Zdzisław Głowacki - Magiczna chemia - rozdział 1

Zdzis³aw G³owacki

Magiczna chemia

Zagadnienia z chemii nie tylko dla olimpijczyków —

gimnazjalistów i licealistów

Redakcja techniczna:

Robert Ciechanowski

Projekt ok³adki:

Miros³aw G³odkowski, Zdzis³aw G³owacki

Korekta merytoryczna

Aleksander Kazubski

Korekta

Iwona Cieœlak, Ma³gorzata Szmidt

Rysunek na ok³adce:

Aleksandra G³owacka

Ilustracje:

Katarzyna Danielewska

© Copyright by Oficyna Wydawnicza „Tutor”

Wydanie I. Toruñ 2012 r.

Oficyna Wydawnicza „Tutor”

ul. Warszawska 14/2

87-100 Toruñ

tel./fax (56) 65-999-66

e-mail: [email protected]

Ksiêgarnia Internetowa: www.tutor.edu.pl, www.szkolna.pl

ISBN 978-83-89563-52-1

Spis treœci

Wstêp 5Dzieci gwiazd

Rozdzia³ 151Magiczna chemia

Rozdzia³ 212Chemia i historia

Rozdzia³ 343Chemiczne Noble

W gronie laureatów 35Wielcy pominiêci 67

Rozdzia³ 724Izomery — chemiczne anagramy

Izomery — chemiczne anagramy 72Izomeria geometryczna — cis/trans czy Z/E? 78

Analiza konformacyjna cz¹steczek 82

Rozdzia³ 865W krainie chiralnych moleku³

Jak zmierzyæ skrêcalnoœæ optyczn¹ substancji? 94Zasada pomiaru polarymetrycznego 95

Substancje aktywne optycznie 96Biomolekularna homochiralnoœæ 98

Talidomidowe dzieci 101

Rozdzia³ 1076Elementy stereochemii

Jakub Henryk van’t Hoff — kszta³ty cz¹steczek 107Pechowe ¿ycie Archibalda Coupera 108

Tetraedryczne modele cz¹steczek 108Emil Fischer — losowa konfiguracja absolutna 112

System D/L (Fischera) 116System R/S (Cahna–Ingolda–Preloga) 117

Cukry i witaminy. Wzory taflowe Hawortha 121

1

2

3

4

5

6

Rozdzia³ 1467Kwasy i zasady, sole i bufory

Teorie kwasów i zasad 146Iloczyn rozpuszczalnoœci (Ir) 163

Roztwory buforowe 165Superkwasy 179

Rozdzia³ 1838Wêglowodory aromatyczne

Struktura benzenu, charakter aromatyczny i teoria rezonansu 184Nietypowe zachowanie benzenu w reakcjach chemicznych 187Energetyczne schody — trwa³oœæ pierœcienia benzenowego 189

Wêglowodory aromatyczne i antyaromatyczne 190Pochodne benzenu 193

Efekty kieruj¹ce nowo wprowadzane podstawniki 197Zwi¹zki aromatyczne dooko³a nas 201

Rozdzia³ 2049Anegdoty o uczonych

Podpowiedzi 2102Chemia i historia

Podpowiedzi 2185W krainie chiralnych moleku³

Podpowiedzi 2226Elementy stereochemii

Podpowiedzi 2297Kwasy i zasady, sole i bufory

Roztwory buforowe 237Rozpuszczanie, dysocjacja, hydratacja i hydroliza 238

Podpowiedzi 2458Wêglowodory aromatyczne

Bibliografia 250czyli ksi¹¿ki, które warto przeczytaæ

www.szkolna.pl

5

6

7

8

7

8

9

2

Wstêp

Dzieci gwiazd

Magiczna chemia to ksi¹¿ka o chemii i o chemikach. Napisana zosta³a z myœl¹o uczniach szczególnie zainteresowanych tym przedmiotem — o tych, którzy bior¹udzia³ w konkursach i olimpiadach przedmiotowych. Jest adresowana tak¿e do na-uczycieli chemii oraz do osób zamierzaj¹cych studiowaæ lub studiuj¹cych na kierun-kach chemicznych, przyrodniczych lub medycznych. Przedstawione w tej ksi¹¿ce za-gadnienia i zadania wykraczaj¹ poza typowy szkolny program nauczania chemii, alenie s¹ to tematy trudne do ogarniêcia. Z pewnoœci¹ prawie ka¿dy gimnazjalista bê-dzie w stanie zrozumieæ nowe dla niego zagadnienia oraz rozwi¹zaæ zadania.Ksi¹¿ka, obok treœci popularnonaukowych, zawiera bogactwo ciekawostek z historiichemii i z ¿ycia chemików — na pewno uatrakcyjni¹ one jej lekturê.

Ksi¹¿ka Magiczna chemia — tak jak ka¿dy inny przedmiot — zbudowana jest tylkoz trzech cz¹stek elementarnych: protonów, neutronów i elektronów. Protony i neutro-ny — powi¹zane si³ami j¹drowymi — tworz¹ j¹dra atomów ró¿nych pierwiastków.Atom ka¿dego pierwiastka sk³ada siê z jednego niewielkiego j¹dra i elektronów roz-mieszczonych wokó³ niego. Ksi¹¿ka zbudowana jest g³ównie z atomów wêgla, wodo-ru i tlenu, które tworz¹ cz¹steczki celulozy — g³ówny sk³adnik papieru. Atomy pier-wiastków s¹ najwa¿niejszymi cegie³kami, z których zbudowane jest nasze otoczenie.Klejem, czyli si³ami ³¹cz¹cymi je w wiêksze struktury, s¹ wi¹zania chemiczne na-le¿¹ce do grupy oddzia³ywañ elektromagnetycznych.

Chemia to bardzo szeroka dyscyplina naukowa. Przedmiotem badañ chemików s¹nie tylko wszystkie wytworzone przez naturê otaczaj¹ce nas substancje, ale tak¿etysi¹ce nowych zwi¹zków chemicznych, otrzymywanych w laboratoriach. Metodystosowane przez chemików pozwalaj¹ na modyfikacje wi¹zañ chemicznych. W trak-cie przemian chemicznych zmienia siê uporz¹dkowanie atomów i rozk³ad gêstoœcielektronowej — zmiany te dotycz¹ najczêœciej walencyjnych (zewnêtrznych)pow³ok elektronowych w atomach. J¹dro atomu jest dla chemika monolitem nie doruszenia, nie mo¿e on zmieniæ ani sk³adu, ani ³adunku j¹dra atomowego! Zmiana

www.szkolna.pl

energii w procesach chemicznych jest niewielka w porównaniu z olbrzymi¹ energi¹si³ j¹drowych spajaj¹cych j¹dra atomów, dlatego w trakcie reakcji chemicznych niemo¿na zmieniæ atomu jednego pierwiastka w inny.

W naszym otoczeniu znajduje siê zawsze kilkadziesi¹t pierwiastków, bez których niemo¿emy siê obejœæ. Patrz¹c na tê ró¿norodnoœæ pierwiastków na Ziemi, mo¿na odnieœæwra¿enie, ¿e wystêpuj¹ one powszechnie we Wszechœwiecie. Tymczasem Wszechœwiatzbudowany jest w 75% z wodoru i 25% z helu — pozosta³e pierwiastki to niewieleznacz¹cy drobiazg.

Gdzie i kiedy powsta³y pierwiastki chemiczne? Jak to siê sta³o, ¿e Ziemia stanowi od-mienn¹ wyspê w niezmierzonej przestrzeni Wszechœwiata? Jak powsta³o ¿ycie? Lu-dzie od zarania szukali odpowiedzi na wiele fundamentalnych pytañ. Jaki by³ naszpocz¹tek i jaki bêdzie nasz koniec? Czy Wszechœwiat i ¿ycie powsta³y w akcie bo-skiego stworzenia, czy na drodze ewolucji? Czy jesteœmy we Wszechœwiecie jedyny-mi rozumnymi istotami? Czy Wszechœwiat, który obecnie penetrujemy, jest jedyny?

Czego ju¿ siê dowiedzieliœmy o naszym Wszechœwiecie?

Z du¿¹ pewnoœci¹ mo¿emy stwierdziæ, ¿e na pocz¹tku by³o wielkie bum (ang. big

bang) okreœlane w jêzyku polskim jako Wielki Wybuch. Oko³o 14 miliardów lattemu z pewnego „najbardziej tajemniczego punktu” zacz¹³ siê wy³aniaæ Wszechœ-wiat — w postaci materii (w formie energii, masy i oddzia³ywañ), przestrzeni i cza-su. Ekspansja ta trwa do dzisiaj. Patrz¹c na nasze otoczenie, trudno przyj¹æ do wiado-moœci fakt, i¿ Ziemia pêdzi przez Wszechœwiat z niewyobra¿aln¹ prêdkoœci¹,popychana energi¹ wytworzon¹ 14 miliardów lat temu.

Albert Einstein, mieszkaniec twardej i stabilnej Ziemi, pracuj¹c nad ogóln¹ teori¹wzglêdnoœci w latach 1907–15, jako pierwszy doszed³ do wniosku, ¿e Wszechœwiatw którym ¿yje, nie mo¿e byæ statyczny. Z jego teorii i obliczeñ wynika³o, ¿e albo siêrozszerza, albo siê kurczy. To mu siê nie podoba³o, poprawi³ wiêc teoriê i wprowa-dzi³ do wzorów sta³¹ kosmologiczn¹ — która zatrzyma³a Wszechœwiat w ryzach.Obowi¹zywa³ wówczas dogmat, ¿e Wszechœwiat jest niezmiennym i nieporu-szaj¹cym siê uk³adem galaktyk. Einstein, który zrewolucjonizowa³ ca³¹ wspó³czesn¹fizykê, tego dogmatu nie œmia³ ruszaæ. Po wielu latach nazwa³ wprowadzenie sta³ejkosmologicznej najwiêksz¹ pomy³k¹ swojego ¿ycia.

Kilka lat póŸniej, w 1922 roku, rosyjski matematyk, fizyk i kosmolog Aleksander

Friedmann wyprowadzi³ równania opisuj¹ce ewolucjê Wszechœwiata równie¿ po-stuluj¹ce jego rozszerzanie siê. Niezale¿nie od niego, w 1927 roku takie wnioski wy-

www.szkolna.pl

6 Magiczna chemia. Zagadnienia z chemii nie tylko dla olimpijczyków

prowadzi³ tak¿e katolicki belgijski ksi¹dz, kosmolog, pracuj¹cy na uniwersyteciew Louvain, Georges Lemaître. Na tej podstawie wysun¹³ hipotezê o pocz¹tku Wszech-œwiata — wybuchaj¹cym pierwotnym atomie. Oczywiœcie nikt, w³¹cznie z Einste-inem, nie uzna³ od razu tej teorii za poprawn¹. Dopiero dwa lata póŸniej, w 1929roku, Lemaître móg³ staæ siê ojcem chrzestnym teorii Wielkiego Wybuchu, wtedy towyniki jego prac i postulaty zosta³y potwierdzone przez obserwacje Hubble’a. Wielkii uznany astronom — odkrywca galaktyk i twórca ich klasyfikacji — Edwin Hubble

zaobserwowa³, ¿e œwiat³o galaktyk wykazuje przesuniêcie ku czerwieni wprost pro-porcjonalne do ich odleg³oœci od Ziemi — a to oznacza³o, ¿e wszystkie galaktykiz du¿¹ prêdkoœci¹ oddalaj¹ siê od siebie.

Okreœlenie „teoria wielkiego bum” (ang. big bang theory) zosta³o wymyœlone przezFreda Hoyle’a, który nale¿a³ do g³ównych oponentów tej teorii i w ten sposób lekce-wa¿¹co i z³oœliwie nazywa³ j¹ w swoich wyst¹pieniach i publikacjach. Na pocz¹tkulat 50. XX wieku stworzenie œwiata w jednym momencie — opisywane przez teoriêWielkiego Wybuchu — popar³ papie¿ Pius XII, widz¹c w tym akcie dowód na istnie-nie Boga. Po przeciwnej stronie stanêli nawiedzeni dogmatycy partyjni w ZSRR —z rozkazu politbiura uczonych zwolenników tej teorii wiêziono, zsy³ano do ³agrów,a niektórych po fikcyjnych procesach rozstrzelano.

Teoriê ewolucji Wszechœwiata rozpoczêtej wielkim bum wzmocni³o odkrycie w la-tach 60. ubieg³ego wieku mikrofalowego promieniowania t³a. Istnienie promieniowa-nia wype³niaj¹cego jednorodnie ca³y Wszechœwiat i bêd¹cego pozosta³oœci¹ po Wiel-kim Wybuchu przewidzieli pod koniec lat 40. XX wieku pracuj¹cy wraz z George’em

Gamowem jego doktoranci: Ralph Alpher i Robert Herman. Praca ta jednak nie zy-ska³a rozg³osu i zosta³a zapomniana. Niezale¿nie w latach 60. istnienie promieniowa-nia reliktowego ponownie przewidzieli Amerykanie: Robert Dicke i James Peebles

oraz niezale¿nie Rosjanin Jakowlew Zeldowicz.

W 1964 roku amerykañscy astronomowie Arno Allan Penzias1 i Robert Woodrow

Wilson, pracuj¹cy w Laboratorium Bella, podczas obserwacji radiowych t³a niebaprzypadkowo odkryli istnienie „cieplnego promieniowania”, odpowiadaj¹cego tem-peraturze równej 3 K — odbieranego przez nich jako ci¹g³y szum. Nie zdawali sobiesprawy, ¿e te przeszkadzaj¹ce im szumy, dochodz¹ce z ka¿dego miejsca we Wszech-œwiecie, to promieniowanie poszukiwane przez kosmologów. Podejrzewali, ¿e szu-my pojawi³y siê w wyniku zanieczyszczenia anteny bia³ym, brzydko pachn¹cym,

www.szkolna.pl

Wstêp — Dzieci gwiazd 7

1 Arno Allan Penzias — urodzi³ siê w Monachium w 1933 roku w rodzinie ¿ydowskiej. Jego ojciec mia³obywatelstwo polskie i w przededniu II wojny œwiatowej rodzinie grozi³a deportacja do Polski. Dziêkipomocy z Ameryki uda³o im siê opuœciæ Niemcy i wyemigrowaæ do USA.

dielektrycznym materia³em pozostawianym przez go³êbie goszcz¹ce w antenie. Przy-padkowo o ich k³opotach dowiedzieli siê Robert Dicke i James Peebles — po kon-sultacjach i dodatkowych pomiarach, w 1965 roku, w odrêbnych pracach opubliko-wali informacje o znalezionym promieniowaniu oraz teoretyczne uzasadnienie jegowystêpowania. Ku ogromnemu zdziwieniu badaczy, tylko nieœwiadomi obserwato-rzy-odkrywcy: Penzias i Wilson otrzymali Nagrodê Nobla w dziedzinie fizykiw roku 1978 za odkrycie promieniowania reliktowego.

Nobliœci, oprócz sporej nagrody pieniê¿nej, otrzymuj¹ dyplomy oraz z³ote medale.Napis na medalu to cytat z Eneidy Wergiliusza, który g³osi: Inventas vitam juvat exco-

luisse per artes (co znaczy, w niezbyt dos³ownym t³umaczeniu „Uczyñmy ¿ycie lep-szym przez naukê i sztukê”). Obraz medalu z podobizn¹ Nobla znajduje siê naok³adce tej ksi¹¿ki. Jego blaski i cienie wielokrotnie bêd¹ pojawia³y siê na stronachtej ksi¹¿ki. W ostatnim stuleciu, wœród rywalizuj¹cych bezwzglêdnie miêdzy sob¹naukowców, jest to najbardziej po¿¹dane wyró¿nienie. Rzadko siê zdarza³o2, ¿eby na-groda ta, przyznawana w dziedzinie chemii, fizyki lub medycyny i fizjologii, trafi³ado osób, które na ni¹ nie zas³u¿y³y. Czêsto natomiast zdarza³o siê, ¿e nie otrzyma³yjej osoby, które swoimi dokonaniami przeros³y innych laureatów. Bêdzie o nichmowa dalej.

Sk¹d na Ziemi wziê³o siê z³oto, które s³u¿y miêdzy innymi do wyrobu medali no-blowskich? Z³oto jest pierwiastkiem — ciê¿kim, b³yszcz¹cym, nieulegaj¹cym koro-zji metalem, który od wieków rozpala³ ludzkie emocje i wzbudza³ po¿¹danie. O tym,¿e mo¿e to prowadziæ do nieszczêœcia, przekona³ siê ju¿ w staro¿ytnoœci mityczny Mi-das. Spe³ni³o siê jego ¿yczenie — wszystko, czego dotkn¹³, stawa³o siê z³otem, tak¿ejedzenie. Alchemicy, prekursorzy chemików, od wieków poszukiwali kamienia filo-zoficznego, za pomoc¹ którego mogliby przemieniaæ ró¿ne substancje w z³oto.

Proces powstawania pierwiastków okreœla siê mianem nukleosyntezy. Ka¿dy pier-wiastek charakteryzuje liczba atomowa, czyli liczba protonów w j¹drze. ¯eby otrzy-maæ kolejny pierwiastek, nale¿y z olbrzymi¹ si³¹ wt³oczyæ do j¹dra kolejny proton —nie jest to ³atwe zadanie, bo protony s¹ na³adowane dodatnio i siê odpychaj¹. Dopie-ro kiedy protony s¹ bardzo blisko siebie, w j¹drze zaczynaj¹ dzia³aæ miêdzy nimi si³y

www.szkolna.pl


2 Tak by³o w przypadku portugalskiego psychiatry i neurochirurga Egasa Moniza, laureata Nagrody No-bla w 1949 roku za odkrycie i stosowanie jednej z najbardziej brutalnych technik w chirurgii mózgu —leukotomii, zwanej te¿ lobotomi¹ przedczo³ow¹. Ci, którzy ogl¹dali film „Lot nad kuku³czym gniaz-dem”, z pewnoœci¹ pamiêtaj¹, jak podobny zabieg „wyleczy³” g³ównego bohatera.

j¹drowe spajaj¹ce j¹dro. £atwiejszym procesem jest wprowadzenie do j¹dra nadmia-ru obojêtnych neutronów, z których czêœæ mo¿e rozpaœæ siê na protony — zwiêk-szaj¹c tym sposobem liczbê atomow¹.

Warunki, jakie istnia³y we Wszechœwiecie w 3.–4. minucie po Wielkim Wybuchuumo¿liwia³y syntezê jedynie najl¿ejszych pierwiastków. Mog³y wtedy zachodziæ je-dynie reakcje pomiêdzy cz¹stkami o niezbyt du¿ym ³adunku elektrycznym. Pozwi¹zaniu wszystkich neutronów materia we Wszechœwiecie sk³ada³a siê w 76%z j¹der wodoru oraz w 24% z izotopu helu o liczbie masowej 4. Powsta³y tak¿e j¹dradeuteru 2H, helu 3He, litu 6Li, 7Li oraz w bardzo niewielkich iloœciach berylu i boru.

Powstanie pierwiastków, których j¹dra atomowe zawieraj¹ mniej ni¿ 26 protonów,zwi¹zane jest z narodzinami i rozwojem gwiazd. W 100 000 lat po Wielkim Wybu-chu Wszechœwiat wype³niony by³ gazem, sk³adaj¹cym siê przede wszystkim z ato-mów wodoru stanowi¹cych ponad 75% materii oraz w pozosta³ej czêœci g³ówniez atomów helu. W wyniku termicznego ruchu atomów powstawa³y niejednorodnoœcimaterii o charakterze przypadkowym. W zagêszczeniach w wyniku grawitacyjnegoprzyci¹gania tworzy³y siê coraz wiêksze skupiska materii. Prowadzi³o to ostateczniedo powstania gwiazd. 10 miliardów lat po Wielkim Wybuchu istnia³a ju¿ znacz¹caliczba gwiazd. Do dzisiaj powstaj¹ nowe gwiazdy z materii miêdzygwiezdnej.

We wnêtrzu gwiazdy materia znajduje siê pod olbrzymim ciœnieniem. Temperaturaosi¹ga tak¹ wartoœæ, ¿e gwiazda siê zapala — j¹dra wodoru zaczynaj¹ ³¹czyæ siê zesob¹. Zachodz¹ reakcje j¹drowe. Wyzwala siê olbrzymia energia, któr¹ obserwuje-my jako œwiecenie gwiazdy. W wyniku spalania zmniejsza siê gêstoœæ wodoru w cen-trum gwiazdy, maleje liczba zachodz¹cych reakcji, jednoczeœnie zmienia siê sk³admaterii we wnêtrzu gwiazdy. Wzrasta znacz¹co udzia³ ciê¿szych j¹der helu, dlategow wyniku si³ grawitacji materia gwiazdy ulega ponownemu sprê¿eniu. We wnêtrzupodnosi siê gêstoœæ i temperatura. Je¿eli masa gwiazdy jest dostatecznie du¿a, to tem-peratura osi¹gnie dostatecznie du¿¹ wartoœæ do zainicjowania syntez wiêkszychj¹der. Mówimy, ¿e gwiazda przechodzi do nowej fazy, fazy helowej. W fazie tej po-wstaj¹ j¹dra ciê¿sze ni¿ w czasie etapu wodorowego, w tym j¹dra wêgla. Sytuacja za-czyna siê powtarzaæ — powstaj¹ ciê¿sze j¹dra, wzrasta gêstoœæ i temperatura w j¹drzegwiazdy, co umo¿liwia syntezê jeszcze ciê¿szych j¹der. Nastêpuje kolejna faza.Gwiazda przechodzi do epoki wêglowej. Potem mówimy o epoce neonowej. Nastêp-ny etap to epoka tlenowa z reakcjami prowadz¹cymi do procesu, w wyniku któregopowstaj¹ j¹dra krzemu. Reakcje syntezy j¹drowej wewn¹trz gwiazdy w poszczegól-nych etapach staj¹ siê coraz szybsze. Ostatnim etapem jest epoka krzemowa pro-wadz¹ca do powstania trwa³ych j¹der ¿elaza. Wytworzone dotychczas nowe j¹dra s¹

www.szkolna.pl


bardzo stabilne — wszystkie reakcje by³y egzoenergetyczne. Wyzwalaj¹cy siê nad-miar energii nie pozwala³ na zatrzymanie siê procesów syntezy. Dalszych etapów wtym procesie ju¿ nie ma, gdy¿ reakcje syntezy j¹drowej wiêkszych j¹der od j¹dra ¿ela-za wymagaj¹ dostarczenia olbrzymich energii. W rezultacie j¹dra o liczbie atomowejwy¿szej od 26, a tak¹ ma ¿elazo, s¹ ju¿ mniej trwa³e.

www.szkolna.pl


Do rozwi¹zania problemu nukleosyntezy najwiêkszy wk³ad wniós³ Fred Hoyle. Klu-czowym etapem w ³añcuchu syntez j¹drowych jest otrzymanie j¹der wêgla o liczbie ma-sowej 12. Mog³yby one powstawaæ w wyniku jednoczesnego zderzenia i po³¹czeniatrzech j¹der helu, ale taki przypadek jest ma³o prawdopodobny (œcie¿ka 1.). Bardziejprawdopodobny jest cykl, w trakcie którego najpierw powstaje j¹dro berylu, które w ko-lejnym kroku ³¹czy siê z j¹drem helu (œcie¿ka 2.). Wad¹ tego rozwi¹zania by³ krótkiczas ¿ycia j¹der berylu w porównaniu z d³ugim czasem przemiany po³¹czonego j¹draberylu z j¹drem helu w j¹dro wêgla. D³ugi czas przemiany wynika z potrzeby uwolnie-nia nadmiaru energii z nowego j¹dra. Hoyle obliczy³, ¿e rozwi¹zaniem tego problemuby³oby wystêpowanie j¹der wêgla w stabilnym wzbudzonym stanie o energii wy¿szejo 7,65 MeV od stanu podstawowego. Ale taki stan nie zosta³ jeszcze przez fizykówj¹drowych odkryty!

+ +

+++

+++

+ +

+ + He3 42 C12

6

BUMM...

Œcie¿ka 1.

Œcie¿ka 2.

He + CBe4 1282 64

+ +

++

++

+++

+++

+ +

+ +He Be2 4 8

2 4

BUMM...

BUMM...

Schemat 1. Œcie¿ka 1. – ma³o prawdopodobna synteza j¹der wêgla w wyniku jednoczesnejsyntezy trzech j¹der helu. Œcie¿ka 2. — dwuetapowa synteza j¹dra wêglaz trzech j¹der helu. W pierwszym etapie z dwóch j¹der helu powstaje j¹dro be-rylu, które w drugim etapie ³¹czy siê z trzecim j¹drem helu i wówczas powstajej¹dro wêgla.

Ciê¿sze pierwiastki o liczbach masowych A wiêkszych od 56 powstaj¹ w procesachwychwytu neutronów. Neutrony s¹ chwytane przez j¹dra atomowe w procesach(n, g). Oznacza to, ¿e j¹dro typu (A, Z) w wyniku procesu wychwytu neutronu (n, g)przechodzi w j¹dro o wiêkszej liczbie neutronów, czyli staje siê j¹drem (A+1, Z),nadmiar energii emitowany jest jako promieniowanie g. Zwiêksza siê liczba neutro-nów w j¹drze. Zachodz¹ procesy wielokrotnego wychwytu neutronów. W ten sposóbpowstaj¹ j¹dra ciê¿sze. Je¿eli powsta³e j¹dro oddali siê od œcie¿ki stabilnoœci, gdy¿sta³o siê j¹drem o nadmiarze neutronów, to wtedy zachodzi rozpad promieniotwór-czy b-, z j¹der atomów emitowane s¹ elektrony (e-). Wówczas jeden z neutronówj¹dra zamienia siê w proton — powstaje j¹dro nowego pierwiastka.

W tych procesach otrzymujemy j¹dra o liczbach masowych A dochodz¹cych do 150.Takie procesy wychwytu nazywamy procesami typu s (powolnymi — slow) z tegopowodu, ¿e wychwyty neutronów zachodz¹ rzadko. Pod koniec, trwaj¹cej bardzo

www.szkolna.pl


W 1953 roku Hoyle przebywa³ w Caltech (California Institute of Technology), gdziepracowa³ jeden z najbardziej znanych doœwiadczalnych fizyków j¹drowych — Wil-

liam Fowler. Hoyle przedstawi³ mu problem. Skoro w naszym otoczeniu jest mnóstwoatomów wêgla, skoro powsta³o ¿ycie oparte na tych atomach, to znaczy, ¿e takie atomymusia³y powstaæ i ¿e stan wzbudzony, który jest niezbêdny do ich syntezy musi istnieæ— a Fowler powinien go znaleŸæ. Fowler nie mia³ czasu i ochoty zajmowaæ siê tym pro-blemem, szybko sp³awi³ natrêtnego dziwaka zajmuj¹cego siê kosmologi¹ — w dodatkuzwolennika stanu stacjonarnego Wszechœwiata. Hoyle wróci³, by³ natrêtny, kolejnyjego argument by³ intryguj¹cy: je¿eli Fowler znajdzie ten stan wzbudzony, to dokonajednego z najwa¿niejszych odkryæ w historii fizyki j¹drowej; je¿eli nie znajdzie, to stra-ci tylko kilka dni pracy. Fowler da³ siê namówiæ, ustawiono aparaturê do pomiarów. Podziesiêciu dniach pracy zespó³ Fowlera odkry³ poszukiwany stan wzbudzony. HipotezaHoyle’a zosta³a udowodniona. Dalsze lata wspó³pracy zaowocowa³y opublikowan¹w 1957 roku prac¹ „Synteza pierwiastków w gwiazdach”, znan¹ jako B2HF.

PrzyjaŸñ i wspó³praca obu naukowców zosta³y gwa³townie przerwane w 1983 roku, kie-dy to szwedzki Komitet Noblowski za badanie i wyjaœnienie procesów nukleosyntezyprzyzna³ Nagrodê Nobla tylko amerykañskiemu astrofizykowi Williamowi Fowlerowica³kowicie ignoruj¹c wk³ad brytyjskiego uczonego Freda Hoyle’a.

ZA

ZA

ZAn eX X Y+ ® ® ++

++ -1

11

Schemat. Pierwiastek X o liczbie atomowej Z przemienia siê w pierwiastek Y o wy¿szej licz-bie atomowej (Z+1).

krótko, epoki krzemowej gwiazda nie mo¿e ju¿ wytwarzaæ energii. Nastêpujeza³amanie siê gwiazdy — dochodzi do wybuchu supernowej. W wyniku implozjiznacz¹ca czêœæ materii wyrzucana jest na zewn¹trz. Sama gwiazda w zale¿noœci odswojej wielkoœci staje siê albo czarn¹ dziur¹ albo gwiazd¹ neutronow¹. W tym czasiepowstaje miêdzy innymi olbrzymia liczba neutronów. Wychwyty neutronów przezl¿ejsze j¹dra staj¹ siê bardzo czêste. W wyniku tych gwa³townych nukleosyntez pro-dukowane s¹ najciê¿sze znane nam pierwiastki o liczbach masowych siêgaj¹cych210. Mówimy w tym przypadku o procesach r (szybkich — rapid) procesach wy-chwytu neutronów o du¿ych energiach w bardzo krótkich odstêpach czasu. W proce-sach r powsta³y atomy z³ota!

Prawie wszystkie atomy, z wyj¹tkiem atomów wodoru, z których powsta³a Ziemia,a na niej ¿ycie, narodzi³y siê w j¹drach gwiazd. Jesteœmy dzieæmi gwiazd!

Ziemia powsta³a jako czêœæ tworz¹cego siê Uk³adu S³onecznego, który uformowa³siê z wielkiej wiruj¹cej chmury gazów, py³u i ska³. Zawarty w mg³awicy wodór i helpochodzi³y g³ównie z Wielkiego Wybuchu. Ciê¿sze pierwiastki, a¿ do wêgla, powsta-wa³y w wyniku syntezy termoj¹drowej w gwiazdach, a pierwiastki o wiêkszych licz-bach atomowych rodzi³y siê w trakcie wybuchów supernowych.

Oko³o 4,6 miliarda lat temu prawdopodobnie nieodleg³a gwiazda zapad³a siê w super-now¹, wyrzucaj¹c z siebie z du¿¹ prêdkoœci¹ zewnêtrzne fragmenty. Powsta³y w tensposób strumieñ materii, przechodz¹c przez mg³awicê s³oneczn¹, zainicjowa³ zagêsz-czanie siê materii, wprawiaj¹c j¹ jednoczeœnie w ruch obrotowy. Wiêkszoœæ masy(ponad 99%) dysku skoncentrowa³a siê w jego centralnej czêœci. Zapadanie grawita-cyjne materia³u mg³awicy przekszta³ca³o energiê grawitacyjn¹ ob³oku w energiêciepln¹. W centrum mg³awicy szybkoœæ przemiany energii grawitacyjnej w ciepln¹przewy¿sza³a szybkoœæ przenoszenia tej energii na zewn¹trz, co prowadzi³o do znacz-nego rozgrzania siê centralnej czêœci dysku. Dalsze zapadanie wywo³a³o reakcjê ter-moj¹drow¹ przemieniaj¹c¹ atomy wodoru w hel. Powstawa³o S³oñce, rodzi³a siêm³oda gwiazda.

Jednoczeœnie z tworzeniem siê S³oñca w wiruj¹cym dysku zachodzi³y procesy two-rzenia siê planet. Materia wiruj¹ca z odpowiedni¹ prêdkoœci¹ nie spada³a do cen-trum. Powstaj¹ce w dysku niejednorodnoœci narasta³y i powiêksza³y siê, ró¿nicew prêdkoœci obrotowej sprawia³y, ¿e zagêszczenia przyjmowa³y najpierw formê pier-œcieni. Sukcesywnie dochodzi³o do kolizji ró¿nych obiektów, co prowadzi³o do po-wiêkszania ich masy. Pod wp³ywem grawitacji trwa³y lokalne procesy dalszego ichzagêszczania. Wa¿n¹ rolê odegra³y w tym gazy, które wyhamowywa³y obiekty i umo-¿liwia³y im zlepianie siê. W ten sposób powstawa³y planety. Jedn¹ z nich, oddalon¹od S³oñca o oko³o 150 milionów kilometrów, by³a Ziemia.

www.szkolna.pl


Pierwsz¹ wa¿n¹ teori¹ naukow¹ opisuj¹c¹ wczesny gor¹cy Wszechœwiat by³a rozpra-wa doktorska Ralpha Alphera opublikowana w 1948 roku. Wspó³autorem tej pracymia³ byæ tylko promotor pracy — George Gamow. Dopisa³ on jednak jeszcze, dla¿artu, jako wspó³autora, Hansa Bethego. W ten sposób powsta³a teoria Alphera–Bet-

he–Gamowa (zwana równie¿ teori¹ Alfa-Beta-Gamma). Teoria kosmologiczna abg

wyjaœnia³a udzia³ cz¹stek elementarnych w tworzeniu siê gor¹cego Wszechœwiata.Zak³ada³a istnienie — tu¿ po Wielkim Wybuchu — wy³¹cznie neutronów, z którychna drodze reakcji termoj¹drowych powsta³y j¹dra wszystkich pierwiastków. W kolej-nej pracy Alpher i Robert Herman, jako pierwsi, wysunêli równie¿ hipotezê istnie-nia promieniowania reliktowego — o czym niestety kosmologowie zapomnieli. Al-

pher mia³ powody, ¿eby czuæ siê bardzo pokrzywdzonym. By³ autorem teoriiAlfa-Beta-Gamma, a zosta³ potraktowany jak ma³o znacz¹cy wspó³pracownik Gamo-wa i Bethego. Kiedy w latach 60. odkryto promieniowanie reliktowe, nikt o nim niewspomina³. Szwedzki Komitet pomin¹³ go w 1978 roku, przyznaj¹c Nagrodê Noblatylko Penziasowi i Wilsonowi, radioastronomom, którzy nieœwiadomi odkrycia,pierwsi us³yszeli „pomruki” Wielkiego Wybuchu.

Drug¹ fundamentaln¹ prac¹ na temat mechanizmów produkcji ciê¿kich pierwiast-ków jest, wczeœniej ju¿ wymieniona, opublikowana w 1957 r. „Synteza pierwiast-ków w gwiazdach”3. To rewolucyjne i ci¹gle aktualne ca³oœciowe przedstawienie pro-cesów nukleosyntezy jest znane jako B2HF — od pierwszych liter nazwisknaukowców, którymi s¹: Margaret Burbidge, Geoffrey Burbidge, William Fowler

oraz Fred Hoyle.

Motorem i koordynatorem badañ prowadz¹cych do odkrycia tajemnic nukleosynte-zy by³ sir Fred Hoyle — wybitny brytyjski astronom, kosmolog, matematyk i astrofi-

www.szkolna.pl


Medal Catherine Wolfe Bruce (Bruce Medal)

Z³oty Medal Catherine Wolfe Bruce jest przyznawany corocznie przez TowarzystwoAstronomiczne Pacyfiku (Astronomical Society of the Pacific) jednej osobie — jakowyró¿nienie za ca³okszta³t pracy naukowej, która wnios³a wybitny wk³ad w rozwójastronomii. Medal przyznawany jest od 1898 r. i uznawany jest za jedn¹ z najbardziejpresti¿owych nagród w dziedzinie astronomii. Wszyscy autorzy pracy B2HF zostaliwyró¿nieni t¹ nagrod¹: Fred Hoyle w 1970 r., William Fowler w 1979 r., Margaret Burbidgew 1982 r. i Geoffrey Burbidge w 1999 r.

3 Burbidge, E.M., Burbidge, G.R., Fowler, W.A., Hoyle, F., 1957, Synthesis of the Elements in Stars,Revs. Mod. Physics, 29, 547

zyk teoretyczny, który, ku zdziwieniu ca³ego naukowego œwiata, nigdy za swoje od-krycia nie otrzyma³ Nagrody Nobla. W 1983 roku za badanie i wyjaœnienie procesównukleosyntezy przyznano Nagrodê Nobla w dziedzinie fizyki tylko amerykañskiemuastrofizykowi Williamowi Fowlerowi — jednemu z czwórki B2HF.

Wiêcej fascynuj¹cych historii z ¿ycia wielkich uczonych i odkrywców znajdzieciew zamieszczonej na koñcu literaturze. Wymienione tam ksi¹¿ki naprawdê warto prze-czytaæ.

Powsta³y pierwiastki, Ziemia ostyg³a. Nadszed³ czas, ¿eby pojawili siê chemicy.

www.szkolna.pl


Dlaczego Hoyle nie otrzyma³ Nobla? Podobno dlatego, ¿e krytykowa³ werdyktyszwedzkiego Komitetu Noblowskiego. W listopadzie 1967 roku doktorantka profesoraAnthony’ego Hewisha — Jocelyn Bell, pracuj¹ca w obserwatorium radioastronomicz-nym w Cambridge, za pomoc¹ skonstruowanego przez siebie (z udzia³em innych dokto-rantów) radioteleskopu zaobserwowa³a niezwyk³e zjawisko. By³y to regularne impulsyw odstêpach 1,34 sekundy dochodz¹ce z przestrzeni kosmicznej ze Ÿród³a radiosy-gna³ów oznaczonego symbolem CP 1919. Sygna³y na pierwszy rzut oka sprawia³y wra-¿enie sztucznych, dlatego te¿ pierwotnie oznacza³a je dowcipnie skrótem — LGM (Lit-

tle Green Men — Ma³e Zielone Ludziki). Pocz¹tkowo Hewish uzna³ te sygna³y zawynik interferencji, ale Bell znalaz³a w styczniu 1968 roku kolejne Ÿród³o impulsów(pulsar), a dwa nastêpne — w lutym. Bell pierwsza zasugerowa³a, ¿e efekt ten mo¿ebyæ spowodowany bardzo szybk¹ rotacj¹ masywnej gwiazdy, powoduj¹cej w efekcieemisjê promieniowania elektromagnetycznego. Po jakimœ czasie profesor Hewish prze-analizowa³ wyniki ponownie i w efekcie powsta³a prze³omowa publikacja o pulsarach4.

Kilka lat póŸniej, w 1974 roku, Antony’emu Hewishowi i Martinowi Ryle’owi przyzna-no Nagrodê Nobla w dziedzinie fizyki za pionierskie badania w dziedzinie radioastrono-mii i odkrycie pulsarów.

Komitet Noblowski ca³kowicie pomin¹³ osobê rzeczywistej odkrywczyni — JocelynBell, co zosta³o zauwa¿one i oprotestowane przez œrodowisko astrofizyków. Sir FredHoyle — uwa¿any za jednego z najznamienitszych astronomów naszych czasów, napi-sa³ list protestacyjny w tej sprawie, który ukaza³ siê w wysokonak³adowym brytyjskimdzienniku „The Times”.

4 Hewish, A., Bell, S.J., Pilkington, J.D.H., Scott, P.F., Collins, R.A., 1968, Observation of Rapidly Pul-sating Radio Source, Nature, 217, 709

4 Hewish, A., Bell, S.J., Pilkington, J.D.H., Scott, P.F., Collins, R.A., 1968, Observation of Rapidly Pul-sating Radio Source, Nature, 217, 709

Rozdzia³

Magiczna chemia

Oko³o 4,6 miliarda lat temu wielkie skupisko pierwiastków powsta³ych w procesienukleosyntezy utworzy³o Uk³ad S³oneczny. Powsta³a grupa planet kr¹¿¹cych do-oko³a m³odej gwiazdy. Prawdopodobnie bezpoœredni¹ przyczyn¹ uformowania siêtego uk³adu by³ wybuch pobliskiej supernowej.

Ziemia wyposa¿ona w zestaw blisko stu ró¿norodnych pierwiastków i zasilana ener-gi¹ s³oneczn¹, która dociera do niej w postaci fal elektromagnetycznych, stanowi ol-brzymie naturalne laboratorium chemiczne. Do tworzenia nowych moleku³, wytwa-rzania nowych i rozbijania starych wi¹zañ chemicznych, które maj¹ charakteroddzia³ywañ elektromagnetycznych, wystarcza energia promieniowania s³oneczne-go. Ziemski magazyn pierwiastków ma sta³y sk³ad, gdy¿ do procesów tworzenia no-wych pierwiastków, których j¹dra scalaj¹ niewiarygodnie silne oddzia³ywania nazy-wane j¹drowymi, wymagane s¹ olbrzymie energie.

Ponad cztery miliardy lat temu rozpocz¹³ siê najbardziej tajemniczy i magiczny pro-ces ewolucji chemicznej. Pojedyncze atomy zaczê³y siê ³¹czyæ w coraz bardziejskomplikowane cz¹steczki. Na ka¿dym etapie tego procesu zwyciê¿a³y moleku³yi struktury trwalsze, czêsto lepiej zorganizowane. Jednym z przejawów takiego dobo-ru jest homochiralnoœæ (jednorêcznoœæ) zwi¹zków naturalnych. Przeczytacie o tymw dalszych rozdzia³ach. U¿ywaj¹c obrazowej analogii, mo¿na powiedzieæ, ¿e w natu-rze dominuj¹ cz¹steczki jednorêczne i wykorzystywane s¹ klucze, które we wszyst-kich zamkach obracaj¹ siê w tê sam¹ stronê. Dlaczego? Bo tak jest korzystniej.

Pierwsze organizmy, które uwa¿a siê za ¿ywe, pojawi³y siê na Ziemi 3,8 miliarda lattemu. Najbardziej prawdopodobna hipoteza zak³ada, ¿e ¿ycie na naszej planecie po-wsta³o samorzutnie. By³ to proces d³ugotrwa³y, z³o¿ony i doskonal¹cy siê metod¹prób i b³êdów. O ile przedstawione we wstêpie procesy j¹drowe, które doprowadzi³ydo powstania ca³ej gamy pierwiastków, mo¿na doœæ dok³adnie przeœledziæ, to pe³neopisanie wszystkich etapów ewolucji od pojedynczych atomów do ¿ywych organi-zmów jest i bêdzie zadaniem niewykonalnym.

www.szkolna.pl

1

Zdzisław Głowacki - Magiczna chemia - rozdział 1

Documents

Transcript of Zdzisław Głowacki - Magiczna chemia - rozdział 1