanu sodného z koncentrovaného roztoku octanu sodného ve vodě. Přidání malého „zárodečného“ krystalu (a) způsobí, že sloučenina začne tvořit bílé krystaly, které rostou a nakonec zabírají většinu baňky. Video naleznete zde: https://www.youtube.com/watch?v=BLq5NibwV5g

Většinu směsí lze rozdělit na čisté látky, které mohou být buď prvky, nebo sloučeniny. Prvek, například šedý kovový sodík, je látka, kterou nelze chemickými změnami rozložit na jednodušší; sloučenina, například bílý krystalický chlorid sodný, obsahuje dva nebo více prvků a má chemické a fyzikální vlastnosti, které se obvykle liší od vlastností prvků, z nichž se skládá. Až na několik výjimek má určitá sloučenina stejné prvkové složení (stejné prvky ve stejném poměru) bez ohledu na svůj zdroj nebo historii. Chemické složení látky se mění v procesu, který se nazývá chemická změna. Příkladem chemické změny, často nazývané chemická reakce, je přeměna dvou nebo více prvků, například sodíku a chloru, na chemickou sloučeninu chlorid sodný. V současné době je známo asi 115 prvků, ale z těchto 115 prvků byly připraveny miliony chemických sloučenin. Známé prvky jsou uvedeny v periodické tabulce.

Obecně platí, že zpětným chemickým procesem se sloučeniny rozkládají na své prvky. Například vodu (sloučeninu) lze rozložit na vodík a kyslík (oba prvky) procesem zvaným elektrolýza. Při elektrolýze dodává elektřina energii potřebnou k rozdělení sloučeniny na její prvky (obrázek 1.2.5). Podobná technika se v rozsáhlém měřítku používá k získávání čistého hliníku, prvku, z jeho rud, které jsou směsí sloučenin. Protože elektrolýza vyžaduje velké množství energie, jsou náklady na elektřinu zdaleka největším výdajem při výrobě čistého hliníku. Recyklace hliníku je tedy nákladově efektivní a ekologická. Celkové uspořádání hmoty a metody používané k separaci směsí jsou shrnuty na obrázku 1.2.6.