Od ponad stu lat naukowcy wiedzą, że otaczający nas świat, taki jakim go widzimy, zbudowany jest z atomów, których można wyróżnić kilkaset rodzajów. Początkowo, w chwili powstawania Wszechświata, przestrzeń była wypełniona dwoma gazami, wodorem i helem. Później, gdy siły przyciągania zaczęły skupiać gaz w ogromne kule (gwiazdy), w których rozpaliły się reakcje termojądrowe, z tych najmniejszych jąder atomowych zlepiały się inne, lekkie jądra pierwiastków.
Tak powstawały jądra węgla, azotu, tlenu. Później, po kolejnych sklejeniach, niewielkie ilości innych jąder, wszystkie zmieszane w ogromnej temperaturze milionów stopni. Dramatyczne zdarzenie następowało, gdy gwiazda wypalała większość wodoru i jej obniżona temperatura nie mogła przeciwstawić się przyciąganiu grawitacyjnemu. Następował gwałtowny skurcz i towarzyszące temu sklejanie się dużych, ciężkich jąder – najwięcej żelaza, niklu, ołowiu i wielu innych.
W tym gwałtownym skurczu i potem wybuchu Supernowej tworzone były prawie wszystkie możliwe kombinacje podstawowych cząsteczek materii. Po wybuchu Supernowej pozostaje mała bardzo gęsta gwiazda neutronowa lub „czarna dziura”, w której cała materia jest zamykana do „końca świata” oraz wokół rozprasza się olbrzymi obłok gazu (mgławica) złożony z różnorodnych atomów. W tym stanie rozproszonej materii nie ma zbyt wiele możliwości tworzenia się związków chemicznych.
Przez miliardy lat taki kosmiczny popiół błąka się po przestrzeni, aż jakaś gwiazda zacznie go przechwytywać, tworząc najpierw wirujący, gęstniejący dysk, a potem popiół ten zlepia się w skalne kule (planety). Tak przypuszczano już od dawna, a ostatnio potężny Teleskop Hubble’a dostarczył astronomom zdjęcia potwierdzające tworzenie się układów planetarnych wokół odległych gwiazd.
Po ostygnięciu, te różnorodne pierwiastki pokazywały swoje charakterystyczne właściwości oddziaływania z innymi składnikami materii. Tworzyły się różnorodne połączenia, niektóre trwałe, inne rozpadające się w odmiennych warunkach temperatury. Kilka pierwiastków „niechętnych” połączeniom (złoto, platynowce, azot, gazy szlachetne) istnieje do dzisiaj w formie oryginalnej. Inne związały się w minerały i trwają w swych połączeniach.
W Kosmosie niewiele się zmienia. Powierzchnia Księżyca zachowuje taką formę jak przed miliardami lat. Towarzyszące Słońcu planety też wydają się niezmienne od chwili ich powstania. Prawie wszystkie możliwe reakcje połączeń pomiędzy pierwiastkami już się dokonały i powstały trwałe związki – minerały.
Jedynie powierzchnia Ziemi ulega ciągłym przemianom. Gdy pojawili się na niej ludzie, zaczęli korzystać z produktów natury i przyspieszali niektóre naturalne procesy chcąc te korzyści uzyskiwać szybciej. Osiągnięcia przychodziły bardzo powoli, nauczono się wytapiać z minerałów niektóre metale, odparowywać z wody morskiej sól, przygotowywać wapno do prac budowlanych.
Jeszcze dwieście lat temu ludzie nie zdawali sobie sprawy, jaka jest prawdziwa struktura otaczającej ich materii. Widząc przemiany, jakie dokonywały się w przyrodzie, chciano włączyć się w proces tworzenia. Głównym celem było tworzenie bogactwa, którego symbolem było w tamtych czasach złoto. Mieszano różne produkty, zupełnie bez sensu, wszystko podgrzewając w kotłach, gdyż widziano, że te pierwsze użyteczne produkty wytworzone przez człowieka (metale, ceramika) wymagały wysokich temperatur. Przez długie wieki alchemicy odkryli bardzo niewiele użytecznych produktów, gdyż wypatrywali głównie złota, a złoto nie jest ukryte w rudach jak wiele innych metali.
Dopiero XIX wiek przyniósł zrozumienie budowy materii, początkowo niepełne, ale zdano sobie sprawę z istnienia pierwiastków chemicznych. Każdy z czytelników spotkał się na pewno z terminem „Tablica Mendelejewa”, w której uszeregowano poznane pierwiastki. Przewidziano również istnienie wielu jeszcze nieodkrytych, a nawet podawano ich przybliżone właściwości.
Od tego momentu chemia przemysłowa stała się potężną gałęzią gospodarki. Do dzisiaj zarejestrowano ponad 30 milionów różnych związków chemicznych, w dużej części powstałych i poznanych w przyrodzie. Codziennie chemicy całego świata rejestrują około 4 tysiące nowych związków.
Do utworzenia nowego związku chemicznego, o przewidywanych właściwościach, dawniej używano dość ekstremalnych warunków fizycznych – wysokich ciśnień, temperatury, agresywnych czynników. W taki sposób próbowano odtworzyć warunki panujące w okresie tworzenia się minerałów lub warunki obecnie panujące w głębi Ziemi. Nie można było zrozumieć, jak przyroda dokonuje tak wielu skomplikowanych przemian chemicznych, w zupełnie przeciętnych warunkach, można powiedzieć – pokojowych.
Wynalazki w dziedzinie chemii początkowo przychodziły niespodziewanie, przypadkowo. Ktoś nie umył naczynia po poprzednim eksperymencie, ktoś wrzucił do retorty nie to co powinien i wynalazek gotowy. Tworzono związki, których nigdy przyroda nie potrafiła zbudować (np. gaz chłodniczy freon, plastiki), a jednocześnie nie potrafiono utworzyć w laboratoriach tego, co powstawało „bez wysiłku” w roślinach.
Wiadomo, że niektóre gazy palą się, czyli łączą z tlenem powietrza, gdy zostaną „zapalone”, czyli lokalnie podgrzane do wysokiej temperatury. Później ciepło wydzielane w czasie spalania powoduje zapłon nowych porcji mieszaniny gazu i tlenu. Pierwsze latarnie gazowe musiały się świecić dzień i noc albo musiał zapalać je wędrujący po ulicach latarnik.
Zauważono jednak, że gdy w strumieniu gazu umieszczono drucik platynowy, rozżarzał się on po krótkiej chwili i powodował zapłon gazu. Od tej pory wystarczało odkręcać kurek gazu do całej grupy latarni i same zapalały się niezawodnie. Dzisiaj mamy wiele zapalniczek działających na tej zasadzie, w których cienka platynowa spiralka rozżarza się po otwarciu gazu.
Zjawisko to nazwano katalizą. Platynowce, które są najtrwalszymi pierwiastkami chemicznymi, niewchodzące w reakcję z innymi związkami, nagle okazały się pomocne w wywoływania procesu utleniania (spalania) gazu w niskiej temperaturze. Dzisiaj platynowo-palladowe katalizatory są instalowane w każdym samochodzie, aby dopalać resztki benzyny i zamieniać trujące tlenki węgla i azotu na mniej szkodliwe gazy.
Oczywiście drogiej platyny jest tam niewiele, może za kilkanaście dolarów, napylonej na ceramiczną gąbkę. Ale nawet te niewielkie ilości, przemnożone przez dziesiątki milionów produkowanych samochodów, dają już tony tych trudno dostępnych metali w dużej części traconych bezpowrotnie na złomowiskach. Poszukiwaniem wydajnych i tańszych katalizatorów zajmują się laboratoria całego świata.
Obecnie prawie wszystkie procesy chemii przemysłowej, farmacji, rafinerii paliw czy produkcji tworzyw sztucznych, oparte są o procesy katalityczne. Oszczędza się przez to ogromną ilość energii a nawet wręcz umożliwia się produkcję wielu związków. Katalizatory używane są w ogniwach paliwowych przekształcających energię paliw (wodoru, spirytusu) bezpośrednio na energię elektryczną. Jest to jedna z nadziei przemysłu motoryzacyjnego.
Ostatnio dużo prac naukowych stara się rozwikłać procesy zachodzące w żywych organizmach. Początki biotechnologii sięgają dawnych czasów, gdy prowadzono fermentację alkoholową węglowodanów (cukrów, skrobi), kiszono warzywa, produkowano sery. Ludzie wiedzieli, że można to robić, ale nie wiedzieli, dlaczego. Obecnie wiadomo, że te przemiany chemiczne prowadzone bez nakładów energii, możliwe są dzięki biologicznym katalizatorom.
Te biologiczne katalizatory nazywane enzymami i witaminami dokonują
tak precyzyjnych przemian materii organicznej, że wiele z nich jest nie do powtórzenia w laboratoriach. Również wiele leków działa na zasadzie katalizatorów – w ich obecności dokonywane są odpowiednie przemiany chemiczne a same leki w niezmienionej postaci po jakimś czasie opuszczają organizm w stanie niezmienionym.
Najważniejszym biologicznym katalizatorem jest chlorofil. Związek ten występuje w kilku odmianach, zawierając kilkadziesiąt atomów węgla, kilkadziesiąt wodoru, pięciu lub sześciu tlenu, czerech atomów azotu i jednego, najważniejszego atomu magnezu. Jeden z typów chlorofilu pojawił się w morzu i pozostał wbudowany w algi i glony. Wyżej rozwinięte formy tego związku dają zielony kolor roślinom.
Jak na związek chemiczny produkowany przez rośliny, chlorofil jest mało skomplikowany, jego budowa została dość dawno rozszyfrowana i nawet może być wytwarzany sztucznie w laboratoriach. Reakcja, którą ten związek umożliwia, jest fundamentalna dla prawie całego świata roślin. Nie korzystają z chlorofilu tylko prymitywne organizmy głębokich mórz oraz podziemne bakterie siarkowe i żelazowe.
Chlorofil, korzystając ze światła słonecznego (może być również światło sztuczne), rozbija wodę i dwutlenek węgla, uwalniając tlen do atmosfery, a węgiel wbudowuje w cukry (fruktozę, skrobię, celulozę).
Cały tlen w atmosferze ziemskiej został uwolniony z wody i dwutlenku węgla dzięki fotosyntezie katalizowanej przez cząsteczkę chlorofilu. Jednocześnie, chlorofil dostarczył i ciągle dostarcza pożywienię dla żywej przyrody na Ziemi.
Czy jest to jedyne możliwe pierwotne źródło przemian chemicznych, które nazywamy życiem? Nie wiadomo. W nieodkrytych jeszcze milionach związków chemicznych może się znaleźć taki kompleks, który zapewnia zupełnie inne życie na innej planecie.
(ami)
