Η ΧΗΜΕΙΑ ΣΤΑ ΑΚΡΑ (ΧΗΜΙΚΑ ΡΕΚΟΡ)
Στην ενότητα αυτή θα γνωρίσουμε τη Χημεία των άκρων. Επιδόσεις και νούμερα που προκαλούν θαυμασμό και δέος. Ίσως και προβληματισμό, για το πόσο μικροί και ανίσχυροι είμαστε απέναντι σε ανεξέλεγκτα φαινόμενα, τρομακτικές ιδιότητες ουσιών, ή ακραίες κοσμικές επιδράσεις στον κυριολεκτικά, σε σχέση με το Σύμπαν, απειροελάχιστο μικρόκοσμό μας. Θα ήταν πραγματικά χρήσιμο και σοφό, να αναστοχαστούμε με αφορμή ακραίες συμπεριφορές της ύλης και εντυπωσιακά χημικά φαινόμενα την πραγματική μας θέση στον Κόσμο. Ας κάνουμε στην ενότητα αυτή μια αλλαγή στην παρουσίαση, με απλή παράθεση των ρεκόρ της χημείας. Το θαυμαστικό δικαιολογημένα κλείνει κάθε παράγραφο. Από το βιβλίο των ρεκόρ Guinness , και όχι μόνο, αντλήσαμε πολλές ακραίες χημικές επιδόσεις. Βέβαια υπάρχει στο θέμα αυτό μια επιφύλαξη, γιατί όπως και στον αθλητισμό, τα ρεκόρ δημιουργούνται για να καταρρίπτονται. Επομένως δείτε τα παρακάτω και πάλι σαν ένα «στιγμιότυπο» που ισχύει σήμερα. Για αύριο βλέπουμε…
Το 2004 οι Ρώσοι Νοβοσέλοβ και Γκάιμ δημιουργούν το πιο λεπτό «φύλλο» στον Κόσμο, επιτυγχάνοντας μία μόνο στρώση ατόμων άνθρακα. Οι δύο επιστήμονες που τιμήθηκαν το 2019 με το βραβείο Nobel Φυσικής έθεσαν το Γραφένιο, ένα εξωτικό υλικό με ευρύτατο πεδίο εφαρμογών, στην υπηρεσία της Ανθρωπότητας. Το καθαρό γραφένιο είναι ένα φύλλο με άτομα άνθρακα που σχηματίζουν ένα επίπεδο πλέγμα από εξάγωνα, όπως τα κελιά σε μια κηρήθρα. Η απόσταση μεταξύ τους είναι λίγο περισσότερο από 1 δισεκατομμυριοστό του μέτρου. Μια καλύτερη προσέγγιση θα ήταν να φανταστούμε ότι τα άτομα του φύλλου αυτού δεν σχηματίζουν κάτι απόλυτα επίπεδο σαν φύλλο χαρτιού, αλλά μάλλον δημιουργούν κάτι σαν επιφάνεια μιας θάλασσας όταν επικρατεί ελαφρός κυματισμός.
Η αερογέλη γραφενίου (carbon aerogel) είναι τo στερεό με τη χαμηλότερη πυκνότητα. Είναι ένα σύστημα γραφενίου και νανοσωλήνων γεμάτοι με χώρους αέρα. Το ελαφρύτερο από αυτά, η αερογέλη έχει πυκνότητα 0,00016 g / cm3, που την καθιστά το στερεό με τη χαμηλότερη πυκνότητα. Την παρασκευή του συγκεκριμένου υλικού, του οποίου η πυκνότητα είναι µόλις το 1/6 της πυκνότητας του αέρα, πέτυχαν να παρασκευάσουν ο καθηγητής Gao Chao του πανεπιστημίου Zhejiang στο Hangzhou της Κίνας και οι συνεργάτες του. Παρά την εύθραυστη όψη τους, οι αερογέλες µε βάση το πυρίτιο και τον άνθρακα, αντέχουν σε φορτία χιλιάδες φορές μεγαλύτερα από το βάρος τους, σε θερμοκρασίες ανώτερες των 1.300 °C και σε εκρήξεις ως και ενός κιλού δυναµίτη. Επειδή απορροφούν την υπεριώδη ακτινοβολία µπορούν να χρησιμοποιηθούν για την κατασκευή οικοδοµικών υλικών τα οποία αφήνουν να περνάει το φως του ήλιου, αλλά παγιδεύουν τη θερμότητα του και τη χρησιμοποιούν για τη θέρμανση του κτιρίου. Για περισσότερες ιδιότητες του υλικού αυτού μπορείτε να ανατρέξετε στην ενότητα 23. Ας συνεχίσουμε όμως την περιπλάνηση στον κόσμο των «άκρων», του μέγιστου, το ελάχιστου, του ακριβότερου, του βαρύτερου, του ελαφρύτερου, κλπ.
Το πιο άφθονο στοιχείο στον φλοιό της γης είναι το οξυγόνο Ο. Η περιεκτικότητά του σε βάρος είναι 49% της μάζας του φλοιού της γης.
Το πυκνότερο μέταλλο στον κόσμο είναι το όσμιο, άσχετα αν ο κόσμος θεωρεί τον μόλυβδο και τον χρυσό σαν τα «βαρύτερα» μέταλλα. Ο πίνακας που ακολουθεί δίνει τα 10 πυκνότερα στοιχεία που υπάρχουν στη Φύση με τις αντίστοιχες πυκνότητές τους.
- Όσμιο (22,62 g / cm 3),
- Ιρίδιο (22,53 g / cm 3),
- Πλατίνα (21,44 g / cm 3),
- Ρήνιο (21,01 g / cm 3),
- Ποσειδώνιο (20,48 g / cm 3),
- Πλουτώνιο (19,85 g / cm 3),
- Χρυσό (19,85 g / cm 3)
- Βολφράμιο (19,21 g / cm 3),
- Ουράνιο (18,92 g / cm 3),
- Ταντάλιο (16,64 g / cm 3).
Το όσμιο μάλιστα, αν και πανάκριβο και ανοξείδωτο, δεν χρησιμοποιείται σε κοσμήματα λόγω υψηλής τοξικότητας. Το ευγενή του χαρακτήρα όμως τον δείχνει και με το παραπάνω, διότι δεν προσβάλλεται ούτε καν από το « βασιλικό νερό», δηλαδή μείγμα νιτρικού και υδροχλωρικού οξέος , το οποίο προσβάλλει ακόμη και τον βασιλιά των μετάλλων τον χρυσό. Το τίτλο όμως το πιο ανθεκτικού σε οξέα μετάλλου τον έχει το ιρίδιο. Μέχρι τώρα, δεν είναι γνωστό ούτε ένα οξύ, ή μείγμα τους, στο οποίο να διαλύεται το ιρίδιο. Η πυκνότερη χημική ένωση είναι το καρβίδιο divungsten W2C. Η πυκνότητα του καρβιδίου divungsten είναι 17,3 g / cm3.
Το πιο σπάνιο στοιχείο στον φλοιό της γης είναι το αστάτιο (At). Η περιεκτικότητά του σε ολόκληρο τον φλοιό της γης είναι μόνο 0,16 γραμμάρια. Το δεύτερο πιο σπάνιο είναι το Francium (Fr).
Το πιο άφθονο στοιχείο στο σύμπαν είναι το υδρογόνο (Η). Περίπου το 90% όλων των ατόμων στο σύμπαν είναι υδρογόνο. Το δεύτερο πιο κοινό στο σύμπαν είναι το ήλιο.
Το ελαφρύτερο μέταλλο είναι λίθιο (Li). Η πυκνότητα του λιθίου είναι 0,543 g / cm3, πράγμα που σημαίνει ότι το συγκεκριμένο μέταλλο επιπλέει άνετα στο νερό.
Το ελαφρύτερο αέριο και ταυτόχρονα, το ελαφρύτερο αμέταλλο είναι υδρογόνο. Η μάζα 1 λίτρου υδρογόνου είναι μόνο 0,08988 g.
Το ελαφρύτερο υγρό είναι υγρό υδρογόνο. Η μάζα 1 λίτρου υγρού υδρογόνου είναι μόνο 70 γραμμάρια.
Το βαρύτερο ανόργανο αέριο σε θερμοκρασία δωματίου είναι το εξαφθοριούχο βολφράμιο WF6 (σημείο βρασμού +17 oC). Η πυκνότητα του εξαφθοριούχου βολφραμίου ως αέριο είναι 12,9 g / L. Μεταξύ των αερίων με σημεία βρασμού κάτω των 0 ° C, η καταγραφή διατηρείται από το εξαφθοριούχο τελούριο TeF6 με πυκνότητα αερίου στους 25 °C 9,9 g / l. Για να αντιληφθούμε το μέγεθος αυτό θα πρέπει να πούμε ότι ο αέρας σε θερμοκρασία 20oC έχει πυκνότητα 1,2g/L.
Το πιο ακριβό μέταλλο στον κόσμο είναι το Καλλιφόρνιο. Η τιμή του 1 γραμμαρίου του ισότοπου 252 Cf φτάνει τα 500 χιλιάδες δολάρια ΗΠΑ (το έχω δει σε πρόσφατη κοστολόγηση 27.000.000 ανά γραμμάριο, επομένως μην δώσετε μεγάλη βαρύτητα στο χρηματικό αντίτιμο διότι είναι ιδιαίτερα ευμετάβλητο).. Αλλά και το όσμιο είναι ένα πανάκριβο στοιχείο, δεδομένου, ότι για ένα μόνο γραμμάριο αυτού του στοιχείου, πρέπει να πληρώσετε περισσότερα από 100.000 $, εφόσον το μέταλλο αυτό είναι πολύ σπάνιο. Θα μπορούσαμε με σχετική βέβαια ακρίβεια να πούμε, ότι ένα κιλό οσμίου ισοδυναμεί σε αξία με 5 τόνους χρυσού.
Το αδρανές αέριο Ήλιο είναι η ουσία με το χαμηλότερο σημείο βρασμού. Το σημείο βρασμού του είναι -269 οС. Το ήλιο είναι η μόνη ουσία που δεν έχει σημείο τήξης σε κανονική πίεση. Ακόμη και στο απόλυτο μηδέν, παραμένει υγρό. Σε στερεή κατάσταση μπορεί να ληφθεί μόνο υπό πίεση (3 MPa).
Το πιο πυρίμαχο μέταλλο και η ουσία με το υψηλότερο σημείο βρασμού είναι το βολφράμιο (W). Το σημείο τήξης του βολφραμίου είναι +3420 οС και το σημείο βρασμού είναι +5680 οС. Το πιο πυρίμαχο υλικό είναι ένα κράμα καρβιδίων άφνιου και τανταλίου (1: 1) (σημείο τήξης +4215 οС)
Το μέταλλο με το χαμηλότερο σημείο τήξης είναι ο υδράργυρος. Το σημείο τήξης του υδραργύρου είναι -38,87 οС. Ο υδράργυρος είναι επίσης το βαρύτερο υγρό, η πυκνότητά του στους 25 ° C είναι 13,536 g / cm3.
Το σκληρότερο μέταλλο είναι χρώμιο (Cr).
Το πιο μαλακό μέταλλο στους 25 ° C είναι το καίσιο (Cs).
Το σκληρότερο υλικό είναι ακόμα διαμάντι, αν και υπάρχουν ήδη περίπου δώδεκα ουσίες που το πλησιάζουν σε σκληρότητα (καρβίδιο και νιτρίδιο του βορίου, νιτρίδιο τιτανίου, κ.λπ.).
Το μέταλλο με την μεγαλύτερη ηλεκτρική αγωγιμότητα σε θερμοκρασία δωματίου είναι ασήμι (Ag).
Η μικρότερη ταχύτητα ήχου σε υγρό ήλιο είναι στα 2,18 K, είναι μόνο 3,4 m / s. (Δηλαδή μόνο 12 km ανά ώρα που σημαίνει ότι ένας δρομέας Μαραθώνιου που τρέχει με 23 km ανά ώρα θα ήταν …υπερηχητικός!)
Η υψηλότερη ταχύτητα ήχου καταγράφηκε σε διαμάντι και είναι 18.600 m / s.
Το πιο σπάνιο μη ραδιενεργό στοιχείο είναι το κρυπτόν, του οποίου η περιεκτικότητα στον φλοιό της γης είναι ίση με 1,9 x 10-9 % κατά βάρος, και ακολουθεί το ιρίδιο με περιεκτικότητα 10-7 κατά βάρος ή 3 x 10-6 ppm) . Τα τεχνητά νέα στοιχεία ωστόσο επειδή είναι πολύ ασταθή και σχηματίζονται φευγαλέα και κάτω από ακραίες συνθήκες είναι μάλλον «στοιχεία-φαντάσματα» καθώς σχηματίζονται μόνο μερικά άτομα. Από το στοιχείο με ατομικό αριθμό 112 που ονομάστηκε κοπερνίκιο (Cn) προέκυψαν για ελάχιστα msec 2 μόνο άτομα!
Η πιο πικρή ουσία είναι το σακχαρινικό denatonium. Ο συνδυασμός βενζοϊκού denatonium με σακχαρίνης νατρίου έδωσε την ουσία 5 φορές πιο πικρή από τον προηγούμενο κάτοχο ρεκόρ (βενζοϊκό denatonium).
Η λιγότερο τοξική οργανική ύλη είναι το μεθάνιο. Με αύξηση της συγκέντρωσής του, ο θάνατος επέρχεται λόγω έλλειψης οξυγόνου και όχι ως αποτέλεσμα δηλητηρίασης. Βέβαια το μεθάνιο είναι εξαιρετικά εύφλεκτο, και επιβαρύνει σημαντικά το φαινόμενο θερμοκηπίου, αλλά οι ιδιότητές του αυτές δεν έχουν σχέση με την τοξικότητά του.
Το ισχυρότερο προσροφητικό για το νερό, ελήφθη το 1974 από ένα παράγωγο αμύλου, το ακρυλαμίδιο και το ακρυλικό οξύ. Αυτή η ουσία είναι ικανή να συγκρατεί νερό, η μάζα του οποίου είναι 1300 φορές μεγαλύτερη από την μάζα της.
Το ισχυρότερο προσροφητικό για προϊόντα πετρελαίου είναι η αερογέλη άνθρακα. 3,5 κιλά αυτής της ουσίας μπορούν να απορροφήσουν 1 τόνο λαδιού.
Το πιο αργό ένζυμο είναι η νιτρογενάση, η οποία καταλύει την αφομοίωση του ατμοσφαιρικού αζώτου από βακτήρια οζιδίων. Ο πλήρης κύκλος μετατροπής ενός μορίου αζώτου σε 2 ιόντα αμμωνίου διαρκεί ενάμισι δευτερόλεπτο.
Το μεγαλύτερο χημικό όνομα είναι το DNA που απομονώνεται από τα ανθρώπινα μιτοχόνδρια και αποτελείται από 16569 ζεύγη βάσεων. Το πλήρες όνομα αυτής της σύνθεσης περιέχει περίπου 207.000 χαρακτήρες.
Το μακρύτερο αλκάνιο έχει μοριακό τύπο C390H782 και συντέθηκε ειδικά για την μελέτη της κρυστάλλωσης του πολυαιθυλενίου.
Αν νομίζετε ότι το μακρύτερο γονιδίωμα είναι του ανθρώπου, μιας και θεωρείται – αυθαίρετα – ο πιο περίπλοκος οργανισμός, έχετε λάθος. Το μακρύτερο γονιδίωμα είναι το γονιδίωμα του φυτού Paris japonica. Περιέχει 150.000.000.000 ζεύγη βάσεων – 50 φορές περισσότερα από τα ανθρώπινα (3.200.000.000 ζεύγη βάσεων).
Αλλά το μεγαλύτερο μόριο είναι το DNA του πρώτου ανθρώπινου χρωμοσώματος. Περιέχει περίπου 10.000.000.000 άτομα.
Το ατομικό εκρηκτικό με τη μεγαλύτερη εκλυόμενη θερμότητα έκρηξης είναι η δινιτρική αιθυλενογλυκόλη. Η θερμότητα της έκρηξης είναι 6606 kJ / kg.
Και μερικές ακόμη πληροφορίες που εντυπωσιάζουν δίχως απαραίτητα να αποτελούν κάποιο ρεκόρ.
Ο σίδηρος αποτελεί το κύριο συστατικό μιας ομάδας μεγάλων μετεωριτών των σιδηρομετεωριτών οι οποίοι κατά την πτώση τους στην γη αυξάνουν ετησίως τη μάζα της κατά 100.000 τόνους!
Το διαμάντι θεωρείτο το σκληρότερο και ανθεκτικότερο υλικό που υπήρχε στη φύση. Η τεχνολογία όμως με τα υπερσύχρονα μέσα που διαθέτει καταρρίπτει το ένα «είδωλο» μετά τον άλλο.
Έτσι ερευνητές του Πανεπιστήμιου του Γιανσάν στην Κίνα δημιούργησαν συνθετικά διαμάντια δυο φορές σκληρότερα από τα φυσικά και ανθεκτικά σε υψηλότερες θερμοκρασίες. Οι τεχνητοί αυτοί λίθοι δεν προορίζονται τόσο για κοσμήματα, όσο για εργαλεία κοπής και ιδιαίτερες βιομηχανικές εφαρμογές.
Οι ερευνητές στο Γιανσάν μέτρησαν τη σκληρότητα του νέου διαμαντιού (σκληρότητα είναι η αντίσταση που εμφανίζουν τα ορυκτά στην εγχάραξη) υποβάλλοντάς το σε ακραία πίεση κάτω από ένα διαμαντένιο αμόνι. Χρειάστηκε να εφαρμόσουν πίεση 1,9 εκατομμυρίων ατμοσφαιρών για να παρατηρήσουν μικρή εγχάραξη στο δείγμα, ενώ ένα φυσικό διαμάντι θα κατέρρεε σε λιγότερο από το μισό αυτής της πίεσης.
Εξίσου εντυπωσιακές ήταν οι μετρήσεις και στο τεστ οξείδωσης: το νέο διαμάντι αρχίζει να καίγεται στους 980 βαθμούς Κελσίου, τη στιγμή που ένα φυσικό διαμάντι θα άντεχε μέχρι τους 770-885 οC, ανάλογα με το δείγμα.
Το 1990 οι γεωλόγοι από το ορυχείο Richmond του Iron Mountain (Σιδηρούν Όρος) της Καλιφόρνια συνέλεξαν νερό. Το νερό ήταν απίστευτα όξινο και είχε pH= -3,6. Το νερό αυτό ήταν 12.000 φορές πιο όξινο από τα υγρά της μπαταρίας που έχουν pΗ = 0,5. Πρόκειται για το χαμηλότερο pΗ που έχει καταγραφεί στη φύση. Στο συγκεκριμένο ορυχείο γινόταν εξόρυξη χρυσού, αργύρου, ψευδαργύρου, χαλκού και σιδηροπυρίτη μεταξύ του 1879 και του 1962. Η εξόρυξη έφερε βαριά μέταλλα και ορυκτά σε επαφή με το νερό, τον αέρα και τα βακτήρια, με συνέπεια το ορυχείο να μετατραπεί σε ένα φυσικό χημικό εργαστήριο παραγωγής οξέων . Οι ερευνητές θεωρούν ότι το νερό οφείλει την ακραία οξύτητά του, σε ένα συνδυασμό θειικού οξέος και ισχυρής εξάτμισης. Το θειικό οξύ δημιουργείται όταν ο ασταθής σιδηροπυρίτης έρχεται σ’ επαφή με τον αέρα. Οι χημικές αντιδράσεις που πραγματοποιούνται είναι εξώθερμες και η παραγόμενη θερμότητα προκαλεί τη συνεχή εξάτμιση του νερού του ορυχείου με συνέπεια την αύξηση της συγκέντρωσης του οξέος.
Και από τα όξινα να περάσουμε στα αλκαλικά εδάφη. Η λεκάνη Μαγκάντι-Νατρόν που βρίσκεται στην μεγάλη κοιλάδα μεταξύ Κένυας και τανζανίας περιέχει αλατούχα σωματίδια με θερμοκρασία που φθάνει στους 50οC και αλκαλικότητα που αγγίζει υψηλά επίπεδα pH περίπου 12, αρκετά ισχυρή για να προκαλέσει εγκαύματα στο δέρμα. Η υψηλή αλκαλικότητα των λιμνών οφείλεται στις υψηλές συγκεντρώσεις αλκαλιμετάλων από θερμές πηγές, σε συνδυασμό με τον υψηλό βαθμό εξάτμισης λόγω υψηλών θερμοκρασιών. Ο χαρακτηριστικός κόκκινος χρωματισμός της λίμνης Νατρόν οφείλεται στις χρωστικές ουσίες που παράγονται από φύκια που ευδοκιμούν στο αλκαλικό της περιβάλλον.
Και η συνέχεια με τα αλμυρά: Η λίμνη Δον Χουάν στην κοιλάδα Ράιτ της Ανταρκτικής έχει τόσο υψηλή περιεκτικότητα σε αλάτι που παραμένει υγρή ακόμη και σε θερμοκρασίες -53 οC. (Σημ. Το αλάτι είναι γνωστό ότι δημιουργεί διαλυόμενο σε νερό αντιπηκτικό μείγμα) Στα αλμυρότερα σημεία της η περιεκτικότητα σε αλάτι αγγίζει το 40,2%. Για να έχετε ένα μέτρο σχετικό με το τι αντιπροσωπεύει το νούμερο αυτό, συγκρίνετέ το με το 23,1% της Νεκράς Θάλασσας και το 3,38% που είναι ο μέσος όρος στις θάλασσες του κόσμου.
Αλλά, και το πλέον παράδοξο και ακραίο αμυντικό σύστημα που περιγράφεται στη συνέχεια, έχει χημική προέλευση. Το σκαθάρι “βομβαρδιστής” (genus Brachinus) αποθηκεύει σε ειδικό θάλαμο στην κοιλιά του δύο ακίνδυνα χημικά. Όταν απειλείται, οι ουσίες απελευθερώνονται σε ένα δεύτερο θάλαμο όπου αναμειγνύονται με ένα ένζυμο προκαλώντας βίαιη εξώθερμη αντίδραση και την απελευθέρωση μεγάλης ποσότητας θερμότητας (αέρια μέχρι 100 οC) από τον πρωκτό του. …Αυτό κι αν φυλάει τα νώτα του!
Από τα ρεκόρ που αναφέρθηκαν, άλλα δημιούργησε ο επίμονος άνθρωπος και άλλα η παντοδύναμη Φύση. Ο πρώτος, ελάχιστος ως προς τη δεύτερη. Αλλά δημιουργικός, εγκεφαλικός, φιλόδοξος, ενίοτε και αυτοκαταστροφικός, δεν σταματά αιώνες τώρα να κυνηγά το αδύνατο και ορισμένες φορές να το συναντά. Όταν φθάνει στα άκρα. Πιθανόν αυτό το κυνήγι να μην έχει τέλος και τα άκρα συνέχεια να διευρύνονται.. Καλό άραγε αυτό; Μεγάλο το ερώτημα, δύσκολη η απάντηση….
Τιμητική αναφορά στο στοιχείο της ενότητας U (Uranium – Ουράνιο): Το ουράνιο είναι στοιχείο βαρύ, αργυρόλευκο, τοξικό, με μεταλλική λάμψη. Είναι ραδιενεργό και αναφλέγεται εύκολα σε λεπτό διαμερισμό δημιουργώντας κίνδυνο πυρκαγιάς γι αυτό και χρησιμοποιείται απεμπλουτισμένο σε εμπρηστικά βλήματα . Το ουράνιο βρίσκεται συνήθως σε μικρές ποσότητες στα πετρώματα, στο χώμα, στο νερό, και σε ίχνη στα φυτά και στα ζώα (συμπεριλαμβανομένου και του ανθρώπου). Κύρια χρήση του είναι η ελεγχόμενη διάσπασή του 235U σε εργοστάσια παραγωγής ενέργειας (γι’ αυτό και αποκαλείται “καύσιμο”, χωρίς, φυσικά, να καίγεται) σε ειδικές εγκαταστάσεις, τους πυρηνικούς αντιδραστήρες. Σε μη ελεγχόμενη διάσπαση (ελεύθερη διάσπαση) απελευθερώνει πολύ μεγάλα ποσά ενέργειας σε πολύ μικρό χρόνο και χρησιμοποιήθηκε στην κατασκευή της ατομικής βόμβας ουρανίου.
ΠΗΓΕΣ
- Guinness Book of Records.
- Hans-Jürgen Quadbeck-Seeger και άλλοι “World records in Chemistry”, αγγλική έκδοση Wiley-VCH (1999).
- www.chemview.gr (Τα ρεκόρ της Χημείας)