Rychlokurz chemie
Rychlokurz chemie (32/43) · 7:37

Kovalentní (atomové) krystaly a uhlík V minulém díle jsme rozdělili krystalické látky na několik skupin. Tu nejzajímavější z nich, kovalentní krystaly si zde probereme podrobně. Zároveň si ukážeme jak to, že čistý uhlík umí vytvořit něco tak běžného, jako je grafit, a něco tak vzácného, jako je diamant.

Diamant na tomto prstenu dokáže rýt do jakéhokoli materiálu na světě. Je to ten nejtvrdší přírodní materiál na naší planetě. Je to však pouze uhlík, stejný prvek, který tvoří tuhu v tužce. A ta je tak měkká, že jejím účelem je ji stírat o papír. Skládají se z atomů stejného prvku a obojí jsou k sobě vázány kovalentně. Tak v čem je ten rozdíl? Atomy jsou totiž jinak uspořádány, tvoří jiné atomové struktury, a proto i jiné mřížkové krystalické uspořádání. V chemii nemají mřížky jasně vyhraněné místo, jelikož s každým typem mřížky přicházejí odlišné vlastnosti. Mohli byste mít řetězec molekul, každá z nich by byla navázána mezi dvě jiné. Například glykogen je tvořen řetězcem glukózových molekul, který není moc odolný vůči vnějším vlivům. Vrstvy částic, které jsou například v bílkovinách tvořící hedvábí, mají mnohem sofistikovanější typ mřížky. Protože jednotlivé částice jsou spojeny na všech stranách. Spojení je stále pouze ve dvou rozměrech a ve třetím stále chybí. Mohli byste položit několik vrstev na sebe, a vytvořit tím třetí rozměr, ale jednotlivé vrstvy by po sobě stejně klouzali. Tedy to by nebylo užitečnější ani odolnější než předtím. Pravá trojrozměrná mřížka se rozvětvuje do všech směrů, přičemž tvoří kovalentní vazby, které odolají silám lépe než řetězec nebo vrstva ze stejného materiálu. V podstatě způsob, kterým se tvoří molekulové a atomové mřížky udává vlastnosti daného materiálu. Vysvětluje to, proč diamant je tak tvrdý, když grafit je měkký. A proč hlavní složka písku může sloužit jako základní deska ve vaší elektronice. Zároveň nám říká, jak můžeme přeměnit toto na toto. Ale předtím, než budete volat do banky o půjčku, bych vás chtěl varovat, že toto nelze dělat doma. Kovalentní krystaly a uhlík Kovalentní krystaly jsou jedním ze 3 typů atomových látek, o kterých jsme mluvili minule. Jsou to materiály tvořené jednotlivými atomy. Kovalentní krystaly jsou super, jelikož jsou v nich atomy uspořádané v mřížce. Každý atom je navázán k několika dalším v různých směrech. Tím, že je to mřížka, je toto uspořádání pevné a stabilní. Zároveň jsou tím dány další zajímavé vlastnosti. Po shlédnutí dílu o atomových orbitalech víte, jak se elektrony chovají ve vazbě, což souvisí s hybridizací, která má velký vliv na vlastnosti látek. Pokud by orbitaly vody hybridizovaly jinak, možná by nebyla by polární a život by nejspíš byl úplně jiný. S kovalentními krystaly je to stejné. Orbitaly a jejich hybridizace dokáží změnit spoustu věcí. Samotné orbitaly se měnit nedají, jsou dané zákony fyziky. Nejdříve si posviťme na uhlík. Čistý uhlík se vyskytuje ve dvou různých uspořádání. V rámci první varianty se atomové valenční elektrony hybridizují do sp2 orbitalů, s tím, že každý atom je navázán na další tři a tvoří tak rovnostranný trojúhelník. Tím se vytvoří plošné hexagonální uspořádání s p-orbitalem na každém atomu. Tyto orbitaly spolu vytvoří plošnou pí vazbu a celá struktura tím získá pevnost. Tomuhle uhlíkovému týpkovi říkají grafit. Pí vazby v každé vrstvě dodávají grafitu pevnost, a proto odolává tlaku. Ale pouze v rámci dané vrstvy, ne prostorově. Jednotlivé vrstvy jsou k sobě vázány slabými van der Waalsovými silami. Tím dochází ke klouzání jednotlivých vrstev po sobě, a tudíž můžou být odděleny. Proto grafit využíváme k psaní. Při psaní se jednotlivé vrstvy přesouvají z tužky na papír. Tato vlastnost z grafitu dělá také výborný lubrikant. Když jej rozdrobíme na prášek, většina látek po něm může jednoduše klouzat. Z tohoto důvodu se využívá jako suché mazivo. Jelikož jsou pí vazby v grafitu v celé ploše, též vede elektrický proud. Druhá forma uhlíku, diamant, většinu z těchto vlastností nemá. Grafit v tužce je sice tvořen ze stejných uhlíkových atomů jako diamant, jsou každý úplně jiný. Celá ta odlišnost spočívá ve způsobu, kterým jsou jednotlivé atomy navázány. V diamantu je každý elektron v sp3 orbitalu. Tedy atomy jsou navázány na 4 další v rámci čtyřstěnu. Toto ale už známe z předchozího dílu o orbitalech. Každý vrchol čtyřstěnu je rovnoměrně navázán na další 3 atomy. Tudíž se vytvoří stejnoměrná prostorová mřížka z atomů uhlíku. S každým tlakem na toto uspořádání působíme na několik vazeb zároveň. Tím je diamant tak pověstně stabilní. Tato struktura je na druhé straně ale velmi křehká. Tedy než aby se ohnuli, tak se rozbijí. Stejně jako krystaly mají sklon se lámat podél takzvané štěpné plochy. To jsou taková místa, podle kterých se diamanty brousí. Další věcí, ve které jsou diamant a grafit naprosto odlišní, je, že diamanty nevodí elektrický proud, jsou elektrickými izolátory. V diamantu jsou totiž všechny vazby mezi atomy typu sigma a ne pí. Tím jsou elektrony velmi omezeny ve svém pohybu. Pokud se elektron nemůže hýbat, nemůže přenášet elektrickou ani jinou energii. I přestože je diamant tak mizerný v přenášení elektrického proudu jak diamant tak grafit jsou výbornými tepelnými vodiči. To je dáno pevností kovalentních vazeb. Pokud se jeden atom rozvibruje, jeho sousedi se rozvibrují stejně tak, a tím je přenášeno teplo. Pokud se termální energie zvýší v jedné oblasti, rozšíří se to pak i do ostatních. V grafitu je sice kvůli pí vazbám mezi vrstvami prostor, struktura vrstev je pevná a vibrace se mohou volně šířit. A diamant vede teplo ještě mnohem lépe než grafit, jelikož každý atom šíří energii do třech směrů místo pouhých dvou. Grafit má ještě jednu zajímavou tepelnou vlastnost. Pokud jej vystavíme extrémnímu tlaku kolem 15 milionu kPa a teplotě kolem 3000 stupňů, z dvojrozměrné vrstevnaté struktury se stane prostorová. Takový tlak ale odpovídá tíze 15 tun na centimetr čtvereční. Tedy si představte 5 slonů na podpatku lodičky. Díky té extrémní teplotě je dodána dostatečná energie, aby se rozbily vazby, a tím se atomy mohou přeuspořádat, čímž se vyrovnají s působícím tlakem. A tímto způsobem můžete přeměnit grafit na diamant. Takže opravdu to nejde dělat doma. Ale znáte to, někdy to, co se zdá jako zbytečně velký tlak, může vyústit v prospěšnou stabilizační změnu. Asi to bude znít divně, ale opačný proces z diamantu na grafit je ještě složitější. Dokonce tak moc, že je nemožné jej provést. Alespoň na naší planetě. I přestože se slony na podpatku jsme schopni rozbít kovalentní vazby v grafitu, aktivační energie potřebná pro rozbití vazeb v diamantu je tak vysoká, že toto rozbití nemohlo být nikdy na Zemi provedeno. Podobnosti a rozdíly mezi diamantem a grafitem jsou skvělou ukázkou síly chemie. I přestože jsou vytvořeny ze stejných částic, rozdílné uspořádání chemických vazeb úplně mění jejich fyzikálně chemické vlastnosti. A taky jeden je nádherný a druhá je tuha v tužce. Je tím vysvětleno, proč diamant může řezat sklo a hloubit tunely ve skále, zatímco grafit je natolik měkký, že s ním můžeme psát a zmírňovat tření. Diamanty mají mnohem větší hodnotu. Ale můžeme říct, že grafit v tužkách se svojí lehkou vygumovatelností prospěl světu více. Tužka je dost možná mocnější než diamant.
video