Aj jedno, aj druhé je totiž „len“ prvok uhlík. Diamant je však veľmi tvrdý a vieme, že dokáže rezať sklo. Okrem toho je aj priesvitný a nádherne lesklý. Tuha je, naproti tomu, mäkká, čierna a vzhľadom príliš nezaujme. Ako je možné, že jeden prvok má dve formy s takými rozdielnymi vlastnosťami? Sú obidve formy správne, alebo by mala byť len jedna, a tá druhá sa vyskytuje, takpovediac, omylom? Môže sa jedna meniť na druhú? Ak áno, tak premena tuhy na diamant by bola zaujímavejšia než opačný proces. Možná premena diamantu na čiernu tuhu vzbudzuje u človeka, ktorý investoval do šperkov, asi skôr hrôzu. .cín
Skôr, ako sa zamyslíme nad podstatou veci, spomenieme okrem diamantu ešte pár ďalších príkladov z dávnejšej minulosti. Možno sú to len legendy, ale aj keby neboli ničím iným, aj tak sú to zaujímavé legendy a stoja za zmienku. Obe sa týkajú ďalšieho bežne známeho prvku, cínu.
Prvý príklad je zo severu. Už v stredoveku sa v Škandinávii pozorovalo, že píšťaly organov v katedrálach, ktoré boli vyrobené z cínu, sa počas tuhých zím rozpadávali. Druhý príklad je z juhu. Keď sa polárna výprava britského cestovateľa R. Scotta v roku 1912 blížila k južnému pólu, po ceste si odložili zásoby paliva na spiatočnú cestu. Keď sa vracali späť, kanistre s palivom boli deravé a prázdne. Táto skutočnosť bola jedným z faktorov, ktoré prispeli k tragickému koncu výpravy. Keď dodáme, že kanistre boli spájkované cínom, napadne nám, že v tuhých mrazoch sa asi s cínom deje niečo zlé.
Dnes vieme, že pri teplote pod 13 °C sa bežný cín, zvaný aj biely cín, ktorý je kovový a kujný, mení na takzvaný šedý cín, ktorý je krehký. Šedý cín sa nakoniec rozpadne na prášok. Vychádza z toho rovnaká schéma, ako v prípade uhlíka – jeden prvok a dve formy. Spomínané príklady evokujú nové otázky. Je toto správanie špecifické len pre uhlík a cín alebo sa vyskytuje aj v iných prvkoch zlúčeninách ? A môžu byť tie formy len dve, alebo aj viaceré?
Dá sa tušiť, že uhlík a cín asi nie sú jediné tuhé látky, ktoré existujú v rôznych formách. Túto vlastnosť majú všetky látky a odborne sa nazýva polymorfizmus. Presne povedané, ide o schopnosť kryštálov existovať v rôznych formách pri rôznych vonkajších podmienkach. Na pochopenie polymorfizmu však nestačí pohľad zvonka. Treba ísť k podstate veci a pozrieť sa dovnútra hmoty. To, ako látky vyzerajú zvnútra, je kľúčom k pochopeniu toho, ako vyzerajú zvonka, a aké majú vlastnosti.
Prechodom medzi jednotlivými formami hovoríme štruktúrne fázové prechody, pretože sa pri nich mení kryštálová štruktúra. Táto je daná pravidelným usporiadaním atómov v priestore. Pri štruktúrnom fázovom prechode sa atómy z pôvodných polôh presunú do nových a poukladajú sa tak, aby sa „cítili lepšie“. Musia sa prispôsobiť daným vonkajším podmienkam, ktorými sú v tomto prípade predovšetkým tlak a teplota. Tlak určuje, koľko priestoru má atóm okolo seba a teplota zase určuje, koľko z toho priestoru atóm naozaj dokáže využiť. Čím je tlak vyšší, tým menej objemu má atóm sám pre seba. Čím je teplota vyššia, tým slabšie je atóm „priviazaný“ k určitej polohe a tým viac sa môže priblížiť k susedným atómom. Polohy atómov v určitej štruktúre súvisia s chemickými väzbami, ktoré sa medzi atómami vytvoria. Dobrým príkladom je už spomínaná tuha (odborne nazývaná grafit) a diamant. .uhlík
V grafite sú atómy uložené vo vrstvách a v každej vrstve tvoria sieť pozostávajúcu z pravidelných šesťuholníkov, podobnú včelím plástom. V takejto sieti má každý atóm tri pevné väzby k najbližším atómom. Atómy v jednej vrstve však nemajú väzby s atómami v susedných vrstvách, a teda vrstvy sú takmer nezávislé. Môžu sa jedna po druhej ľahko šmýkať, a preto tuha píše na papier. Keď však grafit silne stlačíme a vrstvy sa priblížia jedna k druhej na určitú vzdialenosť, atómy v susedných vrstvách tiež začnú vytvárať väzby. Nakoniec sa všetky väzby, v pôvodných vrstvách aj medzi nimi, stanú rovnakými, a grafit sa zmení na diamant.
Práve silné väzby vo všetkých smeroch dávajú diamantu jeho neuveriteľnú tvrdosť. Premenu grafitu na diamant teda možno dosiahnuť pôsobením vysokého tlaku. Pomáha aj vysoká teplota, lebo silné vibrácie atómov im pomáhajú prekonať bariéry a vytvoriť nové väzby medzi pôvodnými vrstvami.
Uhlík predstavuje veľmi špecifický príklad látky, ktorá má v obrovskom rozsahu tlakov len dve kryštalické formy, avšak na druhej strane tie dve formy majú extrémne odlišné vlastnosti. Existujú však aj príklady látok s veľkým množstvom kryštalických foriem a netreba ani hľadať medzi exotickými látkami – stačí sa pozrieť na vodu (kde, ako sme hovorili v minulom čísle .týždňa, existuje okrem bežného ľadu najmenej ďalších štrnásť kryštalických foriem a tiež najmenej dve formy takzvaného amorfného ľadu, ktoré vôbec nemajú kryštalickú štruktúru, ale molekuly v nich sú neusporiadané a pripomínajú sklo). .experiment a teória
Na skúmanie polymorfizmu pri vysokých tlakoch fyzici vymysleli rôzne dômyselné prístroje. Skúmaná vzorka sa stláča medzi dvoma diamantmi, pričom sa dá dosiahnuť neuveriteľný tlak – až štyrimiliónykrát vyšší, ako je normálny atmosférický (na ilustráciu: tento tlak je ešte trochu vyšší, ako tlak v strede Zeme). Na určenie vnútornej štruktúry látok sa používajú synchrotróny, obrovské zariadenia, v ktorých sa elektróny urýchľujú takmer na rýchlosť svetla, pričom vyžarujú aj silné röntgenové žiarenie. Röntgenový lúč sa dá zaostriť na hrúbku len niekoľkých stotín milimetra, a tak je možné detailne skúmať štruktúru stlačených látok kúsok po kúsku.
V posledných rokoch sa dosiahol veľký pokrok aj v teoretickom pochopení polymorfizmu. Ešte v roku 1988 napísal J. Maddox, editor prestížneho časopisu Nature, že jedným z pokračujúcich škandálov vo fyzike je to, že nevieme predpovedať kryštálovú štruktúru ani tých najjednoduchších látok len na základe ich chemického zloženia. Vďaka výkonným superpočítačom a novým dômyselným algoritmom tento škandál v ostatnom desaťročí prestal fyzikov strašiť. Dnes dokážeme správne predpovedať aj veľmi komplikované štruktúry mnohých látok v širokom rozsahu tlakov a teplôt, a to dokonca skôr, ako je taká látka pripravená. Toto otvára nové možnosti v materiálovom výskume – môžeme čisto teoreticky vymyslieť a preskúmať nový, doteraz neznámy materiál s unikátnymi vlastnosťami.
Polymorfizmus nie je len akademickým problémom. Okrem materiálového výskumu je veľmi dôležitý aj v geofyzike a fyzike planét. Keď ideme v Zemi hlbšie a hlbšie, tlak narastá a keď dosiahne hodnotu, pri ktorej sa určitý minerál mení z jednej formy na druhú, vzniká rozhranie. Vieme však, že na rozhraní sa vlny odrážajú a lámu, a to sa v tomto prípade týka seizmických vĺn. Pre správnu interpretáciu seizmologických pozorovaní je teda potrebné vedieť, pri akom tlaku nastávajú v mineráloch štruktúrne transformácie.
A možno to znie prekvapujúco, ale polymorfizmus hrá dôležitú úlohu aj vo farmaceutickom priemysle. Pri výrobe liekov môže tá istá účinná látka vykryštalizovať vo viacerých kryštalických formách, ktoré nemusia mať rovnaké liečebné účinky.
A nakoniec sa vráťme k otázke z úvodu: ktorá z dvoch foriem uhlíka je v skutočnosti tá správna – diamant alebo tuha ? Odpoveď sa dá jednoducho uhádnuť – tá, ktorej sa vyskytuje viac. To, čoho je viac, však závisí od tlaku a teploty. Keby bol na Zemi vysoký tlak, tak by sa všetka tuha premenila na diamanty. Pri takom tlaku by sme tu však určite neboli my, a nemal by kto diamanty obdivovať.
Pri normálnych podmienkach, v akých existujeme, by sa mali všetky diamanty zmeniť na tuhu. Máme tak trochu šťastie, že im to trvá príliš dlho a od svojho vzniku v dávnych dobách preto prežili až dodnes. Takýmto stavom látky, ktoré by pri daných podmienkach ani nemali existovať, hovoríme metastabilné. Diamant je pri normálnych podmienkach metastabilný, a teda existuje vlastne omylom. Ale keď sa pozrieme na diamant, máme pocit, že je to omyl prírody ? Asi nie. Ak áno, tak musíme pripustiť, že aj omyly môžu byť krásne a drahé. Autor je fyzik.
Skôr, ako sa zamyslíme nad podstatou veci, spomenieme okrem diamantu ešte pár ďalších príkladov z dávnejšej minulosti. Možno sú to len legendy, ale aj keby neboli ničím iným, aj tak sú to zaujímavé legendy a stoja za zmienku. Obe sa týkajú ďalšieho bežne známeho prvku, cínu.
Prvý príklad je zo severu. Už v stredoveku sa v Škandinávii pozorovalo, že píšťaly organov v katedrálach, ktoré boli vyrobené z cínu, sa počas tuhých zím rozpadávali. Druhý príklad je z juhu. Keď sa polárna výprava britského cestovateľa R. Scotta v roku 1912 blížila k južnému pólu, po ceste si odložili zásoby paliva na spiatočnú cestu. Keď sa vracali späť, kanistre s palivom boli deravé a prázdne. Táto skutočnosť bola jedným z faktorov, ktoré prispeli k tragickému koncu výpravy. Keď dodáme, že kanistre boli spájkované cínom, napadne nám, že v tuhých mrazoch sa asi s cínom deje niečo zlé.
Dnes vieme, že pri teplote pod 13 °C sa bežný cín, zvaný aj biely cín, ktorý je kovový a kujný, mení na takzvaný šedý cín, ktorý je krehký. Šedý cín sa nakoniec rozpadne na prášok. Vychádza z toho rovnaká schéma, ako v prípade uhlíka – jeden prvok a dve formy. Spomínané príklady evokujú nové otázky. Je toto správanie špecifické len pre uhlík a cín alebo sa vyskytuje aj v iných prvkoch zlúčeninách ? A môžu byť tie formy len dve, alebo aj viaceré?
Dá sa tušiť, že uhlík a cín asi nie sú jediné tuhé látky, ktoré existujú v rôznych formách. Túto vlastnosť majú všetky látky a odborne sa nazýva polymorfizmus. Presne povedané, ide o schopnosť kryštálov existovať v rôznych formách pri rôznych vonkajších podmienkach. Na pochopenie polymorfizmu však nestačí pohľad zvonka. Treba ísť k podstate veci a pozrieť sa dovnútra hmoty. To, ako látky vyzerajú zvnútra, je kľúčom k pochopeniu toho, ako vyzerajú zvonka, a aké majú vlastnosti.
Prechodom medzi jednotlivými formami hovoríme štruktúrne fázové prechody, pretože sa pri nich mení kryštálová štruktúra. Táto je daná pravidelným usporiadaním atómov v priestore. Pri štruktúrnom fázovom prechode sa atómy z pôvodných polôh presunú do nových a poukladajú sa tak, aby sa „cítili lepšie“. Musia sa prispôsobiť daným vonkajším podmienkam, ktorými sú v tomto prípade predovšetkým tlak a teplota. Tlak určuje, koľko priestoru má atóm okolo seba a teplota zase určuje, koľko z toho priestoru atóm naozaj dokáže využiť. Čím je tlak vyšší, tým menej objemu má atóm sám pre seba. Čím je teplota vyššia, tým slabšie je atóm „priviazaný“ k určitej polohe a tým viac sa môže priblížiť k susedným atómom. Polohy atómov v určitej štruktúre súvisia s chemickými väzbami, ktoré sa medzi atómami vytvoria. Dobrým príkladom je už spomínaná tuha (odborne nazývaná grafit) a diamant. .uhlík
V grafite sú atómy uložené vo vrstvách a v každej vrstve tvoria sieť pozostávajúcu z pravidelných šesťuholníkov, podobnú včelím plástom. V takejto sieti má každý atóm tri pevné väzby k najbližším atómom. Atómy v jednej vrstve však nemajú väzby s atómami v susedných vrstvách, a teda vrstvy sú takmer nezávislé. Môžu sa jedna po druhej ľahko šmýkať, a preto tuha píše na papier. Keď však grafit silne stlačíme a vrstvy sa priblížia jedna k druhej na určitú vzdialenosť, atómy v susedných vrstvách tiež začnú vytvárať väzby. Nakoniec sa všetky väzby, v pôvodných vrstvách aj medzi nimi, stanú rovnakými, a grafit sa zmení na diamant.
Práve silné väzby vo všetkých smeroch dávajú diamantu jeho neuveriteľnú tvrdosť. Premenu grafitu na diamant teda možno dosiahnuť pôsobením vysokého tlaku. Pomáha aj vysoká teplota, lebo silné vibrácie atómov im pomáhajú prekonať bariéry a vytvoriť nové väzby medzi pôvodnými vrstvami.
Uhlík predstavuje veľmi špecifický príklad látky, ktorá má v obrovskom rozsahu tlakov len dve kryštalické formy, avšak na druhej strane tie dve formy majú extrémne odlišné vlastnosti. Existujú však aj príklady látok s veľkým množstvom kryštalických foriem a netreba ani hľadať medzi exotickými látkami – stačí sa pozrieť na vodu (kde, ako sme hovorili v minulom čísle .týždňa, existuje okrem bežného ľadu najmenej ďalších štrnásť kryštalických foriem a tiež najmenej dve formy takzvaného amorfného ľadu, ktoré vôbec nemajú kryštalickú štruktúru, ale molekuly v nich sú neusporiadané a pripomínajú sklo). .experiment a teória
Na skúmanie polymorfizmu pri vysokých tlakoch fyzici vymysleli rôzne dômyselné prístroje. Skúmaná vzorka sa stláča medzi dvoma diamantmi, pričom sa dá dosiahnuť neuveriteľný tlak – až štyrimiliónykrát vyšší, ako je normálny atmosférický (na ilustráciu: tento tlak je ešte trochu vyšší, ako tlak v strede Zeme). Na určenie vnútornej štruktúry látok sa používajú synchrotróny, obrovské zariadenia, v ktorých sa elektróny urýchľujú takmer na rýchlosť svetla, pričom vyžarujú aj silné röntgenové žiarenie. Röntgenový lúč sa dá zaostriť na hrúbku len niekoľkých stotín milimetra, a tak je možné detailne skúmať štruktúru stlačených látok kúsok po kúsku.
V posledných rokoch sa dosiahol veľký pokrok aj v teoretickom pochopení polymorfizmu. Ešte v roku 1988 napísal J. Maddox, editor prestížneho časopisu Nature, že jedným z pokračujúcich škandálov vo fyzike je to, že nevieme predpovedať kryštálovú štruktúru ani tých najjednoduchších látok len na základe ich chemického zloženia. Vďaka výkonným superpočítačom a novým dômyselným algoritmom tento škandál v ostatnom desaťročí prestal fyzikov strašiť. Dnes dokážeme správne predpovedať aj veľmi komplikované štruktúry mnohých látok v širokom rozsahu tlakov a teplôt, a to dokonca skôr, ako je taká látka pripravená. Toto otvára nové možnosti v materiálovom výskume – môžeme čisto teoreticky vymyslieť a preskúmať nový, doteraz neznámy materiál s unikátnymi vlastnosťami.
Polymorfizmus nie je len akademickým problémom. Okrem materiálového výskumu je veľmi dôležitý aj v geofyzike a fyzike planét. Keď ideme v Zemi hlbšie a hlbšie, tlak narastá a keď dosiahne hodnotu, pri ktorej sa určitý minerál mení z jednej formy na druhú, vzniká rozhranie. Vieme však, že na rozhraní sa vlny odrážajú a lámu, a to sa v tomto prípade týka seizmických vĺn. Pre správnu interpretáciu seizmologických pozorovaní je teda potrebné vedieť, pri akom tlaku nastávajú v mineráloch štruktúrne transformácie.
A možno to znie prekvapujúco, ale polymorfizmus hrá dôležitú úlohu aj vo farmaceutickom priemysle. Pri výrobe liekov môže tá istá účinná látka vykryštalizovať vo viacerých kryštalických formách, ktoré nemusia mať rovnaké liečebné účinky.
A nakoniec sa vráťme k otázke z úvodu: ktorá z dvoch foriem uhlíka je v skutočnosti tá správna – diamant alebo tuha ? Odpoveď sa dá jednoducho uhádnuť – tá, ktorej sa vyskytuje viac. To, čoho je viac, však závisí od tlaku a teploty. Keby bol na Zemi vysoký tlak, tak by sa všetka tuha premenila na diamanty. Pri takom tlaku by sme tu však určite neboli my, a nemal by kto diamanty obdivovať.
Pri normálnych podmienkach, v akých existujeme, by sa mali všetky diamanty zmeniť na tuhu. Máme tak trochu šťastie, že im to trvá príliš dlho a od svojho vzniku v dávnych dobách preto prežili až dodnes. Takýmto stavom látky, ktoré by pri daných podmienkach ani nemali existovať, hovoríme metastabilné. Diamant je pri normálnych podmienkach metastabilný, a teda existuje vlastne omylom. Ale keď sa pozrieme na diamant, máme pocit, že je to omyl prírody ? Asi nie. Ak áno, tak musíme pripustiť, že aj omyly môžu byť krásne a drahé. Autor je fyzik.
Ak ste našli chybu, napíšte na web@tyzden.sk.