Přednáška z 34. Letní školy pro středoškolské pedagogy a studenty středních škol.

Vytvořeno pomocí Reveal.js.

Pro prohlížení použijte šipku doprava.

LÁSKA, SEX A ROCK'N'ROLL MEZI
MOLEKULAMI

Michal H. Kolář

25. srpna 2020

http://mhko.science/molekula

http://mhko.science/contact

LÁSKA, SEX A ROCK'N'ROLL MEZI
MOLEKULAMI

Michal H. Kolář

26. srpna 2020

http://mhko.science/molekula

http://mhko.science/contact

Neexistuje jednoznačná odpověď na otázku:

„Co je to molekula?“

Filozoficko-matematická část

definice pojmu M O L E K U L A

chemická vazba

elektronová hustota

Několik meziatomových interakcí k večeři

vodíková vazba, Londonova disperze, hydrofobní efekt, sigma-díry

Co je to molekula?

Skupina 1

Skupina 1

10 jader C
5 jader H
1 jádro Br
112 elektronů

brombenzen

Skupina 2

Skupina 2

10 jader C
18 jader H
1 jádro O
146 elektronů

geraniol

Skupina 3

Skupina 3

10 jader Ne
100 elektronů

klastr neonu

Skupina 4

Skupina 4

10 jader C
16 jader H, 136 elektronů

adamantan

Skupina 5

Skupina 5

4 jádra C
8 jader H
4 jádra O
88 elektronů

dimer kys. octové

Amadeo Avogadro (1811)

[Molekula je] nejmenší část, na kterou lze látku rozdělit, aniž bychom zničili její chemický charakter.

Definice IUPAC (1994)

[Molekula je] elektricky neutrální částice složená z více než jednoho atomu (n>1). Přísně vzato, molekula, ve které n>1, musí odpovídat snížení na ploše potenciální energie dostatečně hlubokému, aby uzavíralo alespoň jeden vibrační stav.
An electrically neutral entity consisting of more than one atom (n>1). Rigorously, a molecule, in which n>1 must correspond to a depression on the potential energy surface that is deep enough to confine at least one vibrational state.
Avogadro ✔ ✔ ✘ ✔ ✘
IUPAC ✔ ✔ ✘ ✔ ✔
Publikum ? ? ? ? ?

„Chemická vazba“

„Chemická vazba...“

  • ... je přitažlivá interakce mezi atomy.
  • Při vzniku vazby musí dojít ke snížení potenciální energie.
  • Umíme měřit vzdálenosti (délku vazby), energii jen někdy.

 

  • Vzdálenost i energie prakticky spojité.

 

  • Neumíme měřit násobnost chemické vazby.
  • Neumíme měřit kovalentnost, iontovost, dativnost atp.
  • Neumíme měřit parciální náboje.
https://en.wikipedia.org/wiki/Template:Chemical_bonds

Elektronová hustota

Elektronová hustota ρ

Fyzikální veličina, která je úměrná pravděpodobnosti nalezení elektronu v prostoru.

Závisí pouze na 3 souřadnicích.

ρ = ρ(x, y, z)

Pomocí ρ lze vybudovat celou kvantovou teorii atomů a molekul (Hohenberg, Kohn, 1964).

elektronová hustota brombenzenu

ρ brombenzenu

log(ρ)

log(ρ)

ρ je měřitelná veličina!

CuSO4, 1912

Max von Laue Nobel prize lecture (PDF)

penicilin, 1945

objekt 17631, History of Science Museum, Oxford University

objekt 17631, History of Science Museum, Oxford University

Dorothy Hodgkin, Daily Herald Archive/National Science & Media Museum/SSPL

SARS-CoV-2 Spike protein S1, 2020

Nobelovy ceny

  • Laue (1914, F) ohyb RTG záření na krystalech
  • Braggové (1915, F) krystalografie
  • Born (1954, F) statistická interpretace kvantové teorie
  • Perutz, Kendrew (1962, Ch) krystaly proteinů
  • Crick, Watson, Wilkins (1962, Med) DNA
  • Hodgkin ( 1964, Ch) struktura penicilinu a B12
  • Kohn (1998, Ch) teorie funkcionálu hustoty
  • Ramakrishnan, Steitz, Yonath (2009, Ch) krystaly ribozomu
  • Dubochet, Frank, Henderson (2017, Ch) kryoelektronová mikroskopie

Úspěch IBM (a Maxwellův omyl)

Gross et al. The chemical structure of a molecule resolved by atomic force microscopy, Science 2009

Baderova analýza

Spektrum meziatomových interakcí

Vodíková vazba

Zásadní pro strukturu a funkci biomolekul.

  • 2,5 vodíkové vazby na pár bazí v DNA
  • 1,1 vodíkové vazby na aminokyselinu v proteinu

Jsou příčinou hydrofobních interakcí.

Londonovy disperzní interakce

Londonovy disperzní interakce

  • všudypřítomné (kromě H+)
  • krátkodosahové (E~R–6)
  • silnější u polarizovatelných molekul

 

  • patrové interakce, stacking, π-π interakce

Halogenová vazba a jiné interakce sigma-děr

 

ca 10 kJ/mol

Elektronegativity

vodík 2.0
uhlík 2.6
chlor 3.2
brom 3.0
jód 2.7

Porušení Coulombova zákona?

 

Sigma-díra na F3CBr

Chalkogenová a pniktogenová vazba

 

Důležitá sdělení

Elektrony jsou v molekule delokalizované.

Pojem molekula je vágně definovaný.

Chemickou intuici vede „mezera“ v síle meziatomových interakcí okolo 100 kJ/mol.

Používáním slova molekula vyjadřujeme (svérázným způsobem), že některé meziatomové interakce ve skupině atomů jsou silnější než jiné.