Читать книгу Opowieść o początku. Wielka historia wszystkiego - David Enßlen Christian - Страница 21

Atomy są maleńkie. W kropce postawionej na końcu tego zdania można by umieścić milion atomów węgla. Nie należy jednak myśleć o atomach jako stałych kulach materii. Składają się bowiem one prawie wyłącznie z pustej przestrzeni. Każdy z nich ma w środku małe jądro zbudowane z protonów (z ładunkami dodatnimi) i neutronów (które nie mają żadnego ładunku) związanych ze sobą na zasadzie działania siły jądrowej. Reszta atomu jest w większości pusta. Wokół jądra w ogromnym oddaleniu orbitują chmury elektronów, mniej więcej jeden na każdy proton zawarty w jądrze. Na początku XX wieku Ernest Rutherford, jeden z pionierów współczesnej fizyki jądrowej, zobrazował wielkość jądra, porównując je do „muchy w katedrze”.

Skala rozmiarów, jaką Rutherford zasugerował, jest trafna. Ale zrobił to, zanim jeszcze zaczęła się ewolucja współczesnej fizyki kwantowej, która wykazała, że jego metafora wprowadza nas poniekąd w błąd. Elektrony są maleńkie i stanowią około 1/1836 masy protonu. Fizyka kwantowa pokazała, że nigdy nie jesteśmy w stanie określić ich dokładnej prędkości ani pozycji. Potrafimy wskazać, gdzie mniej więcej znajduje się dany elektron, ale nigdy dokładnie tam, gdzie rzeczywiście jest, ponieważ każda próba zlokalizowania go będzie wymagała użycia energii (jak gdyby oświetlenia go latarką), a ponieważ elektrony są bardzo lekkie, energia użyta do ich wykrywania zaburza ich prędkość i trajektorię. Oto dlaczego fizycy kwantowi określają położenie orbitujących elektronów w kategoriach „mgły prawdopodobieństwa”, która gęstnieje w pewnych odległościach od jądra, a zmniejsza się w innych. Mgła prawdopodobieństwa wypełnia większość objętości atomowej „katedry”, a także może wykraczać poza jej zewnętrzne ściany1.

Chemia sprowadza się do randkowania i wojen toczonych w mgłach prawdopodobieństwa. A dużo się w nich dzieje. Pomiędzy protonami i elektronami tworzą się więzi, które następnie są rozbijane, stare relacje się kończą, a rozpoczynają nowe, czego rezultatem jest pojawienie się zupełnie nowych form materii. Siłą napędową tej aktywności jest prosty fakt, że elektrony mają ładunki ujemne, które się nawzajem odpychają, ale za to przyciągają je do dodatnich ładunków protonów albo w obrębie ich własnego atomu, albo w atomach sąsiednich. Chemicy badają tego rodzaju flirty i rywalizacje oraz związki i napięcia, które zachodzą, kiedy elektrony łączą się z sąsiednimi atomami, tworząc cząsteczki wiążące kilka, czasem miliony, a nawet miliardy atomów w struktury bardziej złożone niż najbardziej złożona gwiazda. Każdy wzorzec molekularny ma charakterystyczne nowe właściwości emergentne, więc możliwości związków chemicznych wydają się nieograniczone. Niemniej jednak te obserwowane zaloty mają swoje własne zasady działania (czasami tak przewrotne, jak zasady flirtowania u ludzi) i to one rządzą tym, w jaki sposób siły elektromagnetyczne sprzyjają tworzeniu chemicznej złożoności.

Głównymi graczami są tu elektrony. Podobnie jak kochankowie elektrony są nieprzewidywalne, zmienne i zawsze otwarte na lepsze oferty. Krążą wokół protonów na różnych orbitach, z których każda jest związana z innym poziomem energii. Kiedy to tylko możliwe, elektrony kierują się do orbit położonych najbliżej jądra atomu, które ma najmniejsze wymagania energetyczne. A jednak liczba miejsc na każdej z orbit jest ograniczona i jeśli nie ma żadnych wolnych miejsc na orbitach bliższych jądru, muszą się zadowolić miejscami na orbicie zewnętrznej. Jeśli taka orbita ma odpowiednią liczbę elektronów, wszyscy są szczęśliwi. Tak się dzieje w przypadku tak zwanych gazów szlachetnych, takich jak hel lub argon, których miejsce jest po prawej stronie układu okresowego. Nie łączą się z innymi atomami, ponieważ są bardziej lub mniej zadowolone ze swojego status quo.

Jeśli jednak zewnętrzne orbity atomu nie są do końca wypełnione, co stanowi swego rodzaju niezręczność, problemy, napięcia i niekończące walki o pozycję stanowią przyczyny pozwalające wyjaśniać wiele zjawisk chemicznych. Niektóre elektrony opuszczają swój własny statek i kierują się ku sąsiednim atomom. Jeśli to zrobią, atom, który opuściły, straci ładunek ujemny, więc może się połączyć z atomem, który ma jakiś dodatkowy elektron, tworząc wiązanie jonowe. Tak powstaje sól z atomów sodu, których najbardziej zewnętrzny elektron jest zwykle skłonny do skoku, oraz chloru, który często szuka dodatkowego elektronu, by wypełnił jego zewnętrzną orbitę. Czasami elektrony czują się najlepiej, gdy krążą wokół dwóch jąder, więc jądra w sposób produktywny dzielą się swoimi ładunkami w wiązaniu kowalencyjnym. W ten sposób łączą się atomy wodoru i tlenu, tworząc cząsteczki wody. Ale powstająca w ten sposób cząsteczka jest asymetryczna, z dwoma maleńkimi atomami wodoru uczepionymi po jednej stronie większego atomu tlenu. Ten dziwny kształt rozkłada ładunki ujemne i dodatnie w sposób nierówno­mierny na powierzchni cząsteczki i wprowadza dezorientację atomów wodoru, które często czują pociąg do atomów tlenu w sąsiadujących cząsteczkach. Tego rodzaju przyciąganie wyjaśnia, dlaczego cząsteczki wody potrafią się sklejać w kropelki, wykorzystując słabe wiązania wodorowe. Wiązania wodorowe odgrywają zasadniczą rolę w tak zwanej chemii życia, ponieważ odpowiadają za większość zachowań cząsteczek budujących materiał genetyczny, taki jak DNA. W metalach elektrony zachowują się bardzo różnie. Wokół jąder tych pierwiastków krążą tłumy elektronów, a to tłumaczy, dlaczego metale tak dobrze się spisują w przewodzeniu prądu elektrycznego, który w rzeczywistości jest niczym innym jak wielkim strumieniem elektronów.

Węgiel z sześcioma protonami w jądrze to istny Don Juan, bohater atomowych romansów. Zwykle ma cztery elektrony na swojej zewnętrznej orbicie, ale jest tam wystarczająco miejsca dla ośmiu, a więc można uszczęśliwić atom węgla przez usunięcie czterech elektronów z jego zewnętrznej powłoki przez dodanie mu czterech elektronów lub przez udostępnienie tych czterech elektronów innym atomom. Taka sytuacja otwiera całą gamę możliwości i dlatego węgiel może tworzyć skomplikowane cząsteczki w formie pierścieni, łańcuchów i innych egzotycznych kształtów. Tego rodzaju mistrzostwo wyjaśnia, dlaczego węgiel jest tak ważny dla chemii życia.

Podstawowe zasady chemii mają charakter uniwersalny. Wiemy o tym, ponieważ spektroskopy pokazują, że wiele prostych cząsteczek występujących na Ziemi istnieje również w chmurach międzygwiezdnego pyłu. Jednak chemia z obszarów międzygwiezdnych wydaje się dość nieskomplikowana, żadne bowiem z wykrytych do tej pory międzygwiezdnych cząsteczek nie miały więcej niż sto atomów. I tu nie ma się czemu dziwić. Wszakże w kosmosie atomy są dalece rozproszone, a więc trudno im się nawzajem ze sobą sprzęgać. Poza tym panująca tam temperatura jest niska, więc istnieje niedostatek energii aktywacji, która jest potrzebna, by pokierować atomy w kierunku długotrwałych związków. Najbardziej uderzające w obrębie chemii międzygwiezdnej jest to, że jest ona w stanie tworzyć nie tylko proste cząsteczki, z których powstają później planety, takie jak woda czy krzemiany, ale także wiele podstawowych cząsteczek życia, takich jak aminokwasy stanowiące składnik białek. Teraz już wiemy, że proste cząsteczki organiczne są we wszechświecie dość powszechne, co zwiększa prawdopodobieństwo idei, że życie poza Ziemią również istnieje.