K lúpežným prepadnutiam papiernictiev a krádežiam tuhy prichádza pomerne zriedkavo. Lúpežné prepadnutia klenotníctiev a krádeže diamantov sú oveľa častejšie. Zvláštne, veď predsa jedno aj druhé je uhlík.
Čistý alebo takmer čistý uhlík sa v prírode vyskytuje v dvoch formách, ktoré sú také odlišné, že už odlišnejšie hádam ani byť nemôžu. Diamant je jasný ako deň, tuha je čierna ako noc. Diamant je najtvrdší prírodný materiál, tuha jeden z najmäkších. Diamanty sa používajú na výrobu extrémne drsných brúsnych povrchov, tuha sa používa ako mazivo.
Z hľadiska vedenia elektrického prúdu je tuha dobrý vodič, diamant je úplný nevodič. Z hľadiska vedenia tepla je tuha tiež dobrý vodič a diamant je úplne najlepší vodič na svete. Naozaj, tepelná vodivosť diamantu niekoľkonásobne prevyšuje tepelnú vodivosť striebra, ktoré je držiteľom striebornej medaily v tejto kategórii.
Tuha aj diamant sa pritom skutočne skladajú z celkom rovnakých atómov. Tak v čom je ten rozdiel? Rozdiel je v tom, ako sú tie atómy usporiadané.
.diamanty a gaštany
Atóm sa skladá z jadra a elektrónov. Nie vždy sa však dá povedať, ktorý elektrón patrí ku ktorému atómu. Často je to tak, že niektoré elektróny patria súčasne dvom rôznym atómom a práve toto zdieľanie elektrónov tvorí podstatu chemickej väzby.
Pod chemickou väzbou si väčšina z nás predstaví väzbu atómov v molekulách. Ale to nie je jej jediná dôležitá funkcia. Takáto väzba drží na svojich miestach aj atómy v kryštalických mriežkach, a tým určuje mnohé vlastnosti tuhých látok.
Atóm uhlíka má šesť elektrónov, z ktorých štyri majú schopnosť „byť zdieľané“ s iným atómom. Elektrónom s touto schopnosťou sa hovorí valenčné elektróny. Počet valenčných elektrónov určuje chemické vlastnosti atómov. O mnohých vlastnostiach látok však nerozhoduje len počet, ale aj priestorové rozloženie týchto elektrónov (poznámka pre znalcov: pod rozložením elektrónov myslíme, samozrejme, ich vlnovú funkciu).
V kryštáloch diamantu sú štyri valenčné elektróny každého atómu uhlíka rozložené tak, že to pripomína akúsi trojnožku, ktorej štvrtá noha smeruje kolmo hore. Všetky štyri nohy sú pritom úplne rovnocenné, ak celú vec postavíme na ktorékoľvek tri nohy, vždy vyzerá rovnako.
Celý vtip diamantu spočíva v tom, že takéto štvornohé trojnožky sa dajú spájať ako nejaká stavebnica. Výsledkom je symetrická štruktúra – takzvaná mriežka – v ktorej má každý štyroch celkom rovnocenných susedov. To, že sa to skutočne dá a ako výsledná mriežka vyzerá, nie je na prvý pohľad zrejmé, ale dá sa to nahliadnuť pomocou matematiky alebo pomocou nejakých detských stavebníc (napríklad pomocou stavebnice z gaštanov a zápaliek, ktorú si môže každý sám vyrobiť). A práve tejto štruktúre vďačí diamant za svoju tvrdosť.
Čo je to vlastne tvrdosť? Ak vtláčame nejaký materiál do iného, v jednom z nich často vznikne ryha. V ktorom? V tom, ktorého atómy sú ochotnejšie ustúpiť zo svojich pozícií. Všetkých nás učili, že múdrejší ustúpi, ale všetci vieme, že v skutočnosti väčšinou ustupuje slabší. Aj v kryštalických mriežkach je to tak. Najslabšie väzby sa narušia ako prvé a atómy sa začnú premiestňovať. Nuž ale v diamante niet najslabších väzieb – tam sú všetky väzby rovnaké. To je jeden z dôvodov tvrdosti diamantu.
To, že sú všetky väzby rovnako silné, však ešte neznamená, že sú naozaj silné. Často to býva práve naopak, napríklad keď sú všetci ľudia rovnako bohatí, tak to vôbec neznamená, že sú bohatí. Na rozdiel od bohatstva však v prípade diamantu platí, že väzby medzi uhlíkmi sú nielenže silné, ale dokonca mimoriadne silné. Prečo? Aj to je dôsledkom kryštalickej štruktúry diamantu, ale ako konkrétne tieto veci súvisia, do toho sa tu púšťať nebudeme. Musíme si nechať nejaké miesto aj pre tuhu.
.tuha a včelie plásty
Kryštalickú mriežku si možno predstavovať ako akúsi stavebnicu, ale v porovnaní s bežnými stavebnicami je tu jeden významný rozdiel. Vo väčšine stavebníc je tvar dielikov dopredu daný a tento tvar určuje možné tvary výslednej stavby. V prípade kryštalických mriežok je to tiež tak, ale je to aj naopak – niekedy určuje výsledná stavba tvar dielikov.
Kryštáliky tuhy sú tvorené takými istými atómami uhlíka ako diamant, tvar týchto atómov – čím myslíme priestorové rozloženie ich valenčných elektrónov – je však iný. Tri valenčné elektróny vstupujú do hry ako rovnocenné, štvrtý sa od nich výrazne líši.
Najprv si povedzme o tých troch rovnocenných. Tie ležia v jednej rovine a ak použijeme našu analógiu s nohami, tak každé dve z týchto troch nôh zvierajú medzi sebou rovnaký uhol (120 °). Z takýchto dielikov sa dá v rovine poskladať pravidelná šesťuholníková štruktúra pripomínajúca včelí plást. A atómy uhlíka v tuhe naozaj vytvárajú také roviny so šesťuholníkovou štruktúrou.
A čo ten štvrtý valenčný elektrón? Je aj ten zdieľaný viacerými atómami, a podieľa sa tak na nejakých väzbách, alebo zostáva verný svojmu atómu? Nie, nezostáva verný, ale vstupuje len do slabých väzieb, vďaka ktorým držia pohromade jednotlivé roviny tvorené šesťuholníkovými štruktúrami. Nuž, ale keďže sú tieto väzby také slabé, jednotlivé roviny sa od seba dajú ľahko oddeliť. Ak píšeme tuhou po papieri, prichádza presne k takému oddeleniu a z rovnakého dôvodu môže tuha slúžiť ako výborné tuhé mazivo.
To však ešte nie je o tom štvrtom valenčnom elektróne v tuhe všetko. On nielenže vstupuje len do slabých väzieb, on je v skutočnosti úplne promiskuitný. Tie štvrté elektróny vlastne nepatria k nijakým konkrétnym atómom a sú v nejakom zmysle takmer voľné. Ak sa dostanú do elektrického poľa, začnú sa v ňom ochotne pohybovať a tým vedú elektrický prúd. Práve vďaka nim je tuha dobrým vodičom elektriny. V diamante, v ktorom všetky valenčné elektróny žijú v usporiadaných partnerstvách, nemá elektrinu kto viesť.
.štruktúra a vlastnosti
Takže tak je to s kryštalickou mriežkou a elektrónmi na jednej strane a s tvrdosťou či elektrickou vodivosťou na strane druhej. A ako je to s ostatnými vlastnosťami?
Optické vlastnosti materiálov sú dané tým, ako dokážu látky pohlcovať svetlo. Pohlcovanie svetla je pohlcovaním jednotlivých fotónov. Daná látka však môže pohlcovať len fotóny s istou energiou. Vďaka promiskuitným elektrónom dokáže tuha pohlcovať fotóny viditeľného svetla. Preto je čierna. Elektróny v diamante sa nachádzajú v stavoch, v ktorých nie je pohlcovanie fotónov viditeľného svetla dosť dobre možné. Preto sú diamanty priehľadné.
Tepelné vlastnosti látok sú zas dané najmä štruktúrou mriežky. Diamant vďačí za svoju extrémnu tepelnú vodivosť extrémnym vlastnostiam svojej kryštalickej mriežky (poriadne vysvetlenie nie je jednoduché). A tak ďalej. Všetky vlastnosti látok sú len prejavom štruktúry ich mriežok a elektrónov. A jedno sa tomu uhlíku uprieť nedá: súvis vnútornej štruktúry a vonkajších vlastností sa na ňom dá ilustrovať tak, ako na máločom inom.
Čistý alebo takmer čistý uhlík sa v prírode vyskytuje v dvoch formách, ktoré sú také odlišné, že už odlišnejšie hádam ani byť nemôžu. Diamant je jasný ako deň, tuha je čierna ako noc. Diamant je najtvrdší prírodný materiál, tuha jeden z najmäkších. Diamanty sa používajú na výrobu extrémne drsných brúsnych povrchov, tuha sa používa ako mazivo.
Z hľadiska vedenia elektrického prúdu je tuha dobrý vodič, diamant je úplný nevodič. Z hľadiska vedenia tepla je tuha tiež dobrý vodič a diamant je úplne najlepší vodič na svete. Naozaj, tepelná vodivosť diamantu niekoľkonásobne prevyšuje tepelnú vodivosť striebra, ktoré je držiteľom striebornej medaily v tejto kategórii.
Tuha aj diamant sa pritom skutočne skladajú z celkom rovnakých atómov. Tak v čom je ten rozdiel? Rozdiel je v tom, ako sú tie atómy usporiadané.
.diamanty a gaštany
Atóm sa skladá z jadra a elektrónov. Nie vždy sa však dá povedať, ktorý elektrón patrí ku ktorému atómu. Často je to tak, že niektoré elektróny patria súčasne dvom rôznym atómom a práve toto zdieľanie elektrónov tvorí podstatu chemickej väzby.
Pod chemickou väzbou si väčšina z nás predstaví väzbu atómov v molekulách. Ale to nie je jej jediná dôležitá funkcia. Takáto väzba drží na svojich miestach aj atómy v kryštalických mriežkach, a tým určuje mnohé vlastnosti tuhých látok.
Atóm uhlíka má šesť elektrónov, z ktorých štyri majú schopnosť „byť zdieľané“ s iným atómom. Elektrónom s touto schopnosťou sa hovorí valenčné elektróny. Počet valenčných elektrónov určuje chemické vlastnosti atómov. O mnohých vlastnostiach látok však nerozhoduje len počet, ale aj priestorové rozloženie týchto elektrónov (poznámka pre znalcov: pod rozložením elektrónov myslíme, samozrejme, ich vlnovú funkciu).
V kryštáloch diamantu sú štyri valenčné elektróny každého atómu uhlíka rozložené tak, že to pripomína akúsi trojnožku, ktorej štvrtá noha smeruje kolmo hore. Všetky štyri nohy sú pritom úplne rovnocenné, ak celú vec postavíme na ktorékoľvek tri nohy, vždy vyzerá rovnako.
Celý vtip diamantu spočíva v tom, že takéto štvornohé trojnožky sa dajú spájať ako nejaká stavebnica. Výsledkom je symetrická štruktúra – takzvaná mriežka – v ktorej má každý štyroch celkom rovnocenných susedov. To, že sa to skutočne dá a ako výsledná mriežka vyzerá, nie je na prvý pohľad zrejmé, ale dá sa to nahliadnuť pomocou matematiky alebo pomocou nejakých detských stavebníc (napríklad pomocou stavebnice z gaštanov a zápaliek, ktorú si môže každý sám vyrobiť). A práve tejto štruktúre vďačí diamant za svoju tvrdosť.
Čo je to vlastne tvrdosť? Ak vtláčame nejaký materiál do iného, v jednom z nich často vznikne ryha. V ktorom? V tom, ktorého atómy sú ochotnejšie ustúpiť zo svojich pozícií. Všetkých nás učili, že múdrejší ustúpi, ale všetci vieme, že v skutočnosti väčšinou ustupuje slabší. Aj v kryštalických mriežkach je to tak. Najslabšie väzby sa narušia ako prvé a atómy sa začnú premiestňovať. Nuž ale v diamante niet najslabších väzieb – tam sú všetky väzby rovnaké. To je jeden z dôvodov tvrdosti diamantu.
To, že sú všetky väzby rovnako silné, však ešte neznamená, že sú naozaj silné. Často to býva práve naopak, napríklad keď sú všetci ľudia rovnako bohatí, tak to vôbec neznamená, že sú bohatí. Na rozdiel od bohatstva však v prípade diamantu platí, že väzby medzi uhlíkmi sú nielenže silné, ale dokonca mimoriadne silné. Prečo? Aj to je dôsledkom kryštalickej štruktúry diamantu, ale ako konkrétne tieto veci súvisia, do toho sa tu púšťať nebudeme. Musíme si nechať nejaké miesto aj pre tuhu.
.tuha a včelie plásty
Kryštalickú mriežku si možno predstavovať ako akúsi stavebnicu, ale v porovnaní s bežnými stavebnicami je tu jeden významný rozdiel. Vo väčšine stavebníc je tvar dielikov dopredu daný a tento tvar určuje možné tvary výslednej stavby. V prípade kryštalických mriežok je to tiež tak, ale je to aj naopak – niekedy určuje výsledná stavba tvar dielikov.
Kryštáliky tuhy sú tvorené takými istými atómami uhlíka ako diamant, tvar týchto atómov – čím myslíme priestorové rozloženie ich valenčných elektrónov – je však iný. Tri valenčné elektróny vstupujú do hry ako rovnocenné, štvrtý sa od nich výrazne líši.
Najprv si povedzme o tých troch rovnocenných. Tie ležia v jednej rovine a ak použijeme našu analógiu s nohami, tak každé dve z týchto troch nôh zvierajú medzi sebou rovnaký uhol (120 °). Z takýchto dielikov sa dá v rovine poskladať pravidelná šesťuholníková štruktúra pripomínajúca včelí plást. A atómy uhlíka v tuhe naozaj vytvárajú také roviny so šesťuholníkovou štruktúrou.
A čo ten štvrtý valenčný elektrón? Je aj ten zdieľaný viacerými atómami, a podieľa sa tak na nejakých väzbách, alebo zostáva verný svojmu atómu? Nie, nezostáva verný, ale vstupuje len do slabých väzieb, vďaka ktorým držia pohromade jednotlivé roviny tvorené šesťuholníkovými štruktúrami. Nuž, ale keďže sú tieto väzby také slabé, jednotlivé roviny sa od seba dajú ľahko oddeliť. Ak píšeme tuhou po papieri, prichádza presne k takému oddeleniu a z rovnakého dôvodu môže tuha slúžiť ako výborné tuhé mazivo.
To však ešte nie je o tom štvrtom valenčnom elektróne v tuhe všetko. On nielenže vstupuje len do slabých väzieb, on je v skutočnosti úplne promiskuitný. Tie štvrté elektróny vlastne nepatria k nijakým konkrétnym atómom a sú v nejakom zmysle takmer voľné. Ak sa dostanú do elektrického poľa, začnú sa v ňom ochotne pohybovať a tým vedú elektrický prúd. Práve vďaka nim je tuha dobrým vodičom elektriny. V diamante, v ktorom všetky valenčné elektróny žijú v usporiadaných partnerstvách, nemá elektrinu kto viesť.
.štruktúra a vlastnosti
Takže tak je to s kryštalickou mriežkou a elektrónmi na jednej strane a s tvrdosťou či elektrickou vodivosťou na strane druhej. A ako je to s ostatnými vlastnosťami?
Optické vlastnosti materiálov sú dané tým, ako dokážu látky pohlcovať svetlo. Pohlcovanie svetla je pohlcovaním jednotlivých fotónov. Daná látka však môže pohlcovať len fotóny s istou energiou. Vďaka promiskuitným elektrónom dokáže tuha pohlcovať fotóny viditeľného svetla. Preto je čierna. Elektróny v diamante sa nachádzajú v stavoch, v ktorých nie je pohlcovanie fotónov viditeľného svetla dosť dobre možné. Preto sú diamanty priehľadné.
Tepelné vlastnosti látok sú zas dané najmä štruktúrou mriežky. Diamant vďačí za svoju extrémnu tepelnú vodivosť extrémnym vlastnostiam svojej kryštalickej mriežky (poriadne vysvetlenie nie je jednoduché). A tak ďalej. Všetky vlastnosti látok sú len prejavom štruktúry ich mriežok a elektrónov. A jedno sa tomu uhlíku uprieť nedá: súvis vnútornej štruktúry a vonkajších vlastností sa na ňom dá ilustrovať tak, ako na máločom inom.
Ak ste našli chybu, napíšte na web@tyzden.sk.