Elektrometeory môžeme označiť za najkrajšie a zároveň za jedny z najnebezpečnejších javov, ktoré sa vyskytujú vo vzdušnom obale Zeme. Ich vznik a výskyt sa úzko viaže na ionizáciu ovzdušia, ktorú spôsobujú ultrafialové žiarenie, kozmické žiarenie a v neposlednom rade aj rádioaktívne látky. S rastúcou výškou tak pozorujeme silnejúcu ionizáciu, samozrejme v závislosti od chemického zloženia prostredia. Práve tento jav zapríčiňuje určitú koncentráciu záporne a kladne nabitých iónov v atmosfére.
Atmosférická elektrina a kladný náboj
Za podmienok bezoblačnej oblohy sa v minulosti začal pri zápornej polarite elementárneho náboja elektrónu, náboj zemského povrchu označovať ako záporný a náboj atmosféry ako kladný. Z tohto dôvodu vzniká v atmosfére vertikálne orientované elektrické pole, ktorého hodnoty dosahujú pri zemskom povrchu počas pokojného počasia zvyčajne 130-140 V.m-1.
Prihliadnuc na náboje na zemskom povrchu a vo veľkých výškach vznikla myšlienka sférického kondenzátora v podobe záporne nabitého povrchu Zeme a kladne nabitej ionosféry, ktoré oddeľuje vzduch s menšou elektrickou vodivosťou. Tu vznikajú javy, ktoré zabezpečujú stálosť elektrického poľa a sú pravidelne pozorované ľuďmi ako aj zaznamenávané meteorologickými stanicami po celom svete.
Počas priebehu elektrických procesov sa uvádzajú dva typy prostredia, "fair weather conditions" pre pokojnú poveternostnú situáciu a "disturb weather conditions", ktoré je charakteristické najmä počas búrok. Vo zvislo orientovanom elektrickom poli neustále preteká elektrický prúd, ktorý k zemskému povrchu privádza kladný náboj. V každom stĺpci atmosféry s prierezom a plochou 1 m2 z ionosféry k zemskému povrchu, preteká elektrický prúd I, ktorý sa dá vyjadriť nasledovne:
Elektrostatická príťažlivosť vo vzduchu, vyvolaná v úvode spomínanou ionizáciou, zapríčiňuje vznik skupín ionizovaných a neutrálnych molekúl. Tieto molekuly sa v ovzduší môžu zachytiť na aerosolových časticiach. Všetky elektricky nabité častice, molekuly, skupiny a aerosolové častice sa nazývajú aeroionty. Prihliadnuc na ich veľkosť a pohyb v elektrickom poli, najviac prispievajú k pretekaniu elektrickému prúdu tie s menším polomerom. Keďže znečistenie vzduchu má na svedomí zvýšený počet aerosolových častíc a tým aj znižovanie početnosti malých iontov, možno pri takomto stave pozorovať zníženú vodivosť ovzdušia a podobne to funguje aj v oblakoch.
Prečítajte si tiež: Princípy kladného náboja
Elektrické vlastnosti oblakov
Správanie sa elektrického poľa a nábojov v oblakoch má značne zložitejší priebeh ako za bezoblačného počasia. Výskumami z minulosti možno konštatovať, že dôležitý vplyv na rozdiel elektrických potenciálov v oblaku má vertikálna rozvinutosť a s tým spojené teplotné rozdiely, ktoré spôsobujú rozdielne fyzikálne vlastnosti látok(voda a ľad) ako aj prúdenie vzduchu. Práve preto počas chladnejších mesiacov možno pozorovať výskyt elektrických výbojov aj v oblakoch s nižšie položenou hornou hranicou.
Vplyvom silnejúcich výstupných a zostupných prúdov, jednotlivé vodné kvapky a ľadové kryštáliky do seba narážajú, spájajú sa alebo trieštia na menšie čiastočky. Pri tejto situácií vznikajú kladné a záporné náboje. Cirkuláciou vzduchu v búrkovom oblaku sa nabité častice premiešavajú v celej vertikále, čím vznikajú väčšie rozdiely potenciálov medzi časťami oblaku. Vo všeobecnosti sa oblak delí na centrá opačných nábojov s kladným vo vrcholových častiach a záporným v jeho základni.
Počas zrážok sa prenosom kladného náboja z vyšších hladín vytvára samostatné kladné centrum v základni oblaku. Záporne nabitý oblak vyvoláva elektrostatickou indukciou na priľahlej zemi kladný náboj. Ten sa rozkladá na najvyšších predmetoch na povrchu. V prípade búrkových situácií dosahujú hodnoty elektrického poľa na zemskom povrchu pod základňou oblaku až desiatky tisíc V.m-1. Rozdiely potenciálov nedokáže elektrický prúd postupne vyrovnávať a po dosiahnutí kritickej hodnoty napätia elektrického poľa 10 000 V na centimeter nastáva elektrický výboj.
Chemické väzby a elektronegativita
Chemická väzba vzniká medzi atómami, čím dochádza k spájaniu atómov za vzniku molekúl alebo kryštálových štruktúr. Pri vzniku chemickej väzby dochádza k zníženiu energetického stavu zúčastnených atómov, čo priamo súvisí s chemickou stabilitou látky a jej schopnosťou zúčastňovať sa na chemických reakciách.
Vlastnosti zlúčenín závisia od charakteru väzieb v zlúčenine. Napríklad, zlúčeniny majú tým viac iónový charakter, čím sú prvky v periodickej tabuľke prvkov od seba viac vzdialené. Typy chemickej väzby medzi atómami v makromolekulách polymérov rozhodujú o ich elektroizolačných vlastnostiach.
Prečítajte si tiež: Elektrický náboj kladný – definícia
Elektronegativita \( (\chi) \) je schopnosť atómu priťahovať elektróny v chemickej väzbe. Vyjadruje sa číselnou hodnotou bez jednotky, pričom najčastejšie sa používa Paulingova stupnica.
Periodické trendy elektronegativity:
- V periódach elektronegativita rastie smerom doprava.
- V skupinách elektronegativita klesá smerom nadol.
- Najvyššie hodnoty majú prvky v pravom hornom rohu periodickej tabuľky (fluór, kyslík), najnižšie prvky v ľavom dolnom rohu (alkalické kovy).
Prvky s nízkou elektronegativitou:
- Alkalické kovy (1. skupina) - napr. lítium (Li), sodík (Na), draslík (K), cézium (Cs).
- Kovy alkalických zemín (2. skupina) - napr. vápnik (Ca), horčík (Mg), bárium (Ba).
Prvky s vysokou elektronegativitou:
- Halogény (17. skupina) - fluór (F), chlór (Cl).
- Chalkogény (16. skupina).
Polarita molekuly závisí od polárnych väzieb prítomných v molekule a od geometrického usporiadania (tvaru) molekuly. Homonukleárne molekuly (A-A) (napr. H₂, F₂) sú nepolárne kvôli symetrickému rozloženiu nábojov. Polárne molekuly sa v elektrickom poli polárne orientujú. Polarita molekúl významne ovplyvňuje látkové vlastnosti, ako sú teploty topenia a varu, rozpustnosť a medzimolekulové interakcie.
Väzbový uhol je uhol, ktorý zvierajú dve susedné väzby vychádzajúce z centrálneho atómu v molekule. Jeho hodnota závisí od elektrónovej konfigurácie centrálneho atómu, od počtu väzbových a neväzbových elektrónových párov v jeho valenčnej vrstve.
Kovalentná väzba vzniká zdieľaním jedného alebo viacerých elektrónových párov medzi dvoma atómami. Podľa rozdielu hodnôt elektronegativity \( (\Delta \chi) \) atómov vo väzbe rozlišujeme kovalentné väzby na:
- Nepolárne \( (\Delta \chi < 0,4) \) - väzbové elektróny sú rozložené rovnomerne medzi atómami (napr. C−C, C−H).
- Polárne \( (0{,}4 < \Delta \chi < 1{,}7) \) - väzbové elektróny sú posunuté k elektronegatívnejšiemu atómu (napr. H₂O, NH₃, CO).
V rámci kovalentnej väzby rozlišujeme dva základné typy väzieb podľa spôsobu prekrytia orbitálov:
Prečítajte si tiež: Kladný náboj v skupine
- σ (sigma) väzba - vzniká prekryvom orbitálov na spojnici atómových jadier. Tento typ väzby je silnejší a stabilnejší ako π väzba.
- π (pí) väzba - vzniká bočným prekryvom p-orbitálov, pričom elektrónová hustota je rozložená mimo spojnice jadier. π väzby sú slabšie a menej stabilné ako σ väzby.
Iónová väzba vzniká elektrostatickými príťažlivými silami medzi opačne nabitými iónmi (katiónmi a aniónmi). Obvykle vzniká, ak je rozdiel elektronegativít viazaných atómov väčší ako 1,7 (konvenčne prijatá hodnota). V iónových zlúčeninách sa môže čiastočne uplatňovať aj kovalentný charakter väzby.
Charakter kovovej väzby spočíva v delokalizácii valenčných elektrónov, ktoré tvoria spoločný elektrónový oblak, v ktorom sú rozmiestnené kladné ióny kovových atómov. Koordinačná väzba je špeciálny typ kovalentnej väzby, pri ktorom oba väzbové elektróny pochádzajú od jedného atómu (donora), zatiaľ čo druhý atóm (akceptor) poskytuje voľný orbitál na ich prijatie.
Elektrónové efekty v organickej chémii
Elektrónové efekty tvoria teoretický základ pre pochopenie reaktivity organických molekúl. Elektrónové efekty sú prejavy redistribúcie elektrónovej hustoty vyvolanej prítomnosťou konkrétneho atómu alebo funkčnej skupiny (tzv. substituentu). Tento jav úzko súvisí s polaritou chemickej väzby. Ak sa viažu atómy s rozdielnou elektronegativitou (spravidla \( \Delta \chi > 0{,}4 \)), väzbový elektrónový pár je posunutý k elektronegatívnejšiemu atómu.
Indukčný efekt predstavuje posun elektrónovej hustoty výhradne po σ-väzbách (jednoduchých väzbách). Je vyvolaný rozdielnou elektronegativitou atómov a spôsobuje trvalú polarizáciu väzieb v reťazci. Účinok indukčného efektu so vzdialenosťou od miesta substitúcie rýchlo slabne.
Mezomérny efekt predstavuje posun π-elektrónov alebo voľných elektrónových párov cez konjugovaný systém. Na rozdiel od indukčného efektu je spravidla silnejší (s výnimkou halogénov) a jeho intenzita sa so vzdialenosťou v rámci konjugácie neznižuje.
Tabuľka: Porovnanie vlastností etanolu (CH₃CH₂OH) a kyseliny octovej (CH₃COOH)
| Vlastnosť | Etanol (CH₃CH₂OH) | Kyselina octová (CH₃COOH) |
|---|---|---|
| Medzimolekulové sily | Vodíkové väzby | Silnejšie vodíkové väzby (diméry) |
| Teplota varu | Nižšia | Vyššia |
| Kyslosť | Slabá | Silná (karboxylová skupina) |
| Miešateľnosť s vodou | Áno | Áno |