Rychlokurz chemie
Rychlokurz chemie (24/43) · 9:51

Orbitaly Co jsou to elektronové orbitaly a proč by nás měla zajímat kvantová fyzika?

Hodně jsme se již zabývali atomy, které vypadají takto. Je tu kulička, pak tyčinka, další kulička a další tyčinka. Je tu množství kuliček, které drží pospolu těmito dřevěnými tyčinkami. Jednoduché. Jednoduché na pochopení, ale jak asi chápete, je to naprosto nesprávné. Jádro můžeme chápat jako malé kuličky, to je víceméně správné. Když se podíváme na větší jádra, jsou méně stabilní, vypadají jako míč na rugby. Atomy také vypadají obecně jako koule, kolem jádra je oblak s elektrony. Ale molekuly, jak jsme se bavili minule, nevypadají jako kuličky na tyčince. Vazby netvoří úhledné spojovací úsečky. Tvoří se překryvem elektronových oblaků ve kterých obíhají elektrony kolem svého jádra. Podíváme se na to detailněji, abychom pochopili. Jsou to hrudkovité shluky, kde se elektrony pravděpodobně nacházejí. A tyto shluky pravděpodobného výskytu elektronů se nechovají, jak bychom očekávali. Ne ne. Takto by to bylo moc jednoduché. Jejich chování vychází z kvantové mechaniky, trojrozměrné vlnové funkce, pravděpodobné distribuce elektronů v prostoru. A na konci videa pochopíte, co jsem teď řekl, a bude to skvělé! Začněme s vodou, protože všechno zajímavé na naší planetě začíná u vody. Je naprosto běžná, nejen na naší Zemi, ale i v naší galaxii a vesmíru. V roce 2011 objevili astronomové oblak vody s ledem u černé díry, která obsahuje 140 bilionkrát více vody, než máme my na Zemi. I když nemáme vně sluneční soustavy žádné potvrzené světy, kde existuje voda , máme jich několik v naší sluneční soustavě. Měsíc Europa obsahuje hodně vody, pravděpodobně slané vody skryté pod ledem. Co to má ale společného s atomovými orbitaly? Nic. Měl jsem pocit, že jsem Vás na začátku vystrašil s kvantovou mechanikou a chtěl jsem vás na chvíli trochu uklidnit. Tak tedy voda. Minulý týden jsme dělali Lewisovy vzorce, pamatujete? Oba vodíky se naváží na kyslíkový atom a je to. Kreslíme to jako rovnou čáru spojující jádra atomů, ale víme, že v tomto případě, vzniklá molekula vody je lomená. Ale proč? Proč je zakřivená? Vodíkové atomy v molekule obecně chtějí být co nejdále od sebe, jak jen to jde, zvláště pokud mají stejný parciální náboj jako tyto dva kladně nabité vodíky. Ale něco drží tyto vodíky blíže u sebe, než by ony samy chtěly. Proč tedy u všech čertů nejsou od sebe odtaženy, jak jen to jde? Ptám se proto, že pokud by byly, molekula vody by nebyla polární, a pokud by voda nebyla polární, všichni bychom okamžitě umřeli. A teď si náhle uvědomujeme, že zdánlivě normální věci jsou vlastně zvláštní. Já mám rád divné věci, protože to přináší zajímavé otázky. Zajímavé otázky, na které chci znát odpověď. Je to mnohem zajímavější než "Co sakra znamená v kvantové mechanice trojrozměrná vlnová funkce?" Při hledání odpovědi na tuto otázku budeme vycházet z trojrozměrné vlnové funkce, s tou tedy začněme. Podívejte se! Mám telefonní kabel! Ten používali staří lidé, aby se jejich hlas z telefonu dostal přes dráty až na druhý konec světa předtím, než přišly mobily. Dnes už je dobrý tak akorát k demostraci elektronového pole. Elektrony jsou zároveň částice a vlny, což není jednoduché si představit. Jednoduše řečeno, představme si je jako elektronové pole, které je všude. Když dodáme energii do tohoto pole, elektrony jsou uvnitř vlnové funkce. A co je vlnová funkce? Je to matematická funkce popisující pravděpodobnost výskytu elektronu na určitém místě v daném čase. Tento kabel je elektronové pole. Pošlu mu nějakou energii a vytvořím stojaté vlnění. Vlnová funkce je matematický popis tohoto děje. Takto fungují i elektrony. Existují v elektronovém oblaku kolem jádra jako stojaté vlny. Nejjednodušší vlnová funkce je funkce orbitalu "s". Ten může obsahovat 2 elektrony a určuje stojaté vlnění kolem jádra. Tato stojatá vlna může mít různé množství uzlů, tato situace se opakuje i se vzrůstajícím množstvím elektronů kolem jádra. Každý orbital ve stavu s nejnižší energií může obsahovat 2 elektrony. Vodík má 1 elektron v orbitalu "s". Hellium, velmi stabilní vzácný plyn, má 2. Je šťastné, neboť má plnou celou slupku. Ovšem, jsou tu další typy orbitalů. Potom, co zaplníme první a druhý orbital "s", začneme zaplňovat orbitaly "p". Říkám "p" orbitaly, protože mluvíme o trojrozměrném prostoru, tedy 1 může být na ose x, 1 na ose y a 1 na ose z. Každý obsahuje 2 elektrony, celkem 8 elektronů, 2 z orbitalu "s" a dalších 6 ze 3 orbitalů "p". A těchto 8 elektronů se řídí oktetovým pravidlem. Vzpomeňme si na periodickou tabulku, která ukazuje, jak se zaplňují orbitaly. Prvky s bloku zaplňují své "s" orbitaly. Prvky "p" bloku zaplňují své "p" orbitaly. Stejně tak "d" a "f" prvky. Orbital "s" je kulový, "p" orbital je divný, "d" a "f" orbitaly ještě víc. Některé "f" orbitaly mají opravdu zvláštní geometrii. Složitá matematika popisuje jejich vlnové funkce a snaží se je pochopit. U vodíku máme jen 1 orbital "s". Je to koule. Úžasně jednoduché. Ve druhé slupce máme orbital "s" a 3 orbitaly "p". Orbitaly "p" vypadají takto. Ale pokud se vážou na atom, "s" a "p" orbitaly začnou společně interagovat, snaží se nepřekrývat a ovlivňují se navzájem. Orbitaly "s" a "p" se mohou spojit do hybridizovaného orbitalu sp. Namísto 2 různých orbitalů vzniknou 4 identické, které se snaží nepřekrývat. Tomu se říká hybridizace orbitalů. Když orbital "s" zkombinuje se všemi třemi "p" orbitaly, říká se tomu sp3 hybridizace a vytvoří se tím tetraedr. A takto vypadá tetraedr. Je to nejjednodušší způsob uspořádání orbitalů, aby spolu moc neinteragovaly. Není složité balonky takto uspořádat. Akorát jsem je uprostřed svázal. Ony se samy takto uspořádají, protože se nemohou vzájemně překrývat. A přesně toto se děje v molekule vody. Vodě má 8 elektronů kyslíku a 2 vodíku, které tvoří hybridizované orbitaly sp3. 2 elektrony poskytuje vodík. 6 jich poskytuje kyslík, z toho jsou 2 nevazebné páry. Tyto nevazebné páry, i když se na nic nevážou, mají také své orbitaly. Proto má voda tetraedrickou strukturu. Nezáleží, na který orbital se váží vodíkové atomy, vždy máme asymetrickou molekulu. Rozdíl elektronegativit kyslíku a vodíku vede k polární molekule vody a existenci života. Orbitaly "s" a "p" mohou hybridizovat i jinak. Například, jak byste si představili sp3 orbital tvořící dvojnou vazbu? Nemůžeme mít 2 orbitaly vměstnané na jednom místě a sp3 orbitaly zůstávají ve své tetraedrické struktuře. Pokud chce molekula být v nejnižším energetickém stavu a tvořit dvojnou vazbu, máme jednoduché řešení. Hybridizují pouze 2 "p" orbitaly s 1 orbitalem "s", a vytvoří se 3 hybridizované orbitaly sp2. Orbitaly p, které se nehybridizujeme, vyčnívají z roviny orbitalů sp2. Svázáním balonků takto získáme to, čemu říkáme trojúhelníkový tvar. Úhel mezi každými 2 sp2 orbitaly je 120° a spojením jejich středů získáme rovnostranný trojúhelník. 1 ze 2 vazeb dvojné vazby má hybridizaci orbitalů sp2, které se překrývají na spojnici jader. Tento typ vazby se nazývá sigma vazba. Druhý, divnější způsob vazby je, že se spojí nehybridizované orbitaly "p" nad a pod spojnicí jader. Tyto atomy vytvoří pí vazbu. Tuto nádhernou symetrickou dvojnou vazbu nalezneme například v molekule ethylenu. Existují také sp orbitaly, kde hybridizuje "s" orbital pouze s 1 orbitalem "p". A to v případě, že vzniká trojná vazba nebo se atom váže 2 dvojnými vazbami. Sp orbital, který tvoří 1 sigma vazbu, je lineární. Jsou tu jen 2 balonky, vidíte? Jejich středy leží to na přímce. K tomu je třeba 2 nehybridizovaných "p" orbitalů tvořící 2 pí vazby, buď, aby vznikla 1 trojná vazba nebo 2 dvojné jako v oxidu uhličitém. Podívejme se nyní na strukturu orbitalů oxidu uhličitého. Uhlík se bude vázat dvěma dvojnými vazbami, má 2 nehybridizované orbitaly "p" a 1 hybridizovaný orbital sp. Kyslíky se budou vázat 1 dvojnou vazbou, proto hybridizují na sp2 a mají 1 nehybridizovaný "p" orbital pro dvojnou vazbu. A jak se k sobě přiblíží, sigma vazby se objeví mezi hybridizovanými orbitaly. Velmi jednoduché. 1 kyslík utvoří pí vazbu s vertikálně orientovaným "p" orbitalem uhlíku a druhý kyslík vytvoří horizontálně orientovanou vazbu. Tady to máte... Samozřejmě, vy se budete chtít dovědět ještě víc. Orbitaly "d" a "f" mohou tvořit hydridizaci sp, jejichž geometrie je přenádherná, když se spojí 2 orbitaly "d" s sp3 orbitalem, vzniká hybridizace d2sp3, oktaedrická struktura, která vypadá jako osmistěnná kostka. Uspořádání orbitalů určuje tvar molekul a tvar molekul pak určuje jejich chování a vlastnosti. Je velmi zajímavé, že vlnová funkce určuje pravděpodobnost výskytu elektronů, způsobuje zakřivení molekuly vody, její polární charakter, a díky tomu může rozpouštět živiny a my můžeme žít. Tak si tu žijeme jako nádoby plné vody a rozjímáme, vytváříme videa na YouTube a snažíme se pochopit svět kolem nás nebo se jen naučit na test.
video