Mapa chemie

Toto video sponzorují Great Courses plus. Vesmír je tvořen hmotou. 98 % této hmoty, pokud pominu temnou hmotu, tvoří vodík a hélium. Ale naštěstí před miliardami let superobří hvězdy sloučily vodík a helium do ostatních prvků a rozprášily je po vesmíru. Takto vznikla chemie.

Tyto prvky se spojují do mnoha různých molekul. A tyto molekuly se spojují mnoha komplikovanými způsoby. Chemie studuje tyto reakce ve všech podobách a zjišťuje, jak spolu vše reaguje. Zabývá se jednotlivými atomy i komplikovanými strukturami, jako jsou proteiny a DNA. Je to obří, fascinující a komplexní téma. V tomto videu to vše zhustím.

Lidé se o chemii zajímají už dlouho. Bez chemické reakce hoření bychom se nikam nedostali. Díky tomu se vyvinuly chemické techniky jako vaření jídla, tavení kovu z rudy, výroba skla a další. Od té doby bylo mnoho vynálezů civilizace postaveno na pokroku v chemii. Ať už šlo o zpracování kovů, výrobu hnojiv nebo výrobu nových materiálů a léčiv.

Podívejme se, co všechno do chemie spadá. Nejdříve je tu hmota a vše co pod ni spadá. Na nejmenší úrovni začínáme u atomů a periodické tabulky, která pokrývá všechny typy atomů zvané chemické prvky. Prvky v každém sloupci mají podobné vlastnosti. Atomy tvoří protony a neutrony v jádru s elektrony kolem něj. Většina chemie se děje díky chování elektronů. Spojením atomů získáte molekuly.

Různé molekuly se nazývají chemické sloučeniny. Chemické sloučeniny mají často naprosto odlišné vlastnosti od prvků, které je tvoří. Vezměte si vodík, který je velmi výbušný, a kyslík, který hoří, spojte je a získáte vodu. To je ta nejméně výbušná a hořlavá věc kolem vás. Sloučeniny nemusí být tvořeny z jednotlivých molekul. Pevné látky jako kovy a soli mají krystalickou strukturu, kde se opakují skupiny atomů zvané jednotky.

Několik sloučenin tvoří směs. Tou je vzduch kolem vás nebo dort. To nás přivádí k tématu, jak atomy drží při sobě, a tím jsou vazby. Atomy se na sebe vážou různými způsoby. Redukují energii kradením nebo sdílením elektronů, případně přestavěním do jiné konfigurace.

Univerzálním pravidlem je, že se vše snaží minimalizovat energii. Díky vazbám toho atomy dosahují. Pochopení, jak se pohybuje energie v chemických sloučeninách, je důležité k tomu, abychom určili, zda reakce proběhne, nebo ne. Například dřevo nezačne s kyslíkem spontánně reagovat, ale když mu dodáte energii, začne hořet. Další příkladem, kdy je energie důležitá, je urychlení reakce mezi sloučeninami díky katalyzátoru.

Katalyzátor ji učiní méně energeticky náročnou a urychlí ji. Energie také určuje, zda sloučenina bude existovat v různých skupenstvích. Jako pevná látka, tekutina nebo plyn. Skupenství látky určuje teplota, ve které se nachází, a tlak, kterému je vystavena. Hodnoty se liší podle materiálu, ale pevné látky se vyskytují za nízkých teplot a/nebo za vysokého tlaku, a plyny se vyskytují za vysokých teplot a nízkých tlaků.

Další zajímavým skupenstvím je plasma. Tehdy odtrhnete elektrony od atomů v plynu a vytvoříte ionty. Takto se vytváří světelné neony. Chemické rekace jsou jádrem chemie. Které sloučeniny spolu reagují, jak reagují a co po reakci zůstane.

Existují různé reakce, které mohou být různě kategorizovány. Všechny reakce podléhají základním chemickým zákonům. Nejzákladnějším je zachování hmoty a energie. To znamená, že během chemické reakce nevzniká ani nezaniká žádná hmota ani energie. Jen se mění jejich forma. Kinetika studuje, jak rychle reakce probíhají. Také zjišťuje, jaká je reakční rychlost.

Reakce, kde se elektrony přesouvají z jednoho reaktantu do druhého, se nazývá oxidačně-redukční reakce. Zkráceně redoxní reakce. Oxidace znamená, že látka ztratí elektron, redukce znamená, že elektron získá. Musí se to dít zároveň. Příkladem je sodík a chlór. Chlór se oxiduje a sodík se redukuje.

Další důležitou vlastností látek je jejich pH. Určuje, zda jsou látky kyselé nebo zásadité. Modelů reakce kyselin a zásad existuje několik. Dá se říct, že kyselina je látka, které přebývá vodíkový iont, jehož se vzdá během chemické reakce, zatímco zásada tento iont přijme. Pokud spolu několik sloučenin v neustále reaguje, mohou vznikat a zanikat různé látky.

Chemická rovnováha nastává, pokud je množství každé složky konstantní, přestože třeba reakce mohou dále probíhat. Toto se také děje při změně skupenství, například z pevných látek do tekutin nebo z tekutin na plyny. Toto jsou základy chemie. Výzkum se zabývá tím, jak se tato pravidla uplatňují v různých systémech. Nyní se přesunu k různým oblastem chemie. Teoretická chemie se snaží vysvětlit strukturu atomů a molekul a jejich interakce za pomoci matematických metod.

Má velmi blízko k teoretické fyzice a kvantové chemii a často využívá techniky výpočetní chemie, kde se atomy, molekuly a reakce simulují v počítači. Simulování kvantového chování čehokoliv komplikovanějšího než jednoho atomu vodíku je velmi složité/nemožné pro větší množství částic. Mnoho nových technik v informatice se snaží simulovat molekuly a určit jejich interakci.

Toto je jedno z nejlepších použití kvantových počítačů. Měly by být schopné přímo simulovat chemické systémy. Mohly by objevit nové materiály, léky a spoustu dalšího. Fyzikální chemie studuje chemické systémy podle fyziky. Například jejich energii, sílu, čas, pohyb, termodynamiku, kvantové vlastnosti a spoustu dalšího. Existují podoblasti jako elektrická chemie, která studuje elektrické vlastnosti. Ta nám pomáhá vyrábět lepší baterie.

Materiálová věda se snaží vytvořit materiály s novými vlastnostmi, jako je extrémní pevnost, odolnost nebo samovolné opravování. Toto je hlavní problém s pozemskými fúzními reaktory, které spoléhají na nové materiály. Analytická chemie je jako detektivní práce. Máte vzorek a musíte přijít na to, z čeho se skládá a kolik čeho je. Chemici vytvořili široké spektrum metod, kterými zkoumají vlastnosti různých materiálů.

Tradiční techniky zahrnují roztokovou chemii v podobě srážení, kdy se složky detekují tím, kdy se vypaří. Existují i mnohé nové technologie jako chromatografie. Různé složky se roztokem šíří různou rychlostí a tím se oddělují. Existují různé druhy spektroskopie, která zachytí materiály posvícením na ně. Hmotnostní spektroskopie je, když materiály prochází elektromagnetickým polem a oddělují se podle hmotnosti.

Konečně se dostávme k obří oblasti anorganické, organické a biochemie. Organická chemie a biochemie zkoumá živé tvory, anorganická chemie zkoumá vše ostatní. Ale existuje velké množství průsečíků. Většina anorganických sloučenin je vytvořena člověkem. Vede nás snaha najít chemikálie s novými vlastnostmi, které by se daly využít všude na světě.

Existuje jen pár oblastí lidského snažení, kde nebyla anorganická chemie někdy využita. Medicína, zemědělství, zvláštní tekutiny jako prací prostředky nebo emulgátory. Nové nátěry, materiály, barvy, a paliva pro průmyslové využití. Při výrobě chemikálií jsou důležité katalyzátory, protože reakce urychlují. Anorganická chemie také zasahuje do materiálové vědy, vytváří pevné látky s novou krystalovou mřížkou jako například supravodiče při vysokých teplotách.

Tento seznam je nekonečný. Mezi anorganickou a organickou chemií se nachází organokovová chemie. Zkoumá organické molekuly vázané přes atom kovu. Často se využívají jako katalyzátory při výrobě. Organická chemie zkoumá struktury a chování organických molekul. Ty se obvykle skládají z malého počtu různých atomů.

Uhlík, vodík, kyslík, dusík a pár dalších. Organičtí chemici se snaží vytvořit nové molekuly s vhodnými vlastnostmi. Organické molekuly obsahují uhlík a vazba mezi uhlíkem a vodíkem je nejběžnější vazbou organické chemie. V průmyslu se organická chemie hojně využívá. Hnojiva, pesticidy, maziva, polymery a plasty. Běžný člověk se s nimi setká ve vůních, dochucovadlech a konzervantech. A také v léčivech.

Z organické chemie vychází biochemie. Ta studuje chemii živých tvorů. Biochemie studuje složky, které mohou být anorganické, jako vodu nebo minerály, ale také se zaměřuje na mnohem komplikovanější molekuly proteinů, tuků a DNA. Toto odvětví se také prolíná s molekulární biologií. Ta zkoumá drobné detaily chemických procesů uvnitř buněk. V biochemii se nachází čtyři hlavní třídy molekul zvané biomolekuly.

Karbohydráty slouží k uchování energie. Lipidy vytvářejí tuky. Proteiny jsou obří molekuly tvořené aminokyselinami, které v těle mají mnoho různých funkcí. Nukleové kyseliny uchovávají genetickou informaci. Výzkum v oblasti biochemie má obří vliv na medicínu. Pomáhá nám pochopit infekční a genetické nemoci, usnadňuje transplantace orgánů a tkání, pomáhá klinické diagnostice zjistit, co vám je, a také zkoumá výživu.

Zkoumá funkci vitamínů a minerálů v naše těle. Biochemie je důležitá i pro zemědělství, zkoumá půdu, hnojiva a pesticidy. Aplikací existuje mnohem víc. Toto je můj pokus shrnout celou chemii do 12 minut. Nebylo to snadné, protože je to velice komplikované.

Udivuje mě, že něco tak komplexního jako člověk může být postaveno na obřím množství jednoduchých chemických reakcí. Vaše vědomí je chemickou reakcí buněk vašeho mozku. Kyslík je rozváděn vaší krví a cukry jsou spalovány v buňkách. Chemie zahrnuje jak jednotlivé atomy i buňky, které vás udržují naživu. Podle mě je to neuvěřitelně fascinující.

Překlad: Mithril www.videacesky.cz