Znaczenie chemii w rozwoju cywilizacji

Spis treści

1. Wstęp
2. Chemia w XX wieku
3. Tworzenie fundamentów
4. Analiza
5. Podglądanie reakcji chemicznych
6. Nowa materia
7. Epoka plastiku
8. Bibliografia

Chemia

to nauka o substancjach i ich właściwościach, przemianach, którym ulegają, warunkach wpływających na kierunek, szybkość i zasięg tych przemian oraz towarzyszących im efektach energicznych i stosunkach ilościowych mas substancji biorących w nich udział. Nauka obejmująca otrzymywanie, badanie właściwości, składu i budowy substancji chemicznych oraz ich przemian i warunków wpływających na kierunek i szybkość tych przemian.

Przemiany to oprócz reakcji chemicznych, procesy fizyczne, takie jak parowanie, topnienie, przemiany polimorficzne, dyfuzję. Chemia jest nauką przyrodniczą i doświadczalną. Badania chemiczne polegają na obserwacji procesów zachodzących samorzutnie w przyrodzie oraz procesów prowadzonych w ściśle kontrolowanych warunkach. Wyniki badań stanowią podstawę do uogólnień w postaci wzorów matematycznych, praw i teorii, wykorzystywanych następnie w procesach przekształcania substancji. Fakt, że każdej przemianie chemicznej towarzyszą zjawiska fizyczne np. pochłanianie lub wydzielanie ciepła, emisja lub absorpcja światła, oraz konieczność stosowania metod fizycznych w celu scharakteryzowania właściwości substancji powodują, że chemia jest szczególnie blisko związana z fizyką, a granica pomiędzy zakresami obu tych nauk trudna do ścisłego określenia. Z chemią są bezpośrednio związane także m.in. geochemia, krystalochemia, biochemia, chemia rolna.

Już w starożytności przeprowadzano niektóre procesy chemiczne np. kilka tys. lat p.n.e. wytapiano metale z rud, wyrabiano naczynia ceramiczne, barwiono tkaniny, prowadzono fermentację, dokonywano mumifikacji. W starożytnej Grecji powstały pierwsze, zrodzone z obserwacji przyrody (tzw. filozofia przyrody), koncepcje budowy materii; m.in. Empedokles z Akragas (V w. p.n.e.) uważał, że woda, powietrze, ziemia i ogień, zw. elementami (pierwiastkami, żywiołami), są pierwotnymi tworzywami rzeczywistości, których wzajemne oddziaływanie prowadzi do powstawania wszystkich substancji; Leukippos (V w. p.n.e.) i jego uczeń Demokryt z Abdery (V-IV w. p.n.e.) - twórcy atomistycznej koncepcji budowy materii - uważali, że elementarnymi składnikami materii są niepodzielne cząstki - atomy.

Z I wieku pochodzi dzieło Pliniusza Starszego Historia naturalis, zawierające opisy znanych wówczas substancji i metod ich otrzymywania. W VI-XI w. Arabowie rozwinęli alchemię, której pocz. sięgają prawdopodobnie starożytnej Grecji, Chin, Egiptu; były to, częściowo oparte na próbach doświadczalnych, dociekania mające na celu otrzymanie kamienia filozoficznego oraz tzw. eliksiru życia; próby te zaowocowały udoskonaleniem metod wyodrębniania i oczyszczania substancji; alchemicy otrzymali niektóre substancje chemiczne, jak kwasy miner. (azotowy, siarkowy, solny), wodę król., związki rtęci, fosfor, antymon, bizmut i arsen. Do wybitnych alchemików arabskich należeli: Dżabir Ibn Hajjan, Ibn Sina (Awicenna), eur. - m.in. Wincenty z Beauvais, Roger Bacon; wybitnym pol. alchemikiem był M. Sędziwój. W XVI w. zrodził się nowy prąd - jatrochemia. Jego twórcą był przyrodnik szwajc. Paracelsus, który uważał, iż głównym zadaniem jatrochemików jest otrzymywanie leków, wtedy do lecznictwa wprowadzono związki chemiczne (np. związki arsenu, rtęci).

Początki chemii jako samodzielnej dyscypliny naukowej przypadają na drugą połowę XVII w. Za datę przełomową przyjmuje się rok 1661, kiedy R. Boyle opublikował dzieło The Sceptical Chymist, w którym określił pierwiastki chemiczne jako trwałe, proste substancje nie dające się rozłożyć na składniki. W miarę rozwoju i rozszerzania się wiedzy chemicznej wyodrębniły się działy chemii.: chemia ogólna, zajmująca się podstawowymi prawami chemii; chemia nieorganiczna, obejmująca badania pierwiastków i ich związków zaliczanych do związków nieorganicznych; chemia organiczna, badająca związki organiczne - właściwościami i przemianami tych związków w organizmach żywych zajmuje się biochemia.

Wszystkimi związkami chemicznymi, które spełniają ważne funkcje w organizmach żywych, a nie są obiektem badań biochemii zajmuje się chemia bionieorganiczna. Chemia fizyczna (fizykochemia), której domeną są badania zależności między właściwościami fizycznymi a strukturą substancji oraz badania zjawisk fizycznych towarzyszących reakcjom chemicznym. Chemia analityczna, zajmująca się zagadnieniami związanymi z określaniem jakościowego i ilościowego składu substancji. Chemia kwantowa, obejmująca teorię budowy atomu i cząsteczki, oddziaływań międzycząsteczkowych i procesów chemicznych, które bada wykorzystując metody mechaniki kwantowej. Technologia chemiczna, zajmująca się opracowywaniem najlepszych pod względem technicznym i ekonomicznym (i bezpiecznych dla środowiska przyrodniczego) metod przemiany wytwarzania produktów chemicznych. Wyodrębniły się także takie działy, jak: chemia supramolekularna, chemia koordynacyjna, chemia koloidów, chemia ciała stałego, fotochemia, sonochemia, magnetochemia i inne.
Do zadań współczesnej chemii należy m.in.: badanie przestrzennej budowy cząsteczek struktury ich powłok elektronowych, rodzaju wiązań chemicznych, mechanizmu i szybkości reakcji chemicznych; w badaniach tych stosuje się główne metody spektroskopowe, polaryzacyjne, metody wykorzystujące zjawisko dyfrakcji, metody mechaniki kwantowej i termodynamiki statystycznej.

Tworzenie fundamentów

Jeśli przeniesiemy się o nieco ponad sto lat wstecz, dostrzeżemy dziwną sytuację w nauce. Fizycy są sfrustrowani - wydaje im się, że wiedzą wszystko, niczego więcej odkryć się już nie da. Zupełnie inaczej przedstawia się sytuacja chemików, którzy zaczynają doceniać skuteczność matematycznych metod opisu świata molekularnego. J.H. van't Hoff, S.A. Arrhenius, W.F.W. Ostwald tworzą podstawy chemii fizycznej - udaje im się opisać językiem formalizmu matematycznego tak ważne dla chemików zjawiska, jak przebieg reakcji chemicznych, równowaga reagujących ze sobą substancji, zachowanie substancji w roztworach.
Matematyka definitywnie wyrywa chemię z obszaru nauk ezoterycznych, z dziedzictwa alchemii, gdzie nieprzenikniona wiedza o transformacji materii dostępna była jedynie wtajemniczonym. Wspomniani uczeni udowodnili, że chemia jest nauką nie mniej ścisłą niż fizyka. Trudno więc się dziwić, że pierwsze Nagrody Nobla w dziedzinie chemii przypadły właśnie twórcom chemii fizycznej.

Wspomniana frustracja fizyków skończyła się dokładnie w 1900, kiedy za sprawą M.K.E. Plancka narodziła się teoria kwantów. Fizyka z dziedziny martwej przekształciła się w niezwykle płodne pole badań, a zmiany związane z powstaniem mechaniki kwantowej nie mogły pozostać bez wpływu na stan rzeczy w chemii. Kluczowym bowiem dla chemików zagadnieniem jest problem wiązania chemicznego. Jak powstaje? Co decyduje o jego trwałości? Jakie muszą być spełnione warunki, by dwa atomy lub cząsteczki zechciały utworzyć nowy byt?

Chemia XX wieku

W większości plebiscytów na największe osiągnięcia człowieka w XX stuleciu rzadko kiedy dostrzega się dzieła chemików. Synteza nawozów sztucznych wydaje się mało wzniosła w porównaniu z teorią kwantów, a kataliza przegrywa w społecznej recepcji z wynikami biologii molekularnej. Paradoksalnie jednak powszechny brak zrozumienia osiągnięć chemików w XX w. uznać powinno się za dowód wielkiej skuteczności tej dyscypliny. To właśnie ona zmieniła w dopiero co zakończonym stuleciu każdy niemal aspekt naszego funkcjonowania. Po prostu, życie bez chemii stało się niemożliwe, a jeśli ktokolwiek to neguje, powinien za radą H.W. Kroto, brytyjskiego laureata Nagrody Nobla, odkrywcy fulerenów - nowej postaci węgla, raz w tygodniu wchodzić na pół dnia na drzewo rezygnując całkowicie z produktów chemii.

Analiza

Rozwój aparatu teoretycznego umożliwił powstanie nowoczesnych metod analizy chemicznej, dzięki którym bezkształtne osady i roztwory w probówkach nabrały konkretnych kształtów i właściwości. Wykorzystanie promieni rentgenowskich do "prześwietlania" kryształów cząsteczek chemicznych doprowadziło do powstania w okresie międzywojennym metod analizy rentgenowskiej, najdokładniejszego sposobu określania kształtów cząsteczek. To właśnie te metody umożliwiły stworzenie portretów najpierw cząsteczek tak prostych jak sól kuchenna, by w końcu umożliwić opisywanie złożonych molekuł o znaczeniu biologicznych - białek i kwasów nukleinowych. Sukces J.D. Watsona i F.H.C. Cricka w rozszyfrowaniu struktury DNA nie byłby możliwy bez wyników analizy rentgenowskiej uzyskanych przez Dorothy Hodgkin. Jednym z ciekawszych wyników wykorzystania analizy rentgenostrukturalnej w 2000 było poznanie struktury prionu - białka, którego patologiczna forma wywołuje chorobę "szalonych krów". Współcześni chemicy mają do dyspozycji cały arsenał metod analitycznych: różne odmiany spektroskopii umożliwiające wgląd w naturę wiązań chemicznych, spektrometrię masową, metody spektroskopii rezonansu magnetycznego (NMR) będące podstawowym orężem chemików syntetyzujących nowe cząsteczki. Materia na poziomie dostępnym chemikom przestała praktycznie być tajemnicą. Istnieją już w zasadzie wszystkie narzędzia potrzebne, by poznać strukturę cząsteczek oraz oglądać "na żywo" przebiegające między nimi reakcje.
Podglądanie reakcji chemicznych

Podglądanie reakcji chemicznych

Jak już wspomnieliśmy wcześniej, reakcje są w chemii kluczowym problemem. Nic więc dziwnego, że od dawna uczeni pragnęli dokładniej przyjrzeć się ich przebiegowi. W 1949 R. Norrish i G. Porter opracowali metodę fotolizy błyskowej. By nie wchodzić w szczegóły, metodę tę można opisać przez analogię do fotografii. Jeśli chcemy uzyskać wyraźne, ostre zdjęcie poruszającego się obiektu, musimy ustawić aparat na jak najkrótszy czas otwarcia migawki. Jadący szybko samochód sfotografowany z migawką 1/30 s pojawi się na zdjęciu jako rozmyta plama. Migawka 1/2000 zapewni poprawny obraz.
Podobnie jest z reakcjami chemicznymi. Przebiegają one z różną szybkością, jeśli jednak uda się skonstruować "aparat fotograficzny" o szybkiej migawce, to będzie można zrobić zdjęcie trwającej reakcji. Metoda fotolizy błyskowej pozwoliła wyjaśnić wiele ciekawych problemów, jednak "migawka" o czasie ekspozycji rzędu milionowej części sekundy była zbyt powolna. Kolejne metody, których rozwój nabrał wielkiego tempa po wynalezieniu akcji laserowej i wprowadzeniu przez fizyków kolejnych, coraz doskonalszych urządzeń umożliwiły powstanie femtochemii. W metodzie opracowanej przez Egipcjanina A. Zewaila przebieg reakcji można badać z dokładnością do femtosekundy (a więc 10-15 sekundy). Za swe rezultaty A. Zewail otrzymał chemicznego Nobla w 1999. Większe dokładności nie są już potrzebne. Rozpoczęte jeszcze pod koniec XIX w. przez J.H. van't Hoffa i S.A. Arrheniusa teoretyczne rozważania na temat przebiegu reakcji chemicznych u schyłku XX stulecia zyskały narzędzie do definitywnego rozstrzygania problemów na drodze eksperymentu. Wielka zagadka materii przestała istnieć.
Ubiegłe stulecie chemicy zakończyli ze świadomością, że wiedzą już niemal wszystko o materii na poziomie cząsteczkowym i atomowym. Wiedzą, jak wyglądają molekuły i mają skuteczne narzędzia, by poznawać nowe. Wiedzą, jak cząsteczki ze sobą reagują i dysponują narzędziami, by wyjaśniać ewentualne zagadki. Dalszy rozwój metod analitycznych pójdzie w kierunku zwiększania czułości i dokładności metod. Chemicy mogą zająć się spełnianiem marzeń dawnych alchemików - tworzeniem materii o najbardziej fascynujących właściwościach.

Nowa materia

Podglądanie reakcji chemicznych

Jak już wspomnieliśmy wcześniej, reakcje są w chemii kluczowym problemem. Nic więc dziwnego, że od dawna uczeni pragnęli dokładniej przyjrzeć się ich przebiegowi. W 1949 R. Norrish i G. Porter opracowali metodę fotolizy błyskowej. By nie wchodzić w szczegóły, metodę tę można opisać przez analogię do fotografii. Jeśli chcemy uzyskać wyraźne, ostre zdjęcie poruszającego się obiektu, musimy ustawić aparat na jak najkrótszy czas otwarcia migawki. Jadący szybko samochód sfotografowany z migawką 1/30 s pojawi się na zdjęciu jako rozmyta plama. Migawka 1/2000 zapewni poprawny obraz.
Podobnie jest z reakcjami chemicznymi. Przebiegają one z różną szybkością, jeśli jednak uda się skonstruować "aparat fotograficzny" o szybkiej migawce, to będzie można zrobić zdjęcie trwającej reakcji. Metoda fotolizy błyskowej pozwoliła wyjaśnić wiele ciekawych problemów, jednak "migawka" o czasie ekspozycji rzędu milionowej części sekundy była zbyt powolna. Kolejne metody, których rozwój nabrał wielkiego tempa po wynalezieniu akcji laserowej i wprowadzeniu przez fizyków kolejnych, coraz doskonalszych urządzeń umożliwiły powstanie femtochemii. W metodzie opracowanej przez Egipcjanina A. Zewaila przebieg reakcji można badać z dokładnością do femtosekundy (a więc 10-15 sekundy). Za swe rezultaty A. Zewail otrzymał chemicznego Nobla w 1999. Większe dokładności nie są już potrzebne. Rozpoczęte jeszcze pod koniec XIX w. przez J.H. van't Hoffa i S.A. Arrheniusa teoretyczne rozważania na temat przebiegu reakcji chemicznych u schyłku XX stulecia zyskały narzędzie do definitywnego rozstrzygania problemów na drodze eksperymentu. Wielka zagadka materii przestała istnieć.
Ubiegłe stulecie chemicy zakończyli ze świadomością, że wiedzą już niemal wszystko o materii na poziomie cząsteczkowym i atomowym. Wiedzą, jak wyglądają molekuły i mają skuteczne narzędzia, by poznawać nowe. Wiedzą, jak cząsteczki ze sobą reagują i dysponują narzędziami, by wyjaśniać ewentualne zagadki. Dalszy rozwój metod analitycznych pójdzie w kierunku zwiększania czułości i dokładności metod. Chemicy mogą zająć się spełnianiem marzeń dawnych alchemików - tworzeniem materii o najbardziej fascynujących właściwościach.

Epoka plastiku

Wielkie rzesze ludzi trzeba nie tylko wykarmić, ale i odziać, zapewnić mieszkania i wiele innych, niezbędnych do życia rzeczy. Znowu, jak w przypadku niedoboru żywności, w sukurs przyszła chemia. Kolejna rewolucja to zapoczątkowana w okresie międzywojennym epoka tworzyw sztucznych. Kamieniem milowym było wynalezienie przez L.H. Baekelanda bakelitu, twardego, sztywnego tworzywa, które wiele osób pamięta z obudowy telefonu i radioodbiornika. Jeszcze przed wojną opracowano metody syntezy tak dziś popularnych tworzyw jak polietylen, nylon i teflon. Prawdziwa jednak eksplozja przemysłu tworzyw sztucznych wybuchła po II wojnie. Z jednej strony fundamentalne, prowadzone jeszcze przed wojną prace teoretyczne H. Staudingera doprowadziły do zrozumienia, czym tak naprawdę są polimery. Z drugiej strony wspólne, powojenne prace Niemca K. Zieglera i Włocha G. Natty wniosły nowy impuls do metod projektowania plastików o określonych właściwościach. Wspomniani uczeni (uhonorowani Nagrodą Nobla w 1953) wyjaśnili rolę katalizatorów oraz wpływ warunków reakcji na strukturę produktów polimeryzacji.

Dziś chemicy mogą wręcz dowolnie wytwarzać tworzywa sztuczne o zadanych z góry właściwościach. Powstają materiały o niespotykanej wytrzymałości, obdarzone "inteligencją" (np. polimery zdolne do uwalniania substancji leczniczej tylko w określonych warunkach fizjologicznych). Wiek XX zakończył się przyznaniem Nagrody Nobla z chemii trzem uczonym (H. Shirakawa, A.G. MacDiarmid, A.J. Heeger), którzy opracowali polimery zdolne do przewodzenia prądu elektrycznego. Zapoczątkowane przez nich badania stały się podstawą poszukiwań materiałów, które mają szansę zrewolucjonizować przemysł komputerowy i elektroniczny.