Chem124

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.