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?