Chemie se stala nedílnou součástí našeho života v různých podobách. Kromě zvyšování našeho pohodlí s sebou přináší i rizika pro životní prostředí a lidské zdraví. Abychom měli z chemických látek co největší přínos a co nejmenší škody, musíme co nejlépe znát jejich vlastnosti a regulovat jejich využití.
Organická chemie se zabývá organickými látkami, které jsou základem živých organismů a mají široké využití. Organické látky lze rozdělit na uhlovodíky a deriváty uhlovodíků, kde jsou atomy \(\mathrm{H}\) nahrazeny jinými atomy či funkčními skupinami.
Organické sloučeniny jsou zásadní součástí živých organismů a mohou být přírodního původu. Zdrojem organických látek je např. biomasa, ropa, zemní plyn či uhlí. Většina známých organických sloučenin je uměle vyrobena (např. z výše uvedených zdrojů).
Atomy uhlíku mají 4 valenční elektrony a ochotně tvoří řetězce či cykly, což dává vznik obrovskému množství organických sloučenin. Jednoduchá vazba uhlíku je vazba σ, u té je elektronová hustota nejvyšší na spojnicích jader atomů účastnících se vazby.
Atomy uhlíku mají v základním stavu elektronovou konfiguraci \(\mathrm{[He]\;2s\,\boxed{\uparrow\downarrow} \;2p\,\boxed{\uparrow\;}\,\boxed{\uparrow\;}\,\boxed{\phantom{\uparrow\;}}}\). Po excitaci jsou ve valenčních orbitalech k dispozici 4 nespárované elektrony pro tvorbu kovalentních vazeb.
Čtěte také: Zdroje chemických látek v ovzduší
U valenčních orbitalů dochází ke sjednocování energií (a tvarů), tzv. Při hybridizaci \(\mathrm{sp^3}\) se sjednotí všechny valenční orbitaly: \(\mathrm{[He]}\;\textcolor{#16a085}{2\mathrm{s}\,\boxed{\uparrow\;}\;2\mathrm{p}_{x, y, z}\boxed{\uparrow\; }\,\boxed{\uparrow\;}\,\boxed{\uparrow\;}}\). Vznikající (jednoduché) vazby jsou pak rovnocenné a jejich vrcholy tvoří čtyřstěn (tetraedr). Tato hybridizace se vyskytuje např.
Při hybridizaci \(\mathrm{sp^2}\) je stav orbitalů následující: \(\mathrm{[He]}\;\textcolor{#16a085}{\mathrm{2s},2\mathrm{p}_x, 2\mathrm{p}_y\,\boxed{\uparrow\;}\,\boxed{\uparrow\;}\,\boxed{\uparrow\;}}\;2\mathrm{p}_{z}\boxed{\uparrow\;}\). Vznikají dvě jednoduché vazby a jedna dvojná, jejich vrcholy vytvářejí (rovnostranný) trojúhelník. Tuto hybridizaci má uhlík např.
Hybridizaci \(\mathrm{sp}\) lze znázornit takto: \(\mathrm{[He]}\;\textcolor{#16a085}{\mathrm{2s},2\mathrm{p}_x \,\boxed{\uparrow\;}\,\boxed{\uparrow\;}}\;2\mathrm{p}_y,2\mathrm{p}_{z}\boxed{\uparrow\;}\,\boxed{\uparrow\;}\). Dochází ke vzniku jednoduché a trojné vazby, nebo dvou dvojných vazeb. Tvar je lineární.
Stavbu molekul organických sloučenin vyjadřují zejména následující typy vzorců:
Látky, které se skládají ze stejných částic (tedy mají stejné sumární vzorce), mohou tyto částice (a vazby mezi nimi) mít různě rozmístěné. Poté se jedná o izomery.
Čtěte také: Efektivní postupy chemického čištění odpadů
Zdrojem organických látek je např. biomasa, ropa, zemní plyn či uhlí.
Pokud je reagující částice elektrofilní, vyhledává záporný náboj a je kladně nabitá (např. \(\mathrm{NO_2^+}\), \(\mathrm{Br^+}\), \(\mathrm{H_3O^+}\)). Nukleofilní částice vyhledává kladný náboj a bývá nabitá záporně, případně obsahuje volný elektronový pár (např. \(\mathrm{Cl^-}\), \(\mathrm{NH_3}\)). Radikál je velmi reaktivní částice, má jeden či více nespárovaných elektronů.
Uhlovodíky jsou organické sloučeniny obsahující pouze atomy uhlíku (\(\mathrm{C}\)) a vodíku (\(\mathrm{H}\)). Jsou součástí fosilních surovin (zemního plynu, ropy), používají se např.
Uhlovodíky jsou organické sloučeniny obsahující atomy uhlíku (C) a vodíku (H). V molekulách obsahují jednoduché vazby mezi atomy C.
Mezi významné reakce těchto látek patří radikálová substituce (vznik radikálů je iniciován např. Uhlovodíky s jednou vazbou mezi atomy C jsou alkeny či cykloalkeny. Pokud je dvojných vazeb více, označuje se tato skutečnost předponou (např.
Čtěte také: Vysokoškolské vzdělání v oboru chemie a životního prostředí
Aromatické uhlovodíky (areny) obsahují aspoň jedno aromatické jádro - delokalizovaný systém π elektronů. Zjednodušeně řečeno: elektrony, které by za normálních okolností tvořily část dvojné vazby na určitém místě, jsou rovnoměrně rozprostřeny v kruhu. Areny obvykle mají specifický zápach.
Při hoření organických látek mohou vznikat polycyklické aromatické uhlovodíky (např. benzo[a]pyren sestávající z pěti aromatických jader). Tyto látky jsou značně nebezpečné pro zdraví, nacházejí se např.
Deriváty uhlovodíků jsou odvozené z uhlovodíků. Vznikají tak, že dojde k nahrazení atomu (či atomů) vodíku (\(\mathrm{H}\)) jinými atomy nebo funkčními skupinami.
Halogenderiváty uhlovodíků ve svých molekulách obsahují atomy halogenů (\(\mathrm{F}\), \(\mathrm{Cl}\), \(\mathrm{Br}\) či \(\mathrm{I}\)). Živé organismy je vytvářejí jen velmi vzácně, většina je jich uměle vyrobena. Některé jsou netečné a víceméně zdravotně nezávadné, jiné jsou nebezpečné pro zdraví či dráždivé. Mnohé halogenderiváty patří mezi „věčné chemikálie“, v přírodě se prakticky nerozkládají a dlouhodobě ji znečišťují.
Dříve využívané freony (obsahující \(\mathrm{Cl}\), např. R12 - difluordichlormethan) měly uplatnění v chladicích zařízeních a jako hnací látky do sprejů. V současnosti se v EU jako chladivo do klimatizací dopravních prostředků používá např. Jeho polymerací (zřetězením molekul) vzniká polytetrafluorethen (PTFE, komerčně teflon), který se využívá např. na nepřilnavé povrchy pánví, výrobě lyžařských vosků či nepromokavých membrán do oblečení a obuvi (odpuzuje vodu). Teflon sám o sobě je relativně chemicky stálý.
Při výrobě teflonu se používají další fluorované látky, které jsou toxické/nebezpečné pro zdraví. Dříve šlo o PFOA = perfluorooktanovou kyselinu, dnes jde např. látku s označením FRD-903.
Mezi dusíkaté deriváty uhlovodíků patří mj. Aminoderiváty neboli aminy obsahují v molekulách skupinu \(\mathrm{-NH_2}\). Patří mezi ně např. Nitroderiváty obsahují skupinu \(\mathrm{-NO_2}\). Často se využívají k výrobě výbušnin, při jejich rozkladu vznikají obvykle \(\mathrm{N_2}\) a oxidy uhlíku v plynném skupenství. Mezi nitroderiváty patří např.
Alkoholy jsou odvozené z alifatických uhlovodíků. Ve svých molekulách obsahují skupinu \(\mathrm{-OH}\). Jejich název v základu obsahuje označení příslušného uhlovodíku s koncovkou -ol. Jde o látky běžné v přírodě, jsou dobře rozpustné ve vodě.
Fenoly obdobně jako alkoholy obsahují skupinu \(\mathrm{-OH}\), jsou však odvozené z aromatických uhlovodíků. Ve svých molekulách obsahují atom kyslíku navázaný na dva uhlovodíkové zbytky \(\mathrm{R-O-R'}\).
Aldehydy a ketony jsou kyslíkaté deriváty uhlovodíků. Patří mezi karbonylové sloučeniny. Obsahují karbonylovou skupinu \(\mathrm{C\!=\!O}\). Aldehydy obsahují karbonylovou skupinu na konci uhlíkového řetězce. Jejich názvy mají koncovku -al. Ketony obsahují karbonylovou skupinu uvnitř uhlíkového řetězce.
Karboxylové kyseliny patří mezi kyslíkaté deriváty uhlovodíků. Jejich molekuly obsahují karboxylovou skupinu \(\mathrm{-COOH}\). Z této funkční skupiny se snadno uvolňuje kation vodíku (\(\mathrm{H^+}\)), což podmiňuje kyselý charakter těchto látek. Karboxylové kyseliny se běžně nacházejí v živých organismech. Mastné kyseliny tvoří součásti molekul tuků.
Mezi funkční deriváty karboxylových kyselin patří např. jejich soli a estery. Soli karboxylových kyselin vznikají zejména jejich neutralizací. Dojde k odštěpení vodíkového kationtu (\(\mathrm{H^+}\)) z molekuly kyseliny a jeho nahrazení, nejčastěji iontem kovu.
Estery karboxylových kyselin jsou v přírodě významnými vonnými látkami (jsou např. součástí plodů, květů). Vznikají reakcí karboxylové kyseliny a alkoholu (esterifikací), produktem reakce je ester a voda. Používají se např.
Substituční deriváty karboxylových kyselin mají navázané další funkční skupiny na uhlíkovém řetězci. Patří mezi ně např.
Člověk uvolňuje do životního prostředí látky, které byly dlouhodobě uloženy v zemi, kde neohrožovaly jeho zdraví, např. těžké kovy, jako olovo, rtuť či kadmium. Chemici vyrobili množství látek, které se v přírodě běžně nevyskytovaly, např. DDT, PVC, PCB, freony aj. Tyto látky mají někdy velmi zajímavé vlastnosti pro speciální využití (např. hubí hmyz, odolávají vysokým teplotám atd.), ale zároveň mohou ohrozit nejen životní prostředí, ale i zdraví nebo životy lidí, ať už přímo (jsou jedovaté), nebo tím, že mají na prostředí člověkem nepředpokládaný účinek (např. vytvářejí tzv.
V současnosti jsou známy miliony různých chemických látek a každý den jsou syntetizovány další a další.
Negativní účinky chemických látek na lidské zdraví jsou velice komplexní.
Už po tisíciletí je známo, že množství a složení potravy a nápojů ovlivňuje zdraví. Velkou změnou procházejí potraviny a nápoje od doby průmyslové revoluce. V posledních desetiletích však došlo ke zprůmyslnění zemědělství a potravinářství. Do potravin se záměrně začala přidávat celá řada chemických látek, které mají změnit vlastnosti průmyslově vyráběných potravin, např. barvu, chuť, vůni, trvanlivost atd.
Další skupinou chemických látek v potravinách jsou zbytky zemědělských chemikálií, které průmyslové zemědělství masově používá. Může jít o látky uvolněné z průmyslových hnojiv, ale zejména se jedná o nerozložené zbytky (rezidua) pesticidů. V případě potravin živočišného původu může jít o zbytky veterinárních léčiv (např. antibiotik). V některých státech se hospodářským zvířatům masově aplikují také hormony.
Poslední skupinou chemických látek v potravinách jsou ty, které se používají jako průmyslové chemikálie a které se do potravního řetězce dostávají v důsledku znečištění životního prostředí. Jedná se o těžké kovy a jejich sloučeniny (např. olovo, organické sloučeniny rtuti nebo cínu), ale také o organické látky, které mají schopnost přetrvávat dlouho v životním prostředí a hromadit se v živých organismech. Odborně se o takových látkách říká, že jsou perzistentní a bioakumulativní. Patří mezi ně např. polychlorované dioxiny (PCDD/F), polybromované zpomalovače hoření (BFR), polychlorované bifenyly (PCB) a podobně.
Název pesticidy se používá jako souhrnné označení pro látky používané k ničení, zabíjení organismů, které člověk z určitého důvodu chce zničit nebo potlačit. Liší se jak svým chemickým složením, tak cílovými skupinami organismů, proti kterým jsou určeny. Vzhledem k výše uvedené rozmanitosti pesticidů jsou i jejich nežádoucí zdravotní účinky velice široké.
Poměrně nové je zjištění, že řada pesticidů zasahuje do chování lidských hormonů a může tak narušovat hormonální systém člověka. Hormony v těle řídí mnoho velice důležitých procesů včetně vývoje v děloze a v dětství, rozmnožování, metabolismu klíčových živin (cukrů a tuků).
Vědci zjistili, že některé pesticidy (podobně jako jiné průmyslové chemikálie) mohou správnou funkci hormonů v lidském těla narušit různými způsoby. Pesticidy mohou hormony v těle napodobovat (imitovat), např. DDT nebo endosulfan mohou napodobovat účinek ženských pohlavních hormonů estrogenů. Ale také mohou funkci hormonů blokovat, jako např. vinclozolin, linuron nebo jeden z metabolitů DDT jsou schopné bránit buňkám přijímat signály androgenů - mužských pohlavních hormonů. Pesticidy ale také mohou bránit tvorbě hormonů v těle nebo jejich přirozenému rozkladu.
Doposud bylo prokázáno riziko endokrinních disruptorů zejména v době vývoje plodu v těle matky a raném dětství, kdy pohlavní hormony a hormony štítné žlázy hrají klíčovou roli.
Pro účely značení se jednotlivá aditiva podle svých funkcí zařazují do příslušných funkčních skupin. Jedno aditivum však může v potravinách zastávat i více funkcí a záleží na výrobci, do které funkční skupiny na seznamu přísad příslušné aditivum zařadí. Kupříkladu oxid siřičitý může působit v potravině jako konzervační prostředek, ale také jako antioxidant.
S rostoucím rozsahem průmyslové výroby potravin a množství používaných přídatných látek se postupně objevily také obavy z možných negativních zdravotních účinků těchto potravinářských aditiv.
V reakci na tyto obavy založily v roce 1955 Organizace OSN pro výživu a zemědělství (FAO) a Světová zdravotnická organizace (WHO) Společný výbor expertů pro potravinářská aditiva (Joint Expert Committee on Food Additives, JECFA) jako mezinárodní orgán, který má dohlížet na zdravotní nezávadnost potravinářských aditiv v zemích OSN.
V souvislosti s tím mezinárodní JECFA vypracoval koncepci tzv. přijatelného denního příjmu (Acceptable Daily Intake, ADI). ADI se stanovuje tak, že při laboratorních experimentech na zvířatech se stanoví nejvyšší dávka chemické látky, při které se ještě neprojeví nežádoucí účinek.
Exotermické reakce jsou reakce, při kterých reagující soustava uvolňuje energii do svého okolí. Na rozštěpení chemických vazeb se energie spotřebovává a při vzniku chemických vazeb se energie uvolňuje.
Reakce probíhající v tzv. standardních podmínkách (tj. teplota 25 ºC, tlak 101,325 kPa; nejstálejší modifikace). Termochemická rovnice je způsob zápisu chemického děje v termochemii.
Mezi příklady exotermických reakcí patří například:
Obecně pro reakci A → B platí: Qm(A → B) = - Qm (B → A). Obecné schéma: A → B + C, Qm(A → C) = Qm(A → B) + Qm(B → C).
Jaderné reakce zahrnují energii z atomových jader. Radioaktivita je rozpad či přeměna jader. Jaderné reakce zahrnují rozpad či přeměnu jader, tj.
Při reakci dochází k bilanci hybnosti, příp. parity a izospinu. Energie se uvolňuje ve formě kinetické energie řádově několik MeV.
Radioaktivní přeměny mohou vést k emisi dalších částic, jako jsou elektrony, fotony, popř. i mezony a hyperony.
Jaderná energie je obsažena v atomových jádrech. E = mc2). Jaderná energie je mnohonásobně menší než energie obalových elektronů v atomech.
tags: #chemické #reakce #v #přírodě #příklady