Cząstki, atomy i orbitale

Chemia jest trudną nauką głównie ze względu na wysoki poziom abstrakcji omawianych zagadnień. Jak bowiem wyobrazić sobie te wszystkie atomy, cząsteczki, wiązania i orbitale? Nasza wiedza o świecie opiera się głównie na doświadczeniach zmysłowych i fizyce makroskopowej, czyli fizyce przedmiotów życia codziennego. Fizyka cząstek elementarnych jest zdecydowanie odmienna. Nie można przewidzieć zachowania atomów opierając się dosłownie na zachowaniu kul bilardowych (chociaż można stosować pewne przybliżenia). Bariera abstrakcji dla wielu uczniów pozostaje zbyt duża aby w pełni zrozumieć bardziej skomplikowane zagadnienia z pogranicza chemii i fizyki. W tym tekście postaram się wyjaśnić czym są orbitale oraz hybrydyzacja w sposób możliwie najbardziej przystępny.

Zacznijmy od zupełnie najprostszych rzeczy, czyli zachowania cząstek elementarnych w atomie. Czy ktoś z was kiedykolwiek zastanawiał się dlaczego elektrony nie „spadną” na jądro atomowe? Skoro elektrony posiadają ładunek ujemny a protony ładunek dodatni, a jak wiadomo „+” i „-” przyciągają się, to dlaczego te cząstki nie zderzają się ze sobą w atomach? Zupełnie podobnie sytuacja ma się z Ziemią i Księżycem. Dlaczego Księżyc nie spadnie na Ziemię, skoro obydwa ciała się przyciągają? Dzieje się tak, ponieważ nasz satelita znajduje się w ciągłym ruchu obiegowym. Siła dośrodkowa powodowana przez ziemskie przyciąganie i ruch Księżyca utrzymuje go na stałej orbicie i nie pozwala się zbliżyć do Ziemi. Na poziomie podstawowym w ten sam sposób możemy tłumaczyć zachowanie elektronów, jednak nie będzie to do końca prawdą. Tutaj w grę wchodzi inne zjawisko. Zgodnie z zasadami termodynamiki każdy układ dąży do minimum energii, para proton-elektron również. Elektrony krążą wokół jądra wewnątrz przestrzeni nazywanych orbitalami (o nich trochę później). Każdy orbital ma określoną objętość wewnątrz której możemy z dużym prawdopodobieństwem znaleźć elektron (porusza się on tak szybko, że nie jest możliwe dokładne określenie jego położenia). Mało tego, jeden elektron poruszający się z prędkością światła może być jednocześnie w kilku miejscach! (Niemożliwe? A jednak – patrz zjawisko dualizmu korpuskularno-falowego). Jeżeli elektron może się znajdować w kilku miejscach jednocześnie to możliwe że oddziałuje on ze samym sobą. Wiadomo, że ładunki o tym samym znaku się odpychają, czyli elektron w obrębie orbitalu sam siebie odpycha! Jaki jest z tego wniosek? Gdyby elektron „miał zamiar” spaść na jądro musiałby najpierw obniżyć swoją orbitę aż do momentu zderzenia z jądrem. Razem z obniżeniem orbity cały orbital musiałby ulec skurczeniu, więc wzrosłaby jego gęstość i wzrosłyby siły odpychające wewnątrz niego. Czyli wraz z kurczeniem orbitalu drastycznie wzrasta jego energia, co jest niekorzystne z termodynamicznego punktu widzenia. Właśnie dlatego elektrony nie „spadają” na jądro.

Kiedy elektrony nadmiernie oddalają się od jądra ich energia również rośnie, gdyż dodatnie protony w pewien sposób neutralizują ich ładunek. Elektronowi nie jest „wygodnie” przebywać z dala od protonu, nic dziwnego gdyż obie cząstki posiadają przeciwne ładunki.

Możemy teraz sformułować bardzo ogólną, ale jednocześnie najbardziej zbliżoną do prawdziwej definicję orbitalu atomowego. Orbital atomowy jest zatem przestrzenią wokół jądra, wewnątrz której z dużym prawdopodobieństwem możemy znaleźć elektron. Przestrzenią ograniczoną dwiema barierami energetycznymi. Dolną – związaną z gęstością orbitalu oraz górną związaną z odległością elektronu od jądra. Najprościej mówiąc elektron krąży wewnątrz orbitalu balansując w granicach minimum energetycznego ograniczonego dwiema barierami, zatem orbital jest przestrzenią wewnątrz której elektron zachowuje minimum energetyczne. Jak się okaże później każdą barierę można złamać…;) c.d.n.

O talencie plastycznym

Zawsze intrygowało mnie to, dlaczego niektórzy ludzie mają talent plastyczny, a inni nie. Jako dziecko wyobrażałem sobie talent jako niebywałą zdolność ręki do pokierowania ołówkiem lub pędzlem, aby ten stworzył artystyczne dzieło. Potem zobaczyłem ludzi niepełnosprawnych, malujących obrazy stopami lub ustami. Moja dziecinna teoria upadła. Czyli źródło talentu nie tkwiło w dłoniach, lecz w mózgu. Talent jest cechą umysłu pozwalającą robić rzeczy do których przeciętni ludzie nie są zdolni. Czy talentu można się nauczyć? Nie. Z tym się trzeba urodzić. Można nauczyć się grać na pianinie, grać na scenie lub malować i robić to na prawdę dobrze. Jednak pozostanie to tylko wyuczoną umiejętnością, a nie talentem.

Minęło wiele lat, kiedy zauważyłem jeszcze jedną, ciekawą prawidłowość wśród ludzi potrafiących ładnie malować. Mianowicie są dwa rodzaje talentu plastycznego: twórczy i odtwórczy. Ludzie posiadający talent odtwórczy łatwo zapamiętują szczegóły ze swojego otoczenia, czyli mają fotograficzną pamięć. Mogą potem dokładnie odtworzyć na papierze to, co widzieli w rzeczywistości. Ludzie ci doskonale wykonują portrety patrząc na osobę portretowaną, kopiują różne rysunki, widokówki, loga, które gdzieś im przemknęły przed oczami. Inne talenty jak pisarski lub muzyczny rzadko występują u nich wspólnie z plastycznym, ponieważ nie są powiązane z fotograficzną pamięcią.
U ludzi obdarzonych talentem twórczym mechanizm tworzenia jest inny. Ich mózg "uczy się" praw rządzących światem zamiast zapamiętywać szczegółowe obrazy. Co to oznacza? Wizualizacje powstające w wyobraźni są ruchomymi, trójwymiarowymi przedmiotami, zbudowanymi z elementów o różnych właściwościach, na które działają prawa fizyki. Co z tego wynika? Ludzie ci mogą narysować kulę armatnią przebijającą ścianę, bez wcześniejszego patrzenia na to zjawisko. Umysł jest jakby "świadomy" konsystencji przedmiotów, kruchości cegieł, kowalności metalu, mas i środków ciężkości odłamków. Nawet dźwięków powstających przy okazji, zapachu prochu, kierunku padania promieni słonecznych itd. Dzięki temu u tych osób występuje wiele talentów jednocześnie, np. literacki czy muzyczny.

"Nowa" siła Wszechświata c.d.

Od powstania życia na Ziemi minęło 6 miliardów lat. Gdzie tajemnicza siła podziewa się od tego czasu? Ona jest, działa i działała cały ten czas. Najlepszym przykładem jest ewolucja. Przyjrzyjmy się jej nie z bliska, lecz z daleka. Widzimy ogromny łańcuch, rozdzielający się na coraz to mniejsze i gęściejsze odnogi ogniw. Każde następne jest bardziej złożone od poprzedniego i doskonalsze w swej formie. Droga ewolucji przebiegła od najprostszych bakterii aż do nas, istot obdarzonych niezwykle skomplikowanym umysłem i inteligencją. My ludzie jesteśmy dość zarozumiali i uważamy się za szczytowe osiągnięcie ewolucji. Sporo w tym prawdy, bo zdominowaliśmy naszą planetę w zupełności. Czyż nie jest to przekonywujący dowód na istnienie tytułowej siły?

Zapatrzenie w siebie to typowa ludzka cecha. Często nie pozwala nam ona wyrwać się z nadmiernego zafascynowania naszymi osiągnięciami i obejrzenia wszystkiego z dalszej perspektywy. Wcale nie jest to takie trudne. Zatem czy ewolucja zatrzymała się na ludziach? Może się nam tak wydawać, bo widzimy jedynie wąski zakres naszej rzeczywistości, obejmujący kilka tysięcy lat. Homo sapiens mieli przodków, więc i po nas przyjdą nasi następcy, bo ewolucja nadal biegnie. Trudno sobie wyobrazić, jakie osiągnięcia ewolucyjne będą doskonalsze od ludzkiej myśli i inteligencji, a będą takie na pewno. Może telepatia lub telekineza. Może ludzkie myśli staną się bardziej skomplikowane, a sny kolorowe, pełne szczegółów i wrażeń zmysłowych. Może nasza pamięć stanie się niezawodna i nieskończona. Kto wie... Jesteśmy tylko jednym z etapów w komplikacji materii i żyjemy w małym wycinku historii naszej planety.

Jeżeli tytułowa siła spowodowała powstanie życia i napędza ewolucję musi również wpływać na nasze działania i tak się dzieje. Budujemy przecież świat. Coraz bardziej skomplikowane maszyny, komputery. Kosmiczne technologie. Tworzymy coraz piękniejsze i doskonalsze budowle. Staliśmy się narzędziem w rękach siły samoorganizacyjnej. Tak! Przyspieszyliśmy komplikację Wszechświata do ogromnej prędkości. Stworzenie myślącego mózgu zajęło naturze 6 miliardów lat, a my stworzyliśmy komputery w lat kilkadziesiąt. Dzięki naszej działalności siła samoorganizacyjna osiąga swój cel - komplikację materii.

Czy z tego wszystkiego nie wyłania się cel ludzkiego istnienia, jako jednego z elementów prowadzących do samoorganizacji Wszechświata? Przypomnijmy sobie, że na początku była prostota - czysta energia, która zamieniła się w materię podczas Wielkiego Wybuchu. Powstały wtedy cząstki elementarne, potem atomy, następnie związki chemiczne, które utworzyły gwiazdy i planety na których rozkwitło życie. Życie skomplikowało się tak bardzo, że zechciało samo kierować procesem komplikacji i stworzyło narzędzia, a potem maszyny. Wtedy ewolucja biologiczna stała się już zbyt wolna i przestarzała aby kierować życiem. Oddała pole ewolucji technologicznej, która zdominowała Wszechświat. Nieskończenie inteligentne istoty rozprzestrzeniły się po wszystkich układach gwiezdnych i zaludniły dzięki niezwykłym technologiom nawet najbardziej nieprzyjazne planety. Doprowadziły tym samym do maksymalnej komplikacji Wszechświata we wszystkich jego formach zgodnie z pierwotną siłą samoorganizacyjną.

"Nowa" siła Wszechświata

Skąd przyszliśmy i dokąd idziemy? Co jest celem naszego istnienia? Jakże pospolite to pytania. Słyszymy je prawie codziennie lub sami je sobie zadajemy. A odpowiedź? Jedynie religia sobie na nią pozwala. Świat świecki ciągle milczy. Jednak milczenie ma się ku końcowi. Odpowiedź na najbardziej dręczące pytanie w dziejach ludzkości jest już na wyciągnięcie ręki. Teraz możemy ją zaledwie nieco powąchać. Na degustację trzeba będzie poczekać kilkanaście lub kilkadziesiąt lat.


Wśród pewnej grupki naukowców na świecie pojawiła się dziwna teoria, głosząca istnienie tajemniczej siły w przyrodzie, która zmusza materię do samoorganizacji. Właściwie nikt nie dowiódł jej istnienia, lecz dowody są i mamy z nimi do czynienia na co dzień. Co oznacza termin samoorganizacja materii? Dokładniej jest to pęd do tworzenia coraz bardziej skomplikowanych struktur. Przykłady możemy mnożyć. Zaczynając od Wielkiego Wybuchu, czyli momentu powstania wszechświata obserwujemy miliardy galaktyk, gwiazd, planet, księżyców itd. Dlaczego one powstały? Co zmusiło materię do uformowania kształtów, organizacji w galaktyki i układy planetarne? Czy to sprawka tajemniczej energii? Być może. Jeżeli powyższy przykład jest mało przekonujący warto przytoczyć inny. Otóż ogólnie przyjmuje się, że życie powstało przypadkiem. Zaistniały na Ziemi pewne warunki, które umożliwiły narodziny życia. Czy taki przypadek nie wydaję się absurdalny? Przecież najprostsze organizmy na naszej planecie – bakterie zbudowane są z tysięcy rodzajów cząsteczek chemicznych, lipidów, białek i cukrów. Do tego posiadają niezwykle skomplikowany kod genetyczny oraz organelle komórkowe. Więc czy bakteria powstała przypadkiem w ciepłej kałuży kilka miliardów lat temu? Ktoś kiedyś powiedział, że prawdopodobieństwo samoistnego powstania życia na ziemi jest identyczne z prawdopodobieństwem, że Boeing 747 sam złoży się z luźno rozrzuconych części na lotnisku omiatanym przez tornado. Na chłopski rozum, choćby tornado przerzucało części kilka miliardów lat, nici z samozłożenia samolotu – logiczne. Ile zatem przypadkowości w powstaniu życia? Szczerze mówiąc niewiele. Dowód na istnienie siły pchającej materię do samoorganizacji wydaje się być niepodważalny. Według zwolenników tej teorii to właśnie ta siła doprowadziła do poukładania prostych cząsteczek chemicznych w bardziej skomplikowane struktury tworzące organizmy żywe. Mało tego – owa siła ciągle oddziałuje na świat i na nas samych. C.D.N…

Przed murem

Uciec stąd
Od misek zawianych polnym kurzem,
Stad much nad puchnącymi ranami.
Błota wyciąganego z ziemnych dołów.
Zostawiając rodzinę z kubkiem koziego mleka.

Bezlitośnie
Świat mówi, że nas nie chce.
Wiatr wpycha pustynny piasek w oczy,
Osusza pola z resztek wilgoci.
Zabija nasze rodziny, powoli, z wyczuciem.

Za murem
Podobno mają czystą wodę.
Czasem rzucą nam śmierdzące ochłapy,
Które jedzą potem nasze dzieci.
A świst kul z wież obwieszcza śmierć.

Na niebie
Ciągną białe smugi setki samolotów.
Nie patrzą w dół, by nie zwymiotować.
Piękne i błyszczące, siadają za murem.
Lotnicze safari nad naszymi głowami.

Nad morzem
Wyruszamy w podróż ku wolności,
Z garstką zboża dla rodziny w kieszeni.
Nie ważne do jakiej ziemi dopłyniemy,
Lepszego świata czy lądu pod nami.

Widząc niewidoczne cz. II

Część pierwsza tego postu do przeczytania poniżej.

Promienie X
Niestety sposób widzenia świata (prześwietlania) przez Supermana prezentowany w wielu filmach jest bardzo błędny. Żeby zobaczyć jakikolwiek przedmiot musi on zostać oświetlony promieniowaniem, co znaczy że aby widzieć w promieniach Rentgena trzeba dysponować ich źródłem. Ilość promieni X emitowana przez słońce i gwiazdy jest zbyt mała żeby umożliwić dostrzeżenie jakiegokolwiek przedmiotu. Superman więc musiałby posiadać własne źródło promieni X. Biedni Ci wszyscy ludzie, których ten superbohater spróbowałby prześwietlić. Jedno jego spojrzenie wystarczyłoby żeby kogoś napromieniować, a kilka rzutów okiem mogłoby poparzyć delikwenta. Mało tego. Dysponując prześwietlającym wzrokiem (zakładając, że promienie X są nieszkodliwe) moglibyśmy prześwietlać jedynie ludzi, rośliny, zwierzęta oraz przedmioty martwe pod warunkiem, że zbudowane będą ze stosunkowo miękkich materiałów o małej gęstości. Wykluczone zatem jest widzenie przez ściany domów, metalowe karoserie samochodów, skały, a nawet drewno. Niewielki pożytek odnieśliby z prześwietlającego wzroku podglądacze. Chyba, że chodzi o podglądaczy-nekrofili, bo kogo podnieca widok kości bez wierzchnich krągłości.

Fale radiowe
Świat widziany w falach radiowych byłby niezwykle jasny. Jednakowo w dzień jak i w nocy. Fale radiowe docierają do nas z kosmosu, emitują je stacje przekaźnikowe, maszty radiowe, telefony komórkowe oraz wiele innych przedmiotów elektronicznych. Wszystkie te elementy widzielibyśmy jako lampy lub małe słoneczka. Co najciekawsze, fale radiowe przenikają przez większość konstrukcji i przedmiotów. Przez to świat widziany w falach radiowych byłby prawie zupełnie przeźroczysty, może za wyjątkiem grubych, betonowych murów, skał i metalowych przedmiotów. Jasne, radiowe noce, kiedy raziłyby nas telefony komórkowe sąsiadów za trzema ścianami byłyby na prawdę uciążliwe.

Bardzo proszę o opinie dt. tego tekstu. Czy jest ciekawy, a może nudny? Czy można się z niego cokolwiek dowiedzieć? Będę wdzięczny za każdą opinię.

Widząc niewidoczne cz. I

Zaciekawiło mnie kiedyś jedno zagadnienie: "Jakby to było móc widzieć inne rodzaje promieniowania, oprócz świetlnego?" Jak wiemy istnieje wiele rodzajów promieniowania, np.: widzialne, rentgenowskie, mikrofalowe, podczerwone, ultrafioletowe, radiowe itd. Jak wyglądałby świat, gdyby nasze oczy potrafiły rejestrować te pozostałe rodzaje promieni? Żeby odpowiedzieć na to pytanie stworzyłem ciekawy i mam nadzieję, że działający na wyobraźnię, eksperyment myślowy. Nie obejdzie się bez krótkiego wstępu. Przypomnę na wstępie czym jest promieniowanie i jak z grubsza przebiega proces widzenia. Czym jest światło? Jest falą elektromagnetyczną. Czym jest promieniowanie X? Również falą elektromagnetyczną. To samo można powiedzieć o falach radiowych, mikrofalowych, promieniach podczerwonych i ultrafioletowych, które różnią się niesioną energią. Dlaczego natomiast my możemy dostrzec jedynie światło widzialne? Tak nas skonstruowano najprościej mówiąc, to nie ulega wątpliwości. Komórki siatkówki są receptorami światła widzialnego z pewnego zakresu długości fal, a mózg tworzy na podstawie sygnałów odreceptorowych obraz, który my dostrzegamy. Postrzeganie świata jest zatem bardzo względne. Warto sobie uświadomić, że świat wcale nie musi wyglądać tak jak my go widzimy. To nasz mózg interpretuje sygnały świetlne w specyficzny sposób. Zabawmy się więc we własną interpretację świata.

Promienie podczerwone
To chyba najprostsze zadanie ze wszystkich, ponieważ każdy nie raz widział obraz z kamery na podczerwień. Przedmioty, posiadające jakąś temperaturę (większą od zera bezwzględnego) emitują promienie podczerwone. Ponieważ na Ziemi nie spotykamy tak niskich temperatur, to w podczerwieni praktycznie wszystko wokół nas świeci. Im jest bardziej gorące tym świeci jaśniej. Posiadając zdolność widzenia w podczerwieni, nie znalibyśmy pojęcia ciemności. Wiedzielibyśmy bez próbowania, że świecącej zupy lepiej nie ruszać, bo można się poparzyć. W upalny dzień raziłoby nas światło, a w mroźny chodzilibyśmy z żelazkiem i oświetlali drogę przed sobą. Oczywiście należałoby nieść żelazko bardzo blisko gruntu, aby ziemia mogła się nagrzać. Widzenie w podczerwieni to bardzo przydatna to zdolność szczególnie w czasie nocnych powrotów z imprez.

Promienie ultrafioletowe
Widzenie w ultrafiolecie dość mocno uprzykrzałoby nam życie. W noce i ciemne, pochmurne dni nie widzielibyśmy prawie nic. Egipskie ciemności panowałyby też w mieszkaniach (chyba że zamiast zwykłych żarówek używalibyśmy ultrafioletowych). W słoneczne dni wiodłoby nam się dość dobrze, pod warunkiem małej ilości chmur na niebie i obecności wielkiej dziury ozonowej, która ułatwia przedostawanie się promieni UV do powierzchni ziemi. Moglibyśmy też dostrzec bardzo ciekawe efekty świetlne. Niektóre zwierzęta, np. owady oraz rośliny posiadałyby niezwykłe mieniące barwy, niedostrzegalne w świetle widzialnym. Kremy z filtrem byłyby czarne i smarowanie nimi ciała przypominałoby mazanie smołą. Niestety wiele białych przedmiotów mieniłoby się rażącym blaskiem i nas oślepiało. CDN...