Rychlokurz chemie
Rychlokurz chemie (23/27) · 10:45

Vazby a jejich modely Co je to model asi každý ví. Jaké jsou ale vazebné modely atomů, co jsou Lewisovy vzorce a mnoho dalšího se dozvíme v tomto videu.

Modely jsou cool... ...ne tyhle modely. Vlastně mi přijde tato část kultury dost podivná. Mluvím o modelech, které vás nechají osahat věci, které byste jinak nemohli. Něco je moc velké na to, abychom to viděli celé, jako naše hvězdná soustava, nebo moc malé, jako buňka, nebo něco, co bohužel neexistuje, jako Millenium Falcon. Něco, co by bylo moc nebezpečné mít ve Vaší kanceláři, jako katapult. Někdy je těžké, možná i nemožné, plně pochopit věci bez modelu. Ale nemusí to být trojrozměrné objekty. Vědecky je model cokoliv, co reprezentuje něco jiného, ať už objekt nebo koncept. Stejně jako noty jsou modely pro hudbu, to samé máme i pro chemii. Chemici využívají modely nebo zjednodušení reality, aby mohli pochopit atomy a jejich interakce. Protože vesmír je divný. Kuličkový model je jednou představou molekuly, dokonale kulaté atomy jsou spojeny jasně definovanými vazbami. Tato verze molekuly je dobrý způsob, jak začít chápat chemické vazby. Budu vám ale muset ukázat složitější věci, abyste pochopili komplexnější modely. Detaily vyžadují komplikovanější modely, které jsou ale o to úžasnější. I když v této epizodě nenajdete žádné Brazilky v plavkách. Slibuji, že nebudete zklamaní. [Znělka] Vychází najevo, že chemické vazby nejsou vůbec jako malé tyčky. Vázané atomy, molekuly, jsou spíš jako skupiny atomů, které se nacházejí blízko u sebe, protože tam je jejich energie nejmenší. Kdybych hodil všechny modely atomů do vzduchu a oni se rozletěli, tak je to pro mě cool a zábava, ale také by měli o hodně větší energii, a to není pro atom ideální, že? Ve skutečnosti, jediná věc spojující dva atomy v chemické vazbě je shluk elektronů a ty nesedí klidně mezi atomy a nespojují tak všechno dohromady. Jsou pořád v pohybu kolem jádra při poněkud předvídatelné cestě. V kovalentní vazbě tráví vazebné elektrony většinu času mezi jádry a jádra drží pospolu, protože je přitahují elektrony. Tento koncept elektronů držících vše pohromadě je vlastně také model, který reprezentuje molekuly tak, abychom si je mohli představit. A je to přesnější vyjádření skutečnosti než kuličkový model. Ale kuličkový model má též své využití. Pomáhá nám představit si a pochopit mnoho věcí o molekulách. A taky vypadá cool. Představte si, že místo obecného chování látek jako "sůl se rozpuští ve vodě", byste si museli zapamatovat, jak se každá jednotlivá látka chová. Nedělali byste nic jiného. Zobecňujeme proto, abychom mohli dělat větší a lepší věci. Nepochybně jsou modely skvělé, přestože někdy jsou moc zjednodušené, někdy až tak, že jsou to vlastně lži. Je důležité si uvědomit, že žádný model není dokonalý. Představte si modely, se kterými se lidé srovnávají. Myslíte, že ženy v katalozích se spodním prádlem a muži v reklamách na kolínskou tak vypadají ráno po noci strávené tím, co modelové v pátek v noci dělají? Kdyby byly modely perfektním vyjádřením reality, staly by se realitou. Abyste pochopili, jak model představuje skutečnost, musíte znát způsoby, kterými ji nepředstavuje. Abyste na něm nezaložili nepravdivé předpoklady. Naneštěstí, jsou někdy modely příliš zjednodušené, někdy přímo špatné. A model chemické vazby není výjimkou. Po staletí byl model upravován pomocí výsledků nových experimentů. Vědci jako Isaac Newton mysleli, že se atomy spojují, protože doslova "lepí", nebo na sobě mají malé háčky, které je drží po hromadě, něco jako suchý zip. To byl jejich vazebný model. V 19. století chemici, jako Berzelius, objevili kladný a záporný náboj, který souvisí s chemickými látkami. On a jeho současníci předpokládali, že to je ta síla držící molekuly pohromadě. To už je o hodně lepší model, ale ještě pořád nepřesný. Protože mysleli, že se atomy přitahují podobně jako magnety. Až objev elektronu na konci 19. století pomohl pochopit povahu chemické vazby. Roku 1916 popsal americký chemik Gilbert Newton kovalentní vazbu jako dva atomy sdílející elektrony. Chemici stále využívají tento model jako snadný způsob kreslení chemické vazby. Lewisova struktura je dvourozměrný model reprezentující kovalentní vazby jako čáry a nevazebné valenční elektrony, ty nejdále od jádra, jako tečky. Vnitřní elektrony se nezakreslují a, i když byl tento model určen pro kovalentní vazby, funguje i pro iontové. Vazby jsou tvořeny páry valenčních elektronů, tzv. vazebnými páry, v prostoru mezi dvěma atomy. Elektronové páry pouze u jednoho atomu jsou tzv. volné elektronové páry. Atomy jsou nejstabilnější, když jsou jejich vnější elektronové slupky zaplněné. Pro mnoho atomů je k tomu potřeba 8 elektronů, tomu se říká oktetové pravidlo. A jestli čekáte nějakou výjimku, tak máte pravdu. Maličký vodík udrží pouze dva elektrony a ne osm. Bude to dávat větší smysl až uvidíte naši epizodu o atomových orbitalech. Prvky třetí periody a nížších mají často více než 8 valenčních elektronů. Beryllium a bor jsou známé tím, že mají zvláštní počet elektronů jako 6 nebo 12. Takže oktetové pravidlo není tak úplně pravidlo. Pro jednoduchost se budeme držet 1. a 2. periody. Řekněme, že chci nakreslit Lewisovu strukturu chloridu sodného. Sodík má jeden valenční elektron a chlor jich má 7. Protože je sodík kov, půjde o iontovou vazbu, kdy se elektrony přemisťují. Sodík předá svůj jediný valenční elektron chloru, na sodíku se vytvoří náboj +1 a na chloru se vytvoří náboj -1. Tyto dva ionty se kvůli svým opačným nábojům přitahují. Jsou nakresleny trochu od sebe, protože nesdílí elektrony, ale ne moc daleko, protože musí být u sebe, aby se jejich náboje vyrovnaly. V Lewisově struktuře se kovalentní vazba označuje čárou, tady ale žádná kovalentní vazba není. Je to iontová vazba a není tady žádný fyzický kontakt mezi ionty. Takže takhle vypadá sůl z pohledu Lewisovy struktury. U kovalentních vazeb je nejlepší dodržovat pár základních kroků. Zkusme to s vodou. Nejprve zjistíme kolik valenčních elektronů máme k dispozici. Nezáleží na tom z jakých atomů jsou nebo jak jsou na začátku uspořádané. Každý vodík má jeden valenční elektron a kyslík jich má 6, celkem 8 elektronů. Ani jeden nemá dost valenčních elektronů na to, aby byl stabilní, takže elektrony sdílejí, aby se stabilizovaly. Sdílením svačiny se můžeme skamarádit, podobně sdílení vytváří vazbu mezi atomy. Rozvrhneme atomy a vytvoříme vazby. Oba vodíky jsou vázány na kyslík, takže bude uprostřed. Pamatujte, v Lewisově struktuře každá vazba vyžaduje pár elektronů. Použili jsme 4 z 8 dostupných elektronů na vazby. Teď vyplníme nejvzdálenější energetické úrovně. Vodíkové atomy potřebují jen 2 elektrony, takže už jsou zaplněné. Kyslík na druhou stranu potřebuje oktet, 8 elektronů. Zbývající elektrony umístíme kolem něj do párů, abychom strukturu dokončili. Lewisova struktura pro zobrazení kovalentní vazby používá čáry, takže je umístíme namísto vazebných elektronů a je hotovo. Voda obsahuje 2 kovalentní vazby a 2 volné elektronové páry. Snadné. Může to být o něco složitější. Zkusme oxid uhličitý, další nesmírně důležitou molekulu na naší planetě. Uhlík má 4 valenční elektrony a každý kyslík jich má 6, dohromady 16 elektronů. Oba kyslíky se vážou na uhlík, takže ho dáme doprostřed a vytvoříme vazby pomocí 4 ze 16 elektronů. Všechny 3 atomy potřebují oktet, takže ho doplníme. Teď mají všechny atomy oktet, ale podívejme se blíž, na doplnění oktetu potřebujeme 20 elektronů, ale máme jich jen 16. Co teď? Když nemáme dost elektronů na doplnění oktetu, atomy jich musí sdílet více. V tomhle případě vytvářejí dvojnou vazbu pomocí 2 elektronových párů, celkem 4 elektronů mezi každou dvojicí atomů. Všechny 4 vazebné elektrony se počítají k oktetu obou atomů, takže potřebujeme méně volných párů na jejich doplnění. Dvojné vazby nám umožňují použít jen 16 elektronů. Vazby nahradíme dvěma čárami a Lewisův vzorec je hotov, se 2 dvojnými vazbami a 2 volnými páry na každém kyslíku. To bylo trochu zvláštní, ale určitě zvládneme něco jednoduchého, jako je třeba molekula dusíku. Jenom 2 atomy dusíku spojené dohromady, že? Takže dusík má 5 valenčních elektronů a máme 2 atomy, takže celkem 10 elektronů Přidáme vazbu, doplníme oktety a využili jsme 14 elektronů. Tolik jich nemáme. Můžeme zkusit dvojnou vazbu, ale to je stále 12 elektronů, o 2 více, než máme. Takže pořád nemáme dost elektronů. Posuneme to dál a uděláme trojnou vazbu. To je když atomy sdílejí 3 páry elektronů. A máme to. Jen 10 elektronů a všechny atomy mají plný oktet. Doplníme vazby a je hotovo. Trojná vazba a volný elektronový pár na každém atomu. Proto je tak těžké molekulu dusíku rozbít, abychom vyrobili hnojiva a jiné věci. Jestli jste zvědaví, 3 je maximální počet vazeb. Není nic jako "čtyřná" kovalentní vazba. Takže to je Lewisův model, oddělené, samostatné vazby tvořené sdílením specifických elektronů. Je to dobrý model a dost blízký moderní definici kovalentní vazby, ale je stále hrozně zjednodušený a naneštěstí ne 100% přesný. Ale u modelů jde o to: i když jsou částečně špatně, můžete stavět na těch dobrých částech, abyste vytvořili ještě lepší modely. A to udělal Linus Pauling. Na vysoké škole si Pauling přečetl výzkum o chemických vazbách Gilberta Lewise, který byl publikovaný o 3 roky dříve. Lewisův model inspiroval Paulinga, aby strávil zbytek svého života studiem vztahů mezi vlastnostmi látek a jejich molekulovými strukturami. Po získání doktorátu z fyzikální chemie vycestoval do Evropy, kde studoval novou oblast kvantové mechaniky s velkými fyziky jako jsou Arnold Sommerfeld, Niels Bohr a Erwin Schrödinger. Kvantová mechanika v podstatě zahrnuje myšlenku, že některé věci, jako světlo a elektrony, jsou částice a vlny zároveň. Takže Pauling aplikoval kvantově mechanický model na chemické vazby a to byl počátek modelu vazby, tak jak ho známe dnes. Ten považuje chemické vazby za překryv elektronových oblak atomů, spíše než sdílení konkrétních elektronů. To uvidíme podrobněji až budeme mluvit o orbitalech, Ale tohle je elektrony-drží-všechno-pohromadě model, který jsem zmínil na začátku epizody a který dnes považujeme za samozřejmost. Paulingův příspěvek k modelu chemické vazby měl tak velký dopad na to, jak chápeme vesmír, že za něj v roce 1954 získal Nobelovu cenu. Možná se to dnes nezdá tak ohromující, ale představte si objevení toho všeho, když váš jediný koncept atomů je založen na tom, že jsou malé, od Newtona. Nebo jen vágní myšlenka nábojů jako u Berzeliuse. Je to ohromující. Naše schopnost vůbec pochopit je výsledkem modelů, které nám vědci jako Lewis a Pauling poskytli, takže jim vzkazuji: Děkuji. A děkuji i Vám, že jste sledovali tuto epizodu Crash Course Chemistry Myslím, že jste všichni... modeloví studenti. Jestli jste dávali pozor naučili jste se, že vědecký model je cokoli, co něco představuje jiným způsobem, že se toho naučíme nejvíc když chceme pochopit proč věci nefungují tak jak bychom čekali a že můžete postavit nové modely na základě těch starých. Také jste se naučili, že model chemické vazby, který vytvořil Linus Pauling je nutný pro chápání chemie a světa, a naučili jste se kreslit Lewisovy struktury Tuto epizodu Crash Course Chemistry napsal Edi Gonzáles a editoval Blake de Pastino. Náš chemický konzultant je Dr. Heiko Langner. Natočil, editoval a režíroval ji Nicholas Jenkins, náš supervizor scénáře a zvukový designer je Michael Aranda a náš grafický tým je Thought Café.
video