Prečo je všetko chémia?

27.08.2006 14:00
chrípka, pandémia, skúmavka, vedec, doktor
ilustračné foto Autor: ,

V priebehu niekoľkých storočí sa chémia zmenila z umenia modifikovať zloženie látok, prípadne pozorovania, ako sa spontánne menia, na vedu o molekulách a ich cielenej transformácii, teda zmene. Na to, aby sme ju vedeli využívať, potrebujeme poznať vlastnosti molekúl a ich vzájomné pôsobenie. A keďže okolo nás sa všetko stále mení, zvádza nás to k tvrdeniu, že všetko je chémia. Nie je to celkom tak

Podoby chemických zlúčenín

Chémia neostáva len za dverami laboratórií, je všade okolo nás. Sú oblasti, v ktorých kladie chémii otázky biológia. Prečo je zebra pruhovaná? Prečo a ako sú kvety krásne sfarbené? Kedy a ako vznikajú nádherné vzory na krídlach motýľov? Odpovede na ne dávajú spoločne biochémia, molekulárna biológia, genetika alebo bioorganická chémia.

V 20. storočí platilo, že chémia je veda, ktorá študuje zloženie látok tvoriacich náš svet a skúma zmeny, ktorým tieto látky podliehajú. O chémii 21. storočia môžeme veľmi zhustene povedať, že je to veda o molekulách a ich transformácii. Prečo sa tieto dve definície odlišujú? Súvisí to s úlohou, ktorú hrajú v prírodných vedách matematika a najmä fyzika. Na spoznávanie vlastností molekúl nutne potrebujeme základné poznatky z matematiky a fyziky. S ich pomocou vieme zobraziť aj také krásne štruktúry, ako sú modely molekúl, chemických väzieb alebo elektrónových hustôt, ktoré s týmito väzbami súvisia.

Chémia? To je všetko okolo nás
Chémia? To je všetko okolo nás Autor: Marek Velček

V priebehu 20. storočia sa tradičná predstava chemika v bielom plášti výrazne zmenila. Už to nie je obraz postavičky, ktorá sa zdržuje výhradne v laboratóriu obložená skúmavkami, bankami či kadičkami a varí alebo destiluje čosi nad Bunsenovým kahanom, prípadne vyrába svojimi pokusmi okázalé svetelné efekty. Tento obraz možno zo zotrvačnosti prežíva v scenároch filmárov, ale nie v skutočnosti. Chemik 21. storočia trávi čoraz viac času pri počítači alebo pri zložitých meracích aparatúrach. Množstvá, s ktorými chemici pracujú, sa niekoľkonásobne znížili, takže skôr ako s bankami či kadičkami sa stretneme s maličkými kyvetami alebo dokonca s chémiou na čipe. Podľa toho, čo dnešný chemik skúma, sa chémia rozvetvila – diverzifikovala – na užšie disciplíny: anorganickú, organickú, analytickú, fyzikálnu, teoretickú, jadrovú, forenznú (kriminalistickú), environmentálnu či biochémiu alebo geochémiu. A to som určite nevymenoval všetky, pretože prepletanie chémie s príbuznými vedami sa nezastaví a možno už zajtra sa zrodí ďalšia ?ná alebo ?ká chémia. Ak vyslovíte názov alebo vzorec chemickej zlúčeniny, z desiatich chemikov si skoro každý vybaví svoju predstavu jej modelu.

Každá (zložitejšia) molekula je „osobnosťou mnohých tvárí“, do ktorej sme zaočkovali problém chemickej väzby. Každá molekula sa môže javiť ako „skratka“ vyjadrená strohým vzorcom, schematickou štruktúrou, trojrozmernou schémou alebo ako pekne vyfarbený obrázok, ktorý poskytne počítačová chémia. Molekuly, ktoré sú dôležité pre živé organizmy, môžu nadobúdať pre chémiu nebývalé rozmery, sú sto? až desaťtisíckrát väčšie ako povedzme molekula vody.

Jednou z najčastejších chemických reakcií sú tzv. oxidačno?redukčné, ktoré nás sprevádzajú od čistenia zubov po opravu plota na záhrade. Ich základom je afinita atómov alebo molekúl k elektrónom, čiže ochota/neochota uvoľniť ich. Železo na (vlhkom) vzduchu tvorí kladne nabité častice – ióny – Fe2+ až Fe3+ a stráca elektróny. Na vzniku hrdze sa podieľa aj oxid uhličitý, ktorý vo vzdušnej vlhkosti účinkuje ako H2CO3, čiže zdroj H+. Tieto ióny spolu s uvoľňovanými elektrónmi a kyslíkom dávajú vodu. Príčina problému so železom spočíva v tom, že jeho oxid je veľmi „deravý“, pórovitý, takže korózia ľahko preniká do vnútra kovu. Iné kovy sa správajú „spôsobnejšie“, hovoríme, že sú ušľachtilejšie ako železo. Napríklad meď, zinok, hliník, striebro, zlato.

Aj baterka funguje na princípe oxidácie a redukcie. V tomto prípade sa vhodný kov rozpúšťa, čiže zbavuje elektrónov za vzniku kladne nabitých iónov. V baterke potrebujeme mať jednu kovovú elektródu – anódu, ktorá sa rozpúšťa, a druhú elektródu – katódu, na ktorej sa zachytávajú vzniknuté ióny kovu. V lítiovej suchej batérii, čo je jeden z najnovších modelov batérie, každý atóm lítia na anóde stráca po jednom elektróne a stáva sa pohyblivým. Ak spojíme vonkajší elektrický obvod, napr. zapneme mobil, nastáva sťahovanie nabitých častíc. Elektróny sa cezeň odsťahujú na katódu. Aj katióny Li+ putujú ku katóde, ale vodivým polymérom, ktorému sa hovorí suchý elektrolyt. Na začiatku používania batérie je atómov lítia viac ako iónov, hovoríme, že batéria je nabitá, čo vidíme aj na displeji mobilu. Po čase stúpne množstvo Li+ natoľko, že v baterke nastane tlačenica a lítium na anóde už nemá priveľa šancí rozpúšťať sa. Hovoríme, že batéria sa blíži vybitému stavu. A váš mobil prestáva fungovať.

Čo je na suchej lítiovej batérii zaujímavé? Dá sa znova nabiť. Ak namiesto mobilu vložíme vonkajší zdroj elektrického napätia, obrátime tok elektrónov. Dôsledkom je návrat Li+ na anódu, hovoríme, že ióny Li+ sa redukujú.

Aj dýchanie je chémia

Plomba je zliatina cínu, striebra a ortuti a pri styku s hliníkovou vidličkou, ktorá uvoľní elektróny, vnímame nepríjemný pocit. Naše nervy v koreni a okolo krčka zubanemajú rady elektrický prúd. Opačne je to pri styku s ušľachtilým kovom, ako je zlato. Cín v porovnaní so zlatom ochotnejšie „pustí“ elektróny, z atómu Sn sa tvoria katióny Sn2+ a tie sa uvoľnia do slín, plomba sa rozpúšťa. Reakcia je podporovaná v kyslom prostredí. Aj preto musia budúci zubári absolvovať skúšku z chémie!

Chémia neostáva len za dverami laboratórií, je...
Chémia neostáva len za dverami laboratórií, je všade okolo nás. Autor: Marek Velček

Osmóza a osmotický tlak sú príkladom využitia poznatkov fyzikálnej chémie. Obal bunky živých organizmov tvorí polopriepustná priehradka – membrána. Predstavme si dva zásobníky, jeden s vodou a jeden so soľným roztokom, oddelené stenou. Ak stenu nahradíme membránou, ktorá prepúšťa len vodu, po čase sa presťahuje do pravej priehradky toľko vody, aby sa vyrovnali počty molekúl vody v oboch zásobníkoch. Tlak, ktorý by sme museli vyvinúť, aby sme ju „vrátili“, sa nazýva osmotický. Ako súvisí reďkovka a osmotický tlak? Keď si kúpime čerstvú viazaničku a necháme ju v kuchyni pár dní, začne sa scvrkávať. Osmóza nám čiastočne pomôže reďkovku občerstviť. Stačí ju na polhodinku namočiť do vody. V krajinách chudobných na vodné zdroje je zasa obrátená (reverzná) osmóza hlavným dodávateľom pitnej a úžitkovej vody.

V siedmej triede na ZŠ nám učiteľ biológie položil otázku: „Čo je podstatou dýchania?“ Správnu odpoveď nám vysvetlil na základe chemickej rovnice spaľovania cukrov. Pravda, v ľudskom tele táto reakcia neprebieha priamo, ale je dlhou kaskádou postupných reakcií spojených s uvoľnením maličkých množstiev energie, aby sa naše telo nezavarilo. Krvné farbivo, hemoglobín, putuje v našich cievach. Obsahuje štyri dlhé zvinuté reťazce, v každom sa nachádza skupina atómov nazývaná hém. Jej dôležitou časťou je hviezdicovitá molekula – porfyrínové jadro v strede s atómom železa, ktorému chýbajú dva elektróny. Hovoríme, že stred hému je elektrón? deficitný. Na tento stred sa naviaže molekula kyslíka a vzniká oxyhemoglobín. Oxyhemoglobín sa krvou dostane do každej bunky a kde je to potrebné, zbaví sa kyslíka a spustí reakciu uvoľňovania energie pre naše telo.

So stúpajúcou nadmorskou výškou klesá podiel kyslíka vo vzduchu, a teda aj v krvi. Expediční horolezci zvyčajne potrebujú viacdňovú postupnú aklimatizáciu, aby sa zbavili tzv. výškovej choroby, ktorá je spôsobená jeho nedostatkom. Prejavuje sa bolesťami hlavy, závratmi a slabosťou. Ľudia žijúci vo veľkých výškach, napr. šerpovia v Himalájach alebo peruánski Indiáni v Andách, nemajú také ťažkosti ako väčšina horolezcov prichádzajúcich do veľhôr. Krv ľudí žijúcich vo veľkých výškach je prispôsobená nižšiemu tlaku kyslíka.

Doc. RNDr. Ivan Černušák, DrSc. (1952)

Absolvent Prírodovedeckej fakulty UK (PriF UK), odbor chémia (1976), CSc. 1984, habilitácia 1995, DrSc. 2002. Od r. 1981 pracuje na Katedre fyzikálnej a teoretickej chémie PriF UK. Zaoberá sa presnými kvantovochemickými výpočtami vlastností molekúl, ich interakcií a modelov chemickej reaktivity. V rokoch 1984?1985 pôsobil ako štipendista DAAD v ústave Maxa Plancka pre Astrofyziku v Garchingu pri Mníchove. Absolvoval viaceré pracovné pobyty na univerzitách v zahraničí (University of Florida, University of Vienna, University of Exeter, Karl?Franzens University Graz, Max?Planck Institute for Astrophysics Garching, Nicolaus Copernicus University Toruń). V r. 1997 získal prestížne štipendium Fulbrightovej komisie a pracoval pol roka na University of Maryland, Baltimore, USA. Je spoluautorom kapitoly v monografii Correlation effects in molecules, dvoch skrípt UK a spoluautorom 69 publikácií. V súčasnosti pôsobí na PriF UK ako učiteľ, od r. 2003 je prodekanom pre rozvoj a informačné technológie. Je spoluriešiteľom viacerých domácich a zahraničných výskumných projektov v teoretickej a počítačovej chémii.

duk-profilova-prednasajuci
DUK 2008 obálka
DUK 2008 obálka

Článok vznikol na základe prednášky uskutočnenej v rámci projektu Detská univerzita Komenského. Vydavateľstvo PEREX z každého ukončeného ročníka vydáva zborník vo forme pestro ilustrovanej knižky sumarizujúcej obsah prednášok z daného ročníka. Knižka z prvého ročníka (2003) je už vypredaná, vydania z ročníkov 2004, 2005, 2006, 2007 a 2008 si môžete objednať za cenu 5€ (151 Sk) + poštovné na tel. čísle 02/4959 6270 od 8. do 14. hodiny, alebo emailom na adrese predplatne@pravda.sk.

Sleduj najnovšie články na našom Facebooku
Ponuky zo Zľavy.Pravda.sk