Energia - od czasów najdawniejszych do dalekiej przyszłości #30 - energia potencjalna, czyli... (cz. 15)

lis 26 2021

W dzisiejszej odsłonie cyklu przyjrzymy się atomom, cząsteczkom i ich wzajemnym oddziaływaniom. To właśnie dzięki nim mamy tak ogromne bogactwo otaczających nas struktur. Jest wiele sposobów tych odziaływań. Jednak ich pierwotna natura – źródło, to oddziaływania elektromagnetyczne. A wszystkim tym rządzi oczywiście energia! To ona decyduje jakie struktury mogą powstać, a jakie są niestabilne i tylko tymczasowe lub wręcz niemożliwe i nigdy nie powstaną.

Cząsteczki i atomy

Często mówi się, że otaczający nas świat zbudowany jest z atomów. To one tworzą różne struktury, w tym nas samych. Oczywiście, nie wszystkie procesy w przyrodzie sprowadzają się do oddziaływania atomów. Są też cząstki subatomowe, mamy reakcje jądrowe i oddziaływanie promieniowania z materią. Jednak podstawowe struktury makroskopowe to domena chemii i reakcji chemicznych lub innych oddziaływań. Przez inne oddziaływania należy rozumieć te, które nie należą do wiązań chemicznych, jednak mogą zmusić atomy/cząsteczki do pewnych oddziaływań ze sobą. Za tym wszystkim kryją się oddziaływania elektromagnetyczne. W poprzednim tekście powiedzieliśmy krótko o atomach jako tworach zbudowanych z jądra atomowego oraz krążących wokół niego elektronów. W kolejnym tekście wnikniemy głębiej do atomu i skupimy sią na jego jądrze – na potencjałach jądrowych. Teraz jednak pójdziemy w drugą stronę. Aby powstały jakieś struktury, atomy muszą mieć zdolność do łączenia się pomiędzy sobą. Dzięki wiązaniom chemicznym powstają związki chemiczne. Są to jednorodne połączenia co najmniej dwóch różnych pierwiastków chemicznych za pomocą dowolnego wiązania. Wszyscy zapewne znamy wiele takich związków. Najbardziej znanym i dla nas niezbędnym jest oczywiście woda – H2O. Jak widzimy, cząsteczka wody zbudowana jest z dwóch atomów wodoru i jednego atomu tlenu. Istnieją oczywiście o wiele bardziej skomplikowane związki. Najprostszy to tzw. wodór cząsteczkowy – H2. Z kolei największa cząsteczka ma ponad 17 milionów atomów. Zakładając, że obecnie znamy 118 pierwiastków chemicznych i biorąc pod uwagę istnienie cząstek zbudowanych z wielu milionów atomów, od razu ukazuje się nam wyobrażenie o ogromnej ilości możliwych struktur. Oczywiście tym wszystkim rządzą odpowiednie prawa. Nie każda kombinacja atomów może istnieć jako związek chemiczny. Musi być odpowiednio stabilna. Wszystko zależy od energii i innych reguł. Trwała struktura wymaga uwięzienia w potencjale odpowiednich sił. Nie wszystkie atomy mogą też tworzyć cząsteczki. Ze 118 obecnie uznanych pierwiastków, w przyrodzie istnieją 94. Cięższe pierwiastki nie są odkrywane (bo nie ma ich w przyrodzie), a wytwarzane i to nawet nie w laboratoriach chemicznych, a w dość dużych ośrodkach naukowych z urządzeniami dużych rozmiarów. Chociaż pierwiastki to domena chemii, to te najcięższe są związane z fizyką. Dlaczego tak jest? Istnieją bardzo krótko. Nie da się więc przeprowadzać reakcji chemicznych i izolować ich z istniejących związków, bo takowych po prostu nie ma. Dlatego często na zdjęciach dotyczących „odkryć” ciężkich pierwiastków nie widzimy laboratorium pełnego szklanych naczyń chemicznych wypełnionych różnymi kolorowymi substancjami, tylko akceleratory, w których zderza się jądra atomowe. Temat jest ciekawy i dość ważny także z punktu widzenia energii. Z pewnością przyjrzymy się mu w przyszłości. Patrząc jednak na otaczający nas świat widzimy, że pomimo ograniczenia możliwych pierwiastków i odpowiednich reguł, które nimi rządzą, i tak mamy ogromne bogactwo struktur. Niektóre z nich są na tyle trwałe, że istnieją bardzo długo.

Pierwiastki i reakcje chemiczne

Obecny tekst dotyczy głównie energii potencjalnej, dlatego nie będziemy się skupiać na wielu historycznych szczegółach dotyczących tego zagadnienia. Na razie wspomnę tylko, że długo zajęło uczonym ustalenie co jest związkiem chemicznym, a co pierwiastkiem. Na szczęście mamy dzisiaj wiele klasyfikacji, które to opisują. Świetnym przykładem są alchemicy, którzy przez lata w wyniku rekcji chemicznych chcieli uzyskać złoto z innych substancji. Nie wiedzieli, że złoto to pierwiastek chemiczny, a nie związek chemiczny i nie da się tego zrobić. Jednak to właśnie im wiele zawdzięczamy, ponieważ dzięki ich wysiłkom rozwinęła się chemia. Oczywiście, skorzystała też na tym medycyna, bo panaceum oprócz złota też było ich celem. Paradoksalnie, kiedy nauka osiągnęła poziom umożliwiający przeprowadzanie reakcji jądrowych okazało się, że transmutacja jednak jest możliwa. Można uzyskać złoto z innych pierwiastków. Co więcej, nie narusza to słynnych praw Daltona. Trzeba je było tylko trochę zmodyfikować. Da się to zrobić, ale nie za pomocą reakcji chemicznych, a jądrowych. Proces ten jest kompletnie nieopłacalny na dużą skalą. Dlatego dzisiaj nadal istnieją kopalnie złota, a współcześni chemicy nie próbują już transmutować różnych metali w złoto.

Wiązania chemiczne

Jak i dlaczego atomy wiążą się w większe struktury? Oczywiście wszystko zależy od energii. Często na lekcjach w szkole widzieliśmy różne modele cząsteczek z kulek połączonych metalowymi prętami. Z kolei na tablicy symbole chemiczne łączyliśmy kreseczkami. To właśnie odpowiedni zapis wiązania chemicznego. Dzięki nim atomy łączą się ze sobą. Okazało się, że to wszystko wynika z oddziaływania powłok elektronowych atomów, które się do siebie zbliżają. Musi to być korzystne energetycznie. Skoro taki związek chemiczny jest trwały to oznacza, że musi mieć mniejszą energię niż jego składniki osobno. Żeby zniszczyć jego trwałość musielibyśmy dostarczyć energii. Wiązania chemiczne zależą więc od struktur elektronowych pierwiastków. Wszelkie reakcje chemiczne to odpowiednie przegrupowanie elektronów w tych strukturach. Obserwacje świata przyrody wyraźnie pokazują, że wszelkie układy dążą do minimalizacji swojej energii. Energia zawarta w układzie składającym się z połączonych atomów jest mniejsza niż suma energii swobodnych atomów. Zatem rozbicie (dekompozycja) układu na jego składowe jest procesem endoenergetycznym – wymaga dostarczenia z zewnątrz energii do układu. Na przykład rozpad jednego mola cząsteczek bromowodoru na atomy wymaga dostarczenia 365 kJ energii:

HBr -> H+Br       ΔH=365 kJ

Energię niezbędną do rozerwania tego wiązania nazywa się energią wiązania chemicznego. Jest ona równa liczbowo energii uwalnianej w odwrotnym procesie tworzenia tego wiązania z atomów:

H+Br -> HBr       ΔH=-365 kJ

Jak przejawia się obniżenie energii atomów w wyniku utworzenia wiązania chemicznego? Oczywiście dotyczy ono elektronów. To ich energia zostaje w tym procesie obniżona kosztem utworzenia wiązania. Z poprzednich tekstów wiemy, że każdy elektron w atomie ma swoją ściśle określoną energię. Największą mają elektrony najbardziej oddalone od jądra. I to one dążą do obniżenia energii. Nazywamy je elektronami walencyjnymi. Uczestniczą w tworzeniu wiązań chemicznych i odpowiadają za właściwości chemiczne pierwiastków. W wyniku reakcji chemicznych, elektrony walencyjne zaczynają się przemieszczać. Nie można już mówić, że należą do jednego atomu. Tak, jak w atomach tak i w cząsteczkach, elektrony mają ściśle określone energie. Oczywiście, te zagadnienia są bardzo skomplikowane. Trzeba wziąć pod uwagę, że ze względu na rozmiary układów wszystkim rządzi mechanika kwantowa. Wprowadza ona podział cząstek na bozony i fermiony. Tzw. zakaz Pauliego decyduje częściowo między innymi o rozmieszczeniu elektronów na powłokach i rozmieszczeniu przestrzennym składników materii (związek spinu ze statystyką).

Jak widzimy, pewne zrozumienie tych zagadnień wymaga też wprowadzenia wielu nowych pojęć. Jak choćby elektroujemność, która określa zdolność do przyciągania elektronów. Ogólnie można powiedzieć, że wiązania chemiczne tworzone są poprzez przeniesienie elektronów z atomu do atomu, przez uwspólnianie lub przez ich delokalizację. Pozwala to na osiągniecie trwałych konfiguracji elektronowych w cząsteczkach. Im bliżej jądra znajduje się powłoka walencyjna, tym łatwiej wprowadzić do niej elektron. Łatwiej, ponieważ jądro swoim przyciąganiem elektrostatycznym „pomaga” w przechwyceniu elektronu i jednocześnie „utrudnia” jego oderwanie. Jest wiele typów wiązań chemicznych: wodorowe, jonowe, kowalencyjne itp. Czasami połączenia atomów nie są tworzone za pomocą wiązań chemicznych, ale tzw. oddziaływań międzycząsteczkowych jak siły van der Waalsa.

Mamy piękną dziedzinę – chemię supramolekularną, która opisuje wszelkiego rodzaju słabe oddziaływania. Występują też ciekawe zjawiska powierzchniowe – adhezja. Materiały na powierzchni ze względu na ich otoczenie zachowują się inaczej niż wewnątrz struktury. W końcu atomy/cząsteczki można też jonizować pozbawiając ich elektronów, albo je dodawać. Jest to dość duża zmiana, ponieważ zmieniany jest ładunek atomu/cząsteczki. Dlatego jony są bardzo reaktywne w środowisku. Dzisiejsze możliwości badawcze są tak duże, że jesteśmy w stanie poddawać materię tak ekstremalnym warunkom, jak : energia, ciśnienie, temperatura, że obserwujemy takie twory jak: kondensat Bosego-Einsteina, czy plazma kwarkowo-gluonowa.