Chemické vazby

To, co vidíš kolem sebe, včetně tebe samé/ho, se skládá z atomů, ale ve většině případů se tyto atomy nepotulují jen tak osamoceně. Obvykle jsou nějak propojeny s jinými atomy (nebo skupinami atomů).

Atomy mohou být spojeny chemickými vazbami - přitažlivými silami, které je drží pohromadě tak, že tvoří molekuly nebo krystaly (a ještě taky molekulové ionty). Kromě toho atomy, molekuly a ionty na sebe navzájem působí ještě dalšími silami i když podstatně slabšími. Ty jsou dočasné a působí, když se k sobě tyto částice přiblíží. Třeba se srazí, nebo o sebe otřou. Chemické vazby i tyto slabé interakce, které vytvářejí dočasná propojení, jsou zásadní pro to, aby živé organismy, včetně člověka, fungovaly a mají tak vliv na existenci samotného života.

Proč vznikají chemické vazby? Základním důvodem je, že se atomy snaží dosáhnout nejstabilnějšího stavu (stavu s nejnižší energií), jaký je možný. Mnohé atomy jsou stabilní, když mají valenční slupku zcela obsazenou elektrony neboli když splňují oktetové pravidlo (tím, že mají osm valenčních elektronů). Pokud atomy toto uspořádání nemají, snaží se ho dosáhnout přijetím, ztrátou nebo sdílením elektronů v chemických vazbách.

Některé atomy se stanou stabilnějšími tím, že získají nebo ztratí elektron (nebo několik elektronů). Tím vytvoří ionty, neboli nabité částice. Tím, že se zbaví elektronů nebo je naopak získají v takovém počtu, aby měly zcela zaplněnou valenční elektronovou slupku, získávají stabilitu.

Rozlišujeme dva druhy iontů. Kationty jsou kladně nabité ionty, které mohou vzniknout ztrátou elektronů. Například atom sodíku ztrácí elektron a vzniká kation sodný, ${\text{Na}}^{+}$‍. Záporně nabité ionty vznikají přijetím elektronů a nazývají se anionty. Anionty pojmenováváme tak, že místo koncovky mezinárodního názvu prvku připojíme „-idový anion“: například anion chloru (${\text{Cl}}^{-}$‍) se nazývá chloridový anion.

Když jeden atom ztratí elektron a další atom získá elektron, tomuto ději říkáme přesun elektronu. Dobrým příkladem přenosu elektronů je reakce mezi atomy sodíku a chloru.

Sodík (Na) má pouze jeden elektron ve své elektronové slupce, je pro něj tedy jednodušší (a energeticky výhodnější) dát elektron, než hledat sedm dalších elektronů, kterými by slupku zaplnil. Sodík tedy má tendenci elektron ztrácet, a tak utvořit Na${}^{+}$‍.

Oproti tomu chlor (Cl) má ve vnější elektronové slupce sedm elektronů. Je pro něj tedy jednodušší jeden elektron získat, než sedm elektronů pozbýt, a tak typicky jeden elektron přijme a stane se z něj Cl${}^{-}$‍.

Když dojde ke spojení chloru a sodíku, sodík svůj elektron poskytne, čímž vyprázdní svou slupku, a chlor tento elektron přijme, čímž svou slupku zaplní. Oba ionty tak naplnily oktetové pravidlo. Počet elektronů již neodpovídá počtu protonů, a tak se atomy staly ionty a mají náboj +1 (Na${}^{+}$‍) a –1 (Cl${}^{-}$‍).

Obecně se dá říci, že ke ztrátě elektronu jedním atomem a nabytí elektronu druhým musí dojít zároveň. Aby atom sodíku mohl přijít o elektron, musí mít k dispozici příjemce - například atomu chloru.

Iontové vazby jsou vazby tvořené ionty s opačným nábojem. Například kladně nabité sodné kationty a záporně nabité chloridové anionty se vzájemně přitahují v krystalu chloridu sodného, neboli kuchyňské soli. Kuchyňská sůl, stejně jako všechny iontové sloučeniny, se neskládá pouze z jednoho kationtu a jednoho aniontu. Obsahuje mnoho a mnoho iontů uspořádaných do krystalové mřížky, kde se kationty a anionty pravidelně střídají.${}^1$‍

Některým iontům se ve fyziologii říká elektrolyty (například sodík, draslík, vápník). Tyto ionty jsou potřebné pro přenos nervových vzruchů, kontrakci svalů a rovnováhu vody v těle. Mnoho nápojů pro sportovce a doplňků stravy tyto ionty obsahuje, aby došlo k doplnění těch, které byly při cvičení pozbyty například pocením.

Jinou cestou, jak se atomy mohou stát stabilnějšími, je sdílení elektronů (místo toho získávat je či o ně přicházet) a tak vznik kovalentních vazeb. Kovalentní vazby jsou u molekul živých organismů běžnější než iontové vazby.

Kovalentní vazby jsou klíčové například pro organické molekuly založené na uhlíku, jako jsou například DNA a proteiny. Kovalentní vazby jsou také k nalezení v malých anorganických molekulách jako například ${\text{H}}_2\text{O}$‍, ${\text{CO}}_2$‍ a ${\text{O}}_2$‍. Atomy mohou sdílet jeden, dva nebo tři páry elektronů, což vede k jednoduchým, dvojným či trojným vazbám. Čím více elektronů atomy sdílí, tím silnější je jejich vazba.

Pojďme se podívat na příklad kovalentní vazby na vodě. Jedna molekula vody, ${\text{H}}_2\text{O}$‍, se skládá ze dvou atomů vodíku ve vazbě s jedním atomem kyslíku. Každý atom vodíku sdílí elektron s kyslíkem a kyslík sdílí jeden ze svých elektronů s oběma vodíky:

Sdílené elektrony rozdělují svůj čas mezi valenční slupky atomů vodíku a kyslíku, a každý atom tak jakoby má kompletní valenční slupku (dva elektrony pro H, osm pro O). Díky tomu je molekula vody mnohem stabilnější, než by byly samotné atomy, z nichž je složena.

Existují dva základní typy kovalentních vazeb: polární a nepolární. U polární kovalentní vazby jsou elektrony atomy sdíleny nerovnoměrně a tráví více času blíže jednomu atomu než druhému. Díky této nerovnoměrné distribuci elektronů mezi atomy různých prvků vznikají různé náboje, parciální kladný (δ+) či parciální záporný (δ–), v různých částech molekuly.

U molekuly vody (výše) je vazba mezi kyslíkem a každým vodíkem polární. Kyslík je mnohem elektronegativnější atom než vodík, což znamená, že sdílené elektrony přitahuje silněji, a kyslík tak má částečně záporný náboj (má vysokou elektronovou hustotu), zatímco vodíky mají částečný kladný náboj (nízkou elektronovou hustotu).

Obecně platí, že relativní elektronegativita obou atomů ve vazbě – tedy jejich tendence "přisvojovat" si sdílené elektrony – nám poví, zda je kovalentní vazba polární nebo nepolární. Kdykoli je jeden prvek podstatně elektronegativnější než ten druhý, vazba mezi nimi bude polární, což znamená, že na jednom konci bude mít parciální kladný náboj a na druhém parciální záporný náboj.

Nepolární kovalentní vazby vznikají mezi dvěma atomy téhož prvku nebo mezi atomy různých prvků, které sdílejí elektrony víceméně rovnoměrně. Například molekulární kyslík (${\text{O}}_2$‍) je nepolární, protože elektrony jsou mezi dvěma atomy kyslíku rozděleny rovnoměrně.

Další příklad nepolární kovalentní vazby bychom našli v metanu (${\text{CH}}_4$‍). Uhlík má čtyři elektrony ve vnější slupce a potřebuje čtyři další, aby dosáhl stabilního oktetu. Dosáhne ho tak, že elektrony bude sdílet se čtyřmi atomy vodíku, z nichž každý poskytne jeden elektron. Atomy vodíku zase potřebují jeden elektron navíc, aby zaplnily svou vnější slupku, a tak přijmou ke sdílení elektrony uhlíku. Ačkoli uhlík a vodík nemají stejnou elektronegativitu, jejich hodnoty se liší jen o málo, a tak jsou vazby uhlíku a vodíku považovány za nepolární. V dalších kapitolách si ukážeme, jak typy vazeb mohou ovlivňovat tvar výsledné molekuly.

Kovalentní a iontové vazby jsou obě typicky považovány za silné vazebné interakce. Mezi atomy a molekulami však mohou vznikat i jiné typy slabších vazebných interakcí. Dva typy slabších vazeb, se kterými se často setkáme v biologii, jsou vodíkové vazby a Londonovy disperzní síly.

Ne že bychom rádi přeháněli, ale realitou je, že bez těchto dvou typů vazeb by život, tak jak ho známe, vůbec nemohl existovat! Například vodíkové vazby umožňují mnoho životně důležitých vlastností vody a stabilizují struktury proteinů a DNA, jež jsou klíčové pro buňky.

U polárních kovalentních vazeb obsahujících vodík (např. vazba O-H v molekule vody) bude mít vodík parciální kladný náboj, protože elektrony ve vazbě jsou silněji přitahovány k druhému prvku. Díky tomuto parciálnímu kladnému náboji bude vodík přitahován k jakémukoli blízkému zápornému náboji. Této interakci říkáme vodíková vazba.

Vodíkové vazby jsou běžné a molekuly vody je utvářejí velmi často. Jednotlivé vodíkové vazby jsou slabé a lehce dojde k jejich přerušení. Když je jich ale více, celková struktura tím může být značně stabilizována.

Stejně jako vodíkové vazby jsou i Londonovy disperzní síly mezi molekulami relativně slabé. Na rozdíl od vodíkových vazeb však mohou vznikat mezi atomy a molekulami všech typů a závisí na dočasné nerovnováze v rozmístění elektronů.

Jak to celé funguje? Vzhledem k tomu, že elektrony jsou v neustálém pohybu, budou momenty, kdy se budou elektrony atomu či molekuly držet u sebe, a tak vytvářet částečně záporný náboj na jednom konci molekuly (a částečně kladný na tom druhém). Pokud je molekula s takovouto nerovnováhou nábojů v blízkosti jiné molekuly, může dojít k podobné redistribuci nábojů u druhé molekuly a dočasný kladný a záporný náboj těchto dvou molekul se budou navzájem přitahovat.${}^2$‍

Vodíkové vazby a Londonovy disperzní síly jsou příklady van der Waalsových sil, což je obecný termín pro intermolekulární interakce, které nezahrnují kovalentní vazby nebo ionty.${}^3$‍ Některé učebnice používají termín "van der Waalsovy síly" pouze pro Londonovy disperzní síly, dej si tedy pozor, jakou definici používá váš/vaše vyučující a učebnice, kterou ve třídě používáte.

Silné i slabé vazby hrají klíčovou roli v chemii našich buněk a těl. Například silné kovalentní vazby drží pohromadě chemické stavební kameny, které tvoří naši DNA. Slabší vodíkové vazby zase drží pohromadě obě části dvoušroubovice DNA. Tyto slabé vazby udržují DNA stabilní, ale také umožňují buňce DNA otevřít, zkopírovat a použít.

Obecněji řečeno se vazby mezi ionty, molekulami vody a polárními molekulami neustále utváří a přerušují ve vodním prostředí buňky. V tomto prostředí spolu mohou a budou molekuly různých typů vzájemně interagovat prostřednictvím slabých přitažlivých interakcí založených na náboji. Například ion Na${}^{+}$‍ může v jeden okamžik interagovat s molekulou vody a hned poté s částí bílkoviny se záporným nábojem.

Jak ohromně fascinující to je, že právě teď, v tenhle moment, v našem těle probíhají miliardy těchto interakcí chemických vazeb - slabých i silných stabilních i dočasných - a právě díky nim držíme pohromadě a fungujeme!