Rychlokurz chemie
Rychlokurz chemie (5/43) · 11:46

Elektron Hank nám poví něco o elektronech. Využijeme hudební analogie, abychom si lépe představili podivný život elektronů ve svých orbitalech. Povíme si také o elektronové konfiguraci, ionizační energii, elektronové afinitě a jak to všechno souvisí s periodickou tabulkou.

Zdravím, jsem Hank Green! Vítejte u rychlokurzu chemie. Skončili jsme u Mendělejeva, který si myslel, že objevil tajemnou podstatu světa, ale vlastně objevil účinky svého úhlavního nepřítele: malé neviditelné částice. Elektrony jsou úžasné částice, které byly pochopeny až 80 let po Mendělejevově první periodické tabulce. A i dnes jim rozumí jen velmi, velmi málo lidí. Ale asi tak za 10 minut, pokud vše půjde dobře, budete jedním nich. Jdeme na to. [hudba] V roce 1865 - předtím než Mendělejev zveřejnil svou první periodickou tabulku, mladý chemik a aktivista John Newlands vydal studii o periodicitě prvků. V té srovnával jejich opakování... ....tedy její první dvě řádky... s hudební stupnicí. Znáte to: do-re-mi-fa-sol-la-si-do a tak dále. Domníval se, že lithium je možná vlastně sodík, jen o oktávu výš. Že jsou v podstatě něco jako stejná nota. Tuto myšlenku přednesl Královské akademii, nejprestižnější skupině vědců na světě a oni se mu tam vysmáli a vyhnali ho. „Hudba je umění a chemie je věda. Popisovat chemii pomocí umění může být dobré, když svou práci vysvětlujete dětem a ženám, ale v Královské akademii pro něco takového není místo." Takový je můj dojem. Ale to samozřejmě nemohli vědět, že se ukáže, že John Newlands, co se týče pravé funkční, fyzikální reality spojené s periodicitou prvků, byl pravdě blíž než kdokoli z těch vědců, co se mu tehdy vysmáli. A nikdy nezjistil, jak blízko pravdě byl. Že jeho analogie nejsou jen analogiemi jsme objevili až dlouho po jeho smrti. Nicméně se ukázalo, že realita je vlastně něco jako hudba. A možná že byste se teď chtěli vysmát mně, ale počkejte. Před zavedení kvantové mechanikou si vědci představovali svět částic jako miniaturní makroskopický svět. Elektrony se zdály jen jako částice obíhající okolo jádra. Kdysi žil jeden velký dánský pes... ne, to byl jiný Dán... Niels Bohr, ano. Jako někteří jiní lidé, které bych mohl jmenovat, měl pocit, že žije ve stínu svého staršího úspěšnějšího bratra, hráče kopané. Zatímco Nielsovo písmo bylo tak špatné, že disertační práci musel diktovat matce. Nicméně to byl geniální fyzik. Možná si ještě pamatujete, z předchozího videa, jak John Dalton určil, že prvky existují jen v neurčitých balíčcích hmoty. Za Bohrových časů bylo to samé známo o energii vyzařované elektrony. Tato energie odcházela jen ve formě „kvant", což je základ termínu „kvantová mechanika“. V roce 1913 přišel Bohr s jednoduchým modelem popisu těchto energetických úrovní pro jediný elektron ve vodíku tím, že předpokládal kruhové oběžné dráhy. Na základní myšlence, že elektrony jsou částice, tedy něco pravdy je. Když se to však jiní snažili aplikovat na složitější atomy, hrozně narazili. Stručně řečeno se elektrony ve skutečnosti nechovají jako částice a je lepší popisovat je jako vlny. Takže asi 50 let jsme věděli, že se jedná o nepřesný způsob zobrazování atomu. Jádra si můžeme představit jako částice. Ale elektrony mají takzvanou dualitu částice a vlnění. Já si je představuji jako rezonanci ve vesmíru. A stejně jako jedna struna vytváří více tónů na kytaře, může i elektron existovat ve více různých harmoniích. To ale taky není vlastně žádná analogie, kvantoví fyzici opravdu mluví o harmoniích elektronů. Po několika letech snažení tuhle věc rozlousknout se začala skupina moc chytrých fyziků dívat na elektrony jako na stojaté vlny. To dávalo dobrý smysl i pro nás laiky. Když zhoupnete kabel od telefonu v přímce, existuje určitý počet vlnových uzlů. Ty jsou závislé na napětí a frekvenci, nebo fyzikálněji řečeno na energii, kterou do systému vložíte. To samé se stane elektronu kolem jádra. Stojatá vlna vznikne jen na určitých úrovních energie. Nic mezitím není dovoleno. Rakouský fyzik Erwin Schrödinger, kterého možná znáte díky jeho kočce, byl prvním vědcem, který vyvinul matematický model, ve kterém byl elektron považován za stojatou vlnu. Teď je čas posunout se trochu víc do metaforické sféry, protože vám řeknu, jak si já představuji elektronové vrstvy a orbitaly, a ne jaké opravdu jsou. Hudba elektronů není obyčejná hudba. Není to žádná tříakordová písnička. Je to jako Beethoven, ale s více pravidly, složitými pravidly a ta se nesmí porušit. Aspoň v tomto aspektu se jedná spíš o vědu než o hudbu. Elektrony existují v orbitalech trochu jako jednotlivé noty na klaviatuře. Ale tón orbitalu není kompletní, dokud v něm nejsou dva elektrony. Orbitaly navíc existují v takzvaných vrstvách. První vrstva má jen jeden orbital, orbital „s“, kam se vejdou jen 2 elektrony. Proto má tahle řádka periodické tabulky jen dva prvky. Tyhle dva hrají jednoduchou písničku. Písničku, na které ostatní prvky budou stavět. Druhá elektronová vrstva je fyzikálně větší, a tak může obsahovat víc než jen orbital „s". Přidává se druhý typ orbitalu. Ten má tři různé konfigurace, a říkáme mu orbital „p“. Místo jediného tónu je orbital „p“ spíš jako trojdílná harmonie se dvěma elektrony v každé části, tedy celkem jich je tam šest. 6 „p“ elektronů plus 2 elektrony „s“ dávají těch 8 elektronů. O těch mluví takzvané oktetové pravidlo: "Většina lehčích prvků chce mít ve vnější vrstvě 8 elektronů, stejně jako je tónů v hudební stupnici." Jako důvody jsou uváděny naplněnost či nasycení, jako kdyby atomy pohlcovaly elektrony. Ale já si nekompletní elektronovou konfiguraci představuji raději jako kakofonní symfonii hrající v různých tóninách a různém tempu. A čím blíž jsi harmonii, tím horší to je, dokud poslední, osmá nota nezačne ladit a všechno se vyjasní, objeví se hluboký komplexní tón a atom se usadí v kompletní harmonii, harmonii vzácných plynů. Tak si to představuju já. A stejně jako v hudbě, i tady je nějaká notace, kterou je třeba se naučit. Je důležité vědět, jak zapsat takzvanou elektronovou konfiguraci. Je to zhuštěný způsob jak ukázat, kde přesně se elektrony daného atomu nacházejí. Nejprve napíšeme číslo vrstvy, pak písmeno značící orbital, a nakonec počet elektronů v tom orbitalu. Toto opakujeme, dokud nám elektrony nedojdou. Takže pro vodík, který má jen jeden elektron, je to 1s¹. Pro fluor je to 1s² 2s² 2p⁵. Když se posuneme do třetí řady, stane se něco zajímavého. Třetí vrstva přidá třetí druh orbitalu: pětidílnou harmonii s 10 elektrony, orbital „d“. Ale možná si říkáte: „Ve třetí řadě je pořád jen osm prvků. Co to má být, Hanku? Jsou to všechno lži, končím!" Tak jo, uklidněte se, atomová symfonie se skládá zvláštními způsoby. Protože vytvoření třetího orbitalu vyžaduje spoustu energie, elektrony vlastně jdou do orbitalu „s“ ve čtvrté vrstvě, tedy 4s, dřív než obsadí orbital „d“ třetí vrstvy. Tohle je určitá tendence a pro zapamatování si napište toto. Toto jsou orbitaly a všechny vrstvy, které víme, že existují. Pro správné zaplnění nakreslete diagonálu z pravého horního rohu do levého spodního. Takže nejprve 1s, pak 2s, pak 2p 3s, pak 3p 4s, 3d 4p 5s, 4d 5p 6s a tak dále. Vyzbrojeni touto znalostí můžete napsat elektronovou konfiguraci všech prvků. Železo má 26 elektronů a je to tedy: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d⁶. Existuje pár prvků s divnou konfigurací, ale to si najdete třeba na Googlu. Zajímavostí orbitalů „d“ a ještě větších a na elektrony bohatších orbitalů „f“ je, že vlastně nepotřebují být tak moc zaplněné jako orbitaly „s“ a „p“, protože jsou doslova pod štítem orbitalů „s“ další vrstvy. Orbitaly „s“ a „p“ si představuji jako trubky a housle: když tyhle zní špatně, tak se to nedá poslouchat. Ale hluboké basové tóny se schovají za zbytkem orchestru, jako orbitaly „d“ schované pod orbitaly „s“, které jsou nad nimi už zaplněné. Jistě, tyhle prázdné orbitaly na ně mají vliv, ale protože jsou chráněny, jsou obecně prvky ze středu tabulky méně reaktivní a nevadí jim vláčet elektrony z atomu na atom, čímž se stávají vodivými nebo jsou prostě pospolu v masách sdílených elektronových kovových hroud. Na co jsou tedy orbitaly užitečné pro pochopení obvyklých reakcí atomu? Zaprvé dost záleží na tom, kolik energie je nutné na odebrání elektronu z atomu k vytvoření kladně nabitého iontu. Tato energie se nazývá „ionizační energie“. Pokud je odebíráno více elektronů, jde o postupný proces, začínající elektronem na nejvyšší vnější energetické úrovni. Jelikož má daný elektron nejslaběji vázán, je k jeho odebrání třeba nejméně energie. Více energie je třeba k odebrání druhého nejvzdálenějšího elektronu atd. A samozřejmě když jsou všechny elektrony z nejzevnější vrstvy odebrány, je zapotřebí hodně velký energetický skok k odstranění elektronu z nižší vrstvy, protože tato vrstva bude izoelektricky shodná se vzácným plynem. Stejně jako jsou atomy izotopicky stejné, když mají stejný počet protonů a neutronů atomy jsou izoelektricky stejné, když mají stejný počet elektronů. Řekli jsme si, že je nutné dodat energii, abychom vytvořili kation. Analogicky je energie vytvořena při vzniku anionu při příjmu elektronu, obvykle zaplňování orbitalu, aby vznikla konfigurace se stabilní dvou- či osmi-elektronovou vrstvou. Stejně jako předtím je i zde přítomný energetický skok při přidávání elektronů. Této energii se ale říká „elektronová afinita“. A teď! Jste připraveni na pořádný oříšek? Pokud se díváte do své periodické tabulky, ...což určitě neděláte... ...mohli byste si všimnout zajímavé drobnosti. Na levé straně máte orbitaly „s“ 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7s. Uprostřed máte orbitaly „d“: 3d, 4d, 5d, 6d. A vpravo nahoře 2p, 3p, 4p, 5p, 6p. A dole na ostrůvku lanthanidů a aktinidů samozřejmě orbitaly „f“: 4f a 5f. A tak jen pohledem na tabulku prvků můžete vymyslet elektronovou konfiguraci a základní stabilitu a fyzikální vlastnosti prvků. Proto mi to připadá tak krásné, protože když to poznáte, uvidíte všechny ty vadné soupeřící harmonie a akce a reakce, které kvůli nim vznikají a mění píseň na něco stabilnějšího, silnějšího a trvajícího navždy. Vytvářejí všechno. Během dnešní epizody jsem elektrony popisoval pomocí hudebních termínů jako jsou vibrující vlny, harmonie ve struktuře vesmíru... ...a tak o nich opravdu rád přemýšlím... Ale to samozřejmě není úplný příběh. Mám dost toho, jak mi lidé říkají, že lidský mozek není schopný představit si subatomární realitu. Takže vám teď hodlám naservírovat vrchovatou porci reality, ať už se to bude zdát sebedivnější. V našem vesmíru existuje množství polí, které prostupují vším. Jedním z nich je elektronové pole. Aby mohl elektron existovat, musí dojít k excitaci elektronového pole a tyto excitace můžeme popsat jako vlny, jako vlny v oceánu při excitaci vody. V jakékoli chvíli může být elektron kdekoli v rámci vlnové funkce. Vlny nejsou definovány ostrými hranicemi, ale jsou silné v některých oblastech a slabé v jiných. Síla vlny v jednom určitém bodu prostoru určuje, jak moc je pravděpodobné, že zde při měření v libovolném čase najdeme elektron. A tak když se snažíme pochopit realitu, neměli bychom o elektronech přemýšlet jako o částicích obíhajících jádro atomu... ...nejsou jako planety kolem Slunce... ...nýbrž jako o excitacích okolo jádra, jejíchž tvarem je orbital. Orbitaly jsou přesně důvodem toho, že vše existuje. Jsou základem, klíčem, stavebním kamenem a jakoukoli další metaforou naší existence.
video