Chemie v souvislostech
V průběhu celých lidských dějin se lidská mysl snažila přetvářet hmotu v užitečnější věci. Naši předkové v době kamenné opracovávali pazourky v praktické nástroje a vyřezávali ze dřeva sošky a hračky. Toto úsilí zahrnovalo změnu tvaru věci, aniž by se změnila její podstata. Jak se však naše znalosti rozšiřovaly, lidé začali měnit i samotné složení věcí – z hlíny se stala keramika, kůže se činily pro výrobu oděvů, z měděných rud se stávaly nástroje a zbraně a ze zrna se pekl chléb. Lidstvo se vydalo na cestu chemie ve chvíli, kdy se naučilo ovládnout oheň a využívat jej k vaření, výrobě keramiky a tavení kovů. Poté začali lidé izolovat a využívat konkrétní druhy hmoty. Z rostlin byla získána celá řada léčiv, jako je aloe, myrha a opium. Barviva, jako indigo či tyrský purpur, se získávala z rostlinných a živočišných zdrojů. Kovy se spojovaly do slitin – například smícháním mědi a cínu vznikl bronz – a důmyslnější metody tavení umožnily výrobu železa. Z popela se získávaly louhy a mýdla se vyráběla mícháním těchto louhů s tuky. Alkohol se vyráběl kvašením a čistil se destilací. Pokusy pochopit chování hmoty sahají více než 2500 let do minulosti. Již v 6. století př. n. l. hovořili řečtí filosofové o systému, v němž byla základem všeho voda. Možná jste slyšeli o řeckém postulátu, že hmota se skládá ze čtyř živlů: země, vzduchu, ohně a vody. Později se směs chemických technologií a filosofických úvah šířila z Egypta, Číny a východního Středomoří prostřednictvím alchymistů, kteří se snažili přeměnit „neušlechtilé kovy“, jako je olovo, na „kovy ušlechtilé“, jako je zlato, a vytvořit elixíry pro léčení nemocí a prodloužení života.
STEM: Věda, technologie, inženýrství a matematika
Diskuse o chemii jako o ústřední vědě.
Chemie je někdy nazývána „ústřední vědou“, protože je propojena s obrovským množstvím dalších oborů STEM (zkratka pro vědu, technologie, inženýrství a matematiku). Chemie a jazyk chemiků hrají zásadní roli v biologii, medicíně, materiálových vědách, kriminalistice, environmentálních vědách a mnoha dalších oborech.
Základní principy fyziky jsou nezbytné pro pochopení mnoha aspektů chemie a mezi mnoha podobory v rámci těchto dvou polí, jako je chemická fyzika a jaderná chemie, existuje obrovský překryv. Matematika, informatika a teorie informací poskytují důležité nástroje, které nám pomáhají počítat, interpretovat, popisovat a obecně dávat smysl chemickému světu.
Biologie a chemie se spojují v biochemii, která je klíčová pro pochopení mnoha složitých faktorů a procesů, jež udržují živé organismy (jako jsme my) naživu. Chemické inženýrství, materiálové vědy a nanotechnologie kombinují chemické principy a empirické poznatky k výrobě užitečných látek, od benzínu přes tkaniny až po elektroniku.
Zemědělství, potravinářství, veterinární lékařství a pivovarnictví či vinařství pomáhají zajišťovat obživu světové populaci. Medicína, farmakologie, biotechnologie a botanika identifikují a vyrábějí látky, které nám pomáhají udržet si zdraví. Environmentální vědy, geologie, oceánografie a atmosférické vědy využívají mnoho chemických myšlenek, aby nám pomohly lépe pochopit a chránit náš fyzický svět. Dokonce i v astronomii a kosmologii se používají chemické koncepty k pochopení vesmíru.
Jaké změny hmoty jsou nezbytné pro každodenní život? Trávení a vstřebávání potravy, výroba polymerů pro oděvy, nádoby, kuchyňské náčiní a platební karty nebo rafinace ropy na benzín a další produkty jsou jen několika příklady.
Při procházení tohoto kurzu budete objevovat mnoho různých příkladů změn ve složení a struktuře hmoty, naučíte se tyto změny klasifikovat, zjistíte, proč k nim dochází, co je způsobuje, jaké energetické změny je provázejí a jaké principy a zákony jsou do nich zapojeny.
Tím, že se tyto věci naučíte, budete studovat chemii – vědu o složení, vlastnostech a interakcích hmoty. Studium chemie se neomezuje pouze na učebnice nebo laboratoře: probíhá kdykoli, když se někdo podílí na změnách hmoty nebo na zkoumání podmínek, které k těmto změnám vedou.
VŠE, CO JSTE ČETLI PŘEDTÍM, JE NAPROSTÝ OMYL! Chcete vidět skutečný tok života? Tak do toho!
Farmář
Tohle je moje hospodářství
Nastal čas sklizně
Toto je období výběru daní.
Následující den ukázal, že bohové na mě zapomněli.
Můj syn spěchal do města hledat protilátku.
Byl jsem zachráněn
Příštího dne jsem prodal obrovské množství sklizené pšenice
Muž s neobyčejným jménem „Agronom“ dorazil na mou farmu příštího dne.
Překvapila mě návštěva agronoma v podivném kočáře.
Rozhodli jsme se tedy sbalit synovi věci na cestu s agronomem.
Farmářův syn dorazil s agronomem do města.
První zastávka byla v místě, kterému říkal „alma mater“, ale jeho skutečné jméno bylo futuristická univerzita.
Vzal mě na katedru mykologie (ať už to znamená cokoli)
Vzpomněl jsem si na doktora, který dal protilátku pro mého otce.
Pak následovalo několik návštěv u jejich přátel, o nichž mluvili jako o „kolezích“.
Tak jsme celý den chodili z místnosti do místnosti.
Nakonec jsem pocítil velký hlad a řekl o tom svému kurátorovi (panu Agronomovi).
Pak jsme navštívili oddělení zvané „anorganická chemie“.
Profesor vysvětluje, že pro tyto procesy je nesmírně důležitý jistý pojem, který nazval „energie“ – ať už to znamená cokoli.
Proběhlo několik dalších návštěv a já začal chápat, co to všechno znamená; s každou zastávkou rostl můj neklid, ale zároveň i můj zájem.
Druhého dne jsme jeli zpět k domovu, ale požádal jsem o návštěvu strýcovy kovárny.
Tak jsem se ráno probudil a myslel si, že to byl všechno jen sen, ale...
Následujících několik let jsem zasvětil celý svůj život studiu chemie. Děkuji vám, pane Agronome.
Od této chvíle se celý zbytek tohoto průvodce bude týkat studia chemie – vědy o tom, z čeho se skládá hmota, jak se chová a jak spolu vše reaguje. Nemyslete si, že chemie patří jen do starých zaprášených knih nebo do moderních laboratoří. Probíhá neustále, kdykoli se někdo podílí na změnách hmoty nebo na zkoumání podmínek, které tyto změny vyvolávají.
Vědecká metoda
Chemie je věda založená na pozorování a experimentování. Práce v chemii zahrnuje pokusy o zodpovězení otázek a vysvětlení pozorování pomocí zákonů a teorií chemie za využití postupů, které jsou přijímány vědeckou komunitou. Neexistuje jediná cesta k zodpovězení otázky nebo vysvětlení pozorování, ale každý přístup má společný aspekt: každý využívá znalosti založené na experimentech, které lze reprodukovat pro ověření výsledků. Některé cesty zahrnují hypotézu, tedy předběžné vysvětlení pozorování, které slouží jako vodítko pro shromažďování a kontrolu informací. Hypotézu testujeme experimentem, výpočtem a/nebo porovnáním s experimenty ostatních a následně ji podle potřeby upravujeme.
Některé hypotézy jsou pokusy o vysvětlení chování, které je shrnuto v zákonech. Vědecké zákony shrnují obrovské množství experimentálních pozorování a popisují nebo předpovídají určitý aspekt přírodního světa. Pokud se ukáže, že taková hypotéza je schopna vysvětlit velké množství experimentálních dat, může dosáhnout statusu teorie. Vědecké teorie jsou dobře podložená, komplexní a testovatelná vysvětlení konkrétních aspektů přírody. Teorie jsou přijímány, protože poskytují uspokojivá vysvětlení, ale mohou být upraveny, pokud se objeví nová data. Cesta objevování, která vede od otázky a pozorování k zákonu nebo hypotéze až k teorii, v kombinaci s experimentálním ověřením hypotézy a případnou úpravou teorie, se nazývá vědecká metoda.
Vědecká metoda se řídí procesem podobným tomu, který je znázorněn na tomto diagramu. Všechny klíčové složky jsou zobrazeny v přibližně správném pořadí. Vědecký pokrok je málokdy přímočarý a bezchybný: vyžaduje otevřené bádání a neustálé přepracovávání otázek i myšlenek v závislosti na dosažených zjištěních.
Světy, ve kterých ožívá chemie
Aby chemici dokázali popsat tajuplné chování hmoty a energie, nahlížejí na svět skrze tři odlišná prizmata: makroskopické, mikroskopické a symbolické. Tyto tři domény nám nabízejí různé úhly pohledu pro pochopení a analýzu chemických jevů.
Makroskopický svět:
Své jméno odvozuje z řeckého výrazu pro to, co je „velké“, a tvoří kulisy naší každodenní zkušenosti. Patří sem vše, co je dostatečně hmatatelné, abychom to vnímali svými smysly – od pokrmů, které nás sytí, až po jemné pohlazení vánku. Právě zde, v našem běžném životě i v tichu laboratoří, pozorujeme a měříme fyzikální a chemické vlastnosti látek, jako je jejich hustota, rozpustnost či hořlavost, a sledujeme proměny hmoty, které se nám odehrávají přímo před očima.
Mikroskopický svět:
Mikroskopická sféra, pojmenovaná podle řeckého slova pro „malé“, od nás často vyžaduje špetku fantazie nebo pomoc nejmodernějších přístrojů. Zatímco některé její obyvatele, jako jsou bakterie nebo struktura grafitu, lze zahlédnout pod běžným mikroskopem, samotné srdce chemie bije v mnohem subtilnějších hloubkách.
Viditelné mikroskopické: Jde o entity typu virů či buněk, které se nám odhalí až pod drobnohledem objektivů.
Submikroskopické: Většina aktérů chemického dění — včetně atomů, molekul, iontů a subatomárních částic (protonů, neutronů a elektronů) — je však natolik drobná, že zůstává skryta i těm nejvýkonnějším mikroskopům.
Tento svět se soustředí na neviditelné interakce, které jsou hybateli všech pozorovatelných změn. Sleduje, jak se atomy kovu řadí v drátu, jak krystalky soli drží pohromadě díky síle iontů nebo jak vznikají a zanikají chemické vazby, což se navenek projeví uvolňováním tepla či náhlou proměnou barev.
Symbolický svět:
Symbolický svět představuje vytříbený jazyk, kterým věda popisuje neviditelné nitky propojující makrosvět s mikrosvětem. Chemické značky z periodické tabulky, vzorce a rovnice jsou jeho základními kameny, doplněnými o grafy a nákresy. Do této říše symbolů řadíme i matematické výpočty, které dávají pozorovaným dějům řád.
Tyto symboly jsou v chemii nepostradatelné, neboť slouží jako most, po kterém přenášíme poznatky z neviditelného mikrosvěta do srozumitelné řeči světa makroskopického. Pro ty, kteří se chemii učí, bývá největší výzvou pochopit, že jediný znak může v různých světech představovat odlišné věci. Právě v tom však tkví fascinující povaha chemie: v odvaze vysvětlovat to, co vidíme, pomocí světa, který si musíme jen představovat.
Názorným způsobem, jak těmto třem světům porozumět, je pohled na esenciální a všudypřítomnou látku: vodu.
Makroskopický svět: Pozorování, že voda je při mírných teplotách kapalinou, která na mrazu tuhne v led a při varu se mění v plyn, patří do sféry makroskopické.
Mikroskopický svět: Některé vlastnosti vody jsou však našemu zraku skryty. Patří sem popis vody jako celku složeného ze dvou atomů vodíku a jednoho atomu kyslíku, stejně jako vysvětlení mrznutí a varu na základě přitažlivých sil mezi těmito molekulami.
Symbolický svět: Vzorec H2O, který dokáže popsat vodu na obou úrovních zároveň, je dokonalým příkladem symbolické domény. Stejně tak zkratky (g) pro plyn, (s) pro pevnou látku a (l) pro kapalinu jsou součástí této vědecké abecedy.
Vzorec H2O je tedy symbolem pro vodu, zatímco označení (g), (s) a (l) symbolizují její různé tváře – skupenství.
Voda v plynném skupenství
Voda v podobě tekutiny
Led jako pevné tělo vody
