úvod
Medené drôty v stenách privádzajú elektrinu do každej zásuvky. Zlato sa dá roztepať na fóliu tenkú asi desatinu mikrometra, takú tenkú, že presvitá na zeleno. Hliníková fólia sa dá pokrčiť a znova vyrovnať. Ortuť je pri izbovej teplote kvapalina, kým volfrám vo vlákne žiarovky vydrží vyše 2 000 °C. Všetky tieto kovy drží pokope rovnaký druh väzby, ktorý sa nepodobá ani kovalentnej, ani iónovej väzbe. Volá sa kovová väzba. V tejto lekcii zistíš, ako funguje a prečo vysvetľuje vlastnosti kovov. Na strednej škole k nej pribudne koordinačná väzba, pri ktorej jeden atóm daruje druhému celý elektrónový pár.
teória
Kovová väzba
Atómy kovov majú vo vonkajšej vrstve len málo valenčných elektrónov, väčšinou jeden až tri, a ľahko ich odovzdajú. V kuse kovu ich však nemajú komu dať. Všetky atómy preto svoje valenčné elektróny „pustia“ do spoločného priestoru. Zostanú z nich katióny kovu, ktoré sú pravidelne usporiadané v kryštáli, a medzi nimi sa voľne pohybujú elektróny. Hovorí sa im more voľných elektrónov. Elektróny priťahujú všetky katióny naraz a držia celý kov pokope. To je kovová väzba.
V lekcii Častice látok: atómy, molekuly a ióny sme si kovy zjednodušene predstavovali ako atómy natesno vedľa seba. Presnejšie je to teda tak, že kov tvoria katióny a voľné elektróny. Ako celok je kov stále bez náboja, lebo elektrónov je presne toľko, koľko katióny odovzdali.
teória
Prečo sa kovy správajú ako kovy
Voľné elektróny vysvetľujú takmer všetky typické vlastnosti kovov:
- elektrická vodivosť: keď pripojíš napätie, voľné elektróny sa pohnú jedným smerom, to je elektrický prúd. Najlepšie vedie striebro, potom meď, preto sú z medi drôty v elektrine, a hliník, z ktorého sú vedenia vysokého napätia,
- tepelná vodivosť: pohyblivé elektróny rýchlo roznesú teplo po celom kove. Kovová lyžička v horúcom čaji zohreje aj rúčku,
- lesk: voľné elektróny odrazia takmer všetko svetlo, ktoré na kov dopadne. Preto majú zrkadlá vrstvu striebra alebo hliníka,
- kujnosť a ťažnosť: kovová väzba nemá pevné smery. Vrstvy katiónov sa môžu po sebe posúvať a elektróny ich držia pokope aj na novom mieste. Kov sa preto dá kuť, valcovať do fólie a ťahať do drôtov.
Sila kovovej väzby sa od kovu ku kovu veľmi líši. Sodík dáva do mora elektrónov len jeden elektrón a jeho katióny sú veľké, preto je mäkký ako maslo a topí sa pri 98 °C. Ortuť má väzbu taká slabú, že tuhne až pri −39 °C. Volfrám s mnohými valenčnými elektrónmi sa topí až pri 3 422 °C, najvyššie zo všetkých kovov. V slovenskej Kremnici razí mincovňa mince už od roku 1328, dnes aj slovenské eurá. Razenie funguje práve vďaka tomu, že sa kov pod tlakom pretvaruje a nepraskne.
vyskúšaj si
Vlastnosť kovu a jej príčina
Ku každej vlastnosti kovu priraď, čo ju spôsobuje v časticiach kovu.
0 / 0vlastnosť
príčina
Fyzici a chemici hovoria o elektrónovom plyne alebo o delokalizovaných elektrónoch: valenčné elektróny nie sú viazané k jednému atómu ani k dvojici atómov ako pri kovalentnej väzbe, ale patria celému kryštálu. Podrobnejšie to opisuje lekcia Kovy, nekovy a polokovy. Z modelu vyplýva aj to, prečo vodivosť kovu so zvyšujúcou sa teplotou klesá: katióny silnejšie kmitajú a elektróny do nich častejšie narážajú.
Zliatiny sú tvrdšie ako čisté kovy. Cudzie atómy, napríklad atómy zinku v mosadzi alebo atómy uhlíka v oceli, narušia pravidelné vrstvy katiónov a tie sa ťažšie posúvajú. Viac v lekcii Zliatiny. Pravidelné usporiadanie atómov kovu krásne ukazuje pokus Kryštály bizmutu, kvapalnú zliatinu galinstan pokus Galinstan a jeho pohyb a čo sa stane s hliníkom, keď stratí ochrannú vrstvu, pokus Ako si chemik otvára plechovku.
Koordinačná väzba
Pri bežnej kovalentnej väzbe prispeje každý atóm jedným elektrónom. Spoločný pár však môže pochádzať aj od jediného atómu. Atóm s voľným elektrónovým párom, donor, ho daruje atómu alebo iónu s prázdnym orbitálom, akceptoru. Takáto väzba sa volá koordinačná alebo donorovo-akceptorová väzba. V elektrónových vzorcoch sa niekedy kreslí šípkou od donoru k akceptoru.
Najznámejší príklad je vznik amónneho katiónu. Amoniak má na dusíku jeden voľný pár a katión vodíka H⁺ nemá žiadny elektrón:
NH₃ + H⁺ → NH₄⁺
Rovnako vzniká oxóniový katión v každom roztoku kyseliny: H₂O + H⁺ → H₃O⁺, ako opisuje lekcia Protolytická teória a sila kyselín. Keď väzba vznikne, nedá sa odlíšiť od ostatných: všetky štyri väzby N−H v NH₄⁺ sú rovnako dlhé a rovnako pevné. Ako vzniká chlorid amónny z amoniaku a chlorovodíka, ukazuje pokus Chlorid amónny.
Darovanú väzbu potrebuješ aj na správny elektrónový vzorec niektorých molekúl. V oxide uhoľnatom CO je trojitá väzba, z ktorej jeden pár daroval kyslík. V kyseline dusičnej HNO₃ a v ozóne O₃ musí jeden atóm darovať pár susednému kyslíku, inak by oktet nevyšiel.
vyskúšaj si
Lewisova stavebnica: darovaná väzba
Nakresli elektrónový štruktúrny vzorec: amónny katión NH₄⁺
0 / 0Ťukni na väzbu: jednoduchá, dvojitá, trojitá, bez väzby. Čísla pod atómami ukazujú, koľko elektrónov má atóm okolo seba.
S darovanou väzbou ťuknutie nakreslí šípku od atómu, ktorý dá voľný pár. Druhé ťuknutie ju otočí, tretie zruší.
- N (1.): väzbové páry 0, voľné páry 2, jeden nespárený elektrón, spolu 5 z 8
- H (2.): väzbové páry 0, voľné páry 0, jeden nespárený elektrón, spolu 1 z 2
- H (3.): väzbové páry 0, voľné páry 0, jeden nespárený elektrón, spolu 1 z 2
- H (4.): väzbové páry 0, voľné páry 0, jeden nespárený elektrón, spolu 1 z 2
- H⁺ (5.): väzbové páry 0, voľné páry 0, spolu 0 z 2
Prepni na darovanú (koordinačnú) väzbu a ťukni na väzbu, ktorú chceš urobiť darovanou. Šípka ukáže, ktorý atóm dáva voľný pár. Druhé ťuknutie šípku otočí, tretie ju zruší. Obyčajné väzby nastavíš v režime obyčajnej väzby.
Komplexné zlúčeniny
Koordinačné väzby držia pokope aj komplexné zlúčeniny. V strede je centrálny atóm, najčastejšie katión prechodného kovu s prázdnymi orbitálmi. Okolo neho sú ligandy, molekuly alebo anióny s voľnými pármi, napríklad NH₃, H₂O, Cl⁻ alebo CN⁻. Počet väzieb ligandov s centrálnym atómom je koordinačné číslo. Keď k modrému roztoku síranu meďnatého pridáš amoniak, vznikne sýto modrý komplexný katión [Cu(NH₃)₄]²⁺: centrálny atóm Cu²⁺, štyri ligandy NH₃, koordinačné číslo 4. Pozri si pokus Výroba komplexu amoniaku z medenej mince. Ako sa komplexy pomenúvajú, vysvetľuje lekcia Komplexné zlúčeniny, ako vznikajú pri reakciách, lekcia Zrážacie a komplexotvorné reakcie.
Koordinačná chémia má na Slovensku silnú tradíciu. Na Slovenskej technickej univerzite v Bratislave ju rozvíjal profesor Ján Gažo a v Smoleniciach sa od 60. rokov 20. storočia konajú medzinárodné konferencie o koordinačnej chémii.
rozšírenie Hemoglobín a oxid uhoľnatý
Kyslík z pľúc do celého tela prenáša červené krvné farbivo hemoglobín. V jeho molekule sú štyri skupiny hém a v strede každej je katión železa Fe²⁺. Na ten sa koordinačnou väzbou naviaže molekula kyslíka O₂ a v tkanivách sa zase uvoľní. Je to komplexná zlúčenina, kde Fe²⁺ je centrálny atóm a kyslík jeden z ligandov.
Oxid uhoľnatý CO sa naviaže na to isté miesto, ale asi 200- až 250-krát pevnejšie ako kyslík. Stačí malé množstvo CO vo vzduchu a veľká časť hemoglobínu prestane prenášať kyslík. Človek pociťuje bolesť hlavy, závraty a ospalosť a pri vyšších koncentráciách upadne do bezvedomia. CO vzniká pri nedokonalom horení, napríklad v zle vetraných kotloch, krboch či pri plynových ohrievačoch. Nemá farbu ani zápach, preto sa nedá zistiť čuchom. Pomáhajú detektory oxidu uhoľnatého, ktoré pri nebezpečnej koncentrácii spustia poplach. Pri otrave treba otráveného hneď dostať na čerstvý vzduch a zavolať záchranku.
teória
Časté chyby
- „Elektróny v kove patria jednotlivým atómom.“ Valenčné elektróny v kove patria celému kryštálu a voľne sa pohybujú medzi katiónmi. Práve preto kovy vedú prúd.
- „Prúd v kove nesú ióny.“ V kove nesú prúd elektróny, katióny ostávajú na miestach, a preto sa drôt vedením prúdu nemení. Ióny nesú prúd v roztokoch a taveninách solí.
- „Elektróny sa vedením prúdu spotrebujú.“ Elektróny v obvode len krúžia: koľko ich do drôtu vstúpi na jednom konci, toľko ich vystúpi na druhom. Spotrebúva sa energia, nie elektróny.
- „Darovanú väzbu v NH₄⁺ sa dá rozoznať.“ Keď koordinačná väzba vznikne, je rovnaká ako ostatné: všetky štyri väzby N−H sú rovnaké a kladný náboj patrí celému katiónu.
- „Kovová väzba je iónová väzba medzi atómami kovu.“ V kove nie sú anióny. Katióny drží pokope more elektrónov, nie príťažlivosť opačne nabitých iónov.
Ako sa kovy správajú pri reakciách, opisuje lekcia Prechodné kovy. V ďalšej lekcii sa pozrieš na sily, ktoré nepôsobia vnútri molekúl, ale medzi nimi, a zistíš, prečo voda vrie pri 100 °C.