Gamma č. 023 (Výpravy do mikrosvěta (IV.))

Minule jsme poznali strukturu tří nejmenších atomů - vodíku, hélia a lithia; zvětšovali jsme počet protonů v jádře a přidávali k tomu neutrony, aby se nám to celé nerozletělo na kusy. Viděli jsme také, jak ze dvou atomů sdílením obíhajících elektronů vznikne molekula. A teď je tedy vhodná chvíle na slíbený krátký exkurs do chemie.

Chemie je věda, která se zajímá o to, jak spolu navzájem reagují atomy a molekuly. Při svých experimentech mění stav elektronového obalu atomů, ale pracuje s příliš malými energiemi, než aby mohla zasáhnout do poměrů v jádře. Z pohledu chemie je proto důležité složení elektronového obalu, zatímco struktura jádra je nepodstatná, protože chemickými [=nízkoenergetickými] prostředky ho nelze zkoumat ani měnit. Jádro atomu je pro chemika důležité jen v tom ohledu, že počtem protonů je zároveň dán počet elektronů v obalu kompletního [= elektricky neutrálního] atomu. Naopak počet neutronů v jádře nemá se strukturou obalu žádnou souvislost; proto jsou neutrony pro chemika nezajímavé.


Elektrony, jak jsme viděli posledně, jsou nástrojem chemických vazeb: existence jednoduché vazby mezi dvěma atomy neznamená nic jiného, než že kolem těchto atomů obíhají dva společně sdílené elektrony.


Pro další pokusy si nejdříve sestavíme ještě dva větší atomy: uhlík (C) a kyslík (O). Fyzikové jsou pořádkumilovní lidé, a tak jako mají rakety svá typová čísla, mají je i atomy: protonové číslo P udává počet protonů v jádře a nukleonové číslo N je rovno součtu všech nukleonů, tj. protonů+neutronù. Pro kyslík tedy platí P=8, N=16, zatímco u uhlíku je P=6 a N=12 (přesná rovnováha počtu protonů a neutronů v obou jádrech je spíš shoda okolností, nikoliv obecná zákonitost platná pro všechny prvky).


Kyslík je ukázkou takzvaného dvojmocného atomu: pro potřeby vazby je schopen poskytnout ne jeden, ale hned dva ze svých nejdále obíhajících elektronů. Uhlík je ještě zajímavější; dokáže pro vazbu poskytnout dva nebo čtyři elektrony. Dvojmocný atom kyslíku může proto vytvořit molekulu se dvěma jednomocnými atomy vodíku (H2O - nejdůležitější sloučenina na Zemi; strukturně též zapsáno jako H-O-H), nebo dvojitou vazbu s jedním dvojmocným atomem uhlíku (C=O: oxid uhelnatý), případně se mohou dva kyslíky spojit s jedním čtyřmocným uhlíkem do molekuly O=C=O, tj. CO2 - oxid uhličitý. Čtyřmocný uhlík má jedinečnou schopnost vytvářet v podstatě nekonečné řetězce typu



a podobně, kde na volné vazby se váží atomy vodíku, kyslíku, chlóru, fluóru a dalších prvků, případně i složitějších molekul. Podobné struktury, patřící už do organické chemie, jsou pak stavebními kameny života.


Co se kyslíku týče, za zmínku rozhodně stojí poněkud kuriózní molekula, kterou tyto atomy občas vytvářejí, jsou-li k tomu popíchnuty elektrickým impulsem (blesk nebo vyhozené pojistky), případně ultrafialovým zářením (brzo si řekneme, co to je). Za takových okolností se tři atomy kyslíku spojí do trojúhelníku a vytvoří tříatomovou molekulu O3 :



kterou drží pohromadě šest společně obíhajících elektronů. Není to nic jiného než starý známý ozón, spolehlivý pohlcovač vysokoenergetických fotonů; kdyby se ve vysokých vrstvách atmosféry nevyskytoval v tisících tun, sluneční ultrafialové záření by nás možná už dávno vyhubilo. Potíž s ozónem je v tom, že na rozdíl od běžné dvouatomové molekuly kyslíku je nestabilní a brzo se rozpadá; to je pro nás ovšem štěstí, protože pro živočichy je ozón jedovatý a jeho větší koncentrace v přízemních vrstvách by fungovala jako velmi efektivní dezinfekce - na náš vkus až příliš univerzální. Naopak ve velkých výškách, kde je ozónu zapotřebí, ho sluneční ultrafialové záření neustále obnovuje. Když jsme tam ovšem začali vypouštět zdánlivě neškodné freony, rovnováha se narušila, ochranná vrstva ozónu zeslábla a opalování na sluníčku začalo být nebezpečné.


V souvislosti s chemickými vazbami se zastavíme ještě u oxidu uhelnatého (CO). Obecně je známo, že je tento plyn jedovatý, ale ne každý přesně ví proč. Kyslík, bez jehož nepřetržité dodávky dochází už po pěti minutách k nenapravitelnému poškození mozku, se v lidské krvi dopravuje pomocí komplikované sloučeniny hemoglobinu (Hgb), na kterou se kyslík váže v plicích prostřednictvím volné vazby Hgb=O, jež se opět zruší v okamžiku, kdy příslušná krvinka dorazí na místo určení. Když však do krve pronikne molekula oxidu uhelnatého (C=O), pak uhlík v této molekule, do toho okamžiku dvojmocný, využije svých dvou dalších volných elektronů k vytvoření druhé dvojité vazby, kterou se připojí právě na hemoglobin: Hgb=C=O. Neštěstí je v tom, že na rozdíl od žádoucí kyslíkové vazby Hgb=O je vazba uhlíku na hemoglobin velmi pevná a sama se už neuvolní. Vzduch, který dýcháme, vždycky obsahuje jisté procento CO, takže hemoglobin v našich krvinkách je neustále pomalu znehodnocován reakcí s neodstranitelným CO. V běžném rozsahu dokáže tělo takové škody průběžně nahrazovat; když je však koncentrace CO příliš vysoká (spánek vedle kamen s nedokonalým spalováním), většina molekul hemoglobinu je brzo vyřazena z činnosti v důsledku trvalé vazby na CO a organismus podlehne takzvanému ?vnitřnímu udušení?: kyslík sice normálně proniká do plic, ale krev ho nemá čím absorbovat, vnitřní orgány zůstanou bez kyslíku a metabolismus (látková přeměna) se zastaví. V pokročilých případech otravy oxidem uhelnatým proto pomáhá jen okamžitá transfúze čerstvé krve, jejíž hemoglobin není blokován vazbou s CO.

Dopisy čtenářů

Jitka:

ahoj Jardo, diky za Gammy - cteme pilne, i kdyz narocnost stoupa a myslim, ze Mikula brzy odpadne.

*************************************************************************

Milan:

Dnes byla Gamma dobrá. Ten mikrosvět je moc přemýšlení o něčem strašně malém.

Dobrá :-) budu se snažit to s tou teorií nepřehánět, ono je určitě snazší představit si raketu letící rychlostí čtyřicet kilometrů za sekundu než elektrickou kuličku o hmotnosti 1.9x10 na -31 kg, ale přece jen se pokuste to ještě chvíli vydržet, stojí to za to. Jak říkal blahé paměti akademik Landau, "nic není praktičtějšího než dobrá teorie" a vědomosti o mikrosvětě se vám budou často hodit, až se vydáme do kosmických dálek. Ostatně už starověký alchymista Hermes Trismegistos tvrdil, že "co je dole, je jako to, co je nahoře" a moderní výzkumy mu dávají za pravdu minimálně v tom, že všechno spolu velmi úzce souvisí.