Molekuly a sloučeniny

Atomy jsou nejmenší částice hmoty, které si zároveň zachovávají elementární vlastnosti daného chemického prvku. Studium chemie se však do velké míry zabývá tím, co se děje, když se atomy jednoho prvku kombinují s atomy jiného prvku a vznikají tak sloučeniny. Sloučeninu drží pohromadě chemické vazby. Stejně jako atom drží pohromadě elektrická přitažlivost mezi kladně nabitým jádrem a záporně nabitými elektrony kolem něj (kromě v jádru působící jaderné síly), i stabilita chemických vazeb stojí na elektrické přitažlivosti. Můžeme si to dále přiblížit na dvou základních typech chemických vazeb - kovalentních a iontových. U kovalentních vazeb dva atomy sdílí páry elektronů, zato u iontových vazeb se elektrony zcela přesunou od jednoho atomu k druhému, a tak dochází ke vzniku iontů. Pojďme se na oba typy vazeb podívat blíže.

O kovalentní vazbě mluvíme, když dva atomy sdílejí elektronový pár, případně více párů. Stabilita kovalentní vazby je dána tím, že dané dva atomy při sdílení elektronů mají nižší energii, než kdyby je nesdílely.

Když se atomy spojí tak, že vzniknou kovalentní vazby, výslednému seskupení atomů se říká molekula. Můžeme tedy říci, že molekula je nejmenší jednotka kovalentní sloučeniny. Jak dále uvidíme, existuje mnoho různých způsobů, jak molekulu zakreslit.

Chemický vzorec je nejjednodušším způsobem, jak zapsat složení molekuly. V chemických vzorcích používáme zkratky prvků z periodické tabulky, a tak vyjadřujeme, které prvky se ve sloučenině nacházejí, a dále čísla v pravém dolním indexu, kterými vyjadřujeme, kolik prvku je v molekule obsaženo. Například jedna molekula NH${}_3$‍, čpavku, obsahuje jeden atom dusíku a tři atomy vodíku. Jedna molekula N${}_2$‍H${}_4$‍, hydrazinu, obsahuje dva atomy dusíku a čtyři atomy vodíku.

Opakování: Chemický vzorec kyseliny octové běžně se nacházející v octu je C${}_2$‍H${}_4$‍O${}_2$‍. Kolik atomů kyslíku obsahují tři molekuly kyseliny octové?

Když budeš ve studiu chemie pokračovat, časem zjistíš, že chemici složení molekul zapisují různými způsoby. Například jsme teď viděli sumární, neboli souhrnný vzorec kyseliny octové, tedy C${}_2$‍H${}_4$‍O${}_2$‍, často se ale můžeme setkat i se zápisem CH${}_3$‍COOH. Druhý typ zápisu se používá, protože tak snáze zjistíme, jaká je struktura molekuly kyseliny octové. Tomuto typu zápisu se říká racionální strukturní vzorec. CH${}_3$‍COOH je užitečná kombinace sumárního vzorce a strukturního vzorce, na který se podíváme dále, a má oproti němu jednu výhodu: dá se v počítači napsat do jednoho řádku, a i tak je z něj chemikům jasné, jak jsou atomy uspořádány.

Sumární vzorce nám říkají jen to, kolik atomů kterého prvku se v molekule nachází. Strukturní vzorce nám ale také dávají informaci o tom, jak jsou atomy propojené, případně i orientované v prostoru. U strukturních vzorců zakreslujeme kovalentní vazby, které atomy spojují. V poslední části jsme se podívali na sumární vzorec čpavku - NH${}_3$‍. Teď se podíváme na jeho strukturní vzorec:

Na obou těchto strukturních vzorcích vidíme, že centrální atom dusíku je spojený s atomy vodíku jednoduchou kovalentní vazbou. Mysleme však na to, že atomy a molekuly, stejně jako všechno ve vesmíru, jsou trojrozměrné - mají délku, šířku a hloubku. U strukturního vzorce vlevo vidíme jen dvojrozměrný zákres molekuly. Napravo pak máme podrobnější strukturní vzorec, kde vidíme přerušovanou čáru, která vyjadřuje, že atom vodíku nejvíce napravo směřuje za rovinu obrazovky, zatímco klínek jako vazba značí, že atom vodíku leží před rovinou obrazovky. Dvě tečky u značky N atomu dusíku značí, že je tu ještě volný elektronový pár, který není součástí žádné kovalentní vazby. O důležitosti těchto elektronů se ještě pobavíme na konci. Abychom si trojrozměrný tvar znázornili ještě přesněji, můžeme využít kuličkový (kalotový) model nebo tyčkový model. Oba si teď ukážeme:

Na obrázku vlevo vidíme kalotový model čpavku. Atom dusíku je tu znázorněn jako větší modrá koule uprostřed a tři atomy vodíku jsou tu znázorněny jako menší bílé koule po stranách tvořící jakousi trojnožku. Celkový tvar molekuly je pyramidový - dusík je na vrcholu a trojúhelníková báze je tvořeny atomy vodíku. Jak se dále při studiu tvarů molekul a molekulární geometrie dozvíte, tomuto typu se říká trojboká (trigonální) pyramida. Hlavní výhodou kalotového modelu je, že díky němu máme lepší představu o relativní velikosti různých atomů - dusík má větší atomový poloměr než vodík.

Na obrázku vpravo vidíme kuličkový model čpavku. Jak asi tušíte, kuličky znázorňují atomy a tyčinky spojující kuličky pak znázorňují kovalentní vazby mezi atomy. Výhodou tohoto typu modelu je, že vidíme i kovalentní vazby, a tedy máme lepší představu o geometrii molekuly.

Když už teď víme, co jsou kovalentní vazby, můžeme se podívat na další důležitý typ chemických vazeb, a to iontovou vazbu. Na rozdíl od kovalentní vazby, kde atomy sdílí elektornové páry, se iontové vazby tvoří tak, že se opačně nabité ionty navzájem přitahují. Abychom si to lépe představili, pojďme se nejdříve blíže podívat na strukturu a utváření iontů.

Připomeňme si, že neutrální atomy mají stejný počet protonů a elektronů, důsledkem čehož celkový kladný náboj protonů vyruší celkový kladný náboj elektronů, a atom samotný tak má celkový náboj nula.

Pokud však atom získá nebo ztratí elektrony, rovnováha mezi protony a elektrony je narušena a atom se stane iontem, který má nenulový náboj. Nejdříve se podíváme, co se stane, když neutrální atom přijde o elektron.

Na uvedeném obrázku vidíme neutrální atom sodíku, Na, který přišel o elektron. Výsledkem je ion sodíku, Na${}^{+}$‍, který má 11 protonů, ale pouze 10 elektronů. Ion sodíku tak má náboj 1+, a jedná se tak o kation—kladně nabitý ion. Nazývá se sodný kation.

Dále se podíváme na vznik aniontu - iontu se záporným nábojem.

Na tomto obrázku vidíme opačný děj oproti tomu, co jsme viděli u atomu sodíku. Zde neutrální atom chlóru získává elektron. Výsledkem je, že nově vzniklý ion chloru, Cl${}^{-}$‍, má 17 protonů a 18 elektronů. Jelikož mají elektrony náboj 1-, celkový náboj bude 1-. Stal se tak aniontem, záporně nabitým iontem. Nazývá chloridový anion.

Poznámka: Když neutrální atomy získají elektron(y) a vytvoří anionty, iontové sloučeniny, ve kterých se vyskytují mají v názvu odpovídajícímu druhu aniontu koncovku -id. Například chlorid - Cl${}^{-}$‍, bromid Br${}^{-}$‍, apod. Název samotného iontu vytvoříme z kořene mezinárodního názvu přidáním -idový anion, např. sulfidový anion.

V poslední části jsme se podívali na to, jak může sodík ztratit elektron a utvořit kation Na${}^{+}$‍ a jak může chlór získat elektron a utvořit anion Cl${}^{-}$‍. Ve skutečnosti ale tento proces proběhne v jediném kroku, kdy sodík svůj elektron předá chlóru! Můžeme si to ukázat takhle:

Vidíme tu, jak se elektron přenesl ze sodíku k chloru za vzniku iontů Na${}^{+}$‍ a Cl${}^{-}$‍. Jakmile tyto ionty vzniknou, je mezi nimi silná elektrostatická přitažlivost, která vede ke vzniku iontové vazby. Jedním ze základních rozdílů mezi iontovými a kovalentními vazbami je, že u iontových vazeb dojde k úplnému přenosu, zatímco u kovalentních vazeb jsou elektrony sdíleny.

Poznámka: Až se dozvíte o vazbách více, zjistíte, že ve skutečnosti není rozlišení na kovalentními a iontové vazby buď a nebo a že tyto dva typy vazeb jsou spíše dva extrémy na spojité škále. Čistě iontovou vazbu si můžeme představit tak, že jsou v ní sdílené elektrony rozmístěny zcela nerovnoměrně, zatímco čistě kovalentní vazba má sdílené elektrony rozmístěny rovnoměrně. Ve skutečnosti pak většina chemických vazeb leží někde mezi těmito dvěma případy.

Podíváme se teď na různé způsoby, jak zapsat či zakreslit iontové vazby. Ukážeme si to na nejznámější iontové sloučenině - chloridu sodném známém také jako sůl. Iontová vazba chloridu sodného může být zapsána takto:

Pozitivně nabitý kation sodíku a negativně nabitý anion chloridu se rádi staví vedle sebe právě působením elektrostatické přitažlivosti. Nedochází tu ke sdílení elektronů, a tak tu neznázorňujeme iontovou vazbu čárou, jako bychom to dělali v případě kovalentních vazeb. Zkrátka víme, že přitažlivost je tu působena opačnými znaménky iontů.

Na obrázku nahoře je však pouze model. V přírodě chlorid sodný neexistuje jako jeden kation sodíku spojený s jedním aniontem chloridu. Jak jsme už zmínili, chlorid sodný je kuchyňská sůl. Pokud bychom se mohli kouzelným mikroskopem zblízka podívat na kuchyňskou sůl na úrovni atomů, viděli bychom podobnou strukturu jako tady:

Na obrázku můžeme vidět, že ionty Na${}^{+}$‍ a Cl${}^{-}$‍ se přirozeně staví vedle sebe, protože sdílí elektrostatickou přitažlivost. Ionty na jejich místě udržují silné iontové vazby. Struktura nahoře je známá jako "krystalová mřížka" a chlorid sodný, stejně jako většina iontových sloučenin, je krystal. Více se o tomto dozvíte v dalších lekcích o různých typech pevných látek.

Když jsme si uvedli základy kovalentních a iontových vazeb, měli bychom se podívat na některé základní rozdíly. Víme, že skupině atomů spojených pouze kovalentními vazbami se říká molekula. Zároveň bychom ale měli vědět, že slovo molekula by se mělo používat pouze pro kovalentní sloučeniny. U iontových sloučenin, jako například chlorid sodný, neexistuje nic takového jako jediná molekula chloridu sodného, protože ve skutečnosti je chlorid sodný složen z mnoha iontů sodíku a chloridu ve velké krystalové mřížce - jako jsme to viděli na předchozím obrázku. Na NaCl bychom tedy neměli nahlížet jako na molekulu, ale jako na vzorcovou jednotku. Pamatujme si, že samotné vzorcové jednotky, na rozdíl od samotných molekul, neexistují v přírodě.

Opakování: Který typ vazeb se utváří molekuly? Iontové vazby nebo kovalentní vazby?

Všechny chemické vazby jsou způsobeny elektrostatickou přitažlivostí. Když se atomy chemickými vazbami shlukují, utváří jedinečné struktury složené ze dvou či více atomů. Pokud je takto vázáno více atomů různých prvků, jde o sloučeniny. Základní složení sloučeniny můžeme popsat chemickým vzorcem. Chemický vzorec využívá zkratky z periodické tabulky a díky nim nás informuje, jaké prvky jsou v dané sloučenině obsaženy. Zároveň chemický vzorec obsahuje i čísla zapsaná v pravém dolním indexu, díky čemuž víme, kolik kterého prvku sloučenina obsahuje.

Sloučeniny mohou být kovalentní či iontové. U kovalentních sloučenin atomy tvoří kovalentní vazby skládající se z elektronových párů sdílených dvěma přilehlými atomovými jádry. Příkladem kovalentní sloučeniny je čpavek. Chemický vzorec čpavku je NH${}_3$‍. Víme tedy, že v molekule čpavku je jeden atom dusíku a tři atomy vodíku. Struktura kovalentní vazby může být znázorněna kalotovým nebo kuličkovým modelem.

U iontových sloučenin se elektrony přesunují z jednoho atomu do druhého, a dochází tak k vytváření kationů - pozitivně nabitých iontů - a aniontů - negativně nabitých iontů. Silná elektrostatická přitažlivost mezi sousedícími kationty a anionty se nazývá iontová vazba. Nejběžnějším příkladem iontové vazby je chlorid sodný, NaCl, typicky známý jako sůl. Na rozdíl od kovalentních vazeb u těch iontových nehovoříme o molekulách. Je to proto, že NaCl v přírodě neexistuje jako jednotlivé složky, ale pouze ve formě krystalické mřížky, která se skládá z několika Na${}^{+}$‍ a Cl${}^{-}$‍ iontů, které se přesunují v prostoru. Chemický vzorec NaCl znamená, že se jedná o jednu jednotku této sloučeniny.