Univerza v Ljubljani

Biotehniška fakulteta

Oddelek za živilstvo

Pripravil: Rok Tkavc

Študij: mikrobiologija, 1. letnik

Mentor: Milica Kač

Ljubljana, november 2002

Uvodne besede o materiji

   Na prvi pogled se zdi, da je ta uvod filozofska razprava in nima nič opraviti s kemijo kot eksperimentalno znanostjo, znanostjo, ki preučuje materijo in njene lastnosti.

   Za nadaljnjo gradnjo znanja je potrebno podvomiti v vse, kar vemo. Potrebno je porušiti temelje, katere smo gradili in utrjevali skozi čas, in začeti iz nič. Pozabiti vse, kar vemo, je lahko prav travmatično, saj je posledica izražanja dvoma v obstoječe zadosten vzrok za dvom v lastno eksistenco.

   Rene Descartes je v drugi meditaciji [1] opustil vse znanje in vedenje. To pa zaradi dejstva, da je vse znanje in vedenje pridobljeno s čuti in/ali po čutih, čutom pa ne smemo zaupati, saj nas varajo. Iz tega lahko deduktivno sklepamo, da materija ne obstaja, saj smo dobili informacije o njeni eksistenci s čuti in/ali preko čutov. Obstajam le jaz, ker mislim. Cogito, ergo sum.

   Nesmotrno se je spuščati v dokazovanje bivanja materije. Da se izognemo temu, za znanstvenika nesmiselnemu početju, predpostavimo dvoje, kar mora biti vedno resnično:

1.materija obstaja

2.čuti nas ne varajo (zatorej so tudi informacije, ki jih dobimo s čuti in/ali po čutih vedno resnične).

Na teh dveh kolih bomo gradili našo hišo znanja, ki pa jo lahko zruši že najmanjši termit.

   Materija (vsaj najčistejša snov) je sama po sebi ob vsakdanjem opazovanju in za vsakdanjo rabo kontinuum. Če čisto snov razpolovimo, dobimo enako (»polovično«) čisto snov. In če to razpolovimo, enako. To lahko počnemo (skoraj) poljubno mnogokrat, in bo rezultat enak.

   V realnosti se stvari nekoliko zakomplicirajo. Če imamo kozarec vode (vedro, kad, ocean…količina ni pomembna), razpolavljanje v neskončnost ni mogoče. Prej ali slej bomo prišli do ene same molekule vode (matematik bi mi ugovarjal, saj ni nujno, da smo imeli točno 2ⁿ molekul vode). In če to razpolovimo? Dobimo pol molekule? Ne. Tu pa se nam vrine naše prejšnje znanje (ki smo ga v enem izmed prejšnjih odstavkov zanikali) in si prvošolsko zdeklamiramo: »Molekula vode je sestavljena iz dveh atomov vodika in iz enega atoma kisika.«

   Kaj pa naprej? Se tukaj naše razumevanje zgradbe materije ustavi? V bistvu se je ustavilo že prej - kdo pa pravi, da v tistem kozarcu (vedru, kadi,…) ni bila ena sama molekula vode? Ne prehitevajmo in pustimo ob strani medmolekulske vezi! Ali lahko gremo še dlje?

   V tem povzetku bom storil prav to – šel bom dlje, vendar ne prav veliko, zaradi omejenosti našega razumevanja in predstav. Naredil bom le en korak in povzel razvoj predstav zgradbe gradnika materije – ATOMA.

Zgodovinski pregled predstav o atomu

   Zgodba o zgradbi snovi se je pričela že v Antični Grčiji. Antični filozofi so se ukvarjali z dvema temeljnima vprašanjema:

ali snov popolnoma zapolnjuje prostor ali pa je zgrajena iz majhnih delčkov,

ali je snov zgrajena iz omejenega števila delčkov.

Empedoklej je postavil tezo, da je snov zgrajena iz štirih osnovnih elementov: ognja, zraka, vode in zemlje, Demokit je tej tezi nasprotoval, saj je bil mnenja, da je snov grajena iz majhnih, nedeljivih delčkov, ki jih je poimenoval atomi[2]. Aristotel je nekoliko spremenil Empedoklovo teorijo in dodal štirim osnovnim elementom njihove lastnosti (hladno, toplo, suho, vlažno), te so se spreminjale v skladu s pretvarjanjem elementov iz enega v drugega. Iz te Aristotelove teorije se je kasneje posredno razvila tudi alkimija, saj je na področju naravoslovja v cerkvi veljal kot nesporna avtoriteta.

   V začetku 16. stol., ko je pričelo v Evropo pritekati vse več zlata, so bili kemiki (če jih lahko sploh tako imenujemo) prisiljeni spremeniti cilj raziskovanja[3]. Tako se je pričela razvijati jatrokemija[4], ki se je na podlagi preučevanja zdravilnih lastnosti snovi ukvarjala z njihovo možno uporabo v zdravilstvu.

   Stoletje kasneje Robert Boyle opredeli pojme element, spojina in zmes. Še eno stoletje pa je bilo potrebno, da je Antoine Lavoisier ugotovil zakonitost, ki jo imenujemo »zakon o ohranitvi mase«. Ta pravi, da se celotna masa snovi pri kemijski reakciji ne spremeni. Moderna znanost temu sicer oporeka zaradi možnega spreminjanja mase v energijo in obratno, vendar so masno-energetske pretvorbe tako majhne, da jih lahko pri kemiji kot aplikativni znanosti zanemarimo.

   Leta 1808 je bil predstavljen prvi model atoma, s katerim je John Dalton smiselno razložil zakon o stalni sestavi spojin, neuničljivosti mase ter zakon o mnogokratnem masnem razmerju. V Daltonovi atomski teoriji je moč prepoznati Demokritove ideje, le da gre tukaj za predpostavko o najmanjših delcih (atomih), ki temelji na eksperimenih[5].

   Dalton je predpostavljal, da je kemijsko enostavna snov (element) zgrajena iz atomov, ki imajo enako maso in enake lastnosti, atomi različnih elementov pa se po masi in lastnostih razlikujejo. Atom je definiral kot najmanjši delec snovi, ki se pri kemijskih reakcijah ne spreminja in se ne more razgraditi na še manjše delce. Pri reakciji gre le za prerazporeditev atomov, s čimer razlaga ohranitev mase pri kemijski reakciji, in ker je sestava stalna, je sklepal, da se atom nekega elementa povezuje je s točno določenim celim (!) številom atomov drugega elementa. Določil je tudi atomske teže[6] s predpostavko, da je atomska teža atoma vodika enaka 1. Zgolj s stehiometrijskimi zakoni žal ne moremo določiti relativne atomske mase. Pa še eno dejstvo je zmajalo Daltonov princip izbire enote za relativno atomsko maso, in sicer obstoj treh izotopov vodika (vodik, devterij in tricij). Fiziki so zagovarjali uporabo kisika ¹⁶O (čeprav tudi ta nastopa v izotopih) kemiki pa so bili za 1/16 naravne zmesi kisikovih izotopov. Danes velja, da je relativna atomska masa podana kot večkratnik 1/12 mase ogljikovega izotopa ¹²C.

   V 19. stol. je Michael Faraday na podlagi preučevanja elektrolize predpostavil eksistenco najmanjšega »delca elektrike«, imenovanega elektron[7]. Proti koncu istega stoletja so nova odkritja na področju fizike znanstvenike prepričala, da je njihovo prepričanje o atomu kot končnem najmanjšem delcu snovi zmotno, saj ima strukturo. Do te ugotovitve so prišli po seriji študij pojavov v katodni cevi. Na podlagi teh eksperimentov je Joseph John Thomson podal prvo teorijo zgradbe atoma. V Thomsonovem atomskem modelu je pozitivni naboj enakomerno porazdeljen po celotni masi atoma, v tej masi pa so negativno nabiti delci elektroni kakor rozine v pudingu. Velikost pozitivnega in negativnega naboja je številsko enaka (le v predznaku je razlika), saj je atom navzven nevtralen. Določil je tudi razmerje med nabojem in maso elektrona[8]. Rober Millikan pa je na podlagi svojih eksperimentov[9] natančno določil maso in naboj elektrona (masa e^– ustreza 1/1837 mase atoma vodika).

   V začetku 20. stol. je Ernest Rutherford na podlagi eksperimentov[10]a-žarki sklepal, da je v atomu pozitivno nabito jedro, v katerem je zbrana večina mase atoma, negativno nabiti elektroni pa se gibljejo okoli pozitivno nabitega jedra. Ta teza velja za pravilno še danes; ne velja pa njegova predpostavka, da se elektroni gibljejo okoli jedra kot planeti okoli sonca. Zavrgli so jo spektroskopski eksperimenti, katerih rezultatov z njo niso mogli razložiti.

   Rutherfordov atomski model je s pomočjo revolucionarne Planckove kvantne teorije popravil Niels Bohr. Planck je ugotovil, da je sprejemanje ali oddajanje energije možno le v diskretnih majhnih količinah[11] in njihovih večkratnikih –govorimo o kvantizirani (»zrnati«) zgradbi energije. V svojem modelu je Bohr predpostavljal, da elektroni krožijo okoli jedra brez vsakršne izgube energije po točno določenih tirnicah s točno določenim radijem, in tako je njihova vrtilna količina mnogokratnik kvanta. Ta mnogokratnik so imenovali glavno kvantno število n. In če je elektron deležen prejetja enega kvanta energije, preide na tirnico z večjim radijem (in obratno). Njegova teorija je podprta z atomsko spektroskopijo vodika. Ko elektron vodika prejme kvant energije, preide na tirnico z večjim radijem, in ker to ni stabilna oblika, preide na staro tirnico in odda kvant energije (zato nastane črta v emisijskem atomskem spektru). Elektron ima v atomu določene vrednosti energije oziroma energetske nivoje.

   Bohrova teorija drži za enoelektronske atome oziroma ione (He⁺, Li²⁺, Be³⁺, H), pri atomih z več elektroni pa odpove. Da bi jo izpopolnil, je Arnold Sommerfeld uvedel dodatne kvantne pogoje. Predpostavil  je obstoj eliptičnih tirnic (Bohrove tirnice so bile krožne) in s stranskim kvantnim številom l izrazil razmerje polosi elips. Z večanjem glavnega kvantnega števila se veča tudi število eliptičnih tirnic, saj je stransko kvantno število manjše ali enako glavnemu.

   Vpeljal se je pojem lupina, ki označuje vse tirnice z enakim glavnim kvantnim številom. Tretje kvantno število (imenovano magnetno) je bilo vpeljano, ko so zapazili razcep spektralnih črt v električnem in magnetnem polju. Ta količina (magnetno kvantno število) označuje vrtilno količino, četrto kvantno število (spinsko kvantno število) pa smer rotacije elektrona okoli lastne osi.

   V prvi polovici 20. stoletja je de Brogli na podlagi teorije o valovno-korpuskularnem značaju svetlobe prišel na misel, da te vrste dualizem ni značilen le za fotone, temveč tudi za elektrone; vsakemu delcu lahko pripišemo valovni značaj in vsakemu valovanju značaj toka delcev. Na tej ugotovitvi sloni moderna fizika.

   Le nekaj let kasneje je Erwin Schrödinger izpeljal valovno enačbo, s katero je utemeljil valovnomehanski model vodikovega atoma. Ugotovil je, da kvadrat valovne funkcije ustreza verjetnosti nahajanja elektrona v nekem majhnem področju. Pri reševanju te enačbe je potrebno vpeljati kvantna števila kot celoštevilske parametre. Schrödingerjeva enačba je eksaktno rešljiva le za enoelektronske atome in ione, za valovne funkcije večelektronskih atomov in ionov pa se uporabljajo linearne kombinacije le-teh. Leto kasneje je Robert Mullikan vpeljal ime orbitala, kar ustreza terminu valovna funkcija. Orbitala je prostor, v katerem je verjetnost nahajanja elektrona/ov[12], oziroma prostor, kjer je 95 % elektronske gostote[13] elektrona. Udomačilo se je tudi ime podlupina, ki označuje orbitale z istim stranskim kvantnim številom. Lupina pa pomeni energetske nivoje, ki vsebujejo orbitale z enakim glavnim kvantnim številom.

   Vse orbitale imajo značilno obliko (slika 1 v dodatku).  Orbitala z oznako s je z matematičnega stališča najenostavnejša [14]. Je krogelno simetrična. Pomeni, da je stransko kvantno število 0. Velikost orbital je odvisna od glavnega kvantnega števila – večje je število, večja je orbitala.

   Orbitale z istim stranskim kvantnim številom imajo lahko različno magnetno kvantno število[15]. To število nam pove tudi orientacijo v prostoru. Za orbitale z oznako p je =1. Magnetno kvantno število ima lahko pri l=1 tri vrednosti: –1, 0 in 1, kar pomeni, da imamo tri p orbitale, ki se razlikujejo po legi v prostoru. Tako je tudi pri ostalih tipih orbital. Na vsako orbitalo, ne glede na tip, pa lahko »sedeta« LE dva elektrona[16].

   Vsakemu atomu in ionu lahko določimo razporejenost elektronov po lupinah in podlupinah, kar imenujemo elektronska konfiguracija. Elektronsko konfiguracijo zapišemo takole: najprej glavno kvantno število (1, 2, …, n), zatem stransko kvantno število (s, p, d, f, …), magnetno kvantno število je indeks pri stranskem kvantnem številu (p_x, p_y, d_{xy, …}), število elektronov na orbitali pa je zapisano kot eksponent na stransko kvantno število. Elektronska konfiguracija kisikovega atoma je torej:

O: 1s²2s²2p_x¹2p_y¹2p_z⁰

   Pri konfiguraciji je zelo pomemben vrstni red polnjenja orbital. Elektroni vselej zasedejo mesto z najnižjo možno energijo. Najprej bodo sedli (največ 2 elektrona!) na 1s orbitalo, ki je najbližje jedru. Šele ko je ta polna, bodo šli na orbitalo z višjo energijo – na 2s. Ko je tudi ta polna, pričnejo zasedati tri 2p orbitale. Vsak elektron gre na svojo orbitalo. Šele ko so tako razporejeni (po eden na vsaki orbitali), prične vstopati drugi elektron na posamezno orbitalo. Ko so vse p orbitale polne, se zgodba ponovi – najprej 3s orbitala, potem 3p. Tukaj pa se enaka zgodba konča. Ne začne se polniti 3d orbitala, saj ima višjo energijo kot 4s orbitala četrte lupine. Šele ko je ta polna (4s orbitala), se začne polniti 3d in nato 4 p in potem 5s in tako dalje. Polnjenje je shematsko prikazano na sliki 2 v dodatku.

In še resnica…

   Zmotno bi bilo misliti, da je atom zgrajen iz rožic in krogcev. Opisane orbitale so le miselna proteza, s katero si lažje razlagamo zgradbo atoma kot gradnika snovi. Kakšna je dejanska slika, ne vemo. Morda si je še najbolje predstavljati atom kot buškasto kroglico ali pa kot ocvrto kroglo, ki smo jo prej pomočili v maso za palačinke. Zavedati se moramo, da elektron ni kroglica – je nek negativno nabit oblak (z gostinami in razredčinami) okrog pozitivno nabitega jedra, ki ima naboj. In ta oblak ne miruje, temveč je fluiden. Drugi atomi lahko to elektronsko gostoto potegnejo na en konec in atom več ni podoben buškasti kroglici, marveč Barbapapi[17].

   Zgornji opis je bil le model, s katerim bomo lahko razlagali sklapljanje atomov med seboj. In kakšni so kriteriji, ki določajo kvaliteto modela? Lahko bi rekli, da je model dober takrat, kadar smiselno razloži opazovano in če nič ne govori proti modelu, ne glede na skladnost modela z realnostjo.Ta model je zaenkrat najboljši, saj nič ne govori proti njemu. Ima svoje pomanjkljivosti, vendar ni najboljši  tisti, ki je najbolj zakompliciran.

   Naj še enkrat omenim že tolikokrat ponovljene besede francoskega pisatelja Antoine de Saint – Exupéryja: »Če pomaranče bolje uspevajo na prvi njivi kot pa na drugi, potem je prva njiva resnica za pomaranče.« In če mi s tem modelom najbolje razložimo zgradbo atoma, potem je ta model resnica za nas. Sicer pa…materija tako in tako ne obstaja – obstajam le jaz, ker mislim…

Literatura

v Atkins, P.W.: Kemija – zakonitosti in uporaba. Tehniška založba Slovenije, Ljubljana, 1995 (str. 10-35)

v Brenčič, J.; Lazarini, F.: Splošna in anorganska kemija – za gimnazije, strokovne in tehniške šole. Državna založba Slovenije, Ljubljana, 1995 (str. 11-22, 55-69)

v Brenčič, J.; Lazarini, F.: Splošna in anorganska kemija. Državna založba Slovenije, Ljubljana, 1992 (str. 11-18, 42-88)

[1] Druga meditacija: »O naravi človeškega duha: bolj spoznatna je kakor telo«

[2] atomos –gr. nedeljiv

[3]< do tedaj je bil cilj najti snov (imenovanokamen modrosti), ki bi spremenila cenejše kovine v zlato

[4] iatros – gr. zdravnik

[5] v Antični Grčiji so imeli le človeško misel za popolno, opazovanje in poskusi pa dajejo nepopolne rezultate

[6] danes imenovane relativne atomske mase

[7] elektron -gr. mineraliziran jantar

[8] -1,76×10⁸As/g

[9] meril je hitrost z elektroni nabitih oljnih kapljic v električnem polju

[10] preučeval je, kako razni materiali prepuščajo a-žarke – pri tanki foliji zlata je ugotovil, da se del žarkov ukloni, manjši del pa celo odbije

[11] te količine je imenoval kvanti

[12] če smatramo elektron kot delec

[13] če smatramo elektron kot oblak

[14] s črkami s, p, d, f, g … označujemo stranska kvantna števila

[15]  ko je n=1,  je m lahko le 0, je m lahko od – do +l

[16] če smatramo elektron kot delec

[17] lik iz risanke