Nikotyna – mity i fakty – część I – Chemia i toksykologia

Nikotyna (ciemnoszare – węgiel, jasnoszare – wodór, niebieskie – azot)

źródło – Wikipedia, licencja: domena publiczna

Zacznę od krótkiego wstępu chemicznego. Nikotyna to względnie prosty związek organiczny, składający się z atomów węgla, tlenu, azotu i wodoru. Klasyfikowana jest jako alkaloid, podobnie jak np. kofeina czy teobromina, ale też morfina albo efedryna. I tak, jak wszystkie inne alkaloidy, ma charakter zasadowy. A skąd owa nikotyna się bierze? Ano, z natury! Spotkamy ją w liściach tytoniu, ale też w pomidorach, kalafiorach, ziemniakach czy bakłażanach – praktycznie we wszystkich roślinach z rodziny psiankowatych (łac. Solanaceae). Jaki jest sens syntezy tego związku przez rośliny? A taki, że jest on bardzo efektywną bronią chemiczną, konkretnie insektycydem. Od końca XVII w. wyciąg z tytoniu był stosowany w tym właśnie celu. Dziś czasami starsi działkowcy też jeszcze czasami go używają.
Jeśli rozpatrujemy działanie nikotyny na człowieka, mamy tu sporo ciekawostek. Przyjęta w małych ilościach działa stymulująco, dzięki temu, że zwiększa wydzielanie adrenaliny, zmniejsza odczuwanie głodu i bólu. Jednak gdy zostanie przedawkowana, jej działanie jest wręcz przeciwne: daje uczucie „odlotu”, oderwania od rzeczywistości, gonitwę myśli, tachykardię. Dalej już jest tylko gorzej – halucynacje, arytmia, utrata przytomności, drgawki, zgon. Brzmi fatalnie, prawda?
Nikotyna jest toksyczna, to dość oczywiste. Ale tu właśnie mamy pierwszą poważną kontrowersję. Jak bardzo jest toksyczna? Od mniej więcej 150 lat uznawano ją za bardzo silnie trującą. Dane książkowe mówią, że dawką śmiertelną jest zaledwie 60 mg (0,06 g), a w przypadku dzieci połowa tej wartości. Czyli – bardziej trująca niż cyjanek (dawka śmiertelna ok. 200 mg). I przez półtora wieku uznawano to w zasadzie za prawdę objawioną. Dopiero w drugiej dekadzie XXI w. austriacki profesor toksykologii, Bernd Mayer, przyjrzał się dokładniej danym literaturowym i postanowił odmitologizować toksyczność tego związku. W opublikowanym w 2013 r. artykule przywołuje wiele przypadków, w których zdecydowanie większe dawki nie powodowały skutków śmiertelnych. Jest tu przykład próby samobójczej przez zażycie 4 g (4000 mg!) czystej nikotyny. Analizując wiele dostępnych danych z badań laboratoryjnych Mayer szacuje, że dawka śmiertelna wydaje się być co najmniej kilkakrotnie wyższa – 0,5-1 g. Z oczywistych względów nie da się tego zweryfikować doświadczalnie. Dlatego Mayer postanowił zrobić analizę danych historycznych. Wyszło z niej, że tak naprawdę dane o tych 60 mg pochodzą z jednej(!) publikacji pochodzącej z połowy XIX w.! Wszyscy kolejni autorzy po prostu kopiowali ten wynik bez rzetelnego sprawdzenia.
Każdy, kto kiedykolwiek palił papierosy czy cygara wie doskonale, że nie da się ich wypalić dużo za jednym razem. Taka próba kończy się mdłościami i wymiotami. W ten sposób organizm broni się przed trucizną. Połknięcie roztworu nikotyny skończyłoby się podobnie. Bardzo niebezpieczne byłoby jej wstrzyknięcie wprost do krwi, ale to już jest sprawa skrajna.
No dobrze, a co z kwestią działania rakotwórczego nikotyny? Owszem, gdy ktoś pali tytoń, ma duże szanse na rozwój takich chorób, jak rak płuca czy pęcherza moczowego. Tyle, że tak naprawdę za te choroby są odpowiedzialne inne składniki dymu tytoniowego – przede wszystkim substancje smoliste, wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne itd. Gdy przeanalizuje się dane z literatury, okazuje się, że nie ma badań dotyczących wpływu nikotyny nieobciążonej dodatkami na rozwój chorób nowotworowych. Zresztą – gdyby nikotyna powodowała raka, czy jakakolwiek agencja rządowa zezwoliłaby na sprzedaż w aptekach gum, plastrów, sprejów czy tabletek zawierających czystą nikotynę? A są one dostępne na rynku jako produkty OTC, czyli sprzedawane bez recepty. Produkty te są stosowane w leczeniu z uzależnienia od tytoniu.
Okazuje się jednak, że całkiem możliwe, że niebawem zaczną być stosowane w innych celach medycznych, ale o tym już w drugim odcinku.

O Równaniu Schrödingera i o tym, dlaczego atom „nie wygląda”

Czytając „Gazetę Wyborczą”, natrafiłem na następujące zdanie w jednym z artykułów dotyczących obecnego stanu badań i wiedzy naukowej: „Ale nie podważa fundamentalnego kwantowego równania Schrödingera opisującego pełen stan cząsteczek chemicznych”. Cóż, jeśli coś jest opisywane jako „fundamentalne”, to głównie dlatego, że nie bardzo wiadomo, skąd się wzięło i dlaczego tak świetnie się sprawdza. Samo zaś równanie nie opisuje „pełnego stanu cząsteczek chemicznych”, a jedynie pozwala przewidzieć zmianę układu w czasie. I już wyjaśniam, co to znaczy po polsku.

Jak pamiętamy, cząstki charakteryzują się dziwaczną, dualną naturą, która sprawia, że mają zarówno cechy cząstek, jak i fali. Pomyślmy o czymś bardzo prostym, np. atomie wodoru, który składa się wyłącznie z protonu i elektronu. Te cząstki przyciągają się z powodu różnicy przenoszonych ładunków. Proton jest naładowany dodatnio, a elektron ujemnie, co tworzy tzw. „studnię potencjału”, którą można sobie wyobrazić jako swego rodzaju dołek. Jak zachowywałaby się fala w takim „dołku”? Powinna się odbijać od jego ścianek, a jeśli tak się stanie, to zacznie się na siebie nakładać: gdybyśmy chcieli obserwować taką falę z boku, to można by stwierdzić, że jedyne, co się porusza, to grzbiety i doliny, a punkty oznaczone kropkami pozostają w spoczynku. Tego rodzaju falę nazywamy falą stojącą. Jak łatwo stwierdzić, ma to niewiele wspólnego z modelem, w którym elektron krąży po jakiejś wyznaczonej orbicie, a jeszcze mniej z jakąkolwiek pewnością co do jego położenia etc.

Aby móc cokolwiek przewidzieć, warto posłużyć się równaniem Schrödingera, zawierającym funkcje falową, i wiedzą o stanie kwantowym. Funkcji falowej nie należy rozumieć tak, jak pojmujemy fale mechaniczne (np. falę dźwiękową) czy elektromagnetyczne, gdyż owa funkcja dotyczy postulowanych przez de Broglie’a fal materii, które przenoszą oprócz energii i pędu również masę, a także niekiedy ładunek elektryczny. Stan kwantowy zaś to informacje o całym układzie, które pozwalają nam przewidzieć wyniki różnych pomiarów – w tym przypadku stwierdzić, gdzie elektronu należy szukać.

Powyższe ilustracje to tzw. orbitale. Tu od razu wyjaśniam, że owe orbitale to nie miejsca, gdzie elektron jest, ale odpowiedź na pytanie, które brzmi: „Jeśli szukam elektronu o pewnych parametrach, to gdzie mam największe szanse na jego znalezienie?” Owe parametry definiują tzw. liczby kwantowe. O ile brzmi to nieprzyjemnie dla ucha, to jest bardzo proste do zrozumienia. Te parametry nie mogą być dowolne, ale zawsze przyjmują ściśle określone wartości np. energii, pędu czy jego momentu, a więc naturalnym wydało się, aby po prostu je ponumerować, jak piętra w budynku. W sumie atom można sobie wyobrazić jako taki budynek, w którym zamiast pięter mamy powłoki, a zamiast mieszkań różne podpowłoki. Elektron, aby przebywać na określonym piętrze, tj. powłoce, musi posiadać określoną energię; tym samym pierwsza z liczb kwantowych opisujących elektron mówi nam, na której z powłok można go znaleźć. Oznacza się ją jako „n” a jej wartości to 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 itd. Co ważne, w atomie, w przeciwieństwie do budynków, im wyżej, tym owe „piętra” mają więcej miejsca; a zatem, im numer wyższy, tym ów orbital większy.

Druga z tych liczb opisuje rodzaje apartamentów, tj. podpowłok, które możemy znaleźć na danej powłoce. Stąd właśnie różne kształty orbitali, które na ilustracjach opisałem jako s, p ,d. Oczywiście istnieją inne rodzaje, a każdy z nich może być odwracany i oglądany z różnych stron. Ta liczba jest opisywana jako „l” i przyjmuje wartości od 0 do n-1.

Kolejną z liczb jest liczba magnetyczna „m”, za pomocą której można określić, w którą stronę jest ów orbital zwrócony. Jest ona powiązana z wcześniej wspomnianą liczbą oznaczaną jako „l”. Jeśli l = 2, to liczba magnetyczna może przyjmować wyłącznie wartości od -2 do 2, dla l=1 będzie to -1 do 1 i podobnie dla pozostałych.

Następna z liczb opisuje tzw. „spin” i w przypadku elektronu może mieć tylko i wyłącznie wartość 1/2. Spin albo moment pędu wynika z ruchu ciała w przestrzeni; np. Ziemia kręci się wokół własnej osi i ma związany z tym moment pędu. Gdyby podobny ruch miał dotyczyć elektronu, to opisywałyby go wartości mocno przekraczające prędkość światła. Cząstki nie wirują fizycznie, bo jest to niemożliwe, jednak w jednym z eksperymentów, gdy przepuszczono strumień atomów srebra przez pole magnetyczne, rozdzielił się on na dwie wiązki, tak jakby atomy miały swój wewnętrzny moment pędu, który pozostaje mi wyjaśnić anegdotycznie: każdy kto w życiu przesadził z alkoholem, zna uczucie zwane „helikopter”. Spoczywasz z zamkniętymi oczami, jednak wirujesz w jakiejś abstrakcyjnej przestrzeni. Krótko mówiąc, cząstki nie wirują dosłownie, ale tak jakby wirowały wewnętrznie, a wartość takiego wirowania dla cząstki takiej jak elektron to 1/2.

Ostatnią z tych liczb jest magnetyczna liczba spinowa, która jest powiązana ze spinem cząstki i wyobraża niejako jego zwrot w przestrzeni. Przyjmuje wyłącznie wartość „w górę” lub „w dół”, a więc odpowiednio +1/2 i -1/2.

W atomie nie mogą występować dwie cząstki opisane tym samym zestawem liczb; muszą się różnić przynajmniej jedną. Weźmy dla przykładu najprostszy z orbitali, czyli s. Główna liczba to 1, poboczna wynosi 0, magnetyczna to również 0, a spin to 1/2. Łatwo więc zauważyć, że obydwa elektrony na tym orbitalu różnią się wyłącznie ostatnią z nich, czyli magnetyczną liczbą spinową: jeden z nich zwraca się spinem ku górze z wartością +1/2 a drugi w dół czyli -1/2. I dzieje się tak za każdym razem w każdym ze znanych pierwiastków. Poniżej przykład dla azotu.

W zapisie pominąłem spin, gdyż jest zawsze taki sam – 1/2. Pozostało właściwie odpowiedzieć na pytanie, dlaczego orbitale nazywają się s, p, d, a nie np. x, y, z? Te oznaczenia pochodzą jeszcze z XIX wieku, gdy obserwowano kolorowe linie pojawiające się w widmie podgrzanych gazów. Dziś wiemy, że są to fotony emitowane przez elektron skaczący z orbitalu na orbital. Zauważono, iż jedne z tych lini są silne (principal), inne ostre (sharp), a jeszcze inne rozmyte (diffuse). Mając już wiedzę o liczbach kwantowych, łatwo stwierdzić, dlaczego te linie mają różną szerokość, choć elektron jest zawsze ten sam. Na przykład linia silna dotyczy przeskoku z orbitalu p na s. I jest to dość jasne: elektron przebywający na orbitalu p musi mieć moment pędu 1, a gdyby chciał przeskoczyć na orbital s, który dopuszcza tylko elektrony o momencie pędu 0 to musi się gdzieś go pozbyć i właśnie tę wartość 1 unosi emitowany foton. 1 – 1 = 0 a więc wszystko się zgadza. Łatwo z tego również wywnioskować, że gdyby elektron chciał przeskoczyć z orbitalu 2s na 1s, to musiałby również taki foton wyemitować – ale co miałby on przenosić, jeśli na obydwu orbitalach moment pędu jest zerowy? Aby rachunek się zgadzał, elektron musiałby zmienić własny, wewnętrzny moment pędu, tj. spin o 1 czyli z +1/2 na -1/2 na co szanse są minimalne. Małe prawdopodobieństwo oznacza małą nieoznaczoność energii, a więc wąską (czytaj: ostrą) linię.

Nasuwa się pytanie, co właściwie sprawia, że na jednym poziomie nie mogą się znajdować cząstki o takich samych liczbach kwantowych. Odpowiedzią jest zakaz Pauliego, ale to już część kolejnej historii.

(c) by Lucas Bergowsky
Jeśli chcesz wykorzystać ten tekst lub jego fragmenty, skontaktuj się z autorem.

Groźna broń chemiczna w Bałtyku – II

Co w takim razie zatopiono w wodach Bałtyku? Był to przede wszystkim iperyt siarkowy, czyli tzw. gaz musztardowy. Ale mamy tam też tabun (środek paralityczno-drgawkowy), chloropikrynę (gaz łzawiący), fosgen (gaz duszący). Był też adamsyt, iperyt azotowy, luizyt oraz tzw. Blaukreutz (niem. błękitny krzyż) – wyjątkowo paskudną mieszaninę toksycznych związków organicznych na bazie arsenu (tzw. sternitów). Dokładnych wykazów jednak brak, nikt się tym wtedy nie przejmował.

 

Iperyt siarkowy (czarne – węgiel, szare – wodór, żółte – siarka, zielone – chlor)
źródło: Wikipedia, licencja – domena publiczna

Pociski, granaty i inne ładunki zawierające środki chemiczne, jak też zwykłe stalowe beczki, w których je przechowywano, wylądowały w końcu na dnie morza. Są tam od kilkudziesięciu lat. Działanie wody morskiej powoduje powolną, ale systematyczną korozję. Penetrująca je słona woda reaguje z zawartością, ale tak naprawdę nie wiadomo, co powstaje w wyniku rozkładu tych substancji toksycznych. Dodatkowo prądy morskie przemieszczają te ładunki. Niestety, ich zawartość jest straszliwie groźna, nawet po latach. Latem 1955 roku grupa kolonistów z Żywca bawiła się nad Bałtykiem na plaży w Darłówku. Znaleźli tam przerdzewiałą beczkę, którą zaczęli toczyć. Z wnętrza wydostawała się gęsta, twardniejąca na powietrzu beżowo-brunatna ciecz – najprawdopodobniej był to jeden z iperytów azotowych, po latach w wodzie morskiej przypominający bursztyn. Ponad setka(!) dzieci uległa poparzeniom. Czwórka straciła bezpowrotnie wzrok. Ówczesne władze komunistyczne skrzętnie ukryły te informacje przed społeczeństwem. W ostatnich latach wypadki dotyczą głównie rybaków. W 1976 roku sześciu rybaków z Darłowa zostało poparzonych zaplątanym w sieci iperytem. Podobne zdarzenie miało miejsce w 1997 w okolicach Władysławowa, gdzie poszkodowane były cztery osoby.

Powtórzę – po długim czasie przebywania pod wodą iperyty (a także biały fosfor, którego sporo wylądowało też na dnie Bałtyku) wyglądem przypominają bursztyn. Co gorsza – to nie jest tak, że taki „kamyk” wzięty do ręki parzy od razu. On się uaktywnia pod wpływem temperatury dłoni, a jak zacznie działać, to robi to bardzo intensywnie. Dlatego warto się przyglądać każdemu znalezisku nad morzem. Uważajcie szczególnie na dzieci.

No dobrze – a co możemy zrobić w tej sytuacji? Jakiś czas temu zainicjowano program CHEMSEA. Ma on za zadanie klasyfikację i monitoring składowisk broni chemicznej. Ale wszystko jak zawsze rozbija się o koszty. Obawiam się, że nikt nie sypnie solidną kasą, zwłaszcza w czasach, gdy tuż obok trwa wojna, jak też kryzys finansowy. Jaki będzie efekt? Kolejne poparzenia, wypadki, śmierć fauny bałtyckiej. To niestety jest raczej nieuniknione.

Co można zrobić? Rozpatrywane są dwie koncepcje – bezpośrednie wydobycie i utylizacja tych ładunków (straszliwie drogie) albo też zabetonowanie zlokalizowanych miejsc zatopienia (tańsze, ale tylko odwlekające wszystko w czasie). Sytuację dodatkowo komplikuje fakt, że nie wiemy, czy ostatnie eksplozje, które zniszczyły elementy gazociągów przebiegających po dnie Bałtyku, nie naruszyły też zagrzebanych w mule dennym starych ładunków, co jeszcze bardziej może skomplikować sytuację.

Tak czy inaczej – zegar tyka nieubłaganie, a chowanie głowy w piasek nie spowoduje, że niebezpieczeństwo zniknie.

Czym pachnie Boże Narodzenie?

Chemistree – projekt Department of Chemistry, Simon Fraser University (Kanada)

Każdy z nas na pewno pamięta charakterystyczne zapachy, które towarzyszą świętom Bożego Narodzenia i zakończeniu roku. W dzieciństwie zapewne mało kto (łącznie z autorem) zastanawiał się nad tym, skąd się te zapachy biorą. One po prostu były i tyle. A każdy zapach to przecież czysta chemia! A magicznymi pachnącymi związkami są przede wszystkim terpeny!

W większości domów w tym czasie króluje bowiem choinka, drzewo o bardzo charakterystycznym zapachu – i to niezależnie od tego, czy jest to świerk, jodła czy nawet sosna. Wszystkie te drzewa iglaste zawierają właśnie terpeny – związki organiczne, a konkretnie węglowodory, które są zawsze zbudowane z połączonych z sobą cząsteczek izoprenu (C₅H₈) – czasami dwóch, czasami większej ich liczby. A sam izopren to niesamowicie ciekawa cząsteczka – pewnie kiedyś o nim też napiszę.

Izopren [atomy czarne – węgiel, jasne – wodór]
licencja: domena publiczna

W igłach choinek dominują różne pineny (to też terpeny), ale także estry, takie jak octan bornylu. To właśnie te wszystkie związki, wydzielając się w niewielkich ilościach w ciepłym mieszkaniu, dają charakterystyczny zapach typowy dla drzewa iglastego.

Alfa-pinen [atomy czarne – węgiel, jasne – wodór]

(licencja public domain)

Ale święta pachną przede wszystkim jedzeniem. Zwykle już znacznie wcześniej w kuchniach rozchodzi się bardzo charakterystyczny zapach pierników. Robi się je nawet kilka tygodni wcześniej, aby „dojrzały”. Każda gospodyni (i każdy gospodarz, bo mężczyźni czasem też pieką!) ma swój przepis na pierniki, często przekazywany z pokolenia na pokolenie. Zapach pochodzi oczywiście od przypraw. Mamy tam m.in. cynamon, a więc pachnie aldehyd cynamonowy oraz, nieco mniej, kumaryna. Zwykle jest też imbir, a w nim gingerol i zingeron. Kardamon zawiera geraniol – alkohol będący pochodną wspomnianych wcześniej terpenów. Jeśli dodajemy gałkę muszkatołową, to spotkamy tam ciekawy związek psychoaktywny – mirystycynę.

mirystycyna,

atomy czarne – węgiel, czerwone – tlen, szare – wodór (licencja: domena publiczna)

Pamiętam, jak w dzieciństwie czekaliśmy na pomarańcze, mandarynki i inne cytrusy. Starsi zapewne pamiętają te słynne komunikaty, że statek z kubańskimi pomarańczami już płynie. Potem stał na redzie, ale w końcu pojawiały się one w sklepach. Wspominam je średnio – były dość łykowate i niezbyt smaczne. Teraz są znacznie lepsze. Ale tak czy owak – zawsze zawierały terpeny – przede wszystkim limonen. Warto dodać jako ciekawostkę, że za różne zapachy cytryny i pomarańczy odpowiedzialny jest ten sam związek, ale jeden jest odbiciem lustrzanym drugiego (to enancjomeria – kiedyś o tym napiszę).

limonen

(licencja: domena publiczna)

Tradycja chrześcijańska wspomina o darach trzech króli, którymi były złoto, kadzidło i mirra. Złoto nie ma zapachu, ale pozostałe dwa – jak najbardziej. Głównym składnikiem kadzidła jest żywica kadzidłowca (Boswellia sacra), wydzielana przez zranione drzewo. Co tam pachnie? Oczywiście terpeny i ich pochodne, m.in. kwasy bosweliowe, ale też alkohole monoterpenowe, takie jak linalol i neridol.

grudki kadzidła

(licencja: domena publiczna)

Z kolei mirra to też żywica, otrzymywana z drzew i krzewów z rodzaju balsamowca. Tu też podstawowymi związkami pachnącymi są różnorodne terpeny.

balsamowiec mirra

(licencja: domena publiczna)

Reasumując – życzę PT Czytelnikom dużo dobrego, spokojnego, przyjemnego czasu spędzonego w towarzystwie terpenów bliskich. A jak już wypoczniecie, wracajcie czytać kolejne wpisy na blogu. Zapraszamy!

 

(c) by Mirosław Dworniczak
Jeśli chcesz wykorzystać ten tekst lub jego fragmenty, skontaktuj się z autorem. Linkować oczywiście można.

Guziki żołnierzy Napoleona, czyli o alotropii

Zacznijmy od alotropii, ponieważ jest to dość ważne pojęcie naukowe, istotne w fizyce i chemii. Nazwa pochodzi z greki: ἄλλος (allos) oznacza „inny/inna”, a τρόπος (tropos) – „miejsce”. Jest to występowanie danego pierwiastka (uwaga – tylko pierwiastka, nie związku chemicznego!) w dwóch lub więcej odmianach (w tym samym stanie skupienia). Typowym przykładem jest węgiel, który może występować m.in. jako grafit, grafen, diament, fulereny czy nanorurki. Z kolei odmiany fosforu to: czerwony, biały, fioletowy i czarny. Alotropia dotyczy też gazów. Tu przykładem jest tlen, który może istnieć jako cząsteczka O₂, ale też jako odmiana trójatomowa (O₃). Odmiany alotropowe zawsze różnią się od siebie właściwościami fizycznymi i (czasami) chemicznymi. Alotropia występuje też w przypadku wielu pierwiastków metalicznych. Jednym z nich jest żelazo, które ma pięć odmian alotropowych różniących się od siebie strukturą krystaliczną, co ma olbrzymie znaczenie dla metalurgii oraz inżynierii materiałowej.
Ale bardzo ciekawy przypadek stanowi cyna – jeden z metali, który znany jest od najdawniejszych czasów. Przez wieki była wykorzystywana szeroko przez ludzi – ma względnie niską temperaturę topnienia, łatwo się ją odlewa. Cyna tworzy dwie odmiany alotropowe. W temperaturze pokojowej występuje odmiana β (cyna biała), która poniżej temperatury 13,2°C bardzo powoli zmienia się w odmianę α (cynę szarą). Ponieważ obie odmiany różnią się zdecydowanie (o 25%) gęstością przemiana ta wygląda dość dramatycznie. Pozostawiony w niskiej temperaturze kawałek cyny białej po prostu zaczyna się powoli rozsypywać na proszek. Co więcej, zauważono, że jeśli dotknie się cyny białej elementem z cyny szarej, proces ten następuje znacznie szybciej. Dlatego też taką przemianę nazywa się czasem zarazą cynową (trądem cynowym). Warto tutaj dodać, że cyna biała ma właściwości metaliczne, natomiast odmiana szara jest półprzewodnikiem. Przedmiotów wykonanych z czystej cyny nie wolno trzymać w zimnych pomieszczeniach. Sale muzealne, w których czasami są one eksponowane, muszą być ogrzewane w taki sposób, aby temperatura nie spadała poniżej temperatury przemiany.

No dobrze, a co z guzikami? W czasie, gdy wojska napoleońskie szły na Moskwę, szynele wojskowe i spodnie były wyposażone w tanie guziki cynowe. Wyprawa zaczęła się latem, a więc nie było początkowo problemu, ale pod koniec 1812 r. zaczęły się typowe rosyjskie mrozy. Według jednej z hipotez przyśpieszyło to klęskę Napoleona, ponieważ żołnierzom zaczęły się po prostu rozsypywać guziki w odzieży. Brzmi to dość spójnie z fizycznego punktu widzenia, ale hipoteza ta nie została jak dotąd potwierdzona. Krytycy uważają, że ówczesne guziki były produkowane z taniej cyny zanieczyszczonej m.in. ołowiem, a taki stop, co ciekawe, nie ulega zarazie.

Odwrót Napoleona spod Moskwy, obraz olejny, autor: Adolph Northen (1851), licencja: domena publiczna

 

To słynny kaletnik – Mendelejew!

Portret Mendelejewa w stroju akademickim, autor – Ilia Repin (1885), licencja – domena publiczna

Najbardziej znany jest jako twórca układu okresowego, niektórzy dodają, że „wymyślił wódkę”, co tak naprawdę jest legendą. Ale tak naprawdę Dymitr Iwanowicz Mendelejew jest postacią niesamowicie ciekawą i wielowymiarową, godną dużej biografii. Jego kariera rozpoczęła się w wyniku splotu wielu nieszczęść rodzinnych. Urodził się w głębi carskiej Rosji, w Tobolsku, z dala od świata naukowego. W wieku 13 lat stracił ojca, a niedługo potem spaliła się huta szkła, której właścicielką była matka Dymitra. Rodzina przeniosła się do Petersburga. A trzeba dodać, że była to spora rodzina – miał on od 13 do 16 rodzeństwa (do dziś nie wiadomo dokładnie ilu). Młody Mendelejew ukończył studia na tamtejszym Uniwersytecie Pedagogicznym (kierunek matematyczno-– fizyczny). Przez kilka lat był nauczycielem na Krymie, potem wrócił do Petersburga, gdzie zaczął pracę w katedrze chemii.

Ale chemia była tylko jedną z dziedzin, którą się interesował. Lista jego dokonań jest olbrzymia. Mało kto wie, że zaprojektował olbrzymi balon z hermetyczną gondolą, sam zresztą też się wybrał w podróż powietrzną, w trakcie której obserwował koronę słoneczną w trakcie zaćmienia. W latach 80. XIX w. tworzył pierwszy uniwersytet w Tomsku (Syberia). Po powrocie do Petersburga pracował dalej na uczelni, ale też współpracował z firmą produkującą proch bezdymny, rozwijając technologię jego produkcji. Co ciekawe, pracował też nad technologią podziemnego zgazowania węgla, będąc w tej dziedzinie pionierem.

Uczony był znany z tego, że wstawał w okolicy południa, ale potem pracował do świtu. Nie cierpiał tracić czasu na takie czynności jak strzyżenie i golenie. Raz w roku, na wiosnę udawał się do fryzjera, który strzygł go i golił do gołej skóry. Proste, prawda?

Mało znaną ciekawostką jest to, że w czasie, gdy był na Krymie, nauczył się kaletnictwa. Sam produkował ze skóry walizki i kufry. Były mu niezbędne do przechowywania archiwów, książek i przyrządów. Sam wybierał na targu skóry i okucia. Pewnego dnia ktoś spytał sprzedawcę, kim jest ten dziwaczny kudłaty mężczyzna, który wybierał surowce. Odpowiedź brzmiała: jak to – pan nie wie? To wybitny kaletnik, Mendelejew! Niestety, nie zachowały się żadne ilustracje tych walizek i kufrów.

OK, a co z tą wódką? Owszem, uczony podczas pracy na uniwersytecie zajmował się mieszaninami etanol-woda, ale badał takie zjawiska jak efekt kapilarny, napięcie powierzchniowe czy zmiany gęstości mieszanin dwuskładnikowych. Skonstruował m.in. piknometr – przyrząd do precyzyjnego pomiar gęstości.

Piknometr konstrukcji Mendelejewa (1859), licencja: domena publiczna

Jeśli chodzi o wódkę, to prawdą jest tylko to, że gdy pełnił obowiązki dyrektora Urzędu Miar i Wag, wydał rozporządzenie, że nazwę wódka może nosić tylko mieszanina, w której zawartość etanolu wynosi nie mniej niż 40%. Na tej podstawie pod koniec XIX w. został wydany carski ukaz, czyli ustawa. Stąd właśnie legenda o „wynalezieniu” wódki przez Mendelejewa. Ale warto dodać, że prace Mendelejewa prawdopodobnie uratowały przed więzieniem jednego z dyrektorów gorzelni. Został on oskarżony o kradzież alkoholu. Badania Mendelejewa wykazały, skąd się wzięła ta pozorna strata. Jeśli zmieszamy 50 litrów spirytusu z taką samą ilością wody, w rezultacie nie uzyskamy 100 litrów, lecz 96,3 litra. Zjawisko to nosi nazwę kontrakcji objętości. Pewnie kiedyś jeszcze o tym napiszę, bo zjawisko jest wielce ciekawe.
Uczony pozostawił po sobie około 1500 publikacji. Można więc powiedzieć, że był autentycznym tytanem pracy.

(c) by Mirosław Dworniczak
Jeśli chcesz wykorzystać ten tekst lub jego fragmenty, skontaktuj się z autorem. Linkować oczywiście można.

Nazwy pierwiastków – kilka ciekawostek

Nazewnictwo pierwiastków chemicznych to kopalnia niesamowitych informacji. Jest to też źródło ciekawej wiedzy związanej zarówno z językoznawstwem, ale też z historią nauk przyrodniczych. Kiedyś w nomenklaturze panowała wolna amerykanka, co powodowało, że czasem jeden pierwiastek miewał dwie nazwy w różnych krajach. Dziś jest to nieco bardziej uporządkowane, bo formalnym zatwierdzaniem nazw nowych pierwiastków zajmuje się IUPAC – Międzynarodowa Unia Chemii Czystej i Stosowanej. Co kilka lat zbiera się szacowne grono i nadaje oficjalne nazwy (i symbole).

Ale popatrzmy na te nazwy z językowego punktu widzenia. Gdy się dobrze przyjrzymy układowi okresowemu, zauważymy, że większość nazw jest rodzaju męskiego. Pomińmy je. Przyjrzyjmy się rodzajowi żeńskiemu. I tu mamy tylko pięć przykładów: siarka, rtęć, miedź, cyna, platyna. Jeszcze mniej jest pierwiastków rodzaju nijakiego: tylko złoto, srebro i żelazo. A gdzie parytet, ja się pytam?! Ale w ramach treningu proponuję znaleźć wymienione wyżej pierwiastki w układzie okresowym.

Są tam także pierwiastki pochodzące od nazwy jednej malutkiej miejscowości. Erb, terb, iterb oraz itr – to nazwy pierwiastków, które pochodzą od nazwy Ytterby, szwedzkiej wioski, gdzie istniała kopalnia, w której znaleziono minerały zawierające właśnie te (i inne) pierwiastki.

Polacy też mają swoją część układu okresowego. Maria Skłodowska-Curie nazwała dwa pierwiastki – rad (Ra) i polon (Po). Innym pierwiastkiem związanym z Polską jest kopernik (Cn), metal przejściowy o liczbie atomowej 112, zsyntetyzowany po raz pierwszy w 1996 r. w Darmstadt.

Mamy też w układzie okresowym polski problem językowy. Spójrzcie na dwa pierwiastki – bor (B, na samej górze, w grupie 13, liczba atomowa 5) oraz bohr (Bh, na dole układu, liczba atomowa 107). Ta druga nazwa pochodzi oczywiście od nazwiska wybitnego duńskiego fizyka, Nielsa Bohra. I tu mamy kłopot, bo po polsku jego nazwisko wymawia się dokładnie tak, jak nazwa pierwszego z pierwiastków. W języku angielskim problemu nie ma, bo pierwiastek B to boron, a Bh to bohrium. Nasi spece od nazewnictwa wymyślili rozwiązanie – „stary” bor pozostaje borem, a „nowy” mamy wymawiać tak, jak się pisze, czyli z literą „h”. No cóż… nieco dziwne, jak dla mnie.

I jeszcze jedna ciekawostka. Jeśli traficie kiedyś na starszy układ okresowy (szczególnie niemiecki), poszukajcie tam pierwiastka jod. Jego symbol był dawniej zapisywany jako J, dziś oczywiście jest to symbol I. Symbol J pochodził z języka niemieckiego, natomiast I – z greki (ioeides – fioletowy).

Układ okresowy z 1885 r, licencja: domena publiczna

I już na sam koniec – w zasadzie nie nadaje się nazw pierwiastków od nazwisk osób żyjących. Ale oczywiście od każdej reguły są wyjątki. Pierwszy taki przypadek miał miejsce w 1997 r., gdy pierwiastek 106 otrzymał nazwę seaborg (Sg) – od nazwiska amerykańskiego fizyka, Glenna T. Seaborga. Drugi w 2016 – tym razem nazwą oganeson (Og – pierwiastek 118) uczczono nadal żyjącego fizyka pochodzenia ormiańskiego, pracującego w ZSRR, a potem w Rosji, Jurija Oganiesiana. 

Znaczek z Armenii – Oganiesian i jego pierwiastek, licencja: domena publiczna

 

(c) by Mirosław Dworniczak
Jeśli chcesz wykorzystać ten tekst lub jego fragmenty, skontaktuj się z autorem. Linkować oczywiście można.

Lód

 

 

Lód jaki jest, każdy widzi. To oczywiście trawestacja słynnego hasła o koniu, napisanego przez Benedykta Chmielowskiego z encyklopedii Nowe Ateny. Zwykle przywołujemy je wtedy, gdy chcemy napisać o czymś zupełnie oczywistym, czego nie trzeba wyjaśniać, bo wszyscy to znają. Ano właśnie – na pewno znamy lód?

Nie wiem, czy wszyscy zdają sobie sprawę, że lód jest formalnie minerałem z grupy tlenków. Ma on konkretną strukturę krystaliczną, która w dużym stopniu determinuje jego właściwości. Ten „nasz” normalny lód powstający w procesie krzepnięcia wody ma strukturę heksagonalną (czyli sześciokątną), co wynika z mikroskopowej budowy cząsteczki wody. Widać to najlepiej, gdy obserwujemy płatki śniegu – wszystkie tworzą sześciokąty. Formalnie nazywamy go lodem I_h (odmiana nr 1, h – wersja heksagonalna). Czasem przyjmuje on zaskakująco piękną postać, jak ten na szybie

zdjęcie na licencji CC0 1.0 (autor: Larisa Koshkina)

 

I to jest początek całego katalogu odmian lodu, a jest ich jak na razie 19 (oznaczamy je zwykle liczbami rzymskimi), choć może jeszcze jakieś inne też zostaną jeszcze znalezione. Każda z odmian różni się, i to znacząco, właśnie strukturą krystaliczną. Jedne mają strukturę sześcienną (jak sól kuchenna), inne rombową (jak siarka czy baryt), jeszcze inne tetragonalną (jak diament), jednoskośną (jak gips) itd. A wszystko zbudowane z prostych cząsteczek wody. Różnice polegają w zasadzie tylko na nieco innym upakowaniu cząsteczek wody w strukturze kryształu. W tym przypadku upakowanie jest wymuszone przez ciśnienie, najczęściej olbrzymie.
Poniżej można zobaczyć tzw. diagram fazowy wody. Odczytuje się z niego w jakich warunkach ciśnienia i temperatury istnieją konkretne odmiany lodu. Trzeba tylko zwrócić uwagę, że skala pionowa (ciśnienia) jest logarytmiczna, a pozioma (temperatury) liniowa. 

 

Tak więc – lód jaki jest – niekoniecznie każdy widzi.

(c) by Mirosław Dworniczak
Jeśli chcesz wykorzystać ten tekst lub jego fragmenty, skontaktuj się z autorem. Linkować oczywiście można.

 

 

Układ okresowy pierwiastków – część II

Zacznę może od starego dowcipu. Był kiedyś rewelacyjny wykładowca chemii, który nigdy nie posługiwał się żadnymi skryptami, książkami ani notatkami. Wchodził na salę, z wewnętrznej kieszeni marynarki wyciągał malutką karteczkę, przez kilka sekund spoglądał na nią, po czym chował ją i zaczynał bezbłędnie wykładać. Studenci zastanawiali się, co jest na tej legendarnej karteczce. I kiedyś trafiła się okazja – profesor w przerwie zostawił marynarkę na krześle i wyszedł z sali. Jakiś student dopadł do niej, wyciągnął karteczkę, a tam było napisane: litowce po lewej, gazy szlachetne po prawej.
Uproszczony układ okresowy. Pierwiastki szaroniebieskie to metale, różowe – półmetale, żółte – niemetale
licencja: CC0 – public domain – domena publiczna

No i tak właśnie naprawdę jest. Tak wygląda układ okresowy, gdy na niego spojrzymy. Ale to nie są jedyne istotne informacje, które możemy wyczytać. Popatrzmy na tę ciekawą tablicę. Po lewej mamy litowce – grupę bardzo reaktywnych metali. Określenie „grupa” oznacza to, co widać w kolumnie (w pionie). Lit, sód, potas, rubid, cez itd. Bardzo reaktywne metale, wszystkie są jednowartościowe. Spójrzmy obok – tam są berylowce. Też metale, ale takie… mniej metaliczne. Wszystkie są dwuwartościowe, tworzą takie same tlenki i wodorotlenki.

Dalej mamy grupę 13 (dawniej – trzecią) – borowce. Trójwartościowe, już mniej metaliczne. I tak to w sumie wygląda – im bardziej patrzymy na prawo, tym mniejszy mamy charakter metaliczny. Te „na środku”, czyli bor, krzem, german itd. są pomiędzy metalami i niemetalami. Im bardziej w prawo, tym większy charakter niemetaliczny. Takie właśnie są niektóre tlenowce i wszystkie fluorowce. Te ostatnie są bardzo reaktywne, próbują wejść w związki z czymkolwiek. Na samym skraju, po prawej stronie są helowce, czyli gazy szlachetne. Na tym etapie możemy uznać, że ich tak naprawdę nie ma. Niespecjalnie wchodzą w reakcje chemiczne, są… no właśnie, szlachetne. Inne i obce.

Popatrzmy teraz w pionie. Litowce. Na samym dole mamy frans, który jest niesamowicie aktywny. A teraz rzut oka na prawo, na fluorowce. Na samej górze jest najbardziej aktywny fluor. A więc jeśli frans spotka się z fluorem, powstanie związek o bardzo silnym charakterze jonowym – fluorek fransu (FrF).
Aktywność metali rośnie, gdy patrzymy w dół (czyli lit jest mniej aktywny niż sód, a sód jest mniej aktywny niż potas itd.). W przypadku fluorowców aktywność zmienia się w drugą stronę – najaktywniejszy jest fluor. Mniejsza o to, jaki jest mechanizm i na czym to wszystko polega. Wystarczy zapamiętać ideę.

Gdy już zrozumiemy zasadę budowy układu okresowego i dowiemy się o strukturze atomu, będziemy wiedzieć znacznie więcej. Dowiemy się, że pierwiastki w układzie okresowym są tam umieszczone zgodnie z wzrastającą liczbą atomową, czyli liczbą protonów w jądrze atomowym. Dowiemy się też, że istnieje coś takiego, jak powłoki atomowe, które definiują właśnie okresowość. Ale to już zupełnie inna historia. Pewnie kiedyś do niej wrócę.

(c) by Mirosław Dworniczak
Jeśli chcesz wykorzystać ten tekst lub jego fragmenty, skontaktuj się z autorem. Linkować oczywiście można.

Układ okresowy pierwiastków – część I

Prowadząc zajęcia z chemii dla uczniów lub studentów zawsze nazywałem układ okresowy pierwiastków chemicznych najbardziej uniwersalną ściągą. Co ważne – ta ściąga wisi praktycznie w każdej pracowni chemicznej i można z niej korzystać legalnie nawet podczas klasówek i sprawdzianów. Czasem układ okresowy nazywany jest tablicą Mendelejewa, choć jest to już w zasadzie nazwa historyczna. Ale to nazwisko trzeba pamiętać, bo jego idea była genialna. Już nieco wcześniej próbowano układać pierwiastki według ich właściwości, ale te próby nie pozwoliły na przewidywanie właściwości tych pierwiastków, które w tamtym czasie nie zostały jeszcze odkryte. A o przewidywanie pokusił się właśnie Dymitr Mendelejew.

Portret Dymitra Mendelejewa (c) public domain

Po ułożeniu ówcześnie znanych pierwiastków w formę tabeli zauważył, że są w niej luki. Uznał, że w tych miejscach powinny się znaleźć pierwiastki nieznane w czasie, gdy tworzył swoją tablicę.

Jedna z pierwszych wersji tablicy Mendelejewa – (c) public domain

Co więcej – na podstawie właściwości pierwiastków sąsiednich przewidział właściwości tych nowych. I miał zapewne wielką satysfakcję, gdy zostały odkryte – niektóre jeszcze za życia uczonego. I tak pomiędzy glinem (Al) a indem (In) znalazł się gal (Ga), a pomiędzy krzemem (Si) a cyną (Sn) znalazł się german (Ge). Zbadane właściwości tych pierwiastków doskonale zgadzały się z przewidywaniami Mendelejewa. Jako ciekawostkę można tu dodać, że gdy odkrywca galu, Lecoq de Boisbaudran, opublikował właściwości nowego pierwiastka, dostał list od Mendelejewa, który (nie widząc galu na oczy) stwierdził, że wartość gęstości tego metalu została błędnie wyznaczona. Okazało się to prawdą. Ponowne badanie idealnie potwierdziło przewidywanie Mendelejewa. To był ostateczny triumf wielkiego uczonego.

Niestety, wielki uczony nie został uhonorowany nagrodą Nobla, pomimo tego, że jego praca była doceniona przez naukowców. A wynikało to z tego, iż jednym z najważniejszych ludzi w komitecie noblowskim był Svante Arrhenius (ten od dysocjacji). A on nie znosił Mendelejewa, bo ten krytykował teorię dysocjacji. I pomimo tego, że siedmiokrotnie twórca układu okresowego był nominowany, nagrody nie dostał. A potem problem się rozwiązał, gdy Mendelejew zmarł.

Docenili go jednak studenci, którzy w kondukcie pogrzebowym nieśli transparent z wymalowaną tablicą Mendelejewa.

To tyle w pierwszym odcinku o układzie okresowym pierwiastków. W drugim będzie trochę informacji o tym, co ważnego można z niego wyczytać.

(c) by Mirosław Dworniczak
Jeśli chcesz wykorzystać ten tekst lub jego fragmenty, skontaktuj się z autorem. Linkować oczywiście można.