Daj si dúšok vody. V každej kvapke je viac ako miliarda miliárd drobných molekúl vody. Každá z nich sa skladá z troch atómov: z dvoch atómov vodíka a jedného atómu kyslíka, ktoré sa navzájom pevne držia.
Atómy však nemajú ruky ani lepidlo. Ako sa teda držia? A prečo sa vôbec spájajú? Poďme na to krok za krokom.
Ako vyzerá atóm zvonku?
Každý atóm má v strede maličké jadro s kladným nábojom – plus. Okolo neho sa pohybujú oveľa ľahšie elektróny, každý so záporným nábojom – mínus. Plus priťahuje mínus a táto príťažlivosť drží elektróny pri jadre.
Elektróny sú okolo jadra uložené vo vrstvách, trochu ako vrstvy cibule. Týmto vrstvám hovoríme elektrónové vrstvy. Do prvej vrstvy sa zmestia len 2 elektróny. Vo vrstvách ďalej od jadra je miesta viac.
Posledná vrstva, v ktorej sú elektróny, je vonkajšia vrstva. Práve jej elektróny sa starajú o všetko spájanie. Pri vodíku a héliu je vonkajšia vrstva plná, keď má 2 elektróny. Pri uhlíku, kyslíku, chlóre a mnohých ďalších atómoch je plná s 8 elektrónmi.
Prečo sa atómy vôbec spájajú?
Niekoľko druhov atómov má vonkajšiu vrstvu plnú už od začiatku. Také sú hélium, neón a argón. Hovoríme im vzácne plyny a takmer nikdy sa s ničím nespájajú. Atóm s plnou vonkajšou vrstvou je stály a pokojný.
Väčšina atómov má vo vonkajšej vrstve medzery. Kyslík v nej má napríklad 6 elektrónov: do 8 mu chýbajú 2. Vodík má 1: do 2 mu chýba 1.
Takéto atómy si môžu vrstvy zaplniť tak, že sa spoja. Buď sa o elektróny podelia so susedom, alebo mu ich odovzdajú.
Keď sa atómy takto spoja, sú potom stálejšie, ako boli osamote. Vedci hovoria, že spojené atómy majú menej energie. Nadbytočná energia unikne, často ako teplo. Preto rozdeliť spojené atómy vždy stojí energiu.
Spojeniu dvoch atómov hovoríme chemická väzba.
Poďme hlbšie: Pravidlo plnej vrstvy a kde prestáva platiť pre dospelých a extra zvedavých
Atómy nič nechcú. Rozhoduje energia: atómy sa spoja vždy, keď má spojené usporiadanie menej energie ako samostatné atómy. Pri uhlíku, dusíku, kyslíku, halogénoch a ich susedoch majú najmenej energie takmer vždy tie usporiadania, v ktorých má každý atóm 8 vonkajších elektrónov ako vzácny plyn. Vodík skončí s 2 ako hélium. Chemici tomu hovoria pravidlo oktetu. Je to pomôcka na počítanie, nie prírodný zákon, a má výnimky:
- Vo fluoride boritom (BF₃) má bór okolo seba len 6 elektrónov.
- Vo fluoride sírovom (SF₆) má síra okolo seba 12 elektrónov, v chloride fosforečnom (PCl₅) má fosfor 10.
- Oxid dusnatý (NO) má nepárny počet elektrónov, takže 8 nemôže mať každý atóm.
- Kovy v strede periodickej tabuľky, napríklad železo a meď, sa riadia inými pravidlami.
- Molekula kyslíka O₂ je magnetická: tekutý kyslík sa prichytí na silný magnet. Jednoduchý obrázok so spoločnými pármi to vysvetliť nevie. Úplnejšia teória (molekulové orbitály) ukazuje, že dva jej elektróny sú nespárené.
- Ani vzácne plyny nie sú úplne nereaktívne. V roku 1962 pripravil Neil Bartlett prvú zlúčeninu xenónu a v tom istom roku pribudol aj fluorid xenónatý (XeF₂). Hélium a neón za bežných podmienok netvoria žiadne stále zlúčeniny.
Ako si atómy môžu deliť elektróny?
Začnime najmenším atómom: vodíkom. Má 1 elektrón, no v jeho vrstve je miesto pre 2.
Keď sa dva atómy vodíka priblížia k sebe, stane sa niečo zaujímavé. Ich elektrónové oblaky sa prekryjú a oba elektróny vytvoria pár, ktorý patrí obom atómom. Teraz si každý atóm môže napočítať 2 elektróny: plnú vrstvu!
Spoločný pár je medzi oboma jadrami a obe jadrá ho priťahujú. Oba atómy sú teda ťahané k tomu istému páru v strede, a to ich drží pokope. Väzbe, ktorá vzniká delením sa o elektróny, hovoríme kovalentná väzba. Dva spojené atómy tvoria molekulu vodíka, ktorú zapisujeme H₂.
Poďme hlbšie: Čo naozaj drží spoločný pár pre dospelých a extra zvedavých
Kovalentná väzba je kvantový jav. Keď sa dva atómy vodíka priblížia, ich elektrónové oblaky (orbitály) splynú do jedného oblaku okolo oboch jadier. Dva elektróny v ňom trávia veľa času medzi jadrami, kde ich priťahujú obe jadrá. Tým klesne energia, až kým nie sú jadrá od seba vzdialené asi 0,074 nanometra. Keby boli ešte bližšie, obe jadrá by sa odpudzovali príliš silno.
Rozdeliť väzbu znova stojí asi 436 kilojoulov na mól (kJ/mol). Toľko energie treba na rozdelenie 2 gramov plynného vodíka na samostatné atómy. Mól je pevne daný počet čiastočiek: 6,022 · 10²³.
Krúžky na obrázkoch sú len šikovný spôsob, ako nakresliť vrstvy. Skutočné elektróny tvoria rozmazané oblaky, ako vysvetľuje článok o atóme.
Koľko väzieb môže atóm vytvoriť?
Kyslík má vo vonkajšej vrstve 6 elektrónov. Do 8 mu chýbajú 2, a tak sa delí s dvoma atómami vodíka, s každým o jeden pár. Tak vzniká voda: H₂O.
Uhlík má 4 vonkajšie elektróny a chýbajú mu ďalšie 4. Delí sa so štyrmi atómami vodíka a vzniká metán: CH₄. Metán je hlavnou zložkou zemného plynu, ktorý horí v mnohých kuchynských sporákoch.
Takto sa dá zistiť, koľko väzieb atóm zvyčajne vytvorí. Spočítaj, koľko elektrónov mu chýba vo vonkajšej vrstve:
| Atóm | Vonkajšie elektróny | Chýba | Zvyčajný počet väzieb |
|---|---|---|---|
| vodík (H) | 1 | 1 | 1 |
| kyslík (O) | 6 | 2 | 2 |
| dusík (N) | 5 | 3 | 3 |
| uhlík (C) | 4 | 4 | 4 |
Čo sú dvojité a trojité väzby?
Atómy sa môžu deliť aj o viac ako jeden pár elektrónov. Dvom atómom kyslíka chýbajú po 2 elektróny, a tak sa delia o dva páry. To je dvojitá väzba. Drží pokope kyslík vo vzduchu, ktorý dýchaš: O₂.
Dvom atómom dusíka chýbajú po 3. Delia sa o tri páry, a tak vzniká trojitá väzba. To je plynný dusík: N₂.
Chemici kreslia každý spoločný pár ako krátku čiarku: H–H, O=O a N≡N.
Trojitú väzbu je veľmi ťažké rozbiť. Preto dusík takmer nikdy s ničím nereaguje, hoci asi 78 % vzduchu tvorí práve dusík. Celý deň ho vdychuješ a vydychuješ a vychádza z teba nezmenený. Rozdeliť ho dokáže len niečo výnimočné, napríklad blesk, niektoré baktérie v pôde alebo veľká továreň na hnojivá.
Poďme hlbšie: Aké silné sú väzby? pre dospelých a extra zvedavých
Chemici merajú silu väzby energiou, ktorú treba na rozbitie jedného mólu väzieb (6,022 · 10²³ väzieb). Typické hodnoty pri izbovej teplote:
| Väzba | Energia na jej rozbitie |
|---|---|
| H–H vo vodíku H₂ | 436 kJ/mol |
| O=O v kyslíku O₂ | 498 kJ/mol |
| N≡N v dusíku N₂ | 945 kJ/mol |
| C–H, priemer | asi 415 kJ/mol |
| O–H, priemer | asi 464 kJ/mol |
| C–C, C=C, C≡C, priemery | asi 345, 611 a 837 kJ/mol |
Pri uhlíku je dvojitá väzba silnejšia ako jednoduchá, no nie dvakrát. Druhý a tretí spoločný pár sú bokom od spojnice atómov (chemici im hovoria väzby π), kde držia slabšie.
Trojitá väzba dusíka patrí k najsilnejším väzbám medzi dvoma atómami. Továrne, ktoré menia dusík zo vzduchu na hnojivá (Haberov-Boschov proces), potrebujú železný katalyzátor, teplotu niekoľko sto stupňov Celzia a veľmi vysoký tlak. Baktérie v pôde zvládnu to isté pri bežnej teplote pomocou enzýmu.
Čo sa stane, keď jeden atóm elektrón odovzdá?
Delenie sa o elektróny nie je jediný spôsob, ako zaplniť vrstvu. Niekedy jeden atóm elektrón odovzdá inému.
Sodík je mäkký, lesklý kov. Vo vonkajšej vrstve má len 1 elektrón. Chlór je jedovatý žltozelený plyn. Vo vonkajšej vrstve má 7 elektrónov, do 8 mu chýba 1.
Chlór priťahuje elektróny oveľa silnejšie ako sodík. Keď sa stretnú, osamelý vonkajší elektrón sodíka preskočí k chlóru. Chlór má teraz vo vonkajšej vrstve 8 elektrónov. Sodík o svoj vonkajší elektrón prišiel, a tak sa jeho vonkajšou vrstvou stane plná vrstva s 8 elektrónmi pod ňou.
Náboje však už nie sú vyrovnané. Sodík má o jeden protón viac ako elektrónov, a tak má kladný náboj. Chlór má jeden elektrón navyše, a tak má záporný náboj.
Atómom s nábojom hovoríme ióny. Plus a mínus sa silno priťahujú a táto príťažlivosť je iónová väzba.
Z nebezpečného kovu a jedovatého plynu sa stalo niečo, čím si soliš jedlo: kuchynská soľ. Jej chemický názov je chlorid sodný a zapisujeme ho NaCl. Ión chlóru sa volá chloridový ión.
Soľ sa však neskladá z malých dvojíc. Každý ión priťahuje všetky ióny okolo seba, a tak sa ukladajú do úhľadného vzoru na všetky strany. Každý sodný ión má okolo seba šesť chloridových iónov a každý chloridový ión šesť sodných.
Takému obrovskému, usporiadanému stohu hovoríme kryštál. Pozri sa na soľ lupou: mnohé zrniečka sú maličké kocky!
Poďme hlbšie: Prečo sa odovzdanie oplatí pre dospelých a extra zvedavých
Samotné odovzdanie elektrónu prekvapivo energiu stojí. Odtrhnúť vonkajší elektrón od atómu sodíka stojí asi 496 kJ/mol. Chlór pri prijatí elektrónu vráti len asi 349 kJ/mol. Rozdiel vyrovná až príťažlivosť medzi iónmi. Keď sa ióny Na⁺ a Cl⁻ poskladajú do kryštálu, uvoľnia viac ako päťkrát toľko energie, koľko odovzdanie stálo.
Táto silná príťažlivosť medzi iónmi je aj dôvodom, prečo sa soľ tak ťažko topí: topí sa až pri 801 °C. Pevná soľ elektrický prúd nevedie, lebo jej ióny sú zamknuté na mieste. Po rozpustení vo vode sa ióny môžu pohybovať a slaná voda prúd vedie.
Ako držia pokope kovy?
Kovy držia pokope tretím spôsobom. Atóm kovu má vo vonkajšej vrstve len niekoľko elektrónov a drží ich slabo.
V kúsku kovu každý atóm svoje vonkajšie elektróny pustí. Uvoľnené elektróny sa túlajú medzi všetkými atómami ako more okolo ostrovov.
Atómy, ktoré zostanú, majú kladný náboj. Sedia v úhľadných radoch a more záporných elektrónov (v škole sa mu hovorí elektrónový plyn) ich všetky drží pokope. Takejto väzbe hovoríme kovová väzba.
More elektrónov vysvetľuje o kovoch veľa:
- Voľné elektróny môžu kovom tiecť ako elektrický prúd. Preto sú kovy dobré vodiče.
- Väčšinu kovov môžeš ohnúť alebo tvarovať kladivom a nerozbijú sa. Rady atómov sa posunú po sebe a more ich drží ďalej.
- More elektrónov odráža svetlo, a preto sú kovy lesklé.
Postav si molekuly
Teraz už poznáš tri spôsoby, ako sa atómy navzájom držia. Dva z nich si vyskúšaj v laboratóriu nižšie: spájaj atómy spoločnými pármi elektrónov alebo nechaj sodík jeden elektrón odovzdať a zisti, koľko molekúl objavíš.
Aký tvar má molekula?
Mnohé molekuly nie sú ploché ako obrázky na papieri. Každá molekula má svoj tvar a ten určujú elektróny.
Páry elektrónov okolo atómu sa navzájom odtláčajú, lebo mínus odtláča mínus. Preto sa od seba rozostúpia čo najďalej.
- Oxid uhličitý (CO₂) je rovný: O=C=O. Uhlík má okolo seba dve skupiny elektrónov, svoje dve dvojité väzby, a tie mieria na opačné strany.
- Metán (CH₄) má tvar trojbokého ihlana. Štyri atómy vodíka sú v jeho rohoch a atóm uhlíka v strede.
- Voda (H₂O) je lomená, teda zalomená ako široké písmeno V. Kyslík sa delí o dva páry elektrónov, no ďalšie dva páry si necháva pre seba. Tieto štyri páry mieria zhruba do rohov ihlana. Preto oba atómy vodíka zvierajú uhol asi 104,5°.
Poďme hlbšie: Tvary z odtláčania párov (VSEPR) pre dospelých a extra zvedavých
Tento spôsob predpovedania tvarov sa volá VSEPR, z anglického valence-shell electron-pair repulsion: odpudzovanie elektrónových párov vo valenčnej vrstve. Spočítaj skupiny elektrónov okolo stredného atómu. Každá väzba je jedna skupina, aj keď je dvojitá alebo trojitá. Rovnako aj každý voľný elektrónový pár, teda pár, ktorý patrí len jednému atómu.
- Dve skupiny mieria na opačné strany, 180° od seba: oxid uhličitý.
- Štyri skupiny mieria do rohov pravidelného trojbokého ihlana (štvorstena), 109,5° od seba: metán.
- Voľné páry tlačia silnejšie ako spoločné a zužujú uhly medzi väzbami. Amoniak (NH₃) s jedným voľným párom je nízky ihlan s uhlami asi 107°. Voda s dvoma voľnými pármi sa zúži na 104,5°.
VSEPR je pomôcka. Dobre funguje pri malých molekulách nekovov a horšie pri kovoch v strede periodickej tabuľky.
Čo sa stane, keď sa atómy nedelia spravodlivo?
Keď sa o elektróny delia dva rôzne atómy, nie vždy sa delia spravodlivo. Kyslík priťahuje spoločné elektróny oveľa silnejšie ako vodík. Preto spoločné elektróny vo vode trávia viac času pri atóme kyslíka.
Kyslíková strana molekuly tak dostane malý záporný náboj a vodíková strana malý kladný náboj. Chemici ich označujú δ− a δ+ (δ je grécke písmeno delta). Keďže je voda zalomená, jedna strana molekuly je trochu záporná a druhá trochu kladná. Takej molekule hovoríme polárna.
Aj väzby v oxide uhličitom sú nerovnomerné. Molekula je však rovná, takže oba ťahy mieria na opačné strany a navzájom sa zrušia. Oxid uhličitý polárny nie je.
Vďaka tomu, že je voda polárna, veľmi dobre rozpúšťa rôzne látky. Keď do vody nasypeš soľ, trochu záporné kyslíkové strany molekúl vody ťahajú kladné sodné ióny. Trochu kladné vodíkové strany ťahajú záporné chloridové ióny. Ióny sa tak jeden po druhom vytrhnú z kryštálu a soľ zmizne.
Olej polárny nie je, a tak voda nemá za čo ťahať. Molekuly vody sa radšej držia navzájom a olej odtlačia nabok. Preto sa olej s vodou nezmieša.
Poďme hlbšie: Ako zmerať ťah: elektronegativita pre dospelých a extra zvedavých
To, ako silno atóm priťahuje spoločné elektróny, sa volá elektronegativita. Tento pojem zaviedol Linus Pauling v roku 1932. Na jeho stupnici má sodík 0,93, vodík 2,20, uhlík 2,55, chlór 3,16 a kyslík 3,44. Najvyššiu hodnotu zo všetkých má fluór: 3,98.
Čím väčší je rozdiel medzi dvoma atómami, tým nerovnomernejšie sa delia. Učebnice často používajú hrubé pravidlo. Rozdiel pod 0,4 znamená nepolárnu kovalentnú väzbu, 0,4 až 1,7 polárnu kovalentnú väzbu a viac ako 1,7 prevažne iónovú väzbu. Príroda tu však ostré hranice nemá. Väzby tvoria plynulú stupnicu od spravodlivého delenia (H–H) po takmer úplné odovzdanie (chlorid sodný).
Nerovnomernosť vody sa dá zmerať ako jej dipólový moment, asi 1,85 debye. Oxid uhličitý má dipólový moment nulový, lebo jeho dve polárne väzby mieria na opačné strany.
Prečo ľad pláva?
Polárne molekuly vody sa držia aj navzájom. Trochu kladný vodík jednej molekuly a trochu záporný kyslík susednej molekuly sa priťahujú. Tejto jemnej príťažlivosti medzi molekulami hovoríme vodíková väzba. Je asi dvadsaťkrát slabšia ako väzby vo vnútri molekuly vody.
V tekutej vode sa molekuly prevaľujú a vodíkové väzby sa neustále trhajú a znova vytvárajú. Keď však voda zamrzne, každá molekula sa pripúta vodíkovými väzbami k štyrom susedom. Spolu postavia vzor zo šesťuholníkov s medzerami v strede.
Pre tieto medzery zaberá ľad asi o desatinu viac miesta ako tá istá voda v tekutom stave. Hrnček ľadu je teda ľahší ako hrnček vody, a preto ľad pláva. Preto jazerá zamŕzajú zhora nadol a ryby môžu celú zimu žiť pod ľadom.
Poďme hlbšie: Sily medzi molekulami pre dospelých a extra zvedavých
Na rozbitie vodíkovej väzby vo vode treba asi 20 kJ/mol. Väzba O–H vo vnútri molekuly potrebuje asi 460 kJ/mol. V ľade je každá molekula spojená vodíkovými väzbami so štyrmi susedmi, a tak vznikajú otvorené šesťuholníkové kanáliky. Ľad má hustotu asi 0,917 g/cm³, kým tekutá voda pri 0 °C má takmer 1,000 g/cm³, teda asi o 9 % viac. Tekutá voda je najhustejšia približne pri 4 °C.
Vodíkové väzby vysvetľujú aj to, prečo voda vrie tak neskoro. Sulfán (H₂S), hovorovo sírovodík, je lomený ako voda a jeho molekuly sú ťažšie, a predsa vrie už približne pri −60 °C. Voda vrie až pri 100 °C (viac o bode varu).
Všetky molekuly, aj nepolárne, sa navzájom trochu priťahujú van der Waalsovými silami. Elektrónové oblaky susedných molekúl sa chvejú v súlade a navzájom sa priťahujú. Každý taký ťah je maličký, no je ich veľa. Držia pokope tekutý dusík a vďaka nim sa gekóny udržia na stene pomocou miliónov mikroskopických chĺpkov na prstoch.
Uvoľňuje sa pri vzniku väzby energia?
Áno! Pri vzniku väzby sa energia uvoľní a na rozbitie väzby treba energiu dodať.
Ako potom môže oheň vydávať teplo? Oheň rozbíja väzby v palive aj v kyslíku, a to stojí energiu.
Potom sa však atómy znova spoja inak a vznikne oxid uhličitý a voda. Nové väzby sú silnejšie ako tie staré, a tak sa energie viac uvoľní, ako sa spotrebovalo. Tento prebytok je teplo a svetlo plameňa.
Rozbíjanie starých väzieb a vznik nových sa deje pri každej chemickej reakcii. Energia sa pritom nikdy nestratí ani nevznikne z ničoho: iba mení podobu. Tak to hovorí zákon zachovania energie.
Poďme hlbšie: Častý omyl o energii vo väzbách pre dospelých a extra zvedavých
Niekde si môžeš prečítať, že energia je „uložená vo väzbách“ a „uvoľní sa, keď sa rozbijú“. Je to naopak: rozbitie väzby vždy energiu stojí. Energia paliva patrí celému usporiadaniu. Metán a kyslík majú spolu viac energie ako oxid uhličitý a voda, na ktoré sa zmenia.
Spálením 16 gramov metánu (jedného mólu) sa uvoľní asi 890 kJ, ak voda, ktorá pritom vznikne, skončí ako kvapalina. To by stačilo na to, aby asi 2,5 litra studenej vody začalo vrieť. Článok o chemických reakciách ukazuje, ako sa to dá odhadnúť z energií väzieb.
Over sa
Prečo dusík vo vzduchu takmer nikdy s ničím nereaguje?
Ukáž odpoveď
Jeho dva atómy drží pokope veľmi silná trojitá väzba – Dva atómy dusíka majú tri spoločné páry elektrónov. Túto trojitú väzbu je veľmi ťažké rozbiť, a tak dusík takmer nereaguje, hoci tvorí asi 78 % vzduchu.
Dva atómy dusíka majú tri spoločné páry elektrónov. Túto trojitú väzbu je veľmi ťažké rozbiť, a tak dusík takmer nereaguje, hoci tvorí asi 78 % vzduchu.
Over sa
Prečo ľad pláva na vode?
Ukáž odpoveď
Vodíkové väzby držia jeho molekuly v otvorenom vzore s medzerami – V ľade vodíkové väzby pripútajú molekuly vody do otvorených šesťuholníkov. Pre medzery zaberá ľad viac miesta, a tak je hrnček ľadu ľahší ako hrnček vody. Pláva aj priezračný ľad bez bublín.
V ľade vodíkové väzby pripútajú molekuly vody do otvorených šesťuholníkov. Pre medzery zaberá ľad viac miesta, a tak je hrnček ľadu ľahší ako hrnček vody. Pláva aj priezračný ľad bez bublín.