Edgars Auziņš "No kā viss ir izgatavots? Stāsti par vielu"

No ka viss ir izgatavots? Stasti par vielu
Edgars Auzin?

Kad kads no maniem berniem man saka, ka nespej paciest kimiju, es vienmer atbildu: "Ka ta? Vai tev nepatik pasaule, kura tu dzivo?" Atbildot uz izbrinito maza cilveka sejas izteiksmi, man nakas paskaidrot, ka visa pasaule, tostarp mes pa?i, ir veidota no materijas. Un materijas peti?ana ir kimijas butiba. Kas var but interesantaks?

Edgars Auzin?

No ka viss ir izgatavots? Stasti par vielu

1. nodala: No ka tas viss sastav?

To ir miljoniem! No ka ir veidoti zeni un meitenes un vinu vecaki? No ka ir izgatavots viss, ko vini nesa kabatas, mugursomas un rokassomas, ka ari pa?as mugursomas un rokassomas? Un teta ma?ina garaza, tejkanna virtuve, mammas kosmetika, vecmaminas glazes, pannas un pogu kastite? Un vel – divani un taburetes, rulli?i un kurpes, mobilie telefoni un Pepsi pudeles? Starp citu, no ka ir izgatavota soda un viss, ko mes dzeram un edam?

Nu, tas ir vienkar?i, jus varetu teikt. Kresli ir no koka, panna ir no metala, Pepsi pudele ir no plastmasas, bet pats Pepsi ir kimija, ta saka tetis! Tetim, protams, ir taisniba, bet tas nav tas, ko mes domajam. Viss, kas mums apkart, viss, ko radijusi daba un ko darinaju?as cilveka rokas, ir veidots no vielam. Lieta un viela ir tik lidzigi un tik viegli atcereties!

Vielu ir daudz, un katrai no tam ir savs nosaukums, biezi vien (nereti) pat vairak neka viens. Nemsim, piemeram, sali sals salsudene. Mamma to sauc vienkar?i par «sali», vecmamina – par «galda sali», bet kimiki ?o balto kristalisko vielu ar salu gar?u deve par «natrija hloridu». Tapat ir ar cukuru. Tetis saka: «Pasniedziet man cukuru, ludzu!», vectetin? to sauc par smiltim, vecmamina ruc, ka no galda janovac ?i «balta nave», un kimiki ?o balto kristalisko vielu ar saldu gar?u sauks gandriz tapat ka tetis – saharoze, jo cukura isto kimisko nosaukumu – alfa-D-glikopiranozil-beta-D-fruktofuranozids – ir gandriz neiespejami izrunat un vel neiespejamak atcereties. Nebaidieties, ?adu nosaukumu gramata vairs nebus.

Kimisko nosaukumu ir miljoniem, tapat ka pa?u vielu. Vielas ir cietas ka akmens, ?kidras ka udens, gazveida, caurspidigas un bezsvara ka gaiss, ko mes elpojam. Tas var but melnas ka ogles, sarkanas ka rusas vai pat bezkrasainas. Tas var izdalit specigu smarzu vai nejust nekadu smarzu, tas var apdedzinat adu vai mikstinat to. Dazas no tam ?kist udeni, bet citas to nepanes, dazas no tam mirgo un spragst no mazakas dzirksteles, bet citas nebaidas no uguns, dazas no tam vada elektrisko stravu, bet citas, gluzi preteji, pasarga mus no tas.…

Visam vielam ir sava dzive. Tas var mierigi lidzaspastavet, tapat ka akmens, udens un gaiss strauta krasta. Vai ka daudzas vielas virtuve. Ja nemam cepamo sodu un uz tas uzpilinam saulespuku ellu, nekas nenotiek. Uzkapajiet citrona sulu uz galda sals no sals spaini?a – atkal nekadas izmainas. Tacu dazas vielas iesaistas cina, tas iedarbojas viena uz otru – mijiedarbojas. Un ?i mijiedarbiba var but loti vardarbiga. Vai velaties parliecinaties pats? Uzlejiet uz ?kivja nedaudz cepamas sodas un izspiediet uz ta dazus pilienus citrona. Soda saks sukstities un putot, jo ta mijiedarbosies ar citronskabi citrona sula. Apsveicam, jums ir notikusi pirma kimiska reakcija!

Vai velaties vel? Nav nekadu iebildumu! Man ir lieliska reakcija starp cieti un jodu. Veiksim to. Es esmu parliecinats, ka jusu majas aptiecina ir joda tinktura. Iepiliniet dazus pilienus neliela udens daudzuma, lai iegutu dzeltenas krasas ?kidumu. Tagad dodieties uz virtuvi un sameklejiet kartupeli. Kartupelos ir daudz cietes. Baltas pedas uz naza, kas paliek pec tam, kad mamma ir sagriezusi bumbuli ?kelites, ir ciete. Tacu ar to pietiek, lai mes kartupeli pargrieztu uz pusem. Tagad pilienu vai divus dzeltena ?kiduma, ko tikko sagatavojat, uzpiliniet uz ?i griezuma un paskatieties, kas notiks. Loti atri vieta, kur piliens bus piliens, klus zila. Ta ir tre?a viela, cietes savieno?anas ar jodu rezultats. Un tagad, izmantojot ?o reakciju, jus varat veikt veselu petijumu virtuve un parliecinaties, ka ciete ir makaronos, maize, risos un pat jogurta.

Tatad katrai vielai ir savs raksturs un izskats, ipa?ibas un temperaments. No tam sastav viss mums apkart, ari jus un es.

Mazaks par mazu

Mazaks par mazu Labi, jus varetu teikt, bet no ka sastav pati materija? Kimiki simtiem gadu ir mekleju?i atbildi uz ?o jautajumu. Un vini ir nonaku?i pie secinajuma, ka vielas sastav no molekulam – tas mazakajam dalinam, kas saglaba vielas ipa?ibas, tapat ka tauta sastav no individiem un kiegelu zogs no kiegeliem.

Holandie?u arsts un matematikis Izaks Bekmans 1602 gada. gada 14. septembri sava dienasgramata ierakstija, ka, sadalot zalu devu uz pusem, abas pusdevas saglabaja arstnieciskas ipa?ibas. Nakama dali?ana deva tadu pa?u rezultatu. Un tad Bekmans nodomaja: ja devu atkal un atkal dalis divas dalas, dro?i vien pienaks bridis, kad maza dalina zaudes savas ipa?ibas. ?o siko dalinu, kas saglabaja vielas arstnieciskas ipa?ibas, Bekmans nosauca par minimumu. ?is minimums nozimeja to pa?u, ko pa?reizejais termins «molekula».

Un driz vien, 1636. gada, paradijas pats vards «molekula». Francu priesteris Pjers Gasendi, kas bija slavens ar saviem darbiem astronomijas, matematikas, mehanikas un filozofijas joma, vardam «mole» pievienoja dalinu-cula, kas tolaik nozimeja to, ko tagad apzime ar vardu «masa». Rezultats bija loti, loti, loti, loti, loti, loti maza masa.

Pagaja ilgs laiks, kamer kimiki pie ?is idejas pierada, molekulu teorija progreseja ar cikste?anu, bet ar katru gadu ta ieguva arvien vairak atbalstitaju. Ta pamazam kimiki pa?i nepamanija, ka vini saka izmantot ?o koncepciju, lai izskaidrotu vielu ipa?ibas. Bet tikai 1860. gada Vacijas pilseta Karlsrue pulcejas Pirmais starptautiskais kimiku kongress, kura zinatnieki legitimeja «molekulu» ka terminu.

Tas ir tik mazas, ka parastai acij tas ir neredzamas. Mes redzam tikai vielas graudinu vai pilienu, kas patiesiba sastav no loti daudzam molekulam, kas cie?i piegul viena pie otras. Un nav viegli izlauzties no ?i apskaviena. Piemeram, to pa?u cukuru nevar sasmalcinat molekulas, sasmalcinot to miezeri. Bet ta kristalus var iemest udeni. Pec mirkla tie iz?kidis un pazudis, klus neredzami. Tas nozime, ka udeni cukura kristali ir sadaliju?ies atsevi?kas molekulas, kas brivi peld ka zivs udeni. Un ?eit ir vel viens vienkar?s eksperiments. Ielej ?kiviti nedaudz udens, novieto to saule un vero. Vienigais, ko jus redzesiet, bus tas, ka udens lenam pazudis no ?kivi?a, iztvaikos. Tacu ?is iztvaiko?anas process nav acim redzams, jo atsevi?kas udens molekulas izklust gaisa, ko acs nevar saskatit.

Un tomer, cik lielas tas ir? Panemsim parasta udens molekulu un palielinasim to miljonu reizu. Ko mes iegustam? Ne, nevis ziloni, bet mazu punktinu uz papira lapas. Starp citu, ja mes miljonu reizu palielinasim Ostankinas televizijas torni, teoretiski bus iespejams uzkapt lidz Menesim un vel talak. Luk, cik mazas ir molekulas.

Tad cik daudz molekulu var ietilpt viena cukura graudina? Jus neticesiet, divi miljardi miljardi miljardu. Tas ir tik milzigs skaitlis, ka to pat gruti iedomaties vai ar kaut ko salidzinat. Galu gala, ja jus ar kajam dosieties uz zvaigznu sistemu Alfa Centauri, kur uznemta filma «Avatars» un kur vairak neka cetrus gadus lido pasaule atrakais vestnesis – gaisma, solu skaits, ko jus spertu, joprojam bus 25 reizes mazaks neka molekulu skaits cukura graudina.

Pasaule ir visdazadakas molekulas! Mazas un lielas, plakanas un apjomigas, garas un isas, azuras, spiralveida un sferiskas. Un ir molekulas, kuru forma ir loti lidziga lietam, pie kuram esam pieradu?i – futbola bumba un pukupods, karala kronis un Egiptes piramidas, sviestmaize un zobrats, saulespuke un pat suns.

Kimiskie dziedajumi

Jusu vieta es saktu zaudet pacietibu un nekavejoties jautatu: «No ka sastav molekulas?» Molekulas sastav no vel mazakam sastavdalam – atomiem. Pirms divsimt piecdesmit gadiem Mihails Vasiljevics Lomonosovs rakstija, ka visas vielas sastav no «kermeni?iem» (molekulam), kas savukart ir «elementu kopumi» (atomi). Savukart 19. gadsimta sakuma anglis Dzons Daltons izdomaja, ka vielu veido atomi ar dazadu masu un atomi savienojas, veidojot molekulas – tas bija pirmais pareizais vielas apraksts.

Par laimi, uz Zemes nav daudz elementu jeb atomu paveidu – lidz ?im to ir tikai 114. Iespejams, ka petnieki ar laiku atradis ari citus elementus. Katram ir savs nosaukums, sava masa, savs raksturs, gluzi ka cilvekam, un visi ?ie nosaukumi kopa ar to ipa?ibam ir ierakstiti viena tabula, ko pirms vairak neka simt cetrdesmit gadiem sastadija izcilais krievu kimikis Dmitrijs Ivanovics Mendelejevs. Kimikiem ta ir sava veida sveta gramata, kura ierakstiti visi cilveku vardi. Starp citu, daudzus no ?iem kimiskajiem nosaukumiem jus labi zinat: zelts, skabeklis, dzelzs, aluminijs… Vai ne?

Savas ertibas labad kimiki katram elementam ir izdomaju?i ari isus apzimejumus, kas sastav no viena vai diviem burtiem. Lidzigi ka ar cilveka inicialiem: ta vieta, lai rakstitu «Aleksandrs», mes vienkar?i rakstam «A». Ta nu sanak, ka ?ie isie apzimejumi ir atvasinati no elementu nosaukumiem latinu valoda, tacu tas nevienam nerada neertibas. Man ?kiet, ka jus neparsteigs ari anglu burti. Tatad daudzi elementi tiek apzimeti ar vienu burtu, udenradis ar H, skabeklis ar O, slapeklis ar N, ogleklis ar C, bet fluors ar F. Citus apzime ar diviem burtiem, daleji tapec, lai izvairitos no parpratumiem, kad pirmais burts jau ir lietots: helijs – He, neons – Ne, dzelzs – Fe.

Bet atgriezoties pie pa?iem atomiem. Iedomajieties, ka jums ir 114 dazadu krasu, izmeru un formu perlites jebkura daudzuma. Ka jus domajat, cik daudz auskaru un citu rotaslietu jus varat izgatavot no ?is perli?u bagatibas, kombinejot tas dazados veidos? Cik vien velaties, bezgaligi daudz! Bet, protams, jus izgatavosiet tikai tas rotaslietas, kas jums patik un, jusuprat, izskatas gliti. ?adu kombinaciju bus daudz mazak, bet tomer loti daudz.

Tapat ir ari daba. Elementi, precizak, elementu atomi, kombinejoties sava starpa dazadas proporcijas, veido visu gigantisko vielu daudzveidibu uz Zemes. Atomi molekula ir cie?i saistiti sava starpa, veidojot saites, ko kimiki sauc par kimiskajam saitem, tapec lielaka dala molekulu jutas diezgan stabili un nesadalas. Cita lieta, ka dazi atomi nevar savienoties ar citiem vai var aptvert tikai ierobezotu skaitu Mendelejeva tabulas biedru. ?eit daba pavel, kas vinai patik un kas nepatik. Vinai ir savs priek?stats par skaistiem un noderigiem auskariniem. Un kimiki uzskata, ka ?is velmes ir likums.

Viena elementa atomi var savienoties viens ar otru. Un tad mes iegustam vielas, kuras sauc ar elementa nosaukumu, piemeram, zeltu. ?adas vielas kimiki sauc par vienkar?am vielam. Tacu, ja viena molekula satiekas dazadu elementu atomi, tad mes iegustam sarezgitaku vielu, ko sauc par savienojumu. Visa neskaitamo vielu bagatiba un daudzveidiba mums apkart ir tikai dazadu atomu, dazadu elementu kombinacijas. Ja divi skabekla atomi savienojas kopa, mes iegustam skabekli – neredzamo gazi, kas ir dala no gaisa, ko elpojam, un kuras mums dazkart tik loti pietrukst aizdumotaja pilseta. Ja tris atomi – ozons, ari – neredzama gaze, kas veidojas atmosfera negaisa laika. Ja skabekla atoms savienojas ar diviem udenraza atomiem, tad veidojas visbrini?kigaka viela uz Zemes – udens, ko mes dzeram. Vai ari ir slavenais natrija atoma un hlora atoma savienojums. Tie savienojas, veidojot baltu kristalisku vielu, ko mes liekam sals spainiti.

Ja, es zinu, ka jums uz meles ir sarezgits jautajums – no ka sastav atomi? Baidos, ka celojums materijas dziles ?kiet gandriz bezgaligs. Iespejams, tas ta ari ir. Tacu ?odien par atomiem jau daudz kas ir zinams. Fiziki apgalvo, ka atomiem ir ari struktura. Katram mazajam atomam ir vel mazakas dalas: kodols, kas sastav no protoniem un neitroniem (fiziki tos sauc par elementardalinam), ap kuriem ka planetas ap sauli rote citas elementardalinas – elektroni.

Pateicoties ?ai atomu iek?ejai strukturai, elementi at?kiras viens no otra. ?is pa?as at?kiribas lava kimikiem sakartot elementus Mendelejeva tabula stingra seciba. Tie nav sakartoti alfabeta seciba vai pec atkla?anas datuma. Elementi ir sakartoti saskana ar to numuriem. Elementa numurs ir atkarigs no ta atoma strukturas. Piemeram, udenradis ir numur 1. Tas nozime, ka ta atoma ap kodolu rote tikai viens elektrons. Helijam ir divi elektroni zem 2. numura, bet skabeklim ir se?padsmit elektronu zem 16. numura. Elektronu skaits elementa atoma ir loti svarigs skaitlis, un no ta ir atkarigas elementa ipa?ibas, raksturs un uzvediba. Tapec kompetents kimikis, aplukojot Mendelejeva tabulu, var precizi pateikt, kuru elementu atomi var veidot kimisko saiti, kuri atomi, savienojoties, veido metala lietnu, bet kuri – gazi.

Izradas, ka visa Visuma eso?a materija, tostarp Zeme un viss, kas uz tas atrodas, sastav tikai no tris veidu elementardalinam – neitroniem, protoniem un elektroniem. Vai tas nav parsteidzo?i?

Ne, ne, nejautajiet man, no ka sastav protoni, neitroni un elektroni! Tas ir labs jautajums, par to nav ?aubu. Un fiziki ?aja reize saks stastit par kvarkiem, no kuriem sastav protoni un neitroni, par to «aromatu», «krasu» un citam ipa?ibam, par to, ka kvarki sava tur… ?eit mes apstasimies, jo ipa?i tapec, ka materijas dziles vel ir daudz neskaidribu. Musu brini?kiga pasaule nav lidz galam iepazita, un atbildi uz daudziem neatrisinatiem jautajumiem, pilnigi iespejams, jus atradisiet, kad klusiet pieaugu?i un veltisiet sevi zinatnei.

Neredzamais atstaj pedas

Es jutu, ka mani parnem ?aubas. Ja ?is molekulas, atomi un elementardalinas ir tik mazas, ka tas nav saskatamas, kapec mes tik parliecino?i apgalvojam, ka tas eksiste? Vai var but ta, ka tas vispar nepastav?

Patie?am, atoma izmers ir niecigs. Un vel nesen nebija mikroskopa, ar kuru tos varetu saskatit. Tacu tas nenozime, ka nevar but parliecinats, ka atomi un elementardalinas pastav.

Iedomajieties, ka jusu maja ir pele. Jus to neredzat, bet dro?i zinat, ka ta tur ir: uz galda atstats siera gabalin? nakti pazud, maja ir pelu pedas, un nakti jus dzirdat ?nak?anu. Tatad pele ir, lai gan ta nav redzama. ?o secinajumu mes izdarijam, ka saka zinatnieki, pamatojoties uz netie?iem noverojumiem. Vai ari pa debesim lido lidma?ina. Augsti un augstu, jus to nemaz neredzat, un jus nedzirdat tas dzineju troksni. Tacu jus skaidri redzat balto pedu, ko ta atstaj debesis. Zinatnieki to sauc par inversijas pedam.

Nu, ta ir lieliska ideja, lai uzzinatu par dalinu pastave?anu no to pedam. ?adu pieeju izmantoja skotu fizikis Carlzs Vilsons, 20. gadsimta sakuma izveidojot ieverojamo Vilsona kameru. Caurspidigaja kamera ir parsatinati udens tvaiki. Pietiek tikai mazaka iejauk?anas ?ajos tvaikos, lai gaisa peldo?as udens molekulas saktu salipt kopa, veidojot acim redzamus udens pilienus. ?o procesu sauc par kondensaciju, un to biezi var redzet, kad automa?inas logi ir aizsvidu?i vai kad no rita pec aukstas nakts uz zales un ziediem krit rasa. Starp citu, tie?i ?adi debesis veidojas lidma?inas pedas. Udens tvaiku kondensaciju izraisa no dzineja izlidojo?as nepilnigi sadegu?as degvielas dalinas. Tapec inversijas pedu biezi sauc par kondensacijas pedu.

Elementara dalina, elektrons vai protons, ko fiziki pirms tam stipri paatrina ipa?os dalinu paatrinatajos – ciklotronos, ielido ?ada kamera. Acumirkli dalina izlido cauri kamerai un atstaj aiz sevis kondensacijas pedu, kas sastav no udens pilieniem. ?i peda, ko fiziki deve par pedu, nepazud uzreiz, tapec petniekiem ir laiks to nofotografet. Atteli ir parsteidzo?i skaisti. Fiziki ne tikai skatas uz tam, bet lasa tas ka gramatu par elementardalinu dzivi un notikumiem, kas notiek, tam saduroties Vilsona kamera.

Izmantojot netie?as metodes, var pieradit ari neredzamo molekulu pastave?anu. Skotijas botanikis Roberts Broughtons gandriz pirms 200 gadiem pamanija ko neparastu. Ja sikas ziedu putek?nu dalinas ievieto udeni un novero caur mikroskopu, redzams, ka putek?nu dalinas nestav uz vietas, bet visu laiku veic nejau?us lecienus. ?o nepartraukto dalinu jucekligo klaino?anu ?kidruma tilpuma par godu atklajejam nodeveja par Brauna kustibu.

Tacu ?is dalinas ir nedzivas, tas nevar kusteties pa?as no sevis, tapec kads tas spiez no dazadam pusem un loti specigi. Kas tas varetu but? Gandriz 80 gadus velak, 1905. gada, viens no 20. gadsimta ieverojamakajiem zinatniekiem Alberts Ein?teins izteica pienemumu, ka dalinas stumj ?kidruma molekulas, kas savukart ari atrodas nepartraukta kustiba. To ir daudz, tas nak uz dalinu no dazadam pusem, un, ja pek?ni kada bridi molekulas viena puse «aizkeras», bet otra sapigak, dalina izkustesies no vietas un aizlidos kadu attalumu.

Alberts Ein?teins to visu izklastija sava slavenaja zinatniskaja darba par Browna kustibu. Vin? pat teoretiski pamatoja un paredzeja, cik daudz puteklu dalinam ?kidrumos vajadzetu kusteties, ja tas spiez molekulas.

Tomer tas viss bija tikai pienemums, teorija, un Ein?teins pats ?aubijas, vai kads spes to parbaudit eksperimentali. Tacu tads bija. Francu fizikim Zanam Baptistam Perenam 1908. un 1913. gada izdevas veikt vislabako eksperimentu: vin? izsekoja tuksto?iem dalinu celu ?kidruma un izmerija to parvietojumu. Rezultati pilniba atbilda Ein?teina prognozem, molekulara teorija triumfeja, un pats Zans Baptists Perens 1926. gada sanema augstako zinatnes apbalvojumu – Nobela premiju fizika.

Cita, bet daudz progresivaka metode, kas lauj redzet molekulu, paradijas pagaju?a gadsimta 30. gados. Tas bija elektronu mikroskops. Ta raditaji, vacu fiziki Makss Knolls un Ernsts Ruska 1931. gada nejau?i pamanija, ka, ja elektronu plusma izplust cauri visplanakajam vielas slanim un nokrit uz jutiga ekrana, tad uz ?i ekrana var redzet to veidojo?o molekulu enas. Luk, vel viens pieradijums molekulu pastave?anai. Jus varat apskatit pirmo krievu elektronu mikroskopu, ja neesat slinki un aizbraucat uz Politehnisko muzeju Maskava, kur tas ir publiski izstadits.

Musdienas zinatnes un tehnikas progress ir sasniedzis tik neticamas virsotnes. ka ir ierices, kas lauj saskatit atomus! Tie ir skenejo?as zondes mikroskopi, kuru pirmo modeli 1981. gada izgudroja Gerds Binnigs un Heinrihs Roreers. Un 1986. gada viniem tika pie?kirta Nobela premija fizika par ?o izgudrojumu, kas lauj petniekiem ielukoties pa?os materijas dzilumos. Viniem pievienojas ari Ernsts Ruska. Vinam uz ?o balvu bija jagaida 55 gadus, tacu taisnigums uzvareja.

?aja jaunas paaudzes mikroskopa visplanaka adata, uzasinata no viena atoma, it ka taustot vielas vai materiala virsmu un parraidot tas attelu uz ekrana. Tadejadi pirmo reizi uz zelta plaksnites bija iespejams saskatit zelta atomus, kas, ka uzskatija kimiki, izvietoti blivas rindas, lodite pie lodites. Un ari bija iespejams aplukot vissvarigako dzivibas molekulu – DNS molekulu, uz kuras ir ierakstita visa mantojuma informacija un kura kontrole visus musu organisma notieko?os procesus. Ta zinatnieki savam acim parliecinajas, ka DNS molekula izskatas ka gara kede vai drizak – ka spirale.

Es domaju, ka ir pienacis laiks apstaties. Galu gala galveno jau esam uzzinaju?i. Viss ap mums, ari mes pa?i, sastav no vielam, vielas sastav no atomiem, atomi sastav no elementardalinam. Bet no kurienes radas visas ?is elementardalinas, no kuram veidojas atomi, no kuram veidojas vielas, no kuram veidojas viss, ari mes pa?i?