Hmota, atomy a prvky

Z čeho se skládá tvoje tělo? Možná tě nejdříve napadne, že se skládá z různých orgánů, tedy například ze srdce, plic, žaludku atd., díky kterým tvé tělo funguje. Nebo se můžeš podívat o úroveň dál a říct si, že se tvé tělo skládá z různých typů buněk. Nakonec se ale dostaneš k tomu, že se tvé tělo - a vlastně vše živé i neživé - skládá z atomů, které jsou uspořádány do větších seskupení - ve většině případů tvoří molekuly, ale mohou to být také molekulové ionty, když jsou nabité.

Atomy, molekuly i ionty se řídí fyzikálními a chemickými zákony, a to i tehdy když jsou součástí většího celku - třeba lidské bytosti. V chemii se učíme, že některé atomy snadno získávají či naopak ztrácí elektrony nebo vytváří mezi sebou vazby. To platí i když jsou atomy součástí živého organismu. Jednoduché interakce mezi atomy, ke kterým dochází často a které se dějí v mnoha různých podobách, ať už na úrovni jedné buňky či většího organismu, jsou dokonce tím, co umožňuje náš život. Dalo by se říci, že celý tvůj organismus, dokonce i tvé vědomí, je jen vedlejším produktem chemických a elektrických interakcí mezi ohromným množstvím neživých atomů!

Taková neuvěřitelně zajímavá a složitá bytost jakou jsi, složená ze zhruba 7 000 000 000 000 000 000 000 000 000 atomů, se nejspíš bude chtít o základech chemie dozvědět víc, pochopit tak další obor - biologii a porozumět světu jako takovému!

Termín hmota vyjadřuje cokoli, co zabírá nějaký prostor a má nějakou hmotnost. Je to tedy "to", z čeho se skládá vesmír. Všechna hmota je složená z atomů různých druhů. Těmto druhům atomů říkáme prvky. Každý prvek má zvláštní chemické a fyzikální vlastnosti a tyto prvky se nedají dále rozložit na další látky běžnými chemickými reakcemi. Příkladem prvku je třeba zlato, nebo taky uhlík. Prvků existuje 118, jen 92 z nich se ale vyskytuje v přírodě. Ostatní prvky byly vytvořeny v laboratořích a jsou nestabilní.

Každý prvek má nějaký svůj symbol, jakousi zkratku - jedno velké písmenko, nebo v případě, že je toto písmenko už "zabrané", tak dvě písmena, druhé malé. Některé zkratky prvků jsou odvozeny od jejich mezinárodních názvů, například uhlík má značku C odvozenou od Carboneum, vápník Ca odvozenou od Calcium, řada mezinárodních i českých názvů vznikla podle výskytu prvků. Přestože kyslík (O - podle oxygenium) se vyskytuje i v mnoha jiných látkách a není kyselý, dostal jméno kyslík podle toho, že tvoří některé kyseliny.

Čtyři prvky, které najdeme ve všech živých organismech, jsou kyslík (O), uhlík (C), vodík (H) a dusík (N). Tyto čtyři prvky z 96 % tvoří lidské tělo. V neživé přírodě prvky nalezneme v různých poměrech. Některé prvky, které jsou běžné pro živé organismy, jsou přitom na planetě Zemi celkově spíše vzácné. Pro všechny prvky a chemické reakce mezi nimi platí stejné chemické a fyzikální zákony nehledě na to, jestli jsou součástí živého nebo neživého celku.

Atom je nejmenší částice hmoty, která si zachovává všechny chemické vlastnosti prvku. Například taková zlatá mince je zkrátka velké množství atomů zlata ve tvaru mince (je potřeba dodat, dokonale čistý prvek není možné vyrobit, vždy tam bude malé množství atomů dalších prvků). Atomy zlata nemohou být dále rozloženy na žádnou menší částici bez toho, aby přišly o vlastnosti zlata. Atom zlata tyto vlastnosti má díky ještě menším částicím, ze kterých je složen.

Atom se skládá ze dvou částí. První je maličké atomové jádro, které je středem atomu a obsahuje kladně nabité částice, kterým se říká protony, a neutrální částice bez náboje, kterým se říká neutrony. Druhá část je mnohem větší, je to jakýsi “oblak” elektronů, což jsou záporně nabité částice, které se pohybují kolem jádra. Přitažlivost mezi kladně nabitými protony a záporně nabitými elektrony drží obal a jádro dohromady. Většina atomů obsahuje všechny tyto tři typy subatomárních částic—protony, elektrony a neutrony. Vodík (H) je výjimka, protože má většinou jeden proton a jeden elektron a žádný neutron. Počet protonů v jádru určuje, o jaký prvek jde, zatímco počet elektronů v obalu rozhoduje o tom, v jakých chemických reakcích bude vystupovat. Tyto tři typy částic, říkáme jim elementární částice, si můžete prohlédnout na obrázku - vidíme náčrt atomu hélia, které má vždy dva protony.

Protony a neutrony nemají stejný náboj, mají ale přibližně stejnou hmotnost, cca $1,67·{10}^{-24}$‍ gramů. Gramy ale nejsou v tomto případě příliš vhodná jednotka, jelikož se jedná o velice lehké substance, a tak vědci určili alternativní měřítko, a to atomovou hmotnostní jednotku (amu) nebo se také používá, hlavně v biologii dalton. Jeden neutron i jeden proton má váhu přibližně 1 amu. Elektrony jsou mnohem lehčí než protony, mají cca jen 1/1800 atomové hmotnostní jednotky, a tedy nemají takový vliv na celkovou hmotnost prvku. Na druhou stranu ale elektrony velmi ovlivňují celkový náboj atomu, protože každý elektron má jeden záporný náboj. Velikost tohoto náboje se rovná velikosti kladného náboje protonu. U neutrálních atomů je počet elektronů v obalu roven počtu protonů uvnitř jádra. Kladné a záporné náboje se v tomto případě navzájem vyruší takže takový atom je ve výsledku bez náboje.

Protony, neutrony a elektrony jsou velmi malé a většina objemu atomu - více než 99 % - je prázdný prostor. Když si vezmeme, že je tam tolik prázdného prostoru, možná nás napadne, proč sebou objekty nedokáží navzájem procházet. Je to tím, že negativně nabité elektronové obaly atomů se navzájem odpuzují, když se příliš přiblíží a to tomuto pronikání brání.