Reklama

Z czego zrobiony jest świat?

Z czego zrobiony jest świat?

10.12.2018
Czyta się kilka minut
Skład chemiczny Wszechświata jest niebywale prosty. A my powstaliśmy (dosłownie!) z popiołów wypalonych gwiazd.
W

W dużym uproszczeniu wszystko, co nas otacza, jest zrobione z substancji. To w większości związki chemiczne lub mieszaniny (a najczęściej mieszaniny związków). Można je rozdzielić na związki składowe, a potem rozłożyć na substancje jeszcze prostsze. Substancje, których już dalej nie da się rozłożyć, nazywamy pierwiastkami chemicznymi. Historia ich odkrywania stanowi temat książki Jana Grzegorza Małeckiego.

Już w starożytności spekulowano na temat podstawowych „zasad”, „żywiołów” czy „elementów” – miały być nimi ogień, woda, powietrze i ziemia, choć pojawiały się i inne pomysły. Atomiści (Leucyp i Demokryt) twierdzili, że materia składa się z niepodzielnych atomów o różnych kształtach. Intuicja ta, choć wówczas bez podstaw empirycznych, okazała się słuszna.

Aż trudno uwierzyć, że naukowe dowody na atomowo-cząsteczkową budowę materii uzyskaliśmy dopiero na przełomie XIX i XX w. Atomy składają się z jąder i krążących wokół elektronów. Jądra zbudowane są z dwóch rodzajów cząstek elementarnych: obdarzonych dodatnim ładunkiem elektrycznym protonów i elektrycznie obojętnych neutronów. Liczba elektronów (o ujemnym ładunku elektrycznym) w atomie jest równa (w normalnych warunkach) liczbie protonów w jądrze. Dlatego atomy są elektrycznie neutralne.

Wszystkie atomy danego pierwiastka mają taką samą liczbę protonów w jądrze i taką samą liczbę elektronów. Atomy różnych pierwiastków różnią się od siebie liczbą protonów (i elektronów). W jądrze jednego pierwiastka może się jednak znajdować różna liczba neutronów. Wersje atomów danego pierwiastka, różniące się liczbą neutronów, nazywamy izotopami. Izotopy mają podobne własności chemiczne, ale różne własności fizyczne (np. ciężar).

Dla przykładu, najprostszy pierwiastek chemiczny, wodór, ma jądro składające się z jednego protonu (wokół krąży jeden elektron). Istnieją jednak dwie inne odmiany izotopowe wodoru: deuter (jądro złożone z jednego protonu i jednego neutronu) oraz tryt (jeden proton i dwa neutrony). Deuter jest dwa razy cięższy od zwykłego wodoru, tryt – trzy razy. Deuter to izotop stabilny, tryt spontanicznie rozpada się z okresem połowicznego zaniku ok. 12 lat. Własności fizyczne są więc różne, ale własności chemiczne podobne. W szczególności deuter może tworzyć z tlenem związek zawierający jeden atom tlenu i dwa atomy deuteru (lub jeden atom deuteru i jeden zwykłego wodoru) – jest to tak zwana ciężka woda.

W kosmosie na każde około 100 000 atomów wodoru przypada jeden atom deuteru (w oceanach jest go trochę więcej). Tryt prawie nie występuje naturalnie, choć jest nieustannie produkowany w atmosferze przez promieniowanie kosmiczne i nieustannie się rozpada. Można go też produkować w laboratoriach (jeszcze kilkadziesiąt lat temu farbą z trytem pokrywano wskazówki przyrządów nawigacyjnych czy zwykłych zegarków, by w ciemnościach świeciły charakterystycznym zielonkawym światłem).

Skład chemiczny Wszechświata jest niebywale prosty. Ok. 75 proc. masy wszystkich atomów w kosmosie to atomy wodoru, ok. 24 proc. to atomy helu. Cała pozostała tablica Mendelejewa to nie więcej niż ok. 1 proc. Na Ziemi mamy dużo więcej cięższych pierwiastków i dzięki temu istniejemy.

Współczesna tablica Mendelejewa zawiera 118 pozycji. Każdy z pierwiastków ma wiele odmian izotopowych, w większości nietrwałych. Fizyka i chemia pozwalają zrozumieć ich pochodzenie. I tak, izotopy najlżejszych pierwiastków: wodoru, helu i litu, powstały w ciągu pierwszych trzech minut po Wielkim Wybuchu. Pierwiastki cięższe, od berylu do żelaza, miały początek we wnętrzach gwiazd, stanowiących naturalne reaktory termojądrowe. Powstaliśmy (dosłownie!) z popiołów dawno wypalonych gwiazd. Jeszcze cięższe pierwiastki, od niklu przez ołów, złoto, platynę do uranu, powstawały dzięki gwałtownym procesom, jak wybuchy gwiazd czy ich zderzenia. Ocenia się, że w trakcie zderzenia gwiazd neutronowych, obserwowanego ponad rok temu jako źródło fal grawitacyjnych, powstało złoto i platyna o łącznej masie równej kilkunastu masom Ziemi. Kilkanaście najcięższych pierwiastków nie występuje w przyrodzie – nie mają stabilnych izotopów, powstają w laboratoriach i po ułamku sekundy się rozpadają.

Książka Jana Grzegorza Małeckiego to pasjonujący przewodnik po historii odkrywania pierwiastków. W starożytności znano ich dziewięć: węgiel, siarkę, złoto, srebro, miedź, żelazo, ołów, cynę i rtęć. W wiekach średnich odkryto fosfor, arsen, antymon, bizmut i cynk. Wiek XVIII przyniósł odkrycie głównych składników powietrza: azotu i tlenu, oraz wody: wodoru i tlenu. Odkrycie promieniotwórczości i rozwój fizyki jądrowej dopełniły ten proces. XX-wieczni fizycy i chemicy spełnili marzenia alchemików: potrafią przekształcać jedne pierwiastki w drugie. To nie był sen – to jest możliwe. ©

Jan Grzegorz Małecki, HISTORIA ODKRYĆ PIERWIASTKÓW CHEMICZNYCH, Wydawnictwo Uniwersytetu Śląskiego, Katowice 2018

Ten materiał jest bezpłatny, bo Fundacja Tygodnika Powszechnego troszczy się o promowanie czytelnictwa i niezależnych mediów. Wspierając ją, pomagasz zapewnić "Tygodnikowi" suwerenność, warunek rzetelnego i niezależnego dziennikarstwa. Przekaż swój datek:

Dodaj komentarz

Usługodawca nie ponosi odpowiedzialności za treści zamieszczane przez Użytkowników w ramach komentarzy do Materiałów udostępnianych przez Usługodawcę.

Zapoznaj się z Regułami forum

Jeśli widzisz komentarz naruszający prawo lub dobre obyczaje, zgłoś go klikając w link "Zgłoś naruszenie" pod komentarzem.

Zaloguj się albo zarejestruj aby dodać komentarz

© Wszelkie prawa w tym prawa autorów i wydawcy zastrzeżone. Jakiekolwiek dalsze rozpowszechnianie artykułów i innych części czasopisma bez zgody wydawcy zabronione [nota wydawnicza]. Jeśli na końcu artykułu znajduje się znak ℗, wówczas istnieje możliwość przedruku po zakupieniu licencji od Wydawcy [kontakt z Wydawcą]