Večina kemičnih spojin je znanosti še neznanih. Koliko novih lahko naredimo s kombiniranjem elementov iz periodnega sistema? Kemiki preživijo celo življenje tako, da se igrajo z legokockami, ki jim normalni smrtniki rečemo elementi.
Vesolje je preplavljeno z milijardami kemikalij, od katerih je vsaka majhen vbod potenciala. In identificirali smo jih samo 1 %. Znanstveniki verjamejo, da bi lahko neodkrite kemične spojine pomagale odstraniti toplogredne pline ali sprožile medicinski preboj, podobno kot je to storil penicilin.
Toda najprej povejmo tole: ne gre za to, da kemiki niso radovedni. Odkar je ruski kemik Dmitrij Mendelejev leta 1869 izumil periodni sistem elementov, ki je v bistvu kemikova škatla lego kock, znanstveniki odkrivajo kemikalije, ki so pomagale definirati sodobni svet. Za izdelavo zadnje peščice elementov smo potrebovali jedrsko fuzijo (izstreljevanje atomov drug na drugega s svetlobno hitrostjo). Element 117, tenes, je bil na ta način sintetiziran leta 2010.
Nekaj nam da narava, nekaj ustvarimo sami
Če pa želite razumeti celoten obseg kemičnega vesolja, morate razumeti tudi kemične spojine. Nekatere se pojavljajo naravno − voda je seveda sestavljena iz vodika in kisika. Druge, kot je najlon, so odkrili v laboratorijskih poskusih in jih proizvajajo v tovarnah.
Elementi so sestavljeni iz ene vrste atomov, atomi pa so sestavljeni iz še manjših delcev, vključno z elektroni in protoni. Vse kemične spojine so sestavljene iz dveh ali več atomov. Čeprav je možno, da obstajajo še neodkriti elementi, je to malo verjetno. Torej, koliko kemičnih spojin lahko naredimo s 118 različnimi vrstami elementov, ki jih trenutno poznamo?
Velike številke
Začnemo lahko s sestavo vseh dvoatomskih spojin. Teh je veliko: N2 (dušik) in O2 (kisik) skupaj tvorita 99 % našega zraka. Kemik bi verjetno potreboval približno eno leto, da bi naredil eno spojino, v teoriji pa obstaja 6.903 spojin z dvema atomoma. Torej, to je vas kemikov, ki eno leto delajo samo za izdelavo vseh možnih dvoatomskih spojin.
Obstaja približno 1,6 milijona spojin s tremi atomi, kot sta H₂0 (voda) in C0₂ (ogljikov dioksid), kar je prebivalstvo Birminghama in Edinburgha skupaj. Ko dosežemo spojine s štirimi in petimi atomi, bi morali vsi na Zemlji narediti tri spojine. In da bi naredili vse te kemične spojine, bi morali vse materiale v vesolju večkrat reciklirati.
Ampak to je seveda poenostavitev. Stvari, kot sta struktura spojine in njena stabilnost, jo lahko naredijo bolj zapleteno in težko izdelati.
Največja kemična spojina, ki je bila izdelana doslej, je bila izdelana leta 2009 in ima skoraj 3 milijone atomov. Nismo še prepričani, kaj počne, vendar se podobne spojine uporabljajo za zaščito zdravil proti raku v telesu, dokler ne pridejo na pravo mesto.
Toda počakaj, kemija ima pravila!
Zagotovo niso možne vse te spojine?
Res je, da obstajajo pravila, vendar so nekoliko spremenljiva, kar ustvarja več možnosti za kemične spojine.
Celo samotni »žlahtni plini« (vključno z neonom, argonom in ksenonom ter helijem), ki se običajno ne vežejo z ničemer, včasih tvorijo spojine. Argonov hidrid ArH+ ne obstaja naravno na Zemlji, vendar so ga našli v vesolju. Znanstveniki so lahko v laboratorijih izdelali sintetične različice, ki posnemajo pogoje globokega vesolja. Torej, če v svoje izračune vključite ekstremna okolja, se število možnih spojin poveča.
Ogljik je običajno rad vezan na enega do štiri druge atome, vendar je zelo občasno, za kratek čas, možna vezava tudi na pet. Predstavljajte si avtobus z največjo zmogljivostjo štirih. Avtobus je na postaji, ljudje vstopajo in izstopajo; medtem ko se ljudje premikajo, so lahko na kratko na avtobusu dejansko več kot štirje ljudje.
Nekateri kemiki celotno kariero poskušajo izdelati spojine, ki po kemijskem pravilniku ne bi smele obstajati. Včasih so uspešni.
Drugo vprašanje, s katerim se morajo znanstveniki spoprijeti, je, ali lahko spojina, ki jo želijo, obstaja samo v vesolju ali ekstremnih okoljih − pomislite na neizmerno toploto in pritisk, ki ju najdemo v hidrotermalnih odprtinah, ki so kot gejzirji, vendar na dnu oceana.
Kako znanstveniki iščejo nove spojine?
Pogosto je odgovor iskanje spojin, ki so sorodne tistim, ki so že znane. To lahko storite na dva glavna načina. Eden je vzeti znano spojino in jo nekoliko spremeniti − z dodajanjem, brisanjem ali zamenjavo nekaj atomov. Druga je uporaba znane kemične reakcije in uporaba novih izhodnih materialov. Takrat je način ustvarjanja enak, izdelki pa so lahko precej različni. Obe metodi sta načina iskanja znanih neznank.
Če se vrnemo k lego kockam, je tako, kot bi naredili hišo, nato nekoliko drugačno hišo ali kupili nove opeke in dodali drugo nadstropje. Veliko kemikov svojo kariero preživi v raziskovanju ene od teh kemičnih hiš.
Toda kako bi iskali resnično novo kemijo − to je neznane neznanke?
Eden od načinov, kako kemiki spoznavajo nove spojine, je pogled na naravni svet. Penicilin je bil na ta način odkrit leta 1928, ko je Alexander Fleming opazil, da plesen v njegovih petrijevkah preprečuje rast bakterij.
Samo odkritje je vodilo v presenečenje
Več kot desetletje kasneje, leta 1939, je Howard Florey ugotovil, kako gojiti penicilin v uporabnih količinah, še vedno z uporabo plesni. Vendar je trajalo še dlje, do leta 1945, da je Dorothy Crowfoot Hodgkin identificirala kemijsko strukturo penicilina.
To je pomembno, ker del strukture penicilina vsebuje atome, razporejene v kvadrat, kar je nenavadna kemična razporeditev, ki bi jo malo kemikov uganilo in jo je težko narediti. Razumevanje strukture penicilina je pomenilo, da smo vedeli, kako izgleda, in smo lahko iskali njegove kemične sorodnike. Če ste alergični na penicilin in ste potrebovali alternativni antibiotik, se morate zahvaliti Crowfootu Hodgkinu.
Dandanes je veliko lažje določiti strukturo novih spojin. Rentgenska tehnika, ki jo je Crowfoot Hodgkin izumila na poti k prepoznavanju strukture penicilina, se še vedno uporablja po vsem svetu za preučevanje spojin. In isto tehniko MRI, ki jo bolnišnice uporabljajo za diagnosticiranje bolezni, je mogoče uporabiti tudi na kemičnih spojinah, da se določi njihova struktura.
Najtežje je narediti, a navdiha ne zmanjka nikoli
Toda tudi če bi kemik uganil popolnoma novo strukturo, ki ni povezana z nobeno spojino, znano na Zemlji, bi jo še vedno morali narediti, kar je težji del. Ugotovitev, da kemična spojina lahko obstaja, vam ne pove, kako je strukturirana ali kakšne pogoje potrebujete za njeno izdelavo.
Številne uporabne spojine, kot je penicilin, je lažje in ceneje »gojiti« in jih ekstrahirati iz plesni, rastlin ali žuželk. Tako znanstveniki, ki iščejo novo kemijo, še vedno pogosto iščejo navdih v najmanjših kotičkih sveta okoli nas.
Novinar
