Chem123

Molekuly! Jsou všude ve svých
nekonečných a nádherných variacích,

ale jelikož je těch variací tolik,
může toho na nás být hodně.

A proto, abychom se naučili tomuto trochu
více rozumět, řadíme je do skupin a tříd.

Je to v naší lidské povaze
a je to velice užitečné.

Jedno ze základních rozdělení je, jestli
je molekula polární nebo nepolární.

Jde o jakousi symetrii, ne jen
molekuly, ale i náboje v ní.

Dají se lehce odlišit
pouhým pohledem.

Máme polární, nepolární, polární,
nepolární, polární, nepolární.

Já osobně jsem
v týmu polárních.

Myslím si, že polární molekuly jsou
zajímavější i přes jejich nestálou povahu.

Nepolární molekuly jsou užitečné
a jejich symetrie překrásná,

ale polární jsou
podle mě základ všeho.

[Znělka]

Hned ze začátku pojďme
rozdělit látky na dva typy.

Tady máme kostku másla a v
této misce je obyčejná voda.

Abych tenhle zvláštní pocit měl za sebou,
tak teď tu kostku másla zmáčknu.

A teď ji
zase pustím.

Zkusím si to
máslo umýt z rukou.

Ale ono to nejde...
Prostě to máslo nejde smýt.

Nejde.
Prostě je na mně přilepené.

Proč? Protože voda je polární molekula a
různé molekuly v máslu jsou nepolární

a s něčím takovým nechce
mít voda nic společného.

Takže, co dělá molekulu polární?
Jsou tu dvě věci.

Prvním je nesymetrické rozložení
elektronů v molekule.

Polární molekula pouze z jednoho
prvku nemůže existovat,

protože všechny atomy mají
stejnou elektronegativitu,

a tedy rozložení elektronů
bude všude stejné.

Elektronegativita nám říká, jak
moc chce nějaký prvek elektrony,

ale lepší je si představit, jak moc
chtějí elektrony být u nějakého prvku.

Kdyby byly elektrony 13-ti leté
holky, fluor by byl Niall Horan.

Udělají cokoliv, aby mohly být u něj.
Proč? Kvůli trendům periodické tabulky.

Elektronegativita se zvyšuje zleva
doprava, protože atomy mají více protonů

a více protonů znamená
více kluků v kapele.

Zároveň se shora dolů
elektronegativita snižuje,

protože se zvyšuje dav elektronů a
ten blokuje efekt protonů pro ostatní.

Co se snažím říct je, že
elektrony jsou hipsteři.

Pokud se ostatní elektrony o něco
zajímají, tak je to bude zajímat méně.

Ovšem do hry
vstupuje více věcí,

ale jako ve vztazích
mezi dívkami a kapelami,

je to vše komplikované a divné a
hlavně to není nutné vědět.

Tato mapa nám však
ukazuje všechny trendy.

V horním pravém rohu
jsou superstar elektronů.

Kyslík, dusík, fluor, chlor a brom jsou
vlastně One Direction tabulky prvků.

Abychom mohli mluvit
o polárních molekulách,

musí v nich být prvky s rozdílem
elektronegativity alespoň 0,5.

Pokud je toto splněno, je vnější elektron
častěji u prvku s vyšší elektronegativitou

a této molekule
říkají chemici polární.

Důsledkem je parciální záporný náboj
na elektronegativnější části molekuly

a parciální kladný náboj
na straně druhé.

V extrémních případech, kdy
je rozdíl elektronegativity 1,6,

dostaneme dva
ionty v jedné molekule.

A takové už ale nepatří
mezi polární molekuly.

Mluvíme tady jen
o rozmezí mezi 0,5 a 1,6.

Další požadavek je, že musí
být geometricky nesouměrné.

CO2 je nesymetrické v náboji,
ale jelikož je lineární, v jedné čáře,

je to taková
symetricky nesymetrická.

To platí i pro CH4, kde jsou tetraedricky
uspořádané málo elektronegativní vodíky

kolem elektronegativnějšího
uhlíku.

Tyto molekuly mají polární
vazby, ale jako takové nejsou polární,

protože jejich vazby jsou symetrické,
a tak se vzájemně vyruší.

Aby byla molekula polární,
musí mít dipólový moment,

rozdělení náboje kolem molekuly
na kladnou část a zápornou část.

Hodně molekul je nesymetrických
v elektronegativitě i v geometrii.

To jsou ty naše polární molekuly,
nesymetrické krásky chemie.

Jen se na ně podívejte. Jsou
tak úžasné a podivné.

Dokonce umíme i vyznačit, kde
se nachází jejich náboje.

Značí se to šipkou s plusem směřující
od kladného náboje k zápornému.

Malé delta plus (δ+) nebo
minus (δ–) u atomů

značí parciální kladný
a záporný náboj.

Kapaliny z polárních
molekul jsou skvělá

rozpouštědla těles z polárních
nebo iontových látek.

Iontové látky jsou vlastně
jen hodně polární,

nemají částečný kladný a
záporný dipólový moment,

ale jejich elektrony se úplně přesunou,
čímž vytvoří dva nabité ionty.

Určitě jste slyšeli, že podobné
se rozpouští v podobném,

tedy nejsnazší způsob pro zjištění, zda je
kapalina polární nebo ne, je přidání vody.

Ovšem proč se to děje,
se většinou nevysvětluje.

Takže co se
vlastně děje?

Můžou se zdát jako xenofobové,
kteří se bojí všeho, co je jiné.

Ale jako vše má
i tohle svůj důvod.

A jako všechno, pravděpodobně to má
něco se snižováním energie systému.

A to si pište,
že má.

Ty parciální
náboje vody?

Ty mají nejnižší energii, když jsou
hezky srovnané, kladný k zápornému.

Skoro jako
kapalné krystaly.

Takže máme uspořádání,
které samozřejmé teče,

a ty kyslíky se vždycky snaží natočit tak,
aby byly u vodíků ostatních molekul.

Tak, aby
snížily energii.

Můžete dokonce sami vidět
působení molekul,

třeba na povrchovém napětí, když do 100 ml
kádinky nalijete více než 100 ml vody.

Síla povrchového napětí závisí na
mezimolekulárních silách molekul,

které je
drží pospolu.

Tyto přitažlivé síly,
kterým se říká kohezní,

přitahují molekuly
na povrchu dovnitř.

A to, co zde vidíte, je pouze
výsledek působení těchto sil,

tedy minimalizace
povrchu vody v této kádince.

Kdybychom tam přidali trochu oleje,
všechnu vodu to naprosto rozhodí.

Oleje mají hodně
nepolární molekuly,

takže najednou tu máme nenabitou hmotu,
která nám narušuje hezky uspořádanou vodu.

Ale když se na to podíváte zblízka, je to
podobné jako mezi vodou a vzduchem.

Voda dělá všechno, aby snížila svůj
povrch a tak nějak vypuzuje olej pryč.

Není to tak, že voda nemá ráda olej,
akorát má sebe ráda mnohem více,

takže se s olejem
nebude míchat.

Ale když přidáte polární látky,
tak to se vodě bude líbit,

a ty polární látky půjdou po všech
parciálních nábojích, které najdou.

Nebo spíše, jako
u většiny iontových látek,

částečně záporné kyslíky
obklíčí kladné ionty

a částečně kladné vodíky si
vezmou záporné ionty,

čímž rozbijí krystal a
rozpustí ho ve volné ionty.

Občas se stane, že
pozorujeme nečekané.

Když smícháme 50 ml vody a 50 ml ethanolu,
co se stalo? Máme méně než 100 ml kapaliny.

Uspořádání vody a ethanolu je totiž více
strukturované a tedy i více husté,

proto má
menší objem.

Polarita vody je spojená s aspektem,
díky kterému existuje život:

Vodíkové můstky.

Částečný záporně nabitý
kyslík a kladně nabité vodíky

molekule vody
nejsou úplně věrní.

Zaplétají se do různých podivných
vztahů s atomy ze sousedních molekul.

Tyto neplnohodnotné vztahy mezi těmito
atomy nazýváme vodíkovými můstky.

V případě ledu, všechny O a H
atomy vytvářejí tyto vodíkové můstky.

Energeticky nejvýhodnější uspořádání
vodíkových vazeb v ledu molekuly od sebe

lehce odstrkuje, a proto má led
o 10 % větší objem než kapalná voda.

Což není běžný vztah mezi
kapalinou a pevnou látkou.

Když led roztává, zůstává stále
zhruba 80 % vodíkových můstků,

zůstávají tam ledovité klastry, a proto je
objem studené vody relativně velký.

Když však zvýšíme
teplotu, klastry zmizí.

Na základě tohoto je možné
vysvětlit zajímavou vlastnost vody:

Totiž že má nejvyšší
hustotu při 4 °C.

To je důvod, proč ledové kry plovou na
hladině a proč má voda pod nimi asi 4 °C.

A taky proč byl
vymyšlen hokej.

A proč lahev s limonádou
praskne, když jí dáte do mrazáku.

Vodíkové můstky také způsobují,
že je koupání v teplé vodě tak skvělé,

proč parní stroje
změnily svět

a proč je stálá teplota na naší
planetě v porovnání s jinými.

Pro změnu teploty vody
musíme vynaložit spoustu energie,

protože i k malé tepelné změně je
třeba rozbít spoustu vodíkových můstků

a tento proces je spojen
s velkou tepelnou výměnou.

Tepelná kapacita vody je zhruba pětkrát
větší než kapacita obyčejného kamene.

Ještě jsme ale neskončili s výčtem toho,
co všechno vodíkové můstky způsobují.

Díky nim se ve vodě rozpouští téměř
vše, co je alespoň částečně polární,

tedy například cukry, bílkoviny a další
spousta anorganických sloučenin.

Voda se svým dipólovým momentem
může rozpustit více sloučenin

než kterákoli jiná
sloučenina na světě.

Vlastně se divím,
že nerozpustí i nás.

Čímž se dostávám k poslední věci
a tou jsou hybridní molekuly.

Existuje spousta molekul jako
jsou třeba saponáty,

které obsahují jak
polární, tak nepolární části.

Tento prostředek na nádobí je proto
schopen rozpustit zbytky po mém máslu

s pomocí množství molekul
blízkým Avogadrovu číslu,

jelikož ho obklopí nepolární částí a pak
ho umyje pomocí polární části z mé ruky.

Výborně, hned
je to lepší.

Ale stejně si to půjdu radši umýt
do koupelny. Hned jsem zpět.

Podobně i mastné kyseliny, které tvoří
buněčnou membránu, mají polární části,

kterými můžou interagovat
s vodným prostředním v buňce,

zatímco nepolární řetězec zabraňuje
rozpuštění buňky v okolní vodě.

Mají to elegantně
vymyšlené, nebo ne?