Zdá sa, že máte zablokovanú reklamu

Fungujeme však vďaka príjmom z reklamy a predplatného. Podporte nás povolením reklamy alebo kúpou predplatného.

Ďakujeme, že pozeráte .pod lampou. Chceli by ste na ňu prispieť?

Kvantový Dmitrij

.časopis .veda

Naozaj hlboké porozumenie Mendelejevovej tabuľke nie je možné bez kvantovej mechaniky a kvantovej mechanike naozaj hlboko podľa Richarda Feynmana nerozumie nikto. Ale to až tak nevadí, pretože dostatočne dobre jej rozumejú mnohí fyzici a chemici. Aké je teda naše kvantové porozumenie atómom a molekulám?

S Miroslavom Urbanom najmä o kvantovej mechanike atómov
Čo nám hovorí kvantová mechanika o jednotlivých atómoch, aké vlastnosti majú atómy podľa tejto teórie a ako dnes chápeme Mendelejevovou tabuľku? spýtali sme sa kvantového chemika Miroslava Urbana.

.môžeme považovať Mendelejevovu tabuľku za základ celej teoretickej chémie?
Poviem to takto: podľa mňa bol Mendelejev najväčší teoretický chemik všetkých čias. Vedel veci zosumarizovať, vedel ich systematizovať a vedel predpovedať. Práve toto sú základné atribúdy všetkých teoretických vied. Teória musí urobiť poriadok v tom, čo poznáme, a vedieť predpovedať to, čo nepoznáme. Mendelejev mal veľmi široké znalosti z chémie a úžasnú predstavivosť. Práve vďaka tejto predstavivosti dokázal zostaviť periodickú tabuľku na základe približnej znalosti atómových hmotností a chemického správania ich zlúčenín. Vtedy boli totiž atómové hmotnosti známe len pribiližne a s chybami, z ktorých mnohé opravil práve Mendelejev.

.ak je tabuľka základom chémie, čo je základom tabuľky?
Jednoznačne kvantová mechanika čiže Schrödingerova, respektíve Diracova rovnica. Schrödingerova rovnica je nerelativistická, Diracova je relativistická. Na väčšinu vecí v chémii vystačíme s nerelativistickou rovnicou, ale na porozumenie Mendelejevovej tabuľke je v niektorých prípadoch nutné zarátať aj relativistické efekty. Zaujímavé je, že Mendelejev vo svojej tabuľke nezaradil správne bežné ťažké prvky – zlato, ortuť, olovo. V ničom inom sa nemýlil, len v tomto. A dnes vieme, že chemické vlastnosti týchto prvkov ovplyvňujú práve relativistické efekty natoľko, že pre ne prestávajú platiť niektoré zákonitosti, ktoré platia pre ľahké prvky. A práve to Mendelejeva pomýlilo.

.ak je kvantová mechanika základom chémie, znamená to, že všetci chemici by mali rozumieť kvantovej mechanike?
Určite. Všetci chemici používajú kombinácie čísiel a písmen ako 1s alebo 2p na označovanie atómových orbitalov, ale zďaleka nie všetci si uvedomujú, že hovoria o kvantových číslach. Kvantová mechanika je v chémii bežne prítomná prostredníctvom často používaných pojmov a symbolov, ale mnohí nevedia, že ide o vlastné čísla nejakých operátorov. Inými slovami, chemici bežne používajú kvantovomechanickú nomenklatúru, počnúc riešením Schrödingerovej rovnice pre atóm vodíka, ale nie všetci jej rozumejú.

.mimochodom, to je vlastne veľmi prekvapujúce, že pojmy, pochádzajúce z kvantovej mechaniky toho najjednoduchšieho atómu, možno použiť aj na popis oveľa zložitejších atómov. Prekvapuje táto skutočnosť študentov chémie?
Asi nie. Mnohí z nich si zrejme ani neuvedomujú, že tie bežne používané orbitaly a ich označenia vlastne nie sú vodíkové, že to je len štartovací bod. Najprv treba povedať, že Schrödingerovu rovnicu pre atómy s viacerými elektrónmi nevieme presne riešiť. Problém spočíva v tom, že elektróny neinteragujú len s jadrom, ale aj medzi sebou. Keby to tak nebolo, boli by všetky atómy podobne jednoduché ako atóm vodíka a chémia by bola nezaujímavá. Problém vzájomnej interakcie elektrónov sa snažíme obísť hľadaním aspoň približných riešení. V jednej z najrozšírenejších metód sa vzájomné interakcie elektrónov nahrádzajú interakciou s akýmsi priemerným elektrickým poľom, vytváraným ostatnými elektrónmi. V tejto metóde dostaneme pre jednotlivé elektróny približné riešenia, ktoré sa podobajú riešeniam pre atóm vodíka. A práve odtiaľ pochádza tá štandardná chemická orbitalová nomenklatúra.

.a pomocou tejto metódy už vieme opísať celú Mendelejevovu tabuľku?
Nie. Táto metóda nám dá približné stavy jednotlivých elektrónov a celkovú konfiguráciu viacerých elektrónov v atóme z nich dostaneme tak, že elektróny posadíme do týchto stavov podľa poradia ich energií ako zemiaky a ony tam sedia a už nijako medzi sebou neinteragujú. Lenže, takto by sme nedokázali správne porozumieť Mendelejovej tabuľke. Dôvod je ten, že máme len približné riešenia Schrödingerovej rovnice a tie nevystihujú dostatočne mnohoelektrónový atóm. Preto musíme naše približné riešenie spresniť, čo robíme tak, že vezmeme do úvahy aj tú časť vzájomného pôsobenia elektrónov, ktorú sme dovtedy ignorovali. Po zarátaní tejto interakcie už dostaneme správne poradie prvkov v tabuľke. Pre ťažké prvky musíme ešte zarátať aj spomínané relativistické efekty.

.čiže približné riešenia spresňujeme dovtedy, kým naše výsledky nesúhlasia s pozorovaniami?
Áno, dá sa to tak povedať. Podstatné je, že pri dostatočne presnom riešení Schrödingerovej rovnice dostaneme úplné porozumenie Mendelejevovej tabuľke z hľadiska elektrónovej štruktúry atómov.

.v tejto štruktúre hrajú z hľadiska chémie mimoriadne významnú úlohu takzvané valenčné elektróny. Čo to je a prečo sú také významné?
Sú to elektróny, ktoré sa s vysokou pravdepodobnosťou nachádzajú najďalej od jadra a sú k jadru relatívne slabšie viazané. Dôležité sú preto, lebo sa najvýraznejšie zúčastňujú na chemickej väzbe. Ale na to, aby sme porozumeli chemickej väzbe, nestačí študovať jednotlivé atómy. Na to treba riešiť Schrödingerovu rovnicu pre molekuly, čo je ešte o stupeň zložitejší problém. Rôzne metódy približného riešenia tejto rovnice tvoria v podstate obsah toho, čomu hovoríme kvantová chémia. Od nej sa odvíja počítačová chémia s obrovským záberom v mnohých oblastiach chémie, fyziky aj biológie – od pochopenia a predpovedí vlastností molekúl a ich reakcií k aplikáciám v dizajne liečiv, v environmentálnej chémii, predpovedi nanoštruktúr a vývoji nových materiálov, modelovaní biomolekúl a bioprocesov, a tak ďalej.

S Vladimírom Malkinom najmä o kvantovej mechanike molekúl
Čo nám hovorí kvantová mechanika o molekulách, aké vlastnosti majú molekuly podľa tejto teórie a ako dnes chápeme chemickú väzbu? spýtali sme sa kvantového chemika Vladimíra Malkina.

.z dnešného pohľadu sú atómy v periodickej tabuľke usporiadané podľa svojej elektrónovej štruktúry. Mendelejev ich však pôvodne usporiadal podľa chemických vlastností, t. j. podľa vlastností chemickej väzby. Ako sa väzba, čiže vlastnosť molekúl, prejavuje už v elektrónovej štruktúre neviazaných atómov?
Podstata chemickej väzby naozaj spočíva v kvantovej mechanike, a to v kvantovej mechanike molekúl, nie jednotlivých atómov. Ak chceme pochopiť chemickú väzbu, musíme riešiť Schrödingerovu rovnicu pre molekulu, riešenie pre jednotlivé atómy nám priamo o väzbe nič nehovorí. Ale riešenie Schrödingerovej rovnice pre molekuly je veľmi zložité, a tak ľudia postupujú celkom prirodzeným spôsobom, že sa snažia veci zjednodušiť tak, ako sa len dá. Jedno zo základných zjednodušení spočíva v tom, že pri výpočtoch stavov elektrónov v molekule vychádzame zo stavov týchto elektrónov v atómoch a skúmame, ako sa tieto stavy v molekule menia. Pritom sa ukazuje, že významne sa menia stavy najmä niektorých elektrónov, ktorým hovoríme valenčné. Valenčné elektróny sú pojem, ktorý vieme dobre definovať už na úrovni atómov, aj keď hlavný význam nadobudnú až pri výpočtoch, týkajúcich sa molekúl.

.čiže Mendelejevova tabuľka neposkytuje vyčerpávajúcu informáciu o možných chemických väzbách jednotlivých atómov, ale len akúsi základnú orientáciu?
Áno, a táto základná informácia funguje často prekvapujúco dobre. Chemici dokonca charakterizujú jednotlivé atómy konkrétnym číslom, ktoré volajú elektronegativita, pomocou ktorého vedia odhadnúť, aké väzby vytvorí daný atóm v rámci konkrétnej molekuly. Samozrejme, čím zložitejšia molekula, tým sa ťažšie odhadujú detaily väzby na základe takýchto zjednodušených predstáv. A tu postupujú chemici rovnako ako fyzici. Kým im stačí na opis experimentálnych dát jednoduchý model, tak používajú čo najjednoduchší model. Až keď sa z hľadiska iných experimentálnych dát ukáže, že tento model je nedostatočný, tak prejdú k zložitejšiemu modelu. Väčšinou sa to deje tak, že jednoduchší model sa nezahodí, ale pridá sa k nemu nejaká korekcia, ktorá sa dovtedy ignorovala.

.ako vedia, akú korekciu majú pridať?
Človek sa môže nechať viesť intuíciou, a to buď kvantovomechanickou, alebo chemickou. Ideálne je, keď má človek dostatočne dobre vybudované obe tieto intuície, alebo keď sú v tíme ľudia, z ktorých jeden ma silnú jednu z týchto intuícií a druhý druhú, a pritom dokážu spolu komunikovať. Problém s niektorými chemikmi občas je, že pri hľadaní tých korekcií nerozmýšľajú o kvantovej fyzike, ktorá je za tým, ale jednoducho pridajú nejaký empirický vzorček. Ale to nie je cesta k hlbšiemu porozumeniu. Niektorí ľudia síce majú pocit, že ak niečomu dajú meno, tak už tomu porozumeli, ale to rozhodne nie je cesta k naozajstnému pochopeniu.

.naozajstné pochopenie chemickej väzby a štruktúry molekúl vedie len cez poriadnu kvantovú mechaniku, ktorú však vieme riešiť len približne. Ale aj v približných riešeniach sa dá niekedy dosiahnuť veľmi vysoká presnosť. Ako je na tom z tohto hľadiska kvantová chémia?
Ak máme dostatočne výkonný počítač, tak vieme vypočítať vlastnosti nepríliš veľkých molekúl prakticky s ľubovoľnou presnosťou. Momentálny stav v teoretickej chémii je taký, že vieme vypočítať aj vlastnosti molekúl, ktoré sa v pozemských podmienkach vôbec nevyskytujú.

.ak sa tu nevyskytujú, ako dokážeme overiť správnosť tých výpočtov?
To, že sa nevyskytujú na Zemi, ešte neznamená, že sa nevyskytujú vôbec nikde. Môžu sa napríklad vyskytovať v medziplanetárnom alebo medzihviezdnom priestore a astronómovia vedia v takom prípade zmerať ich spektrá. Ak teoreticky vypočítané spektrum nejakej molekuly sedí s tým, čo namerali astronómovia, tak máme správnosť výpočtov dosť spoľahlivo overenú.

.takže presnosť súčasných výpočtov v kvantovej chémii umožňuje predpovedať javy, ktoré ešte neboli experimentálne pozorované?
Áno, dnešná výpočtová kapacita nám umožňuje robiť naozajstnú kvantovú mechaniku bez použitia rôznych modelových predpokladov. A to nám umožňuje jednak predpovedať nové veci a jednak lepšie porozumieť starším veciam. Napríklad sa ukazuje, že pre niektoré javy sa v chémii desiatky rokov tradujú vysvetlenia, ktoré sú jednoducho nesprávne. V minulosti ľudia často dokázali vysvetliť nejaké javy len na základe určitého modelového predpokladu, ktorý síce viedol na požadované výsledky, ale z toho ešte nebolo celkom isté, že práve toto je skutočná príčina daných javov. Dnes vieme urobiť výpočty s týmto predpokladom aj bez neho a overiť tak, či je pre vysvetenie konkrétnych javov naozaj dôležitý, alebo nie. A často sa ukazuje, že to, čo bolo roky považované za príčinu, ňou v skutočnosti nie je.

.chápem to správne, že v kvantovej chémii môžeme zahrnutím alebo vypustením nejakých vecí vlastne robiť akési virtuálne chemické pokusy, ktoré v reálnom svete vôbec robiť nemôžeme?
Áno, a na základe týchto virtuálnych pokusov môžeme niekedy lepšie porozumieť reálnemu svetu.

Ak ste našli chybu, napíšte na web@tyzden.sk.
.diskusia
.posledné
.neprehliadnite