Τετάρτη, 6 Φεβρουαρίου 2008

Ένα μικρό μάθημα χημείας


Η " εξέλιξη " του ατόμου : 1 . Το κοκκοειδές άτμητο αντικείμενο του Δημόκριτου ( 5ος αιώνας π.Χ. ). 2 . Το μοντέλο του Rutherford - Bohr ( 1913 ) όπου τα ηλεκτρόνια κινούνται σε τροχιά γύρω από τον πυρήνα. 3. Το κβαντομηχανικό μοντέλο του Schrödinger ( 1926 ) όπου τα ηλεκτρόνια, έχοντας κυματοειδείς ιδιότητες, κατανέμονται ως σφαιρικό νέφος γύρω από τον πυρήνα.
Stephen Hawking, Το χρονικό του χρόνου, Κάτοπτρο 2000
Ένα απόσπασμα από τον επίλογο του βιβλίου του P.W. Atkins, Λέκτορα φυσικοχημείας στο Πανεπιστήμιο της Οξφόρδης, " Το περιοδικό βασίλειο ", Κάτοπτρο 1996, όπου ο περιοδικός πίνακας παρομοιάζεται με τη γη ενός βασιλείου, με νησιά, βουνά, πεδιάδες, λίμνες και χαράδρες, ανάλογα με τις ιδιότητες και τα χαρακτηριστικά των φυσικών στοιχείων που καθορίζουν την μορφή των περιοχών αυτών.
" Ο πραγματικός κόσμος είναι ένας κυκεώνας μεγαλειώδους πολυπλοκότητας κι απροσμέτρητης χάρης. Ακόμα κι ο άψυχος, ανόργανος κόσμος των πετρωμάτων, των ποταμών, των ωκεανών και του αέρα, είναι ένα απέραντο θαύμα. Προσθέστε το συστατικό της ζωής, και το θαύμα πολλαπλασιάζεται σχεδόν πέρα από κάθε φαντασία. Ωστόσο, όλο αυτό το θαύμα εκπηγάζει από εκατό περίπου συστατικά που διαπλέκονται, αναμειγνύονται, συσσωματώνονται και συνδέονται, όπως τα γράμματα για να συνθέσουν τη λογοτεχνία. Η ανακάλυψη αυτής της αναγωγής του κόσμου στα συστατικά του, στα χημικά στοιχεία, ήταν ένα μεγαλειώδες επίτευγμα των πρώτων χημικών, με τις ακατέργαστες πειραματικές τεχνικές που είχαν στη διάθεσή τους, αλλά και με την πάντοτε εκπληκτική δύναμη της ανθρώπινης λογικής ( τόσο ισχυρής τότε, όσο και τώρα ). Αυτή η αναγωγή δεν καταστρέφει τη γοητεία του. Αντίθετα, προσθέτει στην αίσθηση την κατανόηση. Κι η κατανόηση ενισχύει και βαθαίνει τον ενθουσιασμό.

Ένα γενικό σχεδιάγραμμα του περιοδικού πίνακα - το Βασίλειο - όπου σημειώνονται ορισμένες από τις χαρακτηριστικές του περιοχές. Η Δυτική έρημος και η Νότια Νήσος περιλαμβάνουν τα μέταλλα. Όλα τα άλλα στοιχεία είναι αμέταλλα.
P.W. Atkins, Το περιοδικό βασίλειο, Κάτοπτρο 1996
Ακολούθησε ένα ακόμα σημαντικότερο επίτευγμα. Παρόλο που τα διάφορα στοιχεία είναι ύλη, κι ελάχιστοι πίστευαν ότι μπορεί να έχουν κάτι κοινό μεταξύ τους, οι χημικοί κατάφεραν να δουν κάτω από την επιφάνεια. Εντόπισαν ένα βασίλειο από σχέσεις, οικογενειακούς δεσμούς, συμμαχίες, ομοιότητες. Μέσα από τον πειραματισμό και τον στοχασμό τους, έκαναν ν' αναδυθεί από τη θάλασσα μια νέα ήπειρος και ν' αναδειχθεί ο τρόπος με τον οποίο τα στοιχεία δημιουργούν το τοπίο του βασιλείου του περιοδικού πίνακα. Αυτό το τοπίο, όταν εξετάστηκε από διαφορετικές οπτικές γωνίες, ανέδειξε τη δομή του που δεν ήταν απλώς μια συνάθροιση βουνοκορφών και φαραγγιών. Ειδικότερα, αποκαλύφθηκε πως η μεταβολή του ήταν περιοδική. Αυτή η ανακάλυψη, ήταν η σημαντικότερη απ' όλες : γιατί η ύλη να παρουσιάζει μια οποιαδήποτε μορφή περιοδικότητας ;
Όπως συμβαίνει συχνά στην εξέλιξη της επιστήμης, η κατανόηση ξεπηδά από απλές έννοιες που λειτουργούν κάτω από την επιφάνεια της πραγματικότητας και την αποτελούν. Από τη στιγμή που έγιναν γνωστά τα άτομα ( John Dalton 1808 - UK ) και διευκρινίστηκε η δομή τους στη συνέχεια μέσω εκείνης της σπουδαίας επιννόησης του ανθρώπινου νου, της κβαντικής μηχανικής, τα θεμέλια του βασιλείου αποκαλύφθηκαν. Απλές αρχές, και ιδιαίτερα η απαγορευτική αρχή του W. Pauli * ( που πήρε γι' αυτό το βραβείο Νόμπελ το 1945 ), έδειξαν ότι η περιοδικότητα των στοιχείων ήταν απλώς η αναπαραγωγή της περιοδικότητας της ηλεκτρονιακής δομής των ατόμων. "
Κι εδώ, με αφορμή αυτή την αρχή αποκλεισμού, είναι νομίζω χρήσιμη μια στάση για ένα μικρό αλλά διαφωτιστικό μάθημα χημείας :

Εργαστήριο χημείας, Ζωγράφειο Λύκειο
Πάρις Πετρίδης, Τα Ρωμέϊκα σχολεία της Πόλης, Άγρα 2007
* Οι ιδιότητες ενός στοιχείου δεν διέπονται από τον ολικό αριθμό ηλεκτρονίων στα άτομά του αλλά από τον τρόπο διάταξης των εξωτερικών ηλεκτρονίων κάθε ατόμου : τα ηλεκτρόνια ενός ατόμου τυλίγονται γύρω από τον πυρήνα σχηματίζοντας φλοιούς που μοιάζουν με τους χιτώνες ενός κρεμμυδιού. Η απαγορευτική αρχή του Pauli ορίζει ότι τα ηλεκτρόνια εισέρχονται σ' αυτούς τους φλοιούς κατά δυάδες και μόνο κατά δυάδες. Άτομα με περισσότερα από 2 ηλεκτρόνια σχηματίζουν λοιπόν διαδοχικούς φλοιούς, μέχρι την εξάντληση όλων των ηλεκτρονίων του ατόμου, διογκώνοντας ανάλογα το άτομο. Ο εξώτερος φλοιός του ατόμου ονομάζεται φλοιός σθένους ενώ τα εσώτερα ηλεκτρόνια συνιστούν όλα αυτό που ονομάζουμε κεντρικό τμήμα του ατόμου. Ο όρος σθένος που χρησιμοποιείται για τα εξώτατα ηλεκτρόνια αντανακλά το γεγονός ότι αυτά τα ηλεκτρόνια κυριαρχούν στο σχηματισμό των χημικών δεσμών, και σημαίνει την ισχύ με την οποία τα άτομα σχηματίζουν χημικούς δεσμούς ή συνδέονται μεταξύ τους, δημιουργώντας την φαινομενικά άπειρη ποικιλία των χημικών ενώσεων στη φύση.
Υπάρχουν δύο κύριες παραλλαγές χημικών δεσμών : οι ετεροπολικοί ( ή ιοντικοί ) και οι ομοιοπολικοί δεσμοί.
Κατ' αρχήν, πρέπει να πούμε ότι ένα ιόν είναι ένα άτομο που έχει προσλάβει ή απολέσει ηλεκτρόνια. Τα ηλεκτρόνια είναι αρνητικά φορτισμένα θεμελιώδη σωματίδια τα οποία ευθύνονται εν πολλοίς για τις χημικές ιδιότητες του ατόμου. Όταν ένα άτομο χάνει ηλεκτρόνια, φορτίζεται θετικά, με μία, δύο, ή τρείς μονάδες θετικού φορτίου, ανάλογα με το αν έχει απολέσει ένα ή δύο ή τρία από τα ηλεκτρόνιά του. Τα θετικά φορτισμένα ιόντα ονομάζονται κατιόντα.
Όταν ένα άτομο προσλαμβάνει ηλεκτρόνια, φορτίζεται αρνητικά. Ένα επιπλέον ηλεκτρόνιο του προσδίδει μία μονάδα αρνητικού φορτίου , δύο επιπλέον μονάδες σημαίνουν δύο μονάδες αρνητικού φορτίου κ.ο.κ. Τα αρνητικά φορτισμένα ιόντα ονομάζονται ανιόντα.
Ιόν στα αρχαία ελληνικά σημαίνει " κινούμενο " και τα προθέματα " κατ- " και " αν - " προέρχονται από τις ελληνικές λέξεις " κάτω" και " άνω ".
Ο ιοντικός δεσμός λοιπόν, όπως υποδηλώνει το όνομά του, είναι η αλληλεπίδραση ιόντων που σχηματίζουν δύο άτομα. Άτομα που έχουν ευκολία να παραχωρήσουν ηλεκτρόνια, συνδέονται με άτομα που μπορούν να προσλάβουν ηλεκτρόνια. Ο δεσμός αυτός απορρέει από την έλξη μεταξύ των ετερώνυμων φορτίων του κατιόντος και του ανιόντος και ονομάζεται ιοντικό στερεό. Τα ιοντικά στερεά έχουν ποικίλα κοινά χαρακτηριστικά, κι έτσι είναι εύκολο να τα αναγνωρίσουμε στον πραγματικό κόσμο. Επειδή είναι ισχυρά συσσωματώματα ιόντων που στοιβάζονται ασφυκτικά το ένα δίπλα στο άλλο, είναι άκαμπτα, εύθραυστα στερεά, αποτελούν το σκληρό πρόσωπο της φύσης. Είναι οι ενώσεις που συνάπτονται στον πυρήνα της γης και στα βραχώδη τοπία της. Οι ενώσεις αυτές είναι εξαιρετικά σταθερές και διαρκούν για αιώνες.
Ο ομοιοπολικός δεσμός από την άλλη, είναι το διακριτό σύμπλεγμα δύο ατόμων. Πραγματοποιείται με τέτοιο τρόπο ώστε ένα ζεύγος ηλεκτρονίων να καθίσταται κοινό και για τα δύο άτομα. Όταν σχηματίζονται ομοιοπολικοί δεσμοί ανάμεσα σε άτομα, η προκύπτουσα οντότητα ονομάζεται μόριο.
Επειδή η από κοινού κατοχή ηλεκτρονίων
είναι πιο λεπτή διαδικασία απ' ότι η απώλεια ηλεκτρονίων, η ικανότητα ενός επί μερους ατόμου να παρέχει ηλεκτρόνια για να σχηματίσουν έναν ομοιοπολικό δεσμό προς μία κατεύθυνση, θα επηρεάζει την ικανότητά του να τα ελευθερώνει προς κάποια άλλη. Ως εκ τούτου, οι διατάξεις των ατόμων σ' ένα μόριο έχουν μια σταθερή, χαρακτηριστική γεωμετρία. Γενικά, οι μοριακές ενώσεις αποτελούν το ήπιο πρόσωπο της φύσης. Τα ποτάμια, ο αέρας, το γρασίδι, τα δάση, είναι όλα μοριακές δομές.
Ένα δεύτερο δεδομένο που πρέπει να θυμόμαστε είναι ότι οι δεσμοί μεταξύ ατόμων μπορούν να σχηματίζονται εάν κατά τη σύναψη της σχέσης εκλύεται ενέργεια. Κι ακόμα ότι οι προκύπτουσες χημικές ενώσεις έχουν πάντοτε χαμηλότερη ενέργεια απ' ότι τα άτομα χωριστά καθώς πολύ μεγάλη επένδύση ενέργειας κατά τον σχηματισμό κατιόντων ίσως δεν θ' αναπληρωθεί ποτέ από την έλξη μεταξύ των ετερώνυμων φορτίων. Αυτό το γεγονός περιορίζει τον σχηματισμό ιοντικών δεσμών μεταξύ στοιχείων εκ των οποίων το ένα είναι μέταλλο, διότι μόνο τα μεταλλικά στοιχεία έχουν αρκετά χαμηλές ενέργειες ιονισμού. Όταν η χημική ένωση δεν περιλαμβάνει μεταλλικό στοιχείο, απαιτείται μεγάλη ποσότητα ενέργειας για την εξαγωγή ηλεκτρονίων προκειμένου να καταστεί πραγματοποιήσιμος ένας ιοντικός δεσμός. Το καλύτερο που μπορεί να συμβεί σ' αυτή την περίπτωση είναι να διατηρήσουν τα άτομα ουσιαστικά τα ηλεκτρόνιά τους, αλλά να συνάψουν ταυτόχρονα μια συμφωνία ιδιοκτησίας και να συνδεθούν μέσω ενός ομοιοπολικού δεσμού.
Πριν επιστρέψουμε στον επίλογο απ' όπου ξεκινήσαμε, να πούμε δυό λόγια για το αδρανές ανατολικό άκρο του βασιλείου, όπου βρίσκονται τα " ακατάδεκτα " όπως ονομάζονται, ευγενή αέρια. Οι ενέργειες ιονισμού τους είναι υψηλές, ( ιδέ παρακάτω σχήμα ) επειδή τα ηλεκτρόνιά τους συναθροίζονται πολύ σφιχτά γύρω από τους εξαιρετικά φορτισμένους πυρήνες τους. Είναι απρόθυμα να αποβάλουν ή να προσλάβουν ηλεκτρόνια κι έτσι, ως ένα μεγάλο βαθμό, είναι νεκρά για τον κόσμο των δεσμών. "

Γραφική αναπαράσταση του βασιλείου με βάση τις ενέργειες ιονισμού. Οι τρεις υψηλότερες κορυφές στο βάθος είναι το ήλιον, το νέον και το φθόριο αντίστοιχα.
" Η δομή, η μορφή, οι πιθανές επεκτάσεις του βασιλείου είναι λοιπόν τώρα πλήρως κατανοητές. Κι όμως, παρά το υψηλό επίπεδο κατανόησης, το βασίλειο του περιοδικού πίνακα εξακολουθεί να είναι ένας μυστηριώδης τόπος. Μπορούμε να εξηγήσουμε λογικά τις ιδιότητες των περιοχών, και ως ένα βαθμό μπορούμε να προβλέψουμε αξιόπιστα τις χημικές και φυσικές ιδιότητες των στοιχείων και τους τύπους των ενώσεων που σχηματίζουν. Ωστόσο, το βασίλειο είναι κι ένας χώρος αντιπαραθέσεων και συγκρούσεων. Δύσκολα μπορούμε να εκτιμήσουμε αν θα κυριαρχήσει το ένα ή το άλλο φαινόμενο. Οι ιδιότητες κάθε περιοχής είναι αποτέλεσμα ανταγωνισμών, συνέπεια επιρροών που οδηγούν προς διαφορετικές κατευθύνσεις, μερικές φορές πολλών επιρροών. Συνήθως αυτές οι επιρροές τελικά εξισορροπούνται, όπως σε μια κοινοβουλευτική δημοκρατία : κάποιες φορές υπερισχύει η αριστερά, άλλοτε η δεξιά. Η χάραξη νέων γραμμών στη χημική έρευνα εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από την αφομοίωση της δομής του βασιλείου, του πίνακα του περιοδικού συστήματος, που είναι αναρτημένος παντού στον κόσμο κι αποτελεί τον καλύτερο τρόπο να γίνει κατανοητή η χημεία.
Όπως λοιπόν τα γράμματα του αλφαβήτου έχουν τη δυναμική της έκπληξης και της μαγείας, έτσι και τα στοιχεία του βασιλείου : η απρόβλεπτη συμπεριφορά των οντοτήτων που το αποτελούν, με τις ιδιοτροπίες του χαρακτήρα τους και τις συχνά ασαφείς προθέσεις τους, το καθιστούν μια χώρα απεριόριστης γοητείας. "
Πηγές στοιχείων : P.W. Atkins," Το περιοδικό βασίλειο ", Κάτοπτρο 1996, " Βιβλίο των επιστημών ", Αλεξάνδρεια 2005 καθώς και τα βιβλία που ήδη αναφέρθηκαν.