Prvky tematicky

Toto téma seskupuje chemické prvky na základě jejich využití, specifických vlastností či výskytu v přírodě.

Dílčí podtémata jsou tato:

• Kyslík, vodík – Významné prvky, které jsou součástí vody, vzduchu (v případě kyslíku) i živých organismů.
• Uhlík
• Dusík, síra, fosfor
• Polokovy – Prvky s vlastnostmi na pomezí kovů a nekovů, využívané např. k výrobě polovodičů.
• Užitné kovy – Kovy běžně používané v průmyslu a každodenním životě (např. železo, měď, hliník aj.).

Kyslík i vodík jsou součástí molekul vody. Kyslík jako prvek je také významnou součástí ovzduší. Oba prvky jsou zásadní pro život.

Kyslík

Kyslík se v zemské atmosféře vyskytuje zejména ve formě dvouatomových molekul (\mathrm{O_2}). Tvoří 21 % objemu suchého vzduchu. Je reaktivní, podporuje hoření. Je potřeba pro buněčné dýchání. Samostatný kyslík v atmosféře vznikl hlavně díky fotosyntéze. Kyslík se používá např. pro řezání či sváření kovů, jako oxidační činidlo v raketových motorech či pro dýchací přístroje/masky v nemocnicích, v letadlech či při potápění.

Ozon (\mathrm{O_3}) je forma kyslíku ze 3atomových molekul. Nachází se ve stratosféře (asi 25–35 km nad povrchem Země), při jeho vzniku dochází k absorbování UV záření pocházejícího ze Slunce. V menším množství ozon vzniká např. při úderech blesků (to se podílí na typické „vůni“ bouřky). Negativní vliv na zdraví může mít jakožto přízemní ozon, který bývá součástí smogu.

Vodík

Vodík je nejrozšířenější prvek ve vesmíru. Tvoří dvouatomové molekuly \mathrm{H_2}. Je lehčí než vzduch. Reaguje s kyslíkem za vzniku vody. Je zásadní součástí biomolekul. Vyrábí se rozkladem vody stejnosměrným proudem (elektrolýzou) či se získává ze zemního plynu. Využívá se např. ke ztužení tuků (z olejů se připravují pevné tuky, např. při výrobě margarínu), omezeně jako palivo v dopravních prostředcích.

Uhlík (\mathrm{C}) je významný nekov. Jakožto samostatný prvek je stálý a málo reaktivní. Jeho atomy mají 4 valenční elektrony, vlivem toho jsou 4vazné. Atomy \mathrm{C} jsou schopné se spojovat do řetězců či kruhů, což umožňuje vznik velkého množství organických sloučenin.

Formy uhlíku

Formy uhlíku (jakožto samostatného prvku) se liší uspořádáním atomů.

• grafit (tuha) (a) – Má atomy uspořádané ve vrstvách (b), které se snadno odlupují (proto se používá do tužek). Je elektricky vodivý, může být materiálem pro výrobu elektrod. Také se z něj tvoří žáruvzdorné nádoby.

• grafen – Strukturou (c) odpovídá jedné vrstvě grafitu. Nalézá uplatnění např. v elektronice/při výrobě akumulátorů.

• diamant (d) – Nejtvrdší minerál vyskytující se v přírodě. Drobné diamanty (pro průmyslové využití) lze vyrábět i uměle. Diamant má atomy pevně vázané v krychlové mřížce. Používá se proto např. k broušení, řezání či vrtání. Uplatnění má i ve šperkařství.

• fullereny – Uměle vyráběné molekuly tvaru fotbalových míčů (e), lze z nich připravovat kompozitní materiály a nanovlákna.

a – grafit

b – struktura grafitu

c – struktura grafenu

d – diamant

e – struktura fullerenu

Další výskyt uhlíku

Uhlík je také součástí sazí (ty se používají třeba jako černé barvivo v tonerech laserových tiskáren), koksu (je zásadní pro výrobu železa) či uhlí.

Aktivní uhlí na sebe díky své porézní struktuře a velkému povrchu dokáže vázat různé látky. Toho se využívá při léčení zažívacích obtíží nebo při čištění vody či vzduchu. Vyrábí se z rostlinného materiálu, např. kokosových skořápek.

Uhlík v živých organismech

Uhlík je zásadní součástí biomolekul (sacharidů, tuků, proteinů či nukleových kyselin). Pozemský život je založen na uhlíku. Z organismů v průběhu času vznikají fosilní suroviny.

Sloučeniny uhlíku

Mezi anorganické sloučeniny uhlíku patří například:

• oxid uhličitý (\mathrm{CO_2}) – Vzniká při buněčném dýchání či hoření organickcých látek. Výchozí látka fotosyntézy. Je součástí koloběhu uhlíku v přírodě. Jde o skleníkový plyn.
• oxid uhelnatý (\mathrm{CO}) – Jedovatý plyn, blokuje přenos kyslíku hemoglobinem.
• hydrogenuhličitan sodný (\mathrm{NaHCO_3}) – Jedlá soda. Využívá se např. v kypřicích prášcích či hasicích přístrojích.

Dusík, síra a fosfor jsou nekovové prvky, které jsou významné jak pro průmysl, tak pro živé organismy.

Dusík

Dusík (\mathrm{N}) je za standardních podmínek plyn. Zaujímá 78 % objemu suchého vzduchu.

Je tvořen dvouatomovými molekulami \mathrm{N_2}. Mezi jednotlivými atomy \mathrm{N} je v této molekule stabilní trojná vazba, proto je plynný dusík poměrně nereaktivní. Z tohoto důvodu se používá jako inertní atmosféra při konzervaci potravin (např. balených sýrů).

Dusík má teplotu varu −196 °C. Kapalný dusík se v medicíně využívá např. pro odstraňování bradavic či pro chlazení biologického materiálu (třeba uchovávání pohlavních buněk).

Dusík je zásadní součástí biomolekul, jde o prvek nezbytný pro život. Je součástí aminokyselin, z nichž jsou tvořeny bílkoviny (proteiny). Dusík je obsažen i v nukleových kyselinách (DNA, RNA).

Atmosférický dusík je v přírodě zabudováván do organických sloučenin díky činnosti bakterií (včetně sinic). Ze sloučenin jej do ovzduší naopak uvolňují zejména denitrifikační bakterie.

Dusík je nepostradatelný pro růst rostlin, proto bývá součástí hnojiv. Předstupněm pro výrobu hnojiv je Haberův–Boschův proces, který průmyslově zabudovává atmosférický dusík do molekul amoniaku (\mathrm{NH_3}).

Mezi další sloučeniny dusíku patří třeba jeho oxidy (souhrnně se označují jako \mathrm{NO}_x), které jsou škodlivou součástí emisí, např. při spalování fosilních paliv.

Síra

Síra (\mathrm{S}) je za standardních podmínek pevná látka žluté barvy. Má typický „pekelný“ zápach.

a – síra

V přírodě se nachází čistá zejména v okolí sopek (ve vulkanicky aktivních oblastech). Je součástí mnohých minerálů (např. pyritu – \mathrm{FeS_2}). V živých organismech jsou atomy síry obsaženy třeba v některých aminokyselinách.

Síra jakožto samostatný prvek se využívá např. při vulkanizaci kaučuku (zlepšuje/upravuje vlastnosti „gumy“, např. při výrobě pneumatik).

Fosfor

Fosfor (\mathrm{P}) jakožto prvek existuje v několika základních formách:

• bílý fosfor (b) – Vysoce reaktivní, toxický. Tvořen molekulami \mathrm{P_4}.
• červený fosfor – Stabilnější, používá se např. v rámci zápalek (c, hlavičky zápalek i zápalné plochy na krabičkách).
• černý fosfor – Stabilní, svou strukturou připomíná diamant.

b – bílý fosfor

c – zápalky

d – apatit

V přírodě se fosfor obvykle vyskytuje ve formě fosforečnanových aniontů (\mathrm{PO_4^{3-}}). Tyto ionty obsahuje třeba minerál apatit (d). Hydroxyapatit je součástí kostí či zubů živočichů.

Co se týká organických sloučenin, atomy fosforu jsou obsaženy např. v nukleových kyselinách (DNA, RNA), ATP (nosič energie v buňkách) či fosfolipidech, které tvoří buněčné membrány.

Polokovy jsou prvky, které tvoří přechod mezi kovy a nekovy. Jsou za standardních podmínek pevné. Vzhledem se obvykle podobají kovům (jsou lesklé), vlastnostmi spíše nekovům (jsou křehké, nejsou kujné, v čisté podobě obvykle nevedou elektrický proud). Tvoří kationty. Mají zásadní význam pro výrobu polovodičů.

Dále uvádíme příklady významných polokovů.

Křemík

Sloučeniny křemíku (\mathrm{Si}) jsou hojně zastoupeny v zemské kůře. Křemík je součástí minerálu křemene (oxid křemičitý, a) či křemičitanů. Tyto minerály pak mohou tvořit horniny.

Oxid křemičitý (\mathrm{SiO_2}) je obsažen ve sklářském písku a využívá se k výrobě skla (b, v běžném sodnovápenatém skle je obsažen asi ze 60–80 %, přidává se ještě uhličitan sodný – \mathrm{Na_2CO_3} – ke snížení teploty tavení a uhličitan vápenatý – \mathrm{CaCO_3}).

Čistý křemík (c) se používá k výrobě polovodičů. Polovodiče jsou nezbytné pro výrobu tranzistorů, které jsou např. součástí procesorů. Také jsou součástí solárních panelů.

Silikony jsou sloučeniny, jejichž základ tvoří řetězec se střídajícími se atomy křemíku (\mathrm{Si}) a kyslíku (\mathrm{O}), dále obsahují uhlík (\mathrm{C}) a vodík (\mathrm{H}). Jsou tepelně i chemicky stálé. Používají se např. pro výrobů tmelů a výplňových hmot (d), nádobí, mazadel/olejů či tělních implantátů.

a – křemen

b – sklo

c – krystal čistého křemíku

d – silikon

Germanium

Čisté germanium (\mathrm{Ge}) i jeho sloučenina oxid germaničitý (\mathrm{GeO_2}) propouštějí infračervené (IR) záření. Toho se využívá např. u termokamer či termovize. Sloučeniny germania se také využívají jako příměsi do optických vláken.

Arsen

Arsen (\mathrm{As}) je značně toxický prvek. Jeho sloučeniny se dříve používaly jako jedy: oxid arsenitý (\mathrm{As_2O_3}, arsenik, otrušík) je zmíněn např. v divadelní hře Maryša (e) bratří Mrštíků (1894). Zhruba do konce 19. století se arsen používal i k výrobě barviv (f).

e – divadelní hra Maryša

f – svinibrodská zeleň

Výrobky obsahující kovy jsou všudypřítomné jak v běžném životě, tak např. ve stavebnictví či průmyslu.

Kovy obecně

Kovy dobře vedou elektrický proud a teplo. Jsou obvykle lesklé, kujné (lze je tvarovat) a tažné (lze je natahovat). Ušlechtilé kovy (např. zlato, stříbro, platina) se v přírodě často nacházejí ryzí. Naopak neušlechtilé kovy (např. železo) se v přírodě vyskytují ve sloučeninách, které se těží jakožto rudy. Výrobou kovů (zejména získávání čistých kovů z rud) se zabývá hutnictví (metalurgie).

a – železo

b – hliník

c – měď

d – zlato

f – stříbro

Vybrané kovy a jejich využití

• železo (\mathrm{Fe}, obrázek a)

  • Jde o nejpoužívanější kov. Samo o sobě je reaktivní, reakcí se vzduchem a vodou se mění na rez (\mathrm{Fe_2O_3} \cdot n\mathrm{H_2O}).
  • Rudami železa jsou např. hematit (\mathrm{Fe_2O_3}), magnetit (\mathrm{Fe_3O_4}) či siderit (\mathrm{FeCO_3}). Železo se vyrábí ve vysokých pecích díky redukci uhlíkem (ten se dodává ve formě koksu).
  • Ve vysokých pecích vzniká surové železo, které má vysoký obsah uhlíku. Surové železo se pak upravuje na litinu či ocel.
  • Při výrobě oceli se snižuje obsah uhlíku a přidávají se další prvky (např. \mathrm{Ni}, \mathrm{Mn}, \mathrm{Cr}, \mathrm{V} aj.). Tak vzniká např. korozivzdorná („nerezová“) ocel.
  • Železo je součástí hemoglobinu v červených krvinkách, který zajišťuje přenos kyslíku (\mathrm{O_2}) po těle.

• hliník (\mathrm{Al} , obrázek b) – Lehký kov, dobře vede elektrický proud i teplo. Využívá se např. pro výrobu chladičů hardwaru (procesory, grafické karty…). Alobal je tenká hliníková fólie (používaná třeba v potravinářství).

• měď (\mathrm{Cu}, obrázek c) – Načervenalý měkký kov, v přírodě se vyskytuje ryzí i ve sloučeninách. Výborně vede elektrický proud, často se využívá na výrobu kabelů. Z mědi mohou být též např. okapy či střešní krytiny (zejména na historických budovách jsou pokryté zoxidovanou mědí – tzv. měděnkou). Měď se v malém množství nachází v živých organismech (je součástí enzymů či hemocyaninu – krevního barviva některých bezobralých živočichů).

• zlato (\mathrm{Au}, obrázek d) – V přírodě se vyskytuje ryzí. Je chemicky odolné. Má výbornou vodivost, proto se používá např. k pokovování kontaktů a obecně výrobě elektroniky. Má též využití ve šperkařství. Jeho čistota se udává v karátech (karát je v kontextu zlata \frac{1}{24}, 24 kt = ryzí zlato) či tisícinách (např. 999/1000). Dříve se získávalo rýžováním, dnes se z hornin získává rozpouštěním v kyanidu sodném (\mathrm{NaCN}). Může sloužit jako investiční kov.

• stříbro (\mathrm{Ag}, obrázek e) – Ušlechtilý kov. Zejména při kontaktu s kůží černá, pokrývá se vrstvou sulfidu stříbrného (\mathrm{Ag_2S}). Využívá se např. ve šperkařství, v medicíně (má baktericidní účinky) či jako investiční kov.