Objev, který může přepsat učebnice chemie. Čeští vědci vyjasnili mechanismus vodíkové vazby
Díky českým vědcům se možná budou přepisovat učebnice. Experti dvou ústavů Akademie věd vyvrátili předpoklad, že vodíková vazba závisí na silné elektronegativitě. Podle jejich výzkumu to není rozhodující, protože tento typ vazby vytváří vodík při reakci s jakýmkoli prvkem. Objev vědců z Ústavu organické chemie a biochemie a Ústavu fyzikální chemie Jaroslava Heyrovského publikoval prestižní časopis Journal of the American Chemical Society.
Vodíkové vazby hrají zásadní roli v přírodních vědách. Jsou zodpovědné za existenci kapalné vody, ve které vznikl život, ale také za strukturu DNA, která je nositelkou genetické informace nebo struktury bílkovin.
Díky českým vědcům se možná budou přepisovat učebnice. O objevu natáčela Eva Kézrová
„S trochou nadsázky můžeme konstatovat, že bez vodíkových vazeb by nevznikl život na Zemi,“ zdůrazňuje pro Radiožurnál význam tohoto typu chemické vazby Pavel Hobza z Ústavu organické chemie a biochemie Akademie věd.
Voda je sloučenina dvou plynných prvků, kyslíku a vodíku, a přesto je za normálních podmínek kapalná. Důvodem jsou právě vodíkové můstky.
„V kapalné vodě to vypadá tak, že kolem jedné molekuly vody jsou další čtyři molekuly vody, které jsou vázány právě vodíkovými vazbami,“ popisuje. Ty zároveň ovlivňují i skupenství vody, protože s měnící se teplotou se mění i vodíková vazba.
„Průměrná vzdálenost dvou molekul vody čili vodíkové vazby je v pevné fázi daleko kratší než v kapalné fázi. A v plynné fázi ty molekuly už o sobě ani neví, jsou víceméně izolované, a když vazba zanikne, změní se voda v páru,“ vysvětluje.
Čeští vědci hledají cestu k jaderné fúzi bez neutronů. Může přinést víc energie bez radioaktivního odpadu
Číst článek
Když vzniká nějaká sloučenina, tak si obrazně řečeno prvky podávají ruce, tedy přesněji vyměňují si elektrony. Přičemž jeden prvek ruku podává a druhý ji přijímá, záleží to na postavení v periodické tabulce a jeho elektronegativitě.
Dlouhá léta se předpokládalo, že ke vzniku vodíkové vazby může dojít jen tehdy, když vodík přitáhne silnější ruka, tedy elektronegativnější prvek. Čeští vědci ale teď zjistili, že to funguje i s tou slabší rukou.
„A je to ta samá vodíková vazba,“ upozorňuje Hobza. „Je to lehounký vodík, který je vázaný na veškeré elementy, a je jedno, jestli jsou elektronegativnější nebo elektropozitivnější. Hlavně aby tyto prvky byly o hodně těžší než vodík a to jsou všechny,“ doplňuje.
Už dříve Hobzův tým prokázal, že vodíková vazba se může prodlužovat, ale i zkracovat, což se projeví nejen očekávaným červeným posunem vibrační frekvence vazby, ale také neočekávaným modrým posunem této frekvence. A teď autoři dospěli k závěru, že vodík může být ve vazbě kladný i záporný právě proto, že nezáleží na elektronegativitě.
Hledání laboratoře
Výpočty prováděli na ostravském superpočítači v Centru IT4 Innovations, uvedený předpoklad však bylo nutné potvrdit experimentálně.
„Experimenty jsme dělali při velmi nízké teplotě 20 stupňů Kelvina, to odpovídá minus 250 stupňů Celsia. Najít laboratoř, která umí takové experimenty, bylo velmi obtížné,“ nastiňuje vědec složitost situace.
Několik let hledal vhodnou laboratoř po celém světě. „Nakonec jsme ji našli tady v Praze, na Ústavu fyzikální chemie Jaroslava Heyrovského, kde byl tým profesova Svatopluka Civiše schopen provést požadované experimenty,“ přibližuje.
Základem speciální výzkumné sestavy je kryostat. „Pomocí helia ochladíme vnitřní část na tu extrémně nízkou teplotu a na substrát nastříkneme směs dvou molekul, které tam zamrznou,“ popisuje Svatopluk Civiš z Ústavu fyzikální chemie Jaroslava Heyrovského Akademie věd.
„Celý kryostat pak dáme do interferometru a prostřednictvím infračervené spektroskopie zjišťujeme, co se děje uvnitř těch molekul,“ vysvětluje.
Náročný experiment si vyžádal stovky měření s klesající teplotou po desetinách stupňů Celsia. Výsledky ale potvrdily teoretické předpoklady.
„Na grafu vidíme absorpční čáru vodíkové vazby mezi silanem a kyanovodíkem. A ukazuje se, že jsme ve velice dobré shodě, že posun těch pásů, ke kterým dojde při komplexaci, odpovídá teoretickým výpočtům,“ pochvaluje si.
Výsledky práce českých vědců po náročném recenzním řízení publikoval nejprestižnější chemický časopis Journal of the American Chemical Society. Z definice vodíkové vazby by tak po dlouhých letech mohla zmizet podmínka silné elektronegativity.
„Zjednodušování vede k lepšímu pochopení. Takže jestli na to přistoupí chemická komunita, tak by se měla zjednodušit a upravit definice vodíkové vazby,“ věří Pavel Hobza, který díky svým výzkumům patří mezi nejcitovanější vědce světa.
