Energia - od czasów najdawniejszych do dalekiej przyszłości #31 - energia potencjalna, czyli... (cz. 16)

W obecnym tekście kontynuujemy rozważania na temat energii potencjalnej w oddziaływaniach atomów i cząsteczek. To tzw. energia chemiczna, podstawa funkcjonowania naszych organizmów i naszego otoczenia. Spalanie paliw kopalnych, to właśnie korzystanie z energii chemicznej. Jednak nie zawsze w wyniku oddziaływania muszą powstawać wiązania chemiczne. Nie jest to konieczne do oddziaływań międzycząsteczkowych. Takie przypadki także stanowią ważny element przyrody i techniki.

Energia chemiczna

Pola elektryczne odpowiadają za energię potencjalną zmagazynowaną w wiązaniach chemicznych. Energia ta uwalniana jest podczas reakcji chemicznych. Napędza otaczający nas świat. Cały nasz organizm to elektrownia. Wykorzystujemy energię zmagazynowaną w pokarmach. W procesie trawienia energia ta jest uwalniana z pożywienia. Enzymy – specjalne maszyny molekularne wykorzystują tę energię do sterowania różnymi procesami w organizmie. A tych jest bardzo dużo.

Spalanie w sensie chemicznym to łącznie się z tlenem. Codziennie spalamy węgiel, ropę, gaz itp. Oprócz zwierząt także rośliny opierają się na tego typu energii. Wykorzystują do tego światło w procesie fotosyntezy. Używając barwnego języka można powiedzieć, że każda reakcja chemiczna to energetyczna transakcja. Oczywiście, jak zwykle energia chemiczna to też złożona sprawa i trudno dokładnie powiedzieć jak jej zmagazynowanie w wiązaniach chemicznych przekłada się na przegrupowanie elektronów w cząsteczkach. Warto też pamiętać, że podczas tego typu reakcji zmieniają się także takie parametry jak ciśnienie, objętość, temperatura itp. Energetyka przemian chemicznych to bardzo ważna dziedzina o dużym znaczeniu w technice. Bardzo ważna jest także szybkość reakcji. Na przykład materiały wybuchowe takie jak trotyl (TNT) mają zdolność do bardzo szybkiego uwalniania energii.

To wszystko energia chemiczna, która obok energii jądrowej jest pewną formą energii potencjalnej.

Adhezja, kohezja, hydrofobowość, hydrofilowość, czyli nie tylko wiązania chemiczne

Jak wcześniej wspominałem, bogactwo oddziaływań międzyatomowych jest ogromne. Nie każde oddziaływanie musi oznaczać reakcję chemiczną. Występują też tzw. zjawiska powierzchniowe. Wiadomo, że cząsteczki inaczej będą się zachowywały jeśli będą wbudowane wewnątrz jakiejś struktury, niż jeśli będą stanowiły jej brzeg/krawędź. Takie rozumowanie można rozszerzyć. Np. pręty paliwowe w reaktorze jądrowym będą miały różny stopień wypalenia w zależności od swojego położenia w rdzeniu reaktora. Pręty w centrum rdzenia będą bombardowane neutronami ze wszystkich stron. Natomiast te skrajne, tylko z kierunku wynikającego z położenia sąsiednich prętów. Zatem ich stopień wypalenia będzie mniejszy. Wracając jednak do cząsteczek, można podać przykład wszystkim znanego zjawiska powierzchniowego. Woda, podstawowy związek chemiczny wyniesiony wręcz do rangi „magicznej substancji”, ze względu na jej rolę w środowisku i w funkcjonowaniu organizmów żywych. Kiedy wlejemy ją do cienkiego naczynia, to widzimy, że powierzchnia nie tworzy płaszczyzny prostopadłej do ścianek tego naczynia. Powstaje coś co nazywa się meniskiem – powierzchnia jest zakrzywiona niczym księżyc (stąd nazwa menisk). Oczywiście, w zależności od rodzaju cieczy, krzywizna może przebiegać w dwie strony – menisk wypukły lub wklęsły. Wszyscy też zapewne widzieli owada przebiegającego po powierzchni wody. To tzw. napięcie powierzchniowe, występujące na styku powierzchni z ciałem stałym, gazem lub inną cieczą. I znowu energia, tym razem na jednostkę powierzchni i pojęcie energii powierzchniowej. Czy można jakoś wpływać na to napięcie? Czy ktoś słyszał o mydle, czy o emulgatorach? Co robi mydło? Każdy odpowie, że myje/zmywa brud. Ale jak? Zmniejsza napięcie powierzchniowe na granicy faz. Usuwanie brudu staje się łatwiejsze.

Jednym z często spotkanych i użytecznych oddziaływań jest adhezja. Jest to oddziaływanie, które powoduje łączenie się ze sobą powierzchniowych warstw ciał. Przykładem są kropelki wody na pajęczynie, ale też powlekanie różnych materiałów odpowiednimi warstwami – np. zębów w stomatologii. Jest też kohezja, która dotyczy oddziaływań międzycząsteczkowych, występujących wewnątrz ciała, a nie tylko na jego powierzchni. Woda jest tak ważnym związkiem chemicznych, że zdolność cząsteczek chemicznych do łączenia się z wodą ma swoje odrębne nazwy. Jeśli coś łatwo łączy się z wodą, to mówimy o własnościach hydrofilowych. Z kolei jeśli coś „nie lubi wody” to jest hydrofobowe. Jest to oczywiście ważne w technice. Nie chcemy, żeby wszędzie zalegała woda, albo była wchłaniana przez różne materiały. Ma ona swoje zalety, ale wilgoć nie wszędzie jest pożądana.

Ogólnie jest to bardzo bogata i użyteczna tematyka. Przecież każdy z nas zna taki wynalazek jak klej. Każdy z niego korzystał. O spawaniu i lutowaniu też można powiedzieć jako o czymś bardzo powszechnym. W przypadku połączeń śrubowych, czy też z wykorzystaniem gwoździ nikt nie zadaje sobie pytania „Jak to się trzyma?”. W przypadku kleju, czy też połączeń powstałych w wyniku spawania nie dla wszystkich jest to oczywiste. Muszą występować jakieś siły (oddziaływania powodowane przez siły), które czynią te połączenia trwałymi i pozwalającymi na odpowiednie użytkowanie.

Wiele ciekawych zjawisk ma także miejsce w tzw. warstwach granicznych, np. przepływ cieczy przy ściankach rury. Ma to kluczowe znaczenie w technice. Statek przecież płynie w wodzie – woda omywa jego kadłub. Z kolei samolot porusza się w powietrzu z dużą prędkością. Jednak to jak te płyny oddziałują na powierzchnie, to temat na inną okazję.

Czy wszystko zawsze musi być takie skomplikowane?

Patrząc na otaczający nas świat widzimy ogromne bogactwo struktur. Skoro wiemy, że elektrony stanowią zewnętrzną powłokę atomów, to łatwo się domyśleć, że i cząsteczek oraz struktur makroskopowych. Jeśli dotykamy dłonią stołu, to tak na prawdę dotykamy elektronami naszej dłoni elektronów stołu. To jak go postrzegamy to odpowiednie wrażenie zmysłowe, które generuje nasz mózg. Pewne rzeczy są dla nas miłe w dotyku, a inne nie. A bogactwo możliwości jest ogromne. Miękkie/twarde przedmioty, śliskie, mokre, suche, elastyczne itp. Pluszowa maskotka, piłeczka antystresowa, gąbka, poduszka, metalowy pręt, zanurzenie w wodzie. Teraz widzimy, że wiele sposobów łączenia atomów w cząsteczki i odziaływania cząsteczek daje nam ogrom rożnych struktur i tym samym naszych wrażeń zmysłowych w kontakcie z nimi. W wodzie możemy pływać, a na lodzie jeździć. A przy pewnych warunkach korzystać z nart wodnych. Czasami zmiana temperatury/ciśnienia powoduje, że ta sama substancja przybiera inne właściwości. Dlaczego? Bo to zmiana energii układu, która objawia się zmianą jego wewnętrznej struktury, ale specyficzną zmianą. Jak widzimy, mamy reakcje chemiczne, ale też zmiany stanu skupienia, czy szereg odziaływań międzycząsteczkowych. Jak pomażemy szybę dżemem to będzie się on jej trzymał, ale przecież nie utworzy z nią związku chemicznego. Cząsteczki zatem mogą też ze sobą oddziaływać bez tworzenia wiązań. Gdy złamiemy ręką stół to przecież także jest to oddziaływanie elektronów z elektronami. Sam stół to także twór, który jest stworzony z elektronów (i jąder atomowych), które są ze sobą powiązane, ale nie wiązanymi chemicznymi, bo stół to nie związek chemiczny. Cząsteczki związków chemicznych oddziałują ze sobą i są odpowiednio ukształtowane tworząc stół. We wcześniejszych tekstach wspominałem też o koloidach takich jak piana, mgła, czy dym. Pomyślmy sobie teraz jak postrzegali świat nasi przodkowie, żyjący kilka tysięcy lat temu. Biorąc w dłoń ziemię, piasek, czy inne materiały z otaczającej nas przyrody, reprezentujące 94 pierwiastki chemiczne. Aż trudno uwierzyć, że po szeregu odpowiednich transformacji – obróbki, procesów fizycznych i reakcji chemicznych mogą powstawać takie twory jak np. smartfon, samochód, czy komputer. Obserwując zwierzęta i rośliny było widoczne, że w świecie istnieją dość bogate i skomplikowane struktury. Jednak nie było możliwe wyobrażenie sobie, że w przyszłości człowiek będzie stwarzał komputery, rakiety i inne niesamowite rzeczy. Jak dotąd, najbardziej skomplikowanym tworem znanym ludzkości pozostaje ludzki mózg. A to przecież także zbiór atomów odpowiednio połączonych.

Zatem ilość typów wiązań chemicznych i innych odziaływań międzycząsteczkowych oraz zależność tego wszystkiego od energii, jest dla nas wspaniałym prezentem od natury. To właśnie dzięki temu mamy to ogromne bogactwo struktur zapewniających nam wiele wrażeń zmysłowych. Część tych procesów jest niezbędna dla naszego życia, a część czyni to życie ciekawym i niekiedy przyjemnym. To wszystko, to „więzienia” w potencjałach elektrostatycznych atomów i cząsteczek. Tym wszystkim rządzi energia!