Ďalšie amfotérne hydroxidy, ktoré sa v alkalických hydroxidoch rozpúšťajú na hydroxozlúčeniny sú : Zn(OH) 2 + 2 HCl = ZnCl 2 Pb(OH) 2 + 2 HCl = PbCl 2 Zn(OH) 2 + 2 NaOH = Na 2 [Zn (OH) 4 ] Pb(OH) 2 + 2 KOH = K 2 [Pb (OH) 4 ] Zn(OH) 2 + 2 OH = [Zn (OH) 4 ] 2 Pb(OH) 2 + 2 OH = [Pb (OH) 4 ] 2 Sn (OH) 2 + 2 OH = [Sn (OH) 4 ] 2 Cr(OH) 3 + 2 OH = [Cr (OH) 4 ] 5. ROZTOKY Roztokom rozumieme homogénnu sústavu (fázu) skladajúcu sa najmenej z dvoch chemicky odlišných zložiek (látok). Roztoky sú tvorené vzájomne rozptýlenými (dispergovanými) atómami, malými molekulami alebo iónmi rôznych látok, teda čiastočkami s veľkosťou do 1 nm. Pomer zložiek v roztoku sa môže plynulo meniť, a to alebo v celom rozsahu, alebo len v určitom rozmedzí. Zložka a fáza. Fáza je homogénna časť heterogénnej sústavy, fázy sú oddelené fázovým rozhraním. Napr. zmes ľadu a vody je jednozložková, dvojfázová sústava. Túto sústavu tvorí jedna zložka (voda) ktorá je vo dvoch fázach (kvapalnej a tuhej ľad). Vodný roztok cukru je jednofázová, dvojzložková sústava. Túto sústavu tvorí jedna fáza vodný roztok, a dve zložky voda a cukor. Žulu tvoria tri zložky tri druhy minerálov (kremeň, živec a sľuda). Každý z uvedených minerálov tvorí samostatnú fázu s vlastnou kryštálovou štruktúrou, pričom jednotlivé kryštály sú oddelené fázovým rozhraním. Roztoky môžeme rozdeliť podľa ich skupenstva na: a/ Plynné roztoky. Zmes plynov, napr. vzduch, možno považovať za plynný roztok. Túto homogénnu zmes tvoria rovnomerne rozptýlené molekuly alebo atómy. b/ Kvapalné roztoky. Vznikajú rozpúšťaním plynov, kvapalín, alebo tuhých látok v kvapaline. Zložky roztoku sú rozpúšťadlo a rozpustená látka. Rozpúšťadlo je zložka ktorá je v nadbytku a pri normálnych podmienkach je kvapalinou. Najčastejšie sa stretávame s vodnými roztokmi. Termínom roztok najčastejšie označujeme kvapalné roztoky. c/ Tuhé roztoky. Vznikajú rozptýlením tuhých látok v tuhej látke (napríklad v skle; možno sem zaradiť aj izomorfné kryštály), ale aj kvapalín a plynov v tuhej látke. 5.1 KVAPALNÉ ROZTOKY ďalej len roztoky ROZPÚŠŤADLÁ Polárna molekula vody Môžu byť: a) anorganické, ako je voda a skvapalnené plyny (napr. kvapalný amoniak NH 3, alebo sírouhlík CS 2 ); b) organické, ako napr. benzén, toluén, δ+ xylén, benzín, alkoholy, étery, nitrozlúčeniny a ďalšie. Z hľadiska polarity H H δ+ väzieb v ich molekulách môžeme rozpúšťadlá rozdeliť na polárne, obsahujúce O δ polárne väzby v molekule (voda, alkoholy, kyseliny) a nepolárne, ktoré nemajú trvalo oddelený zlomkový náboj v molekule (napr. benzén, benzín, toluén). Vo všeobecnosti platí, že polárne rozpúšťadlá sú dobrými rozpúšťadlami pre elektrolyty. Jedným z najdôležitejších polárnych rozpúšťadiel je voda. Vo vode sa napríklad rozpúšťajú mnohé soli, kyseliny, hydroxidy, alkoholy, plyny s polárnymi molekulami (HCl, CO 2, SO 2 ) a podobne. Nepolárne rozpúšťadlá sú obvykle dobrými rozpúšťadlami pre organické (nepolárne) látky. ZLOŽENIE (KONCENTRÁCIA) ROZTOKOV Koncentráciu rozpustených látok v roztoku možno vyjadriť rôznym spôsobom (obsahová náplň cvičení): Látková (molárna) koncentrácia. Je podiel látkového množstva rozpustenej látky a objemu roztoku (móly rozpustenej látky v 1 litri roztoku). Niekedy sa označuje aj starším termínom molarita. Pre látkovú koncentráciu látky v roztoku (napr. pre roztok NaCl) platí vzťah: c NaCl = n NaCl / V r kde: c NaCl je látková koncentrácia NaCl v roztoku (mol.dm 3 ), n NaCl je látkové množstvo rozpustenej látky NaCl (mol) a V r je objem roztoku (dm 3 ). 22
Hmotnostná koncentrácia. Je podiel hmotnosti rozpustenej látky a objemu roztoku. Vyjadruje sa v (g.dm 3 ). Hmotnostné a objemové percentá (hm. %; obj. %). Hmotnostné a mólové zlomky (). Molalita. Vyjadruje množstvo rozpustenej látky v móloch na kilogram rozpúšťadla (mol.kg 1 ). Pri sledovaní veľmi nízkych koncentrácií látok, napr. toxických látok vo vode, sa najmä v zahraničnej literatúre používa jednotka ppm (parts per milion, častí na milión), alebo ppb (parts per bilion). Je to obdoba výrazu per cent (%, častí na sto). V prípade roztokov a tuhých látok je jednotka ppm vyjadrená hmotnostne. Koncentráciu roztoku v jednotke ppm mo žno vypočítať podľa vzťahu: koncentrácia ( ppm ) = hmotnosť rozpustenej látky.1000 000 hmotnosť roztoku Napríklad vodný roztok látky s koncentráciou 1 ppm obsahuje 1 g rozpustenej látky v milióne gramov roztoku. Vypočítajme koncentráciu roztoku v ppm, ak liter roztoku obsahuje 1 mg rozpustenej látky (1 mg/l): Hustota vody je 1000 kg.m 3 (1000 g.l 1 ) a veľmi malé množstvo rozpustených látok hustotu roztoku prakticky nezmení. Hustotu roztoku môžeme teda pre veľmi zriedené roztoky považovať za rovnú hustote vody (hmotnosť 1 litra veľmi zriedeného roztoku je teda 1000 g). Ak teda liter roztoku obsahuje 1 mg rozpustenej látky, potom koncentráciu tejto látky v ppm vypočítame 0,001 g koncentrácia ( ppm ) =.1000 000 = 1 1000 g Všeobecne pre zriedené roztoky platí rovnosť 1 ppm = 1 mg/l, alebo 1 ppm = 1 g/m 3. ROZPUSTNOSŤ LÁTOK Termínom rozpustnosť látky označujeme maximálne množstvo látky, ktoré sa v danom rozpúšťadle pri určitej teplote rozpustí. Vzniknutý roztok sa nazýva nasýtený roztok. Rozpustnosť teda vyjadruje množstvo látky rozpustené v jej nasýtenom roztoku pri určitej teplote. Rozpustnosť látok závisí od c harakteru rozpúšťanej látky a rozpúšťadla, od teploty a v prípade plynov aj od ich tlaku. U väčšiny tuhých látok rozpustnosť s teplotou vzrastá. U plynov rozpustnosť s teplotou klesá. VLASTNOSTI ZRIEDENÝCH ROZTOKOV Molekuly alebo ióny rozpustených látok sa v roztoku pohybujú sa všetkými smermi. Chovajú sa teda podobne, ako keby boli v plynnom stave. Prítomnosť rozpustených tuhých látok v roztoku znižuje tlak nasýtených pár rozpúšťadla pri danej teplote. Vysvetľujeme to tým, že pri rozpustení neprchavých (tuhých) látok v rozpúšťadle sa zníži podiel molekúl rozpúšťadla v objemovej jednotke kvapaliny. Z hladiny roztoku (na ktorej je menšia koncentrácia molekúl rozpúšťadla v porovnaní s čistým rozpúšťadlom) sa do plynnej fázy preto uvoľňuje menej molekúl rozpúšťadla. Dôsledkom je uvedené zníženie tlaku nasýtených pár nad roztokom, v porovnaní s čistým rozpúšťadlom (Raoul tov zákon). Bezprostredným dôsledkom toho sú tri významné javy, a to: a/ Vyššie teploty varu roztokov v porovnaní s čistým rozpúšťadlom. b/ Nižšie teploty tuhnutia roztoku, resp. topenia tuhej látky v porovnaní s čistým rozpúšťadlom, napr. zníženie teploty topenie, resp. zamŕzania morskej vody v porovnaní s čistou vodou. c/ Osmóza, t.j. samovoľný prechod molekúl rozpúšťadla z čistého rozpúšťadla do roztoku s vyššou koncentráciou cez polopriepustnú membránu. ELEKTROLYTY, ELEKTROLYTICKÁ DISOCIÁCIA (IONIZÁCIA) Názvom neelektrolyty označujeme látky ktoré pri rozpúšťaní vytvárajú roztoky, ktoré nevedú elektrický prúd. Takto označujeme aj nevodivé roztoky. Roztoky neelektrolytov vznikajú napr. pri rozpúšťaní niektorých prvkov, alebo látok s molekulárnym charakterom v nepolárnych rozpúšťadlách. Vzniknutý roztok obsahuje nedisociované molekuly rozpustenej látky ktoré sú obklopené molekulami rozpúšťadla a pútajú sa slabými van der Waalsovými silami. Príklady: benzén v toluéne, kyslík a dusík vo vode, jód v chloride uhličitom. 23
Názvom elektrolyt označujeme roztoky, prípadne taveniny, ktoré vedú elektrický prúd. Príčinou elektrickej vodivosti je prítomnosť elektricky nabitých častíc (iónov) v roztoku alebo v tavenine. Pri pôsobení vonkajšieho elektrického poľa (napr. medzi opačne nabitými elektródami pripojenými na zdroj jednosmerného elektrického prúdu) sa kladne nabité katióny pohybujú smerom k záporne nabitej katóde. Anióny sa zasa pohybujú opačným smerom, teda ku kladnej anóde. Ióny putujúce k opačne nabitým elektródam prenášajú elektrické náboje (elektrický prúd). Elektrický vodivé vodné roztoky vznikajú pri rozpúšťaní niektorých tuhých látok s iónovou štruktúrou (napr. solí a hydroxidov), alebo látok s polárnymi molekulami (napr. voda). Názov elektrolyt sa používa aj na označujeme látok, ktorých roztoky vedú elektrický prúd, alebo ktorých tavením vzniká elektricky vodivá taveninu. Elektrolytická disociácia (ionizácia) je proces vedúci k vzniku iónov pri rozpúšťaní elektrolytov vo vode (polárnom rozpúšťadle). Elektricky nabité častice (ióny) môžu prechádzať do roztoku alebo zo štruktúry iónových kryštálov, alebo vznikať z neutrálnych molekúl látok obsahujúcich polárne kovalentné väzby. a/ Rozpúšťanie a elektrolytická disociácia tuhých látok s iónovou štruktúrou vo vode. Väčšina elektrolytov sú látky, ktoré majú tuhom stave iónovú kryštálovú štruktúru. Sú to napr. kryštály rôznych solí (NaCl, KNO 3, CaSO 4 ). Ióny sú prítomné už v štruktúre tuhej látky. Pri rozpúšťaní týchto látok (napr. NaCl) vo vode sa polárne molekuly vody orientujú svojím záporným koncom okolo katiónu (Na + ) prítomnom na hrane kryštálu. Okolo aniónu Cl sa molekuly vody orientujú svojím kladným koncom. Iónové zlúčeniny sa rozpúšťajú vtedy, keď sily príťažlivosti medzi dipólmi vody a príslušnými iónmi prekonajú sily vzájomnej elektrostatickej príťažlivosti medzi iónmi v kryštáli. Zo štruktúry kryštálu príslušnej soli sa postupne vytrhávajú jednotlivé katióny a anióny a v roztoku sa obklopujú polárnymi molekulami vody. Podobne prebieha elektrolytická disociácia hydroxidov. Ióny v roztoku sú tesne obalené molekulami vody (sú hydratované). Uvedený proces pri ktorom prechádzajú ióny do roztoku označujeme ako elektrolytická disociácia, alebo aj ionizácia. Ióny v tomto prípade nevznikajú, ale len prechádzajú z kryštálovej štruktúry do roztoku. Názvy elektrolytická disociácia a ionizácia budeme považovať za rovnocenné. Príklady elektrolytickej disociácie solí alebo hydroxidov vo vodných roztokoch: NaCl = Na + + Cl NaOH = Na + + OH CaCl 2 = Ca 2+ + 2 Cl KNO 3 = K + + NO 3 Na 2 CO 3 = 2 Na + + CO 3 2 K 2 SO 4 = 2 K + + SO 4 2 CaSO 4 = Ca 2+ + SO 4 2 Ca(NO 3 ) 2 = Ca 2+ + 2 NO 3 Al 2 (SO 4 ) 3 = 2 Al 3+ + 2 SO 4 2 b/ Rozpúšťanie a elektrolytická disociácia látok s polárnymi molekulami. Ióny vznikajú v roztoku aj pri rozpúšťaní niektorých molekulových látok, ktoré obsahujú polárne kovalentné väzby. Tieto látky disociujú len v dôsledku vzájomného pôsobenia medzi molekulami a rozpúšťadlom. Typickým príkladom je elektrolytická disociácia molekúl rôznych kyselín. Molekuly kyselín obsahujú polárnu kovalentnú väzbu medzi atómom vodíka a elektronegatívnejším atómom nekovu, napr kyslíka. Vplyvom pôsobenia polárneho rozpúšťadla sa polárne väzby v týchto molekulách stále viac polarizujú, až nakoniec dochádza k ich rozštiepeniu, t.j. k elektrolytickej disociácii látky na ióny. Zložitejšie molekuly s viacerými polárnymi väzbami môžu disociovať postupne (napr. viacsýtne kyseliny). Podrobnejšie bude problematika kyselín uvedená ďalej. Tab. Príklady elektrolytickej disociácie (ionizácie) látok s polárnymi molekulami HCl = H + + Cl HNO 3 = H + + NO 3 HCN = H + + CN HClO 3 = H + + HClO 3 H 2 SO 4 = 2 H + + SO 4 2 CH 3 COOH = CH 3 COO + H + Hydroxid amónny: NH 4 OH = NH 4 + + OH H 3 PO 4 = 3 H + + PO 4 3 Ak je látka v roztoku úplne disociovaná na ióny je silným elektrolytom. Všetky soli a mnohé kyseliny a hydroxidy sú silnými elektrolytmi. Ak je látka disociovaná v roztoku na ióny len čiastočne, t.j. ak časť rozpustenej látky ostáva vo forme nedisociovaných molekúl je slabým elektrolytom. Slabými elektrolytmi sú niektoré kyseliny a zásady (napr. kyselina uhličitá a octová, hydroxid amónny a pod.). 24
I. ROZTOKY PLYNOV V KVAPALINE ( VO VODE ) Zameriame sa najmä na roztoky, ktoré vznikajú rozpúšťaním plynov vo vode. Plyny sa vo vode rozpúšťajú vo veľmi rôznej miere. Rozpúšťanie plynov v kvapalnej fáze nazývame absorpcia. Ak plyny pri rozpúšťaní s vodou chemicky nereagujú, potom rozpúšťanie označujeme ako fyzikálne. Príkladom je rozpúšťanie atómov vzácnych plynov a molekúl H 2, O 2 a N 2 (vzduchu). Množstvo rozpusteného plynu je v týchto prípadoch veľmi malé (rádovo desiatky mg/l). Ak je rozpúšťanie spojené s chemickou reakciou plynov s vodou, t.j. chemisorpciou, alebo s ich disociáciou, potom rozpustnosť plynov je podstatne väčšia, ako pri fyzikálnom rozpúšťaní. Príkladom je rozpúšťanie HCl, HF, SO 2, SO 3, NO 2, NH 3 vo vode. Procesy chemisorpcie sa často využívajú aj technologicky, napr. výroba kyseliny chlorovodíkovej, fluorovodíkovej, sírovej (SO 3 + H 2 O = H 2 SO 4 ), pri rozpúšťaní amoniaku a pod. Všeobecne platí, že rozpustnosť plynu vo vode vzrastá s tlakom plynu a klesá s rastúcou teplotou. Tab. Rozpustnosť plynov vo vode pri rôznej teplote (g / 100 g vody). Plyn N 2 O 2 CO 2 SO 2 NH 3 0 C 0,0029 0,0069 0,335 22,8 89,9 20 C 0,0019 0,0043 0,169 10,6 51,8 50 C 0,0012 0,0027 0,076 4,3 28,4 100 C 0 0 0 1,8 (90 C) 7,4 (96 C) Závislosť rozpustnosti plynu na jeho tlaku vyjadruje Henryho zákon, ktorý možno vyjadriť vzťahom c = k. p ; kde: c je koncentrácia rozpusteného plynu v nasýtenom roztoku, konštanta k charakterizuje daný plyn a p je tlak plynu. Pri zahrievaní roztoku sa plyny desorbujú. Varom možno fyzikálne rozpustené plyny z vody úplne vypudiť. PRÍKLADY: Nápoje sú sýtené oxidom uhličitým pod tlakom, pri otvorení fliaš s nápojmi sa CO 2 desorbuje. V prírodných uhličitých vodách je rozpustený oxid uhličitý ktorý môže pôsobiť agresívne na vápenec, betón, alebo železo (neskôr pozri rozpustnosť CO 2 vo vode). V lete s rastúcou teplotou vody klesá množstvo v nej rozpusteného kyslíka, čo môže viesť k zhoršeniu kvality vody. PLYNY V ATMOSFÉRE Chémia ovzdušia je veľmi rozsiahla a komplexná problematika a je len okrajovo začlenená do predlož. textu. Hlavné zložky vzduchu sú plyny N 2 (78 obj.%), O 2 (21 obj.%), Ar (0,9 obj.%), CO 2 (0,035 obj.%). Sú stálymi zložkami vzduchu. Okrem uvedených sú v menších množstvách prítomné mnohé ďalšie. Látky znečisťujúce ovzdušie sú prírodného pôvodu (činnosť vulkánov, požiare, erózia pôdy a hornín, biologicé procesy), alebo sú dôsledkom ľudskej činnosti (antropogénny pôvod). Často pôsobia veľmi agresívne. Antropogénne emisie sa koncentrujú v ovzduší priemyselných a obývaných oblastí (hutnícky a chemický priemysel, energetika, doprava, komunálne zdroje, spaľovne a pod). Ich podiel zväčša narastá (10 10 10 11 t/rok). Počet rôznych druhov znečisťujúcich látok v atmosfére môže byť veľmi rozsiahly. Voda je súčasťou atmosféry, kde sa vyskytuje (a) vo forme pár ako vlhkosť ovzdušia, (b) vo forme kvapiek, alebo kryštálikov tvoriacich oblaky a hmly a (c) vo forme atmosférických zrážok, ktoré padajú na zem. Atmosférická voda obsahuje rozpustené plyny tvoriace vzduch (O 2, N 2, CO 2 a vzácne plyny), plynné znečisteniny ovzdušia (SO 2, SO 3, oxidy dusíka, amoniak a i.) a aj tuhé látky (čiastočky prachu, dym, rôzne katióny a anióny, mikroorganizmy a pod.). V neznečistených oblastiach sa ph atmosférických zrážok obvykle pohybuje v rozmedzí ph 56 v dôsledku atmosférických reakcií zahrnujúcich najmä reakcie CO 2 ( prirodzená kyslosť zrážkovej vody). Oxid uhličitý (CO 2 ) sa v čistej atmosférickej vode rozpúšťa len čiastočne a to prevažne vo forme fyzikálne rozpustených molekúl CO 2 (CO 2 + aq = CO 2.aq). Z celkového množstva rozpusteného CO 2 len veľmi malá časť reaguje chemicky s vodou na kyselinu uhličitú (H 2 CO 3 ) podľa rovnice CO 2 + H 2 O = H 2 CO 3 25
KYSLÉ PLYNY V ATMOSFÉRE Plynné oxidy CO 2, SO 2 a NO x môžu pochádzať aj z priemyselnej činnosti aj z prírodných zdrojov. Pri spaľovaní tuhých, kvapalných, alebo plynných palív a pri rôznych technologických procesoch (tepelné elektrárne, kúrenie, metalurgia) vznikajú plyny CO 2, SO 2 (SO 3 ) a NO x (NO + NO 2 ), ktoré ako súčasť spalných plynov unikajú do atmosféry. Oxidy síry vznikajú najmä pri spaľovaní hnedého uhlia, ktoré obsahuje obvykle aj zlúčeniny síry. Síra sa pri horení uhlia oxiduje prevažne na oxid siričitý, ktorý je spolu s ďalšími spalnými plynmi emitovaný do ovzdušia. V súčasnosti sa na zníženie obsahu SO 2 v spalných plynoch používajú rôzne technológie, ktorými sa zo spalných plynov pred ich vypustením do ovzdušia odstraňuje SO 2 (odsírovanie = desulfurizácia plynov). Chemické zloženie neodsírených a odsírených dymových plynov z tepelnej elektrárne (spaľovanie hnedého uhlia) Zložky v dymových Obsah zložiek (obj. %) plynoch Neodsírené plyny Odsírené plyny CO 2 O 2 N 2 H 2 O SO x NO x 11,32 5,11 67,27 15,94 0,33 0,03 10,28 5,40 64,50 19,97 0,02 Oxidy dusíku (NO X ), vznikajú hlavne pri vysokoteplotnom spalovaní v automobilových motoroch. Vznikajú oxidáciou atmosférického dusíka N 2. Obsah oxidov dusíka v atmosfére často prekračuje koncentráciu oxidu siričitého. Koncentrácia SO 2 a NO X v čistom ovzduší je obvykle niekoľko μg/m 3. V lokálne znečistenej atmosfére môžu krátkodobé koncentrácie oboch oxidov prekračovať aj hodnoty niekoľko sto μg/m 3. Oxidy CO 2, SO 2 (SO 3 ) a NO x môžu reagovať s vodou v atmosfére za vzniku kyselín (H 2 CO 3, H 2 SO 4 a HNO 3 ). Kyselina uhličitá však vzniká v len vtedy ak vo vzduchu nie sú prítomné oxidy síry a dusíka. Mokrá a suchá depozícia oxidov dusíka a síry. KYSLÉ ZRÁŽKY Ak sú vo vzduchu prítomné oxidy síry a dusíka, ich reakciou s vodou vzniká kyselina sírová a dusičná, ktoré výrazne ovplyvňujú kyslosť zrážok. Preto pod označením kyslé plyny rozumieme obvykle len najmä SO 2 a NO x. Hoci ich koncentrácia v atmosfére je obvykle mnohotisícnásobne nižšia ako koncentrácia CO 2, práve tieto plyny určujú zvýšenú kyslosť zrážok. Oxidy SO 2 a NO x sa v atmosfére môžu rozpúšťať v atmosférickej vode a chemicky s ňou reagovať na kyseliny (ďalšia strana). Na zemský povrch sa kyslé plyny SO 2 a NO x dostávajú v suchej forme a mokrej forme (vymývanie z atmosféry). Uvedený proces sa označuje názvom suchá a mokrá depozícia. Termín mokrá depozícia sa používa na opísanie mokrých foriem kyslých znečisťujúcich zložiek ktoré možno nájsť v zrážkovej vode, snehu, v hmle a v parách mrakov. Pre kyslé dažďové zrážky (cca ph 4) sa používa aj termín kyslé dažde, ktorý vznikol v minulom storočí v Anglicku. Kyslosť (aciditu) zrážok spôsobujú najmä oxidy síry a dusíka, ktoré sú v zrážkach vo forme kyseliny sírovej a dusičnej (rovnice sú uvedené ďalej). V zrážkach môžu byť prítomné aj sírany a dusičnany. Tvorba kyslých zrážok zahŕňa rozpúšťanie kyslých zložiek v kvapôčkach vody v mrakoch, ich oxidáciu (pred alebo po rozpustení vo vode) a prenos na zemský povrch. Kyslé zrážky majú hodnoty ph v rozmedzí 34. V niektorých priemyselných oblastiach bola zistená extrémna kyslosť zrážok, s hodnotami ph < 3. 26
Suchá depozícia. Kyslé zložky sa môžu ukladať na zemský povrch (pôdu, horniny, rastliny) niekedy aj priamo, ako tzv. suchá depozícia. Pri pôsobení vody sa dodatočne premieňajú na kyseliny, resp. soli Reakcie oxidov síry a dusíka v atmosfére predstavujú komplexný a zložitý sled reakcií na ktorých sa podieľa žiarenie, voľné radikály, ozón, peroxid vodíka, molekuly vody a i.). Konečným produktom v prítomnosti vody sú kyseliny. Ich vznik možno stručne vyjadriť rovnicami: Reakcie SO 2 v atmosfére: Zahŕňajú reakciu s vodou a ich oxidáciu za vzniku kyseliny sírovej. Výsledná celková reakcia SO 2 + 1/2 O 2 + H 2 O = H 2 SO 4 Čiastočné reakcie SO 2 + 1/2 O 2 = SO 3 SO 3 + H 2 O = H 2 SO 4 SO 2 + H 2 O = H 2 SO 3 H 2 SO 3 + 1/2 O 2 = H 2 SO 4 Reakcie NO x v atmosfére: NO sa oxiduje na NO 2 (NO+O 3 = NO 2 +O 2 ; 2NO+O 2 = 2NO 2 ) ktorý reaguje s vlhkosťou na kyselinu dusičnú. Schematický priebeh a výsledok reakcie: Ekologické dôsledky kyslej depozície: 4 NO 2 + O 2 + 2 H 2 O = 4 HNO 3 a) Okyslenie (zníženie ph) tečúcich i stojatých vôd, ktoré sú potom nevhodné pre život vodných organizmov a rastlín. b) Okyslenie pôdy, ktoré negatívne ovplyvňuje životaschopnosť stromov, znižujú vitalitu pôdnych organizmov a urýchľuje aj vymývanie minerálov z pôdy. c) NO x a SO 2 spolu s ďalšími znečisťujúcimi zložkami v ovzduší (prach, oxid uhoľnatý) prispievajú k zdravotným problémom obyvateľov priemyselných aglomerácií. PÔSOBENIE KYSLEJ DEPOZÍCIE NA STAVEBNÉ MATERIÁLY Roztoky kyseliny sírovej a dusičnej v kyslom daždi pôsobia agresívne na stavebný kameň, betón, omietky a kovy. Rozhodujúcu úloha má pritom chemické, resp. mineralogické zloženie materiálu. V kyslom prostredí ľahko reaguje najmä uhličitan vápenatý, hydroxid vápenatý, ale aj hydratované kremičitany a hlinitany vápenaté v zatvrdnutom cemente. Pôsobenie kyslej depozície na materiály obsahujúce uhličitan vápenatý: Uhličitan vápenatý CaCO 3 je základnou chemickou zložkou vo vápenci, travertíne a mramore (prevažne ako minerál kalcit). Ako spojovací tmel je prítomný aj v niektorých druhov pieskovcov. Uhličitan vápenatý je prítomný tiež na povrchu zkarbonatizovaných vápenných mált a betónu. Uvedené materiály pri styku s kyslým dažďom, kvapôčkami aerosólov, hmlou, rosou, či námrazou korodujú. Kyslá depozícia preto významne prispieva k ohrozeniu pamiatok, napr. budov, sôch, plastík a iných stavieb z kameňa. Koróziu spôsobuje reakcia CaCO 3 s kyselinou sírovou a dusičnou. Pri reakcii vznikajú príslušné soli a plynný oxid uhličitý. CaCO 3 + H 2 SO 4 CaSO 4 + CO 2 + H 2 O CaCO 3 + 2 HNO 3 Ca(NO 3 ) 2 + H 2 O + CO 2 Vznikajúci síran vápenatý obvykle kryštalizuje na povrchu materiálu ako minerál sadrovec CaSO 4.2H 2 O, pretože je relatívne málo rozpustný (asi 2 g/l). Dažďom však môže byť z povrchu stavebného materiálu čiastočne odplavovaný. Čierne zafarbené znečistené plochy vytvorené na povrchu niektorých stavieb často obsahujú sadrovec s rôznymi organickými prímesami. Dusičnan vápenatý je vo vode dobre rozpustný a dážď ho ľahko vymýva. (Reakcia betónu s roztokmi kyselín je komplexnejšia, pozri ďalej). Pri suchej depozícii plynného SO 2 môže vznikať na povrchu vápenca v prítomnosti malého množstva vlhkosti siričitan vápenatý (polhydrát). Ak je prítomná ďalšia voda, siričitan sa oxiduje na síran (sadrovec). Rovnice: CaCO 3 + SO 2 + 0,5H 2 O CaSO 3.0,5H 2 O + CO 2 CaSO 3.0,5H 2 O + 1,5 H 2 O + 1/2O 2 CaSO 4.2H 2 O 27
Kyslú atmosférickú depozíciu možno znížiť niekoľkými spôsobmi. Najúčinnejšie je zníženie spaľovania fosílnych palív. Riešením je aj odsírovanie spalín v tepelných elektrárňach. Tento postup však ohrozuje prírodu ťažbou vápencov, ktoré sa používajú pri odsírení. Problematická je aj produkcia sadrovca, ktorý vzniká pri odsírení (pri reakcii SO 2 s vápencom). Mletý vápenec sa využíva v práškovej forme aj na neutralizáciu kyslej pôdy, lesov a kyslých vôd. Reakcia prebieha podľa vyššie uvedených rovníc. Pod neutralizáciou v tomto prípade rozumieme zreagovanie kyseliny a tým odstránenie kyslosti. II. Roztoky kvapalín v kvapaline Z hľadiska vzájomnej rozpustnosti rozlišujeme kvapaliny: a/ vzájomne neobmedzene miešateľné (vzniká roztok napr. vodaetanol, olej v benzéne), b/ vzájomne obmedzene miešateľné (možná existencia dvoch roztokov, napr. éter vo vode a voda v éteri), c/ vzájomne nemiešateľné (tvoria dve kvapaliny oddelené fázovým rozhraním, napr. petrolej a voda, benzén a voda). Vzájomná miešateľnosť je podmienená druhom interakcií medzi rôznym druhom molekúl. Pre vzájomné rozpúšťanie platí empirické pravidlo "podobné sa rozpúšťa v podobnom". Rozpúšťanie etanolu vo vode je príkladom neobmedzeného miešania dvoch kvapalín ktoré majú polárne molekuly. V čistej vode, ako aj v čistom etylalkohole existujú medzi molekulami väzby vodíkovým mostíkom. Pri zmiešaní oboch kvapalín vznikne roztok, v ktorom opäť vznikajú väzby vodíkovým mostíkom a to aj medzi molekulami vody a etylalkoholu. Obr. Zobrazenie síl príťažlivosti medzi molekulami v roztoku etylalkoholu vo vode. Sily príťažlivosti medzi rovnakými molekulami v čistej vode a v čistom alkohole sú nahradené obdobnými silami medzi rôznymi molekulami v roztoku. Príkladom navzájom nemiešateľných kvapalín je benzén a voda. Molekuly benzénu sú viazané slabými medzimolekulovými väzbami. Naopak molekuly vody majú tendenciu sa spájať silnejšími vodíkovými mostíkmi. Tým vytláčajú molekuly benzénu do oddelenej, samostatnej fázy. H H O CH 3 CH 3 CH 2 O H CH 2 H O H O H O H H H O H III. Roztoky tuhých látok v kvapaline a/ Rozpúšťanie tuhých látok vo vode (polárnych rozpúšťadlách). Voda je polárne rozpúšťadlo. Vo vode sa obvykle rozpúšťajú tuhé látky, ktoré majú iónovú štruktúru (napr. soli) ako aj látky ktoré sú tvorené polárnymi molekulami (napr. cukor). Rozpustené zložky sú obvykle v ionizovanej forme. b/ Rozpúšťanie tuhých látok v nepolárnych rozpúšťadlách. Ak sú sily príťažlivosti medzi čiastočkami rozpúšťadla a rozpúšťajúcej sa látky veľmi rozdielne, k rozpúšťaniu obvykle nedochádza. Preto sa tuhé látky s iónovou štruktúrou, alebo s polárnymi molekulami nerozpúšťajú v nepolárnych rozpúšťadlách, ako je napr. benzín, benzén, toluén, xylén. V týchto organických rozpúšťadlách sa však rozpúšťajú tuhé látky, alebo viskózne kvapaliny ktoré sú tvorené nepolárnymi molekulami. Napr. rozpúšťanie polystyrénu alebo parafínu v benzéne, olejov a asfaltu v nafte, benzíne, benzéne, atď. V parafíne existujú slabé medzimolekulové sily podobne ako medzi molekulami benzénu. 6. DISPERZNÉ SÚSTAVY Dispergácia znamená rozptýlenie jednej látky v inej látke. Disperzné sústavy delíme podľa veľkosti častíc uvažovanej dispergovanej látky. Podľa veľkosti dispergovaných častíc teda rozlišujeme: a/ ANALYTICKÉ DISPERZIE (označené v tabuľke A). Dispergované častice sú atómy, ióny alebo malé molekuly, ktorých veľkosť je menšia ako 1 nm. Zistiť prítomnosť týchto častíc, napríklad v roztoku, možno chemickou analýzou, ale nie optickým mikroskopom. 28
b/ KOLOIDNÉ DISPERZIE (K) obsahujú častice koloidných rozmerov 1500 nm (11000 nm). Takéto častice tiež nemožno pozorovať optickým mikroskopom (vlnová dĺžka svetla je asi 300700 nm), ale možno ich pozorovať ultramikroskopom, prípadne niekedy elektrónovým mikroskopom. Medzi koloidné disperzie môže patriť napr. hmla (kvapalina v plyne), dym (tuhá látka v plyne), peny (plyn v kvapaline majú hrúbku blany v oblasti koloidných rozmerov), koloidné emulzie (kvapalina v kvapaline), koloidný roztok sól (tuhá látka v kvapaline). Medzi koloidné sústavy patria tiež sklá, ktoré sú zafarbené veľmi jemne rozptýlenými časticami kovov s koloidnými rozmermi. Aerosóly sú častice koloidných rozmerov rozptýlené v atmosfére. Ich rozmery však často presahujú rozmer koloidných častíc. Sú to kvapôčky kvapalín (kvapalné aerosóly), tuhých častíc(tuhé aerosóly), mikroorganizmy. Patria sem hmly dymu a podobne. c/ HRUBÉ DISPERZIE (H) obsahujú častice s rozmermi nad 500 nm. Patria sem: rôzne prachy, dymy, SUSPENZIE (tuhé častice rozptýlené v kvapaline, ako napríklad rôzne kaly) a EMULZIE (kvapalné častice rozptýlené v kvapaline, napr. kvapôčky tukov vo vode pleťové mlieko, hydrofobizačné prostriedky a i.). Rozdelenie disperzných sústav podľa skupenstva a veľkosti dispergovaných častíc (A, K, H) Disperovaná fáza Disperzné prostredie (častica) Plyn Kvapalina Tuhá látka Plyn Kvapalina Tuhá látka zmes plynov (A) (pravý roztok) hmla (H) aerosól ((K) prach (H) aerosól (K) bublinky v kvapaline (H) peny (K) rozpustený plyn (A) EMULZIA (H) koloidná emulzia = sól (K) pravý roztok (A) SUSPENZIA (H), kaly, pasty suspenzoid (K), sól pravé roztoky (A) tuhé peny pohltený plyn (A) vynechané tuhé zmesi (H) tuhé sóly (K) tuhé roztoky (A) Sóly predstavujú koloidne disperzný systém, ktorý tvoria oddelené čiastočky koloidných rozmerov ( koloidný roztok ). V prípade kvapalného prostredia je to napr. rozpustený polystyrén (ktorý je tvorený veľkými makromolekulami) v toluéne, vodné sklo (obsahujúce makromolekulárne kremičitanové anióny), mlieko obsahujúce čiastočky tuku, čiastočky farbív v niektorých náterových látkach a podobne. Gély predstavujú sústavy, v ktorých má dispergovaný podiel štruktúru spojitej siete, prestupujúcej celý priestor. Častice koloidných rozmerov sa dotýkajú. Gél má často charakter pružnej rôsolovitej látky. Gél môže vzniknúť napr. zahustením (lyofilného) sólu pri odparovaní rozpúšťadla. Gél môžeme ďalším sušením zbaviť rozpúšťadla. Takému gélu hovoríme xerogél. Ku xerogélom patrí napr. kaučuk, bavlna a silikagél. Vysušený gél je často schopný prijať značné množstvo určitej kvapaliny a zväčšiť svoj objem; tento jav nazývame napučiavanie. Niektoré gély svoj objem nemenia, sú to neelastické gély. Takto sa chová napr. silikagél, používaný ako vysušovací prostriedok (Straka). Niektoré sóly ak sú ponechané v pokoji zvyšujú vyskozitu a sól sa mení v gél (zdanlivo tuhá látka). Po premiešaní, alebo zatrepaní gélom viskozita zasa poklesne; gél sa zasa zmení v sól (tečie). Tento proces možno opakovať. Tento jav nazývame tixotrópia. Takto sa chová napr. bentonit (íly) s dostatočným množstvom vody. (Ak je bentonit v kľude, čiastočky sa usporiadajú do prepletených útvarov. Premiešaním sa toto usporiadanie rozruší) 29