.:: Neviditelný čert ::.

Stavební kameny života II

rubrika: Populárně naučný koutek

Jak bylo řečeno, hlavním základním kamenem stavby organických molekul je uhlík, který tvoří jejich kostru.

Lucifer

Abychom alespoň laicky zhruba pochopili proč zrovna uhlík, musíme si krátce zopakovat, co nám o stavbě atomů říká kvantová fyzika. Atom zpravidla tvoří tři elementární částice: proton, neutron a elektron. Proton má elementární kladný náboj, elektron záporný a neutron je elektricky neutrální. Neutron má jen o malinko větší hmotnost než proton a elektron je skoro dva tisíce krát lehčí. Vzhledem k tomu, že protony a neutrony jsou namačkány v jádře, jehož poloměr je přibližně sto tísíc krát menší než poloměr atomu, okupují skoro celý objem atomu elektrony a mají hlavní vliv na jeho chemické chování. Obraťme tedy pozornost na elektrony.

První, co laika zřejmě napadne, proč elektrony nedopadnou do jádra a nezrekombinují s protony, když mají opačný elektrický náboj. Touhle otázkou se zabývali i fyzikové a odpověďi se dočkali až díky kvantové fyzice. Zjednodušeně řečeno: elektrony se mohou v atomech nacházet pouze v diskrétních energetických stavech, snaží se obsadit ten nejnižší, který je volný, a z tohoto stavu se mohou dostat jenom srážkou s jiným atomem či elementární částicí, nebo absorpcí fotonu. Pokud do nich nic dalšího nenarazí, spadnou zpět do nejnižšího možného stavu a přitom vyzáří foton, Základní energetické stavy nazýváme slupky, které jsou ještě rozštěpeny na podhladiny, kterým říkáme orbity. Štěpení je způsobeno kvantováním pohybového stavu elektronu. V první slupce může být jeden orbit, který se označuje písmenem s, ve druhé štyři orbity, jeden s a tři p, a pak se ty slupky začnou energeticky míchat. Skok elektronu z nejnižší hladiny na atomové jádro se z kvantově mechanických důvodů nikdy neuskuteční.

Je tady ještě jedno důležité pravidlo, které vyplynulo z kvantové fyziky. Nazývá se Pauliho vylučovací princip a praví, že v každém stavu se může nacházet pouze jeden elektron. Protože elektron má ještě dva vnitřní pohybové stavy, které byly z historických důvodů nazvány spinem, což v češtině znamená, že mohou rotovat jedním nebo druhým směrem. Tato představa je ovšem velmi silně přitažená za vlasy. Každý orbit tedy může obsahovat nejvýš dva elektrony. Jelikož se na elektron nedá dívat jako na tenisák, někdy se chová jako vlna a někdy jako částice, je nejlepší si představit orbit jako určitým způsobem zformovaný mrak s měnící se hustotou, která představuje pravděpodobnost, s jakou se může elektron někde nacházet. Orbit s vypadá jako koule, p jako činka a další pak mají složitější tvary. Orbity v nejvyšších slupkách, které jsou obsazeny jedním elektronem, mohou vytvářet s podobnými orbity jiného atomu molekulovou vazbu.

Uhlík má šest elektronů. Dva jsou v první slupce v orbitě s a čtyři ve druhé slupce, dva s a dva p. Protože se orbity každého typu nejdříve zaplňují po jednom elektronu, má uhlík ve vnější slupce dva nespárované elektrony typu p. Dalo by se tedy čekat, že uhlík bude tvořit pouze dvě molekulové vazby, ale kupodivu tvoří čtyři. To se vysvětluje tím, že dochází k byhridizaci s a p, což si názorně můžeme představit tak, že se jeden elektron z orbitu s přesune do třetího orbitu p. Ve skutečnosti však všechny čtyři elektrony tvoří jeden typ vazebného orbitu zvaný sp3. Tato vazba má neuvěřitelné schopnosti a proto se na ni podívejme zblízka.

Základní jednotkou organické molekuly nebývá jeden uhlík, nýbrž skupina šesti uhlíkových atomů seřazených do podoby prstence. Nazývá se benzenový prstenec, protože u nejjednodušší molekuly tohoto typu je na každý uhlík navázán jeden vodík a výsledek se jmenuje benzen. Protože každý uhlík má volný pouze jeden elektron a tvoří se sousedními atomy pouze dvě vazby, musí být jedna dvojná. V benzenovém prstenci by se tedy měly střídat jednoduché a dvojné vazby. Ve skutečnosti se však všechny vazební elektrony homogenně rozprostřou kolem prstence, čemuž se říká rezonanční hybridizace a výsledkem je, že dostáváme nejpevnější chemickou vazbu v celém vesmíru, což se nejlépe projeví tak, když se místo vodíku na každý prstenec naváže v jedné rovině další prstenec atd., až vznikne nejtenčí a nejpevnější materiál na světě, kterému se říká grafen. Atomy uhlíku jsou vázány pevněji než v diamatu, ovšem narozdíl od diamantu pouze v rovině.

Grafen je známý už delší dobu a budete se asi divit, jeho destičky jsou napěchovány do grafitu. Teď si jistě řeknete: safra, a to má být nejpevnější materiál? Tužka? Vždyť ji za chvíli vyčmárám na papír a nebo polámu. Vtip je v tom, že jednotlivé destičky se přitahují pouze slabou van der Waalsovou sílou a dají se snadno od sebe oddělit. Něco jiného však vznikne, když se dostatečně velká destička smotá do nanotrubičky a ty trubičky spleteme do lana. Tenké nanotrubicové lano bude stejně pevné jako mnohokrát tlustější lano ocelové. Dva fyzikové, André Geim a Konstantin Novoselov, však teprve nedávno dokázali vyrobit grafen samostatně a ukázali, že má neobyčejně dobré elektrické a tepelné vlastnosti, které se dají uplatnit v mikroelektronice. Za tento objev byli odměněni Nobelovou cenou.

Tohle dokáže pouze uhlík. Menším chybí dostatečný počet elektronů a větší, které by to mohly napodobit, mají zase složitěji propletené hladiny. Zajímavé je, že krátce před udělením Nobelovy ceny jsem objevil v jednom odborném časopise článek o grafenu, ve kterém byl objev Geima a Novoselova vzpomenut. Chtěl jsem tady o tom napsat krátkou poznámku, ale nakonec jsem to nechal plavat. A to je škoda. Mohl jsem vypadat jako věštec. Tím bych tento díl ukončil a o molekulách, kterým vděčíme za život, si povíme ve třetím a doufám posledním díle.