Jedność i zróżnicowanie otaczającego nas świata

Każdy wie, że cukier smakuje słodko, a sól jest słona. Ale czemu? Co takiego w cukrze czyni go słodkim? Stwierdzenie, że „ma w sobie słodycz” nie jest odpowiedzią na to pytanie! Czemu złoto jest połyskliwe i żółtawe? Czemu szkło jest przejrzyste i kruche, a niektóre odmiany plastiku przejrzyste lecz trudne do złamania?

Zanim odpowiemy na powyższe pytania musimy zrozumieć, czym są cukier i inne rzeczy ... jak są w nich uporządkowane atomy. Może, jeśli to zrobimy, będziemy mogli nauczyć się jak robić słodycze zawierające mniej kalorii?!

Kryształ cukru zawiera wiele cząsteczek upakowanych w określonym porządku, podobnie jak cegły w ścianie, tyle że rozpościerających się we wszystkich kierunkach. Każda „cegiełka” lub cząsteczka cukru zawiera 12 atomów węgla, 22 atomy wodoru i 11 atomów tlenu. Są ustawione według stałego wzoru, podobnego do pokazanego niżej.

Kostka cukru zawiera wiele luźno upakowanych kryształów cukru.

Cząsteczka sacharozy z zielonymi atomami reprezentującymi węgiel, czerwonymi (jeden ukryty) reprezentującymi atomy tlenu i różowymi reprezentującymi atomy wodoru. W rzeczywistości atomy stykają się ze sobą.

Co się stanie, jeśli zanurzysz kostkę cukru w wodzie? Kostka w końcu zniknie, ale cukier pozostanie. Cząsteczki cukru uwolniły się z kryształków i rozproszyły w wodzie. Cukier się rozpuścił.

Co się dzieje, gdy wypijasz trochę słodkiej wody?

Niektóre z kubków smakowych na języku zawierają białka bardzo wrażliwe na fragmenty cząsteczki cukru. Kiedy cząsteczka cukru dotyka jednego z tych kubków smakowych, układ nerwowy szybko przesyła sygnał do mózgu i w rezultacie odczuwasz słodki smak.

Kryształy soli kuchennej (chlorku sodu) mogą nawet wyglądać jak kryształki cukru, ale będą wyglądały zupełnie inaczej pod mikroskopem na tyle mocnym, aby pozwalał dostrzec atomy. To nie cząsteczki soli są poukładane w szeregi. Zamiast nich w szeregach mamy atom sodu, atom chloru, atom sodu, atom chloru, itd., ustawione na przemian.

Każdy atom sodu w krysztale utracił elektron i jest więc dodatnio naładowanym jonem sodu. Brakujące elektrony sa przyłączone do atomów chloru tworzących jony naładowane ujemnie. Elektrostatyczne przyciąganie między jonami dodatnimi i ujemnymi pozwala utrzymać kryształ w całości.

Niebieskie kulki oznaczają jony chloru, a żółte jony sodu.

Kiedy rozpuścisz trochę soli w wodzie, ta zniknie podobnie jak cukier, ale co pozostanie w wodzie? Nie cząsteczki soli! Jony sodu i chloru rozpływają się w wodzie oddzielnie.

Część kubków smakowych na języku jest uczulona na jony sodu. Kiedy jon sodu osiąga taki kubek smakowy, może wniknąć bezpośrednio do komórki i wywołać reakcję chemiczną. Ta reakcja na swój sposób generuje sygnał, który trafia drogą nerwową do mózgu i wtedy właśnie odczuwasz smak słony. Umarlibyśmy po spożyciu nadmiaru soli i dlatego też wykształciliśmy w sobie kubki smakowe, które są na ten smak wrażliwe.

Wiemy, że zestalony cukier i sól są kryształami, a jak to jest z metalem, jak np. złoto?

Może zaskoczy Cię informacja, że metale zbudowane są również z kryształów, choć zwykle bardzo małych. Oto zdjęcie mikroskopowe pokazujące kryształy zobaczone w żelazie. W kryształach czystego metalu wszystkie atomy uporządkowane są wzdłuż linii prostych.

[Dzięki uprzejmości Kennedy Space Center
http://science.ksc.nasa.gov]  

Kiedy jubiler topi złoto by wykonać obrączkę, atomy złota uwalniają się ze swych prostych szeregów - tak jak cząsteczki wody w topniejącym lodzie.

Każdy atom złota ma jądro zawierające 79 protonów, a wokół jądra 79 ujemnie naładowanych elektronów. Gdy jednak pakujemy atomy złota ciasno, jeden przy drugim, w porządnych szeregach w krysztale, niektóre z elektronów oswobadzają się: porzucają konkretny atom i zaczynają należeć raczej do wszystkich atomów równocześnie.

W ten sposób elektrony mogą przemieszczać się w sieci krystalicznej, co daje metalom ich najważniejszą właściwość – dobre przewodzenie prądu elektrycznego.

Elektryczność trafia do nas przewodami z metalu tańszego niż złoto, a nawet lepszego przewodnika elektryczności – miedzi.

Szkło jest czymś zupełnie innym niż widzieliśmy do tej pory. I to wcale nie dlatego, że jest przezroczyste; istnieją w końcu bardzo duże, przezroczyste kryształy soli.

Odmiennie od cukru, soli i złota, szkło w oknach, butelkach lub soczewkach nie jest krystaliczne. Jego cząsteczki nie tworzą warstw, nie układają się wzdłuż linii prostych. Jest tak, jakby muzyka, do której tańczyły cząsteczki płynu, nagle ucichła w środku frazy, pozostawiając cząsteczki "zatrzymane w kadrze".

W odróżnieniu od lodu, który gwałtownie topnieje ogrzany do 0º C, szkło ogrzewane stopniowo mięknie. Dzięki temu może być nadmuchiwane do pięknych i użytecznych kształtów.

Nylon został wykorzystany do produkcji pończoch około roku 1940.

Nylon i inne tworzywa, które są tak użyteczne jak guma, są przykładami polimerów. Polimer ma dużą cząsteczkę, uformowaną z kombinacji wielu małych cząsteczek. Często duża cząsteczka jest długim łańcuchem mniejszych.

Nić nylonowa lub pajęczyna mają długie łańcuchy małych cząsteczek, powtarzane wielokrotnie, aż uformują coś, co jest jedną, niezmiernie długą cząsteczką. Guma i plastiki także zawierają wiele małych molekuł ciasno związanych razem i tworzących dużą, pojedynczą cząsteczkę.

Polimery mogą być niezwykle mocne, ponieważ wszystkie ich cząsteczki są związane ze sobą w jedną, ogromną cząsteczkę. [Dzięki uprzejmości Mirelli Liszki
http://www.fotogaleria.regionet.pl

[Dzięki uprzejmości U.S. Department of Energy Human Genome Program, http:\\www.ornl.gov
http://www.ornl.gov/hgmis]

Słowniczek: the Molecule of Life - cząsteczka życia; chromosomes - chromosomy; cell - komórka; gene - gen

W niektórych polimerach nie wszystkie małe cząsteczki są identyczne. Białko jest długim łańcuchem cząsteczek różnych aminokwasów.

DNA, to również długi łańcuch cząsteczek zwanych nukleotydami. Te nukleotydy, ułożone w podwójną helisę, reprezentują „litery” kodu genetycznego.

[Źródło ilustracji: U.S. Department of Energy Human Genome Program, http:\\www.ornl.gov http://www.ornl.gov/hgmis]

Mała liczba pierwiastków składa się na ogromną liczbę tego, co do życia potrzebne i z czego składa się wszystko to, co widzimy wokół.

Jakie pierwiastki tworzą cukier, sól kuchenną, złoto, szkło i nylon?

• Cukier zawiera węgiel, wodór i tlen.
• Sól kuchenna zawiera sód i chlor.
• Złoto zawiera tylko złoto ... jest pierwiastkiem.
• Zwykłe szkło okienne zawiera głównie wapń, sód, krzem i tlen.
• Nylon – węgiel, tlen, wodór, azot.

Cztery pierwiastki: węgiel, wodór, tlen i azot tworzą niezliczoną liczbę związków, z których wiele jest istotnych dla waszego zdrowia.

Rozglądając się wokół widzimy wiele rodzajów substancji: kryształy, jak sól i kryształy, jak cukier, metale, polimery, szkło, ciecze i gazy. Jesteśmy wykonani z mieszaniny niektórych z nich. Podaliśmy przykłady substancji, o których wiemy, że są zbudowane z zaledwie kilku pierwiastków, ale atomy tych pierwiastków są rozmieszczone na różne sposoby.

Rzeczą cudowną jest to, że WSZYSTKO wokół nas jest zbudowane z około 90 pierwiastków^*), z czego połowa występuje rzadko. Ale dlaczego jest akurat 90 pierwiastków? Czemu jedne występują powszechnie, a inne są rzadkie?

Czemu mamy na Ziemi więcej węgla niż złota?

[Dzięki uprzejmości Debory Zuzindlak Tobin]

Wełna i jedwab są polimerami białek. Jakie pierwiastki zawierają?

Jak wszystkie białka, wełna i jedwab składają się głównie z węgla, wodoru, tlenu i azotu.

Jeżeli masz izolowane jądro atomu złota z 79 dodatnimi ładunkami (inaczej mówiąc - atom o liczbie atomowej Z=79), które zbliży się do zwykłej materii, to wkrótce przechwyci ono 79 elektronów i stanie się obojętnym atomem.

A zatem, pytanie o pochodzenie atomów złota jest właściwie pytaniem o pochodzenie jąder atomów złota.

Większość pierwiastków, z których zbudowane jest nasze otoczenie ... tak na prawdę - my sami, powstała w wybuchach gwiazd. Słońce, Ziemia i reszta naszego Układu Słonecznego jest uformowana z pyłu wyrzuconego w przestrzeń przez eksplodujące gwiazdy.

[Dzięki uprzejmości European Southern Observatory (ESO) ]

Wielkie Pytanie Nr 1: Czemu liczba stabilnych jąder jest ograniczona? Dlaczego stabilne są akurat te, a nie inne jądra?

Wielkie Pytanie Nr 2: Czemu pierwiastki znajdowane na Ziemi występują w tak różnych ilościach? Na przykład, czemu jest więcej węgla niż złota?

Jeżeli przestudiujesz wszystkie nasze strony, będziesz w stanie odpowiedzieć na te wielkie pytania.

Odpowiedź na te dwa wielkie pytania zależy od wiedzy na temat struktury jąder atomowych i tego, w jaki sposób jądra są utrzymywane w całości przez tajemnicze „siły jądrowe”.

Zrozumienie tych spraw pozwoli Ci zrozumieć inne tematy naszego kursu – te, związane z ważnymi społecznie zastosowaniami procesów jądrowych oraz inne, jak „Jądra atomowe i Wszechświat”, wyjaśniające jak w świecących i eksplodujących gwiazdach powstały wszystkie pierwiastki.

Mam nadzieję, że zgodzicie się ze mną, jak zaskakująca i cudowna jest wielość rzeczy, które mogą być zbudowane z kilku, powstałych w gwiazdach składników.