Najhoršie na štandardnom obrázku atómu je, že v nás vyvoláva úplne nesprávne predstavy o tom, ako vlastne atóm vyzerá. Najlepšie na ňom je, že keby sme tento otrepaný obrázok toľkokrát nevideli, naše predstavy o atómoch by boli často ešte oveľa nesprávnejšie.
No schválne, skúsme si predstaviť, ako by sme si predstavovali atómy zlata alebo síry, nebyť tohto obrázku. Nuž, asi by sme si ich predstavovali ako najmenšie možné kúsky zlata či síry. A tieto najmenšie kúsky by v našich predstavách zrejme mali základné vlastnosti zlata a síry. Atómy zlata by sme si zrejme predstavovali – či už vedome, alebo podvedome – ako niečo ligotavé. Atómy síry zase ako niečo malé, žlté a smradľavé. Možno len trošku smradľavé, lebo veď atómy sú fakt maličké, ale predsa len o čosi smradľavejšie, ako atómy drahých kovov.
Vďaka onomu notoricky známemu obrázku si však atómy zlata aj síry väčšinou predstavujeme celkom inak. Predstavujeme si ich ako elektróny krúžiace okolo jadier. Táto predstava je oveľa správnejšia, ale intuitívne je úplne neprirodzená. Naozaj, veď ako sa môžu všelijaké rôznorodé látky skladať z atómov, ktoré sú v nejakom zmysle všetky rovnaké?
.atómové čísla
Odpoveď spočíva, samozrejme, v tom, že aj keď sa všetky atómy na seba podobajú, v niečom zásadnom sa od seba líšia. Atómy všetkých prvkov sú podľa nášho obrázku akési malé slnečné sústavy (kde jadro hrá úlohu Slnka a elektróny úlohu planét), ale líšia sa počtom elektrónov. A práve rozdiel v počte elektrónov predstavuje rozdiel medzi atómami jednotlivých prvkov.
Čo to znamená z hľadiska chémie? No v prvom rade to, že prirodzeným kritériom usporiadania chemických prvkov je počet elektrónov v ich atómoch. Čo má tento počet, učene nazývaný atómovým číslom, spoločné s atómovou váhou či hmotnosťou, podľa ktorej usporiadal chemické prvky Mendelejev? To je zaujímavá otázka.
Na prvý pohľad toho veľa spoločného nemajú: atómová hmotnosť je prakticky celá daná hmotnosťou jadra a tá nemá s počtom elektrónov nijaký zjavný súvis. Na druhý pohľad by sa však súvis našiel. Atómy sú celkovo elektricky neutrálne a keďže elektróny sú záporne nabité, atómové jadrá musia byť nabité kladne. Ak by sa jadrá skladali z častíc (hovorme im protóny), ktorých elektrický náboj je opačný ako náboj elektrónov, potom by sa počet protónov v každom neutrálnom atóme rovnal počtu elektrónov. A ak by hmotnosť jadra bola súčtom hmotností protónov, potom by atómová hmotnosť bola priamo úmerná počtu protónov, ktorý je rovnaký ako počet elektrónov.
Lenže takto to v skutočnosti nie je. Jadrá sa skladajú nielen z protónov, ale aj z iných častíc (hovorme im neutróny), ktoré sú prakticky rovnako ťažké ako protóny, pričom ich elektrický náboj je nulový. Nuž a práve ten nulový náboj predstavuje problém. Pretože zatiaľ čo počet protónov sa v neutrálnom atóme musí rovnať počtu elektrónov, počet neutrónov nie je celkovým elektrickým nábojom nijako obmedzený. Jasný súvis medzi atómovým číslom a atómovou hmotnosťou sa nám opäť stráca.
Našťastie sa však ukazuje, že počty protónov a neutrónov v jadre bývajú často rovnaké a ak sa líšia, tak väčšinou len o málo. Táto skutočnosť nemá nič spoločné s chémiou ani s atómovou fyzikou, je to vlastnosť jadrovej fyziky. Nuž, ale práve vďaka tejto skutočnosti je nakoniec atómová hmotnosť predsa len prakticky úmerná počtu protónov, čiže počtu elektrónov, čiže atómovému číslu.
Mendelejev mal teda obrovské šťastie, že vďaka zákonom jadrovej fyziky sú atómové hmotnosti úmerné atómovým číslam. Bez tejto „zhody okolností“ by svoju tabuľku nikdy neobjavil.
.atómové spektrá
Toľko o jadrách. Lenže to, čo nás na obrázku atómu upúta najviac, nie je atómové jadro, ale oveľa dynamickejšie pôsobiace elektróny. Ako sa prejavuje dynamika týchto elektrónov na vlastnostiach jednotlivých prvkov? A prečo vlastne vykazujú tieto vlastnosti slávnu mendelejevovskú periodicitu?
Odpovede na tieto otázky priniesli opäť fyzici. A pôvodne to neboli nijakí atómoví fyzici, ale optici. Tí zistili už začiatkom 19. storočia, že jednotlivé prvky intenzívne vyžarujú a pohlcujú svetlo len určitých špecifických vlnových dĺžok. Každý prvok vyžaroval a pohlcoval svoje typické spektrum a tieto spektrá boli pomerne podrobne preskúmané dávno pred objavom atómov. A čím viac údajov fyzici zozbierali, tým jasnejšie videli, že atómové spektrá jednotlivých prvkov vykazujú podobnú periodicitu, akú vykazujú chemické vlastnosti týchto prvkov. To bolo na jednej strane prekvapujúce (veď čo už má spoločné svetlo, vyžarované atómom, so schopnosťou tohto atómu spájať sa s inými atómami?), ale na druhej strane veľmi nádejné. Porozumenie spektrám by mohlo vniesť porozumenie nielen do tejto oblasti fyziky, ale aj do základov celej chémie.
Takže, ako sa dá porozumieť atómovým spektrám? Po objave atómov začali fyzici rozmýšľať, ako by mohli atómy vyžarovať takéto spektrá a prvá vec, ktorú si uvedomili, bola nesprávnosť obrázku s atómom ako planetárnou sústavou. Takýto atóm mal totiž podľa dovtedy známych fyzikálnych zákonov vyžarovať svetlo úplne iným spôsobom.
A tak už pred sto rokmi planetárny model atómu opustili a nahradili ho niečím iným. Najprv to urobili len nesmelo a polovičato. Planetárny model celkom neopustili, len ho elegantným spôsobom znásilnili. Toto znásilnenie, známe ako Bohrov model atómu, však nepredstavovalo naozaj novú teóriu, bolo to len akési sprznenie klasickej fyziky. Všetkým zúčastneným vrátane samotného Bohra bolo preto od začiatku jasné, že skutočný súlad atómových spektier s elektrónovou štruktúrou atómov sa bude dať dosiahnuť len v rámci zásadne odlišnej teórie.
.atómové orbitaly
Túto celkom novú teóriu, ktorej dnes hovoríme kvantová mechanika, objavil v roku 1925 Erwin Schrödinger. Obrázok s elektrónmi, obiehajúcimi okolo jadra po svojich dráhach, v nej úplne stratil význam – nič také, ako dráhy elektrónov sa totiž v tejto teórii nevyskytuje. Namiesto nich sa občas kreslia iné obrázky s takzvanými atómovými orbitalmi, ktoré súvisia s riešeniami Schrödingerovej rovnice. Ale tieto obrázky rozhodne názorné nie sú a väčšinou im poriadne nerozumejú ani tí, ktorí ich kreslia. S novou teóriou sme tak prišli o názorný obrázok atómu, ale to nebolo všetko. V skutočnosti sme prišli o viac, prišli sme o názornosť ako takú. Kvantová mechanika je fakt všetko možné, len nie názorná. Ale napriek tomu je úžasná.
Prvý systém, na ktorý Schrödinger kvantovú mechaniku aplikoval, bol najjednoduchší možný atóm – atóm vodíka. Keď vyriešil takzvanú Schrödingerovu rovnicu pre tento atóm, zistil, v akých stavoch sa môže nachádzať elektrón a aké svetlo môže vyžarovať. Tieto výsledky nielenže presne súhlasili s experimentálnymi dátami týkajúcimi sa vodíka, ale vystihovali nejakým spôsobom celú Mendelejevovu tabuľku. Vlastnosti všetkých prvkov sa celkom jasne odzrkadľovali vo vlastnostiach toho najmenšieho z nich. Je to takmer neuveriteľné, ale je to tak.
Všetko to bolo založené na jednoduchom (aj keď nie jednoducho zdôvodniteľnom) predpoklade, že elektróny v atómoch zložitejších prvkov obsadzujú práve tie stavy, ktoré Schrödinger vypočítal ako povolené stavy elektrónu v atóme vodíka. Za tohto predpokladu fyzici odrazu dokázali vysvetliť spektrum nielen vodíka, ale v zásade aj všetkých ostatných prvkov.
Ešte raz a pomaly, pretože toto naozaj stojí za zopakovanie: V atóme vodíka sa dá z hľadiska atómových spektier uvidieť skoro celá Mendelejevova tabuľka. Dá sa úplne jasne vidieť nielen periodické opakovanie, ale aj jeho (pravidelné) narušenie. O akom narušení je reč? Nuž, striktná periodicita Mendelejevovej tabuľky je zjavne narušená tým, že jednotlivé periódy nemajú všetky rovnako veľa prvkov. Prvá perióda obsahuje len dva prvky (vodík a hélium), dalšie periódy osem prvkov, ďalšie osemnásť a ďalšie ešte viac. Nuž a tie čísla 2, 8, 18, ..., ktoré boli dovtedy záhadou, sú v riešení Schrödingerovej rovnice pre atóm vodíka jasne viditeľné a dokonale zrozumiteľné.
Dmitrij Mendelejev odhalil štruktúru v rade chemických prvkov a postavil tým chémiu na nečakane solídne základy. Kvantová mechanika odhalila štruktúru, ukrytú za touto tabuľkou, a postavila tým chémiu na ešte oveľa solídnejšie základy. Aj keď, zatiaľ sme hovorili len o atómových spektrách, o chemických vlastnostiach vlastne reč vôbec nebola. Žeby nabudúce?
No schválne, skúsme si predstaviť, ako by sme si predstavovali atómy zlata alebo síry, nebyť tohto obrázku. Nuž, asi by sme si ich predstavovali ako najmenšie možné kúsky zlata či síry. A tieto najmenšie kúsky by v našich predstavách zrejme mali základné vlastnosti zlata a síry. Atómy zlata by sme si zrejme predstavovali – či už vedome, alebo podvedome – ako niečo ligotavé. Atómy síry zase ako niečo malé, žlté a smradľavé. Možno len trošku smradľavé, lebo veď atómy sú fakt maličké, ale predsa len o čosi smradľavejšie, ako atómy drahých kovov.
Vďaka onomu notoricky známemu obrázku si však atómy zlata aj síry väčšinou predstavujeme celkom inak. Predstavujeme si ich ako elektróny krúžiace okolo jadier. Táto predstava je oveľa správnejšia, ale intuitívne je úplne neprirodzená. Naozaj, veď ako sa môžu všelijaké rôznorodé látky skladať z atómov, ktoré sú v nejakom zmysle všetky rovnaké?
.atómové čísla
Odpoveď spočíva, samozrejme, v tom, že aj keď sa všetky atómy na seba podobajú, v niečom zásadnom sa od seba líšia. Atómy všetkých prvkov sú podľa nášho obrázku akési malé slnečné sústavy (kde jadro hrá úlohu Slnka a elektróny úlohu planét), ale líšia sa počtom elektrónov. A práve rozdiel v počte elektrónov predstavuje rozdiel medzi atómami jednotlivých prvkov.
Čo to znamená z hľadiska chémie? No v prvom rade to, že prirodzeným kritériom usporiadania chemických prvkov je počet elektrónov v ich atómoch. Čo má tento počet, učene nazývaný atómovým číslom, spoločné s atómovou váhou či hmotnosťou, podľa ktorej usporiadal chemické prvky Mendelejev? To je zaujímavá otázka.
Na prvý pohľad toho veľa spoločného nemajú: atómová hmotnosť je prakticky celá daná hmotnosťou jadra a tá nemá s počtom elektrónov nijaký zjavný súvis. Na druhý pohľad by sa však súvis našiel. Atómy sú celkovo elektricky neutrálne a keďže elektróny sú záporne nabité, atómové jadrá musia byť nabité kladne. Ak by sa jadrá skladali z častíc (hovorme im protóny), ktorých elektrický náboj je opačný ako náboj elektrónov, potom by sa počet protónov v každom neutrálnom atóme rovnal počtu elektrónov. A ak by hmotnosť jadra bola súčtom hmotností protónov, potom by atómová hmotnosť bola priamo úmerná počtu protónov, ktorý je rovnaký ako počet elektrónov.
Lenže takto to v skutočnosti nie je. Jadrá sa skladajú nielen z protónov, ale aj z iných častíc (hovorme im neutróny), ktoré sú prakticky rovnako ťažké ako protóny, pričom ich elektrický náboj je nulový. Nuž a práve ten nulový náboj predstavuje problém. Pretože zatiaľ čo počet protónov sa v neutrálnom atóme musí rovnať počtu elektrónov, počet neutrónov nie je celkovým elektrickým nábojom nijako obmedzený. Jasný súvis medzi atómovým číslom a atómovou hmotnosťou sa nám opäť stráca.
Našťastie sa však ukazuje, že počty protónov a neutrónov v jadre bývajú často rovnaké a ak sa líšia, tak väčšinou len o málo. Táto skutočnosť nemá nič spoločné s chémiou ani s atómovou fyzikou, je to vlastnosť jadrovej fyziky. Nuž, ale práve vďaka tejto skutočnosti je nakoniec atómová hmotnosť predsa len prakticky úmerná počtu protónov, čiže počtu elektrónov, čiže atómovému číslu.
Mendelejev mal teda obrovské šťastie, že vďaka zákonom jadrovej fyziky sú atómové hmotnosti úmerné atómovým číslam. Bez tejto „zhody okolností“ by svoju tabuľku nikdy neobjavil.
.atómové spektrá
Toľko o jadrách. Lenže to, čo nás na obrázku atómu upúta najviac, nie je atómové jadro, ale oveľa dynamickejšie pôsobiace elektróny. Ako sa prejavuje dynamika týchto elektrónov na vlastnostiach jednotlivých prvkov? A prečo vlastne vykazujú tieto vlastnosti slávnu mendelejevovskú periodicitu?
Odpovede na tieto otázky priniesli opäť fyzici. A pôvodne to neboli nijakí atómoví fyzici, ale optici. Tí zistili už začiatkom 19. storočia, že jednotlivé prvky intenzívne vyžarujú a pohlcujú svetlo len určitých špecifických vlnových dĺžok. Každý prvok vyžaroval a pohlcoval svoje typické spektrum a tieto spektrá boli pomerne podrobne preskúmané dávno pred objavom atómov. A čím viac údajov fyzici zozbierali, tým jasnejšie videli, že atómové spektrá jednotlivých prvkov vykazujú podobnú periodicitu, akú vykazujú chemické vlastnosti týchto prvkov. To bolo na jednej strane prekvapujúce (veď čo už má spoločné svetlo, vyžarované atómom, so schopnosťou tohto atómu spájať sa s inými atómami?), ale na druhej strane veľmi nádejné. Porozumenie spektrám by mohlo vniesť porozumenie nielen do tejto oblasti fyziky, ale aj do základov celej chémie.
Takže, ako sa dá porozumieť atómovým spektrám? Po objave atómov začali fyzici rozmýšľať, ako by mohli atómy vyžarovať takéto spektrá a prvá vec, ktorú si uvedomili, bola nesprávnosť obrázku s atómom ako planetárnou sústavou. Takýto atóm mal totiž podľa dovtedy známych fyzikálnych zákonov vyžarovať svetlo úplne iným spôsobom.
A tak už pred sto rokmi planetárny model atómu opustili a nahradili ho niečím iným. Najprv to urobili len nesmelo a polovičato. Planetárny model celkom neopustili, len ho elegantným spôsobom znásilnili. Toto znásilnenie, známe ako Bohrov model atómu, však nepredstavovalo naozaj novú teóriu, bolo to len akési sprznenie klasickej fyziky. Všetkým zúčastneným vrátane samotného Bohra bolo preto od začiatku jasné, že skutočný súlad atómových spektier s elektrónovou štruktúrou atómov sa bude dať dosiahnuť len v rámci zásadne odlišnej teórie.
.atómové orbitaly
Túto celkom novú teóriu, ktorej dnes hovoríme kvantová mechanika, objavil v roku 1925 Erwin Schrödinger. Obrázok s elektrónmi, obiehajúcimi okolo jadra po svojich dráhach, v nej úplne stratil význam – nič také, ako dráhy elektrónov sa totiž v tejto teórii nevyskytuje. Namiesto nich sa občas kreslia iné obrázky s takzvanými atómovými orbitalmi, ktoré súvisia s riešeniami Schrödingerovej rovnice. Ale tieto obrázky rozhodne názorné nie sú a väčšinou im poriadne nerozumejú ani tí, ktorí ich kreslia. S novou teóriou sme tak prišli o názorný obrázok atómu, ale to nebolo všetko. V skutočnosti sme prišli o viac, prišli sme o názornosť ako takú. Kvantová mechanika je fakt všetko možné, len nie názorná. Ale napriek tomu je úžasná.
Prvý systém, na ktorý Schrödinger kvantovú mechaniku aplikoval, bol najjednoduchší možný atóm – atóm vodíka. Keď vyriešil takzvanú Schrödingerovu rovnicu pre tento atóm, zistil, v akých stavoch sa môže nachádzať elektrón a aké svetlo môže vyžarovať. Tieto výsledky nielenže presne súhlasili s experimentálnymi dátami týkajúcimi sa vodíka, ale vystihovali nejakým spôsobom celú Mendelejevovu tabuľku. Vlastnosti všetkých prvkov sa celkom jasne odzrkadľovali vo vlastnostiach toho najmenšieho z nich. Je to takmer neuveriteľné, ale je to tak.
Všetko to bolo založené na jednoduchom (aj keď nie jednoducho zdôvodniteľnom) predpoklade, že elektróny v atómoch zložitejších prvkov obsadzujú práve tie stavy, ktoré Schrödinger vypočítal ako povolené stavy elektrónu v atóme vodíka. Za tohto predpokladu fyzici odrazu dokázali vysvetliť spektrum nielen vodíka, ale v zásade aj všetkých ostatných prvkov.
Ešte raz a pomaly, pretože toto naozaj stojí za zopakovanie: V atóme vodíka sa dá z hľadiska atómových spektier uvidieť skoro celá Mendelejevova tabuľka. Dá sa úplne jasne vidieť nielen periodické opakovanie, ale aj jeho (pravidelné) narušenie. O akom narušení je reč? Nuž, striktná periodicita Mendelejevovej tabuľky je zjavne narušená tým, že jednotlivé periódy nemajú všetky rovnako veľa prvkov. Prvá perióda obsahuje len dva prvky (vodík a hélium), dalšie periódy osem prvkov, ďalšie osemnásť a ďalšie ešte viac. Nuž a tie čísla 2, 8, 18, ..., ktoré boli dovtedy záhadou, sú v riešení Schrödingerovej rovnice pre atóm vodíka jasne viditeľné a dokonale zrozumiteľné.
Dmitrij Mendelejev odhalil štruktúru v rade chemických prvkov a postavil tým chémiu na nečakane solídne základy. Kvantová mechanika odhalila štruktúru, ukrytú za touto tabuľkou, a postavila tým chémiu na ešte oveľa solídnejšie základy. Aj keď, zatiaľ sme hovorili len o atómových spektrách, o chemických vlastnostiach vlastne reč vôbec nebola. Žeby nabudúce?
Ak ste našli chybu, napíšte na web@tyzden.sk.