Podcast na Chemie chalkogenů a sloučenin síry

Kapitoly

Co spojuje síru a kyslík?

Síra, jak ji (ne)známe

Kde všude síru najdeme?

Smradlavý, ale užitečný: Sulfan

Oxidy síry a kyselé deště

Královna chemikálií: Kyselina sírová

Síra v organickém světě

Thioly aneb zápach tchoře

Sulfidy a yperit

Kyseliny, které perou: Sulfonové kyseliny

Shrnutí a další téma

Těžší chalkogeny

Závěrečné shrnutí

Přepis

Petr: Víte, co u maturity z chemie potopí skoro 80 % studentů u otázky na síru? Není to její zápach. Je to neschopnost přepínat mezi jejími různými tvářemi. Jednou se chová jako oxidant, pak zase jako redukční činidlo... a v organice je to úplně jiná písnička. Jak si v tom udělat jednou provždy jasno? To si ukážeme.

Tereza: Tak na tenhle slíbený „aha“ moment se těším! Posloucháte Studyfi Podcast, pojďme na to.

Tereza: Petře, začněme od základů. Síra je v periodické tabulce hned pod kyslíkem. Znamená to, že jsou si podobné?

Petr: To je skvělá otázka, Terezo. Jsou ve stejné skupině, říkáme jim chalkogeny. Mají stejný počet valenčních elektronů, šest. Ale tím ta hlavní podoba vlastně končí.

Tereza: Jak to? Čekala bych, že budou jako dva bratři.

Petr: Spíš jako bratranec a sestřenice z druhého kolene. Kyslík je plyn, síra je za normálních podmínek pevná látka. Kyslík má většinou oxidační číslo -II. Ale síra... ta umí kouzlit. Může mít oxidační číslo od –II až po +VI.

Tereza: Wow, to je velký rozsah. Čím je to dané?

Petr: Tím, že síra může do vazeb zapojit i své d-orbitaly, což kyslík neumí. A jak jdeme ve skupině chalkogenů dolů, od síry přes selen, tellur až k poloniu, klesá elektronegativita a roste kovový charakter. Síra je nekov, ale polonium už je regulérní kov.

Tereza: Takže jsou to takoví chemičtí chameleoni.

Petr: Přesně tak. A právě proto je síra tak fascinující a pro studenty občas matoucí.

Tereza: Dobře, pojďme se zaměřit přímo na síru. Většina z nás si ji představí jako žlutý prášek. Je to tak jednoduché?

Petr: V jádru ano, je to žlutá, křehká, krystalická látka. Ale tady přichází další zrada. Síra existuje v několika takzvaných alotropických modifikacích. Záleží na teplotě.

Tereza: Alotropické... co?

Petr: To znamená, že tentýž prvek může existovat v různých strukturních formách. Za normální teploty máme síru kosočtverečnou. Když ji zahřeješ nad 95 stupňů, přemění se na jednoklonnou.

Tereza: A obě jsou žluté a pevné?

Petr: Ano. Obě tvoří molekuly S₈, které vypadají jako takové malé korunky. Ale když pokračuješ v zahřívání nad 119 stupňů, síra zkapalní. A tady začíná ta pravá zábava.

Tereza: Zábava se sírou? To zní... nebezpečně.

Petr: Trochu. Když tu kapalinu dál zahříváš, hnědne a houstne, protože se ty osmiatomové kruhy trhají a spojují do dlouhých řetězců. A když ji pak prudce ochladíš, třeba vylitím do studené vody, dostaneš plastickou síru. Je to amorfní, gumová hmota.

Tereza: To bych do obyčejné síry neřekla! A co je ten sirný květ, o kterém se někdy mluví?

Petr: Sirný květ vzniká, když ochladíš horké sirné páry. Je to vlastně jen velmi jemný žlutý prášek. Co se týče rozpustnosti, ve vodě ji nerozpustíš, ale v nepolárních rozpouštědlech, jako je sirouhlík, to jde skvěle.

Tereza: Dobře, máme tu různé formy síry. Ale kde se v přírodě vlastně bere? Těží se?

Petr: Ano, a jak! Obrovská naleziště volné, tedy ryzí síry jsou třeba v USA, Mexiku nebo Polsku. Ale mnohem častěji je vázaná v minerálech.

Tereza: V jakých například?

Petr: Určitě znáš pyrit, FeS₂, kterému se říká „kočičí zlato“. Pak třeba galenit, to je sulfid olovnatý, nebo sfalerit, sulfid zinečnatý. To jsou sulfidy. Ale najdeme ji i v síranech, třeba v sádrovci.

Tereza: Sádrovec, ten znám ze stavebnin. A co živé organismy?

Petr: Výborná poznámka! Síra je biogenní prvek. Je naprosto klíčová pro bílkoviny, protože tvoří takzvané disulfidické můstky, které drží jejich strukturu. Takže bez síry by nebyl život, jak ho známe.

Tereza: A slyšela jsem, že je i v zemním plynu a ropě.

Petr: Přesně. Tam se vyskytuje ve formě sulfanu, H₂S, což je ten plyn se zápachem zkažených vajec. A právě odstraňování sulfanu ze zemního plynu je dnes jedním z hlavních způsobů výroby čisté síry.

Tereza: Takže se ten smradlavý plyn přemění na užitečnou surovinu?

Petr: Přesně. Katalyticky se zoxiduje za omezeného přístupu vzduchu a výsledkem je čistá, krásně žlutá síra. Ta se pak používá na výrobu kyseliny sírové, zápalek, střelného prachu, pesticidů, nebo třeba na vulkanizaci kaučuku, aby byly pneumatiky pevné.

Tereza: Zmínil jsi sulfan, H₂S. Ten je známý hlavně tím svým... aroma.

Petr: To rozhodně. Zápach zkažených vajec je nezaměnitelný. A je to pěkný jed. Vzniká při rozkladu bílkovin, proto ten zápach. V laboratoři ho připravíme jednoduše reakcí nějakého sulfidu, třeba sulfidu železnatého, s kyselinou.

Tereza: Takže žádná velká věda. A k čemu je dobrý, kromě toho, že smrdí?

Petr: Je to hlavně silné redukční činidlo. To je jeho klíčová vlastnost pro chemiky. A když se rozpustí ve vodě, vzniká slabá kyselina sirovodíková, neboli „sulfanová voda“.

Tereza: A ta tvoří soli?

Petr: Ano, dvě řady solí: sulfidy a hydrogensulfidy. A tady je jedna věc extrémně důležitá pro analytickou chemii. Většina sulfidů kovů je nerozpustná ve vodě a mají charakteristické barvy. Třeba sulfid kademnatý je žlutý, sulfid olovnatý černý. Díky tomu můžeme v roztoku dokazovat přítomnost různých kovových iontů.

Tereza: Aha, takže ten zápach má i své světlé stránky v laboratoři.

Petr: Dá se to tak říct. Ale pozor, ve vyšších koncentracích paralyzuje čichový nerv, takže ho přestanete cítit, i když je stále smrtelně jedovatý. Takže s respektem!

Tereza: Pojďme ke sloučeninám s kyslíkem. První na řadě je určitě oxid siřičitý, SO₂.

Petr: Ano. To je ten bezbarvý, štiplavý plyn, který vzniká hořením síry. Je to také hlavní viník kyselých dešťů.

Tereza: Jak to? Vzniká jen pálením síry?

Petr: Nejen. Průmyslově vzniká hlavně pražením pyritu. A bohužel se dostává do ovzduší i spalováním uhlí a topných olejů, které síru obsahují. V atmosféře pak reaguje s vodou a vzniká kyselina siřičitá, která pak padá na zem jako kyselý déšť.

Tereza: To je ten problém, co ničí lesy a sochy?

Petr: Přesně ten. Ničí jehličnany, fasády budov, podporuje korozi kovů... Ale abychom mu jen nekřivdili, používá se taky k výrobě kyseliny sírové, jako dezinfekce, bělidlo nebo konzervační činidlo v potravinářství, třeba u sušeného ovoce.

Tereza: A co jeho „větší bratr“, oxid sírový, SO₃?

Petr: SO₃ je zajímavý. V plynném stavu je to molekula SO₃, ale v pevném stavu tvoří polymery. Vzniká další oxidací SO₂ za přítomnosti katalyzátoru. Je extrémně reaktivní s vodou, reaguje až explozivně za vzniku kyseliny sírové.

Tereza: Tak a jsme u ní. Kyselina sírová, H₂SO₄. Tu zná asi každý, minimálně podle jména.

Petr: A právem. Je to jedna z nejdůležitějších průmyslových chemikálií vůbec. Je to silná dvojsytná kyselina, bezbarvá, olejovitá kapalina.

Tereza: A je s ní potřeba zacházet opatrně, že?

Petr: Maximálně opatrně. Hlavně s tou koncentrovanou. Má neuvěřitelně silné dehydratační účinky. Když ji kápneš na cukr, zčerná a zbyde z něj jen uhlík. Odebírá totiž molekulám vodu. S lidskou tkání udělá totéž, takže způsobuje velmi ošklivé popáleniny.

Tereza: Fuj. A pamatuju si ze školy, že se vždycky lije kyselina do vody, nikdy naopak. Proč?

Petr: Protože její ředění vodou je silně exotermní reakce – uvolňuje se obrovské množství tepla. Kdybys nalila vodu do kyseliny, voda by se na povrchu mohla začít vařit a prskat vroucí kyselinu všude kolem. Vždycky platí pravidlo „kyselinu do vody“.

Tereza: To si budu pamatovat. A jak se taková důležitá látka vyrábí?

Petr: Má to tři hlavní kroky. Zaprvé, vyrobíš SO₂ spálením síry nebo pražením pyritu. Zadruhé, zoxiduješ SO₂ na SO₃ pomocí katalyzátoru. A zatřetí, a to je ten trik, ten SO₃ nerozpouštíš přímo ve vodě, to by bylo moc bouřlivé.

Tereza: A v čem tedy?

Petr: Rozpouštíš ho v již hotové koncentrované kyselině sírové. Vznikne takzvané oleum. A to oleum se pak teprve opatrně ředí vodou na požadovanou koncentraci. Je to bezpečnější a efektivnější.

Tereza: Chytré. A použití? Odhaduju, že je všude.

Petr: Skoro. Hnojiva, barviva, plasty, výbušniny, léčiva, elektrolyt v autobateriích... Její význam pro průmysl je naprosto zásadní.

Tereza: Tak anorganickou síru bychom měli. Ale co organické sloučeniny? Tam je to asi ještě složitější, ne?

Petr: Je to pestřejší, to ano. Síra tam může být dvojvazná, čtyřvazná i šestivazná. Máme tu celou ZOO sloučenin: thioly, thioethery, sulfonové kyseliny a jejich deriváty...

Tereza: Thio-? To předpona „thio“ znamená, že je tam síra místo kyslíku?

Petr: Přesně! Chytáš se skvěle. Thiol je jako alkohol, ale místo -OH skupiny má -SH skupinu. Thioether je jako ether, ale místo kyslíku je mezi uhlíkovými řetězci síra.

Tereza: Takže je to vlastně taková záměna atomů. To zní docela logicky.

Petr: V principu ano. Ale vlastnosti těch látek se samozřejmě liší, protože síra a kyslík nejsou úplně stejné. Vazba síra-vodík v thiolech je kyselejší než vazba kyslík-vodík v alkoholech.

Tereza: Dobře, pojďme na ty thioly. Co je pro ně typické? Kromě toho, že jsou to obdoby alkoholů.

Petr: Zápach! Neuvěřitelný, pronikavý zápach. Jsou to jedny z nejvíce páchnoucích látek vůbec.

Tereza: Nějaký příklad?

Petr: Butanthiol je hlavní složkou obranného sekretu skunka. Ethanthiol se přidává do zemního plynu, který sám o sobě nevoní, abychom okamžitě ucítili únik. Je to bezpečnostní opatření.

Tereza: Takže ten typický zápach plynu je vlastně uměle přidaný thiol? To jsem nevěděla!

Petr: Ano. A třeba propanthiol zase přispívá k aroma cibule. Ale co je zajímavé, ty nejdelší thioly s dvaceti a více uhlíky už skoro vůbec nezapáchají.

Tereza: Takže velikost molekuly ten zápach potlačí. A co jejich reaktivita? Jsou kyselejší než alkoholy, říkal jsi.

Petr: Jsou. Reagují s hydroxidy za vzniku solí, kterým říkáme thioláty. A taky se snadno oxidují. Mírnou oxidací vznikají disulfidy – to je ta vazba S-S, která je klíčová třeba v bílkovinách. Silnou oxidací vznikají až sulfonové kyseliny.

Tereza: A co thioethery, kterým se taky říká sulfidy? To jsou ty obdoby etherů.

Petr: Přesně. Dva uhlovodíkové zbytky vázané na atom síry. Opět často zapáchají, i když ne tak strašně jako thioly. Diallylsulfid najdeme v česneku, allylpropylsulfid v cibuli.

Tereza: Takže za typickou vůni česneku a cibule může síra.

Petr: Z velké části ano. Ale s organickými sulfidy je spojená i jedna velmi temná kapitola historie.

Tereza: Povídej.

Petr: Bis(2-chlorethyl)sulfid. Lépe známý jako yperit nebo hořčičný plyn. Byla to bojová chemická látka poprvé masivně použitá Němci za první světové války u města Ypry.

Tereza: To je hrozné. Co způsobuje?

Petr: Je to zpuchýřující látka. Na kůži způsobuje těžko hojitelné puchýře podobné spáleninám a napadá dýchací ústrojí. Je to opravdu ošklivá zbraň.

Tereza: Takže od česneku k chemickým zbraním... Síra má opravdu mnoho tváří.

Tereza: A na závěr tu máme sulfonové kyseliny. Ty už nemají ten nepříjemný zápach, že ne?

Petr: Ne, naštěstí ne. Jsou to silné kyseliny, většinou krystalické látky, dobře rozpustné ve vodě. Jejich nejdůležitější vlastností pro nás je, že jejich sodné soli tvoří základ moderních pracích prostředků – detergentů.

Tereza: Počkat, takže když peru prádlo, používám deriváty sulfonových kyselin?

Petr: Ano. Klasické mýdlo se v tvrdé vodě, která obsahuje vápenaté a hořečnaté ionty, sráží a tvoří takový ten šedý povlak. Praní je pak neúčinné. Ale sulfonáty vápenaté a hořečnaté jsou rozpustné, takže detergenty perou skvěle i v tvrdé vodě.

Tereza: To je ten slíbený „aha“ moment! Takže proto na pracích prášcích píšou, že jsou účinné i v tvrdé vodě. Je to díky sulfonátům.

Petr: Přesně tak. Molekula takového detergentu má dlouhý nepolární „ocas“, který se zanoří do mastné špíny, a polární „hlavičku“ – tu sulfonátovou skupinu – která trčí do vody a zajišťuje, že se celá ta částečka špíny obalí a odplaví.

Tereza: Fantastické. To je skvělý příklad chemie v každodenním životě. Mělo to ale i nějakou nevýhodu, ne?

Petr: Mělo. Starší typy detergentů s rozvětvenými řetězci nebyly v přírodě dobře odbouratelné, takže znečišťovaly řeky a způsobovaly pěnění. Dnes se už používají detergenty s lineárními řetězci, které mikroorganismy umí rozložit.

Tereza: Petře, to byl neuvěřitelně komplexní, ale zároveň srozumitelný pohled na síru. Od alotropických modifikací, přes kyselinu sírovou až po prací prášky a zápach skunka.

Petr: Síra je prostě všude a je neuvěřitelně všestranná. Klíčové je pamatovat si na její různá oxidační čísla a na analogii s kyslíkem, hlavně v organické chemii. To je ten základ, na kterém se dá stavět.

Tereza: Skvělé. Děkuji ti za vysvětlení. A příště se podíváme na další prvek, který je pro život naprosto klíčový. Zaměříme se na dusík a jeho sloučeniny.

Petr: Přesně tak. Ale počkej, než se s chalkogeny úplně rozloučíme, musíme se ještě rychle podívat na ty těžší sourozence síry – selen, tellur a polonium. Jsou fascinující.

Tereza: Dobře, na ty se často zapomíná. Předpokládám, že jsou mnohem vzácnější než síra?

Petr: Přesně tak. Selen a tellur najdeš hlavně jako příměs v sirných rudách, kde tvoří selenidy a telluridy. Získávají se z nich a používají se jako polovodiče.

Tereza: Polovodiče, to je zajímavé. A co ten poslední, polonium? To zní trochu… nebezpečně.

Petr: Svým způsobem je. Je to silně radioaktivní prvek, který objevila Marie Curie-Skłodowská. Nachází se v uranové rudě. Na těchto prvcích je skvěle vidět ten trend.

Tereza: Jaký trend myslíš?

Petr: Jak jdeme dolů ve skupině, roste jejich kovový charakter. A s ním i tendence ke tvorbě kationtů. Jsou méně ochotné se slučovat než síra, ale stále tvoří stabilní sloučeniny.

Tereza: Takže například selenidy a telluridy?

Petr: Ano, ty jsou nejstálejší s alkalickými kovy nebo kovy druhé skupiny. A samozřejmě, jako správné chalkogeny, reagují i s kyslíkem nebo fluorem a chlorem.

Tereza: Takže tím máme celou 16. skupinu kompletní. Od nepostradatelného kyslíku, přes neuvěřitelně všestrannou síru až po tyhle těžší, radioaktivní prvky. Díky moc, Petře.

Petr: Není zač! Klíčová myšlenka je všímat si těch trendů ve skupině. To je ta zkratka k pochopení. Tak se toho nebojte, máte na to! Hodně štěstí u zkoušek.

Tereza: Přesně tak. Děkujeme, že jste byli s námi. Mějte se hezky a slyšíme se u další epizody Studyfi Podcastu!