Aktuality

Hlbšie porozumenie chémii ťažkých kovov

Výskum

17.8.2020, otvorené 389-krát

 

Chémia ako prírodovedecká disciplína sa zaoberá štúdiom zloženia látok, ich vlastností a interakcií. Už prví chemici (alchymisti) sa snažili svoje poznatky zhrnúť do akýchsi “receptov”.

Ide o tvrdenia ktoré sa snažia čo najvšeobecnejším spôsobom popísať istú skupinu javov. Výsledkom je vnášanie poriadku do inak chaotickej disciplíny, akou sa môže chémia navonok zdať. Vďaka týmto receptom skúsený chemik len z minimálneho množstva informácií (ako je napríklad štruktúra molekuly) dokáže okamžite predpovedať množstvo vlastností o danej látke. Dobré „recepty“ sú vždy postavené na fyzikálnych alebo chemických teóriách a sú výsledkom rokov výskumu. Zároveň platí, že tie naozaj kvalitné (všeobecné) “recepty” sú už objavené a sú zväčša predmetom magisterského alebo doktorandského štúdia.

Tu treba odlíšiť dva druhy receptov. Recepty postavené na fyzikálnych teóriách (fundamentálne) a recepty, ktoré vznikli pozorovaním korelácie medzi rôznymi javmi, a zároveň nemajú silný teoretický základ. Moderné chemické vedy študujú už natoľko komplikované fenomény, že novoobjavených fundamentálnych receptov je v porovnaní s koreláciami veľmi málo a teda sú o to vzácnejšie.

„V našom výskume sme s kolegami z Čiech a Nemecka jeden taký fundamentálny recept objavili a publikovali v prestížnom časopise [J. Vı́cha, J. Novotný, S. Komorovsky, M. Straka, M. Kaupp, and R. Marek, Chem. Rev. 120, 7065−7103 (2020)]. Ide o zavŕšenie trojročného výskumu s výstupom troch publikácií [J. Chem. Theory Comput. 13, 3586 (2017); J. Chem. Theory Comput. 14, 3025 (2018)]. Cieľom tohto receptu je len na základne chemickej štruktúry danej látky určiť, či NMR tienenie ľahkého prvku (H, C, N, …) priamo naviazaného na ťažký prvok (napr. Ir, Pt, Au, Hg, …) bude mať pozitívny alebo negatívny NMR posun," objasňuje Mgr. Stanislav Komorovský, PhD., z Ústavu anorganickej chémie SAV.

NMR spektroskopia je v chémii jednou zo základných techník na charakterizovanie chemických zlúčenín. Bežne sa s ňou človek stretne pri vyšetrení magnetickou rezonanciou, keďže použitý MRI prístroj je postavený práve na NMR spektroskopii. NMR spektroskopia má aj široké uplatnenie v priemysle, napríklad pri testovaní kvality vína. Základným princípom NMR spektroskopie je interakcia magnetických momentov jadier atómov s vonkajším magnetickým polom. „V NMR spektrách preto vieme nielen rozlíšiť rôzne atómy, ale aj ten istý atóm v inom chemickom prostredí (napríklad rôzne väzbové usporiadanie). NMR spektroskopia je teda veľmi rozšírenou technikou a je preto prirodzené, že je aj veľmi dobre preskúmaným javom," vysvetľuje S. Komorovský. Ako sa teda podarilo objaviť nový fundamentálny recept? „Odpoveď je veľmi jednoduchá; pretože pravidlá hry sa veľmi menia, keď sú v molekulách prítomné ťažké atómy. Ak látka obsahuje iba ľahké atómy (H, C, N, O, …), na jej popis stačí takzvaná nerelativistická kvantová teória, kde Schrödingerova rovnica hrá ústrednú úlohu. V prípade ťažkých atómov je však potrebné uvažovať aj Einsteinovu špeciálnu teóriu relativity. Ekvivalentom Schrödingerovej rovnici v relativistickej teórii je Diracova rovnica. Hoci bola Diracova rovnica objavená pred skoro 100 rokmi (1928) jej použitie v kvantovej chémii bolo dlho veľmi obmedzené. Jednoducho dlho panoval názor, že relativistické efekty nie sú v chémii podstatné, pričom tohto názoru bol dokonca aj samotný Dirac. Postupne však vedci zistili, že to tak nie je. Napríklad bez relativistickej teórie by kvantový chemici predpovedali napätie olovenej autobatérie iba 2V, pričom na pochopenie zvyšných 10V je potrebná práve relativistická teória [Phys. Rev. Lett. 106, 018301 (2011)].," opisuje vedec.

A na záver dodáva zhrnutie: „S kolegami sme objavili nový fundamentálny recept na predpovedanie NMR posunov ľahkých prvkov (H, C, N, …), ktoré sú priamo naviazané na jeden ťažký prvok (napr. Ir, Pt, Au, Hg, …). Na to sme museli použiť relativistickú kvantovú teóriu, veľa dôvtipu a pravdaže hodiny ťažkej práce," uzatvára S. Komorovský.

DOI: 10.1021/acs.chemrev.9b00785

(r)

Príloha

Grafický abstrakt k článku, zdroj: https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.chemrev.9b00785
Príloha

Predná strana časopisu, zdroj: https://pubs.acs.org/toc/chreay/120/15