Lekce 3. Atom

Jak mohlo vzniknout tolik forem života? Rostliny, živočichové, houby… a každý druh je jiný, každý jedinec je svým způsobem jiný. I pro člověka platí, co jedinec, to unikát. Kde se bere tahle obrovská diverzita, kterou je život charakteristický?

Každý z nás má trochu jinou tvář, stavbu těla. Tvar a funkce jednotlivých orgánů závisí na buňkách, které je tvoří, a ty nejsou ničím víc než jen velmi strukturovanou hromádkou molekul. Jako lidé jsme všichni tvoření stejnými druhy molekul. Rozdíl tedy musí být v jejich počtu. Jiný poměr znamená také odlišné chemické interakce. Jak to, že molekuly spolu interagují, tedy chemicky reagují? Všechny chemické reakce závisí na struktuře jednotlivých molekul – tedy zapojených atomech a jejich rozložení elektronů, to znamená vazbách, které je pojí dohromady.

Ve třetí lekci se proto společně podíváme na to, čím jsou charakteristické atomy, které tvoří naše těla a jak a proč mezi nimi vznikají vazby.

Není atom jako atom

Atom znamená řecky nedělitelný. Zajímavé je, že myšlenku, že by se svět mohl skládat z malých neviditelných částic, vyslovil už řecký filozof Démokritos před 2500 lety! Měl ale špatnou představu o tom, co to atom vlastně je, ta se začala znovu vyvíjet až během posledních 200 let a pro nás bude užitečné představovat si atom jako kulatý útvar složený z elektronů, které obíhají v kruzích dokola kolem jádra (ačkoliv realita je zřejmě hodně odlišná a mnohem složitější).

Atomy nejsou všechny stejné, ale podle počtu jejich subatomárních částic – konkrétně protonů – je rozlišujeme na jednotlivé prvky.

Prvek = atom s určitým počtem protonů

Elektronů je v atomu vždy stejně jako protonů (a pokud ne, atomům říkáme ionty) a počet elektronů vytváří mezi prvky velké rozdíly.

počet protonů = počet elektronů

Pro každý prvek je typická jiná velikost atomu, jiná schopnost reagovat s jinými atomy, jiné skupenství při běžných teplotách (např. rtuť je při 25°C kapalina, kyslík plyn, železo pevná látka).

Celkem bylo popsáno 118 různých prvků. V životě se ale běžně setkáváme s předměty složenými jen z několika desítek prvků a naše těla tvoří převážně 5 základních prvků:

biogenní prvky

název	značka	počet protonů	zastoupení v těle
uhlík	C	6	50 %
vodík	H	1	20 %
kyslík	O	8	10 %
dusík	N	7	8,5 %
fosfor	P	15	2,5 %

Cvičení: Které prvky jsou důležité pro lidské tělo a které naopak škodlivé? Vyjmenujte co nejvíce prvků a určete, zda se v těle vyskytují nebo ne. Odpovědi si ověřte pomocí vyhledávače, nebo např. na české wikipedii.

Velký podíl má v lidském těle také vápník, který tvoří hlavní složku našich kostí, a spousta dalších pomocných prvků, určitě znáte např. hořčík, sodík, železo nebo chlór. Některé prvky naopak v těle přirozeně nenajdeme vůbec, protože jsou pro živé organismy toxické nebo radioaktivní – třeba rtuť, radium, helium.

Chemici každý objevený prvek pojmenovali a označili ho jedno nebo dvojpísmennou zkratkou a uspořádali je systematicky do tabulky, ze které lze o každém prvku vyčíst mnoho zásadních informací.

Tzv. periodická soustava prvků, jak se tabulka oficiálně jmenuje, je obrovsky užitečná pomůcka. Můžeme díky ní snadno porovnávat různé charakteristiky prvků, např. jejich velikost a hmotnost a zjistit, jak jsou si prvky podobné.

Nejvíc nám toho tabulka řekne o reaktivitě, neboli nespokojenosti atomů.

Věčně nespokojené atomy

Elektrony, záporně nabité subatomární částice, obíhají jádro v elektronovém obalu. Elektrony se vzájemně odpuzují a aby si vzájemně nepřekážely, jsou uspořádané do vrstev. Vrstvy se zaplňují postupně od středu atomu, tedy od jádra, a v každé vrstvě může být jen určitý počet částic, pokud je vrstva plná, další elektrony už musí do vzdálenější vrstvy.

Atomy, jejichž elektronový obal má více vrstev, tedy vždy budou mít vnitřní vrstvy zaplněné, ale poslední vrstva může být zaplněná jenom částečně.

Na čem tedy závisí spokojenost atomu? Na něčem velice základním, dokonce na jednom ze základních zákonů vesmíru, mém oblíbeném, vzpomeňte na naši první společnou lekci, už víte? Ano, na entropii.

Většina všech vlastností a charakteristik atomu včetně této „spokojenosti“ je určená elektrony v poslední vrstvě obalu, která se nazývá valenční.

valenční vrstva = poslední vrstva atomu, ve které jsou elektrony

Atom má za normálních okolností vždy stejný celkový počet elektronů jako protonů. Např. atom prvku s osmi protony v jádře bude mít osm elektronů v obalu – dva v první vrstvě a šest ve valenční vrstvě. Takový atom bude zákonitě nespokojený, protože jeho valenční vrstva není plná elektronů. V důsledku druhého základního principu vesmíru se bude snažit zvýšit svou entropii, aby se z něj uvolnila další troška energie. Pak teprve bude spokojený. Jak se to stane?

Bohatým dává, chudým bere

Řeč není o Robinu Hoodovi ale o vesmíru, který řeší zvyšování entropie atomů jednoduše tak, že pokud má atom valenční vrstvu alespoň z poloviny plnou elektronů, potřebný chybějící počet elektronů je doplněn, buď z okolí, nebo jsou elektrony sebrány jinému atomu. Typicky přichází o elektrony ze svého obalu právě ty prvky, které mají valenční vrstvu chudou – to znamená, že mají třeba jen jeden dva elektrony. Když o ně přijdou, mohlo by se zdát, že na tom budou ještě hůř než předtím, ale opak je pravdou. Když se jejich valenční vrstva vyprázdní, tak vlastně zaniká a nová valenční vrstva se stává z té pod ní, která je blíže jádru. Ta je vždy zákonitě plná (výše jsme si popsali proč) – tedy entropie se zvyšuje a atom se stává stabilní, spokojený.

Tento proces přijímání a odevzdávání elektronů se nazývá ionizace a vzniklé atomy ionty. Atom, který musel některé elektrony odevzdat, aby dosáhl stability, se nazývá kation. Atom, který naopak elektrony přijal, aby jeho valenční vrstva byla plná, se nazývá anion.

ionizace = proces tvorby iontů z atomů změnou počtu elektronů

Ionizací získávají částice elektrický náboj. Atom má stejný počet kladných protonů jako záporných elektronů, náboj částic se tedy vyruší a atom jako celek elektrický náboj nemá. Pokud ale ionizací elektrony ztratí, má kation více protonů než elektronů a převáží kladný náboj z jádra. Částice kation jako celek má tedy kladný náboj. Pokud naopak elektrony přijme, převažuje záporný náboj z elektronového obalu.

Z našeho vysvětlení vyplývá, že určité prvky budou vždy tvořit pouze anionty (např. kyslík, dusík, síra, jód), naopak jiné vždy kationty (sodík, draslík, hořčík, železo).

Proč nás ionty zajímají? Jsou důležitou součástí našich těl a vůbec všech živých organismů na Zemi, jsou důležité pro náš metabolismus, fungování svalů (vápenaté kationty), nervů (kationty sodíku, draslíku, anionty chlóru) a pro naše dýchání (kationty železa).

Reaktivita a elektronegativita

Velká reaktivita atomů (tedy schopnost a snaha tvořit vazby) je typická pro atomy, pro které je velmi jednoduché tvořit vazby. To znamená buď mají jen málo elektronů ve valenční vrstvě, nebo naopak ji mají téměř zaplněnou.

Elektronegativita = schopnost odebírat elektrony jiným atomům

Reaktivita a elektronegativita společně určují, které atomy spolu mohou reagovat výměnou elektronů (tedy vznikem vazby nebo iontů) a které nemohou. Například dva málo elektronegativní prvky s jedním valenčním elektronem, lithium a sodík, spolu vazbu netvoří. Oba se chtějí svého elektronu raději zbavit a ani jeden ho nechce od druhého přijmout.

Když se potkají sodík, lithium a velmi elektronegativní fluor, proběhne velmi prudká reakce mezi fluorem a sodíkem a fluorem a lithiem. Kvůli velkému rozdílu elektronegativit nevzniká mezi atomy vazba kovalentní, ale iontová. Typ vazby je klíčový pro připojování dalších atomů a pro výsledné vlastnosti vzniklé molekuly.

typ vazby

Který typ vazby vznikne můžeme odhadnout podle rozdílu elektronegativity vyjádřené číselně v periodické soustavě prvků.

typ vazby	rozdíl elektronegativity	příklad
kovalentní vazba nepolární	< 0,4	uhlík a vodík
kovalentní vazba polární	0,4 – 1,7	vodík a kyslík
iontová vazba	> 1,3	sodík a chlor

Jak jsme si vysvětlili, iontová vazba nespojuje atomy do molekuly. V plynném a kapalném skupenství se vzniklé ionty vydají každý svou cestou. V pevném skupenství zůstávají atomy pospolu a namísto molekul tvoří tzv. krystal. Typickou krystalickou látkou tvořenou ionty je např. chlorid sodný, neboli jedlá sůl, tvořená sodíkem a chlorem. Ve vodním prostředí se některé krystaly rozpouští a ionty se od sebe rozptýlí difuzí. Nedrží tedy pohromadě tak jako molekuly.

Videoukázka práce s tabulkou: