«Έγιναν απλά τα σύνθετα τα λόγια
όνειρα μισά κρυμμένα στα υπόγεια»

Δημήτρης Καλογήρου

Ο αμύητος στον κόσμο της Χημείας συχνά θεωρεί ότι τα φαινόμενα που συμβαίνουν γύρω του, όπως η καύση ενός απλού σώματος, ή η κατασκευή ενός ευτελούς αντικειμένου π.χ. ενός σπίρτου, δεν αποτελούν διαδικασίες σύνθετες και ολοκληρώνονται σε ελάχιστα βήματα. Η αντίληψη όμως αυτή είναι απόλυτα λανθασμένη. Ας πάρουμε σαν πρώτο παράδειγμα    την πλήρη καύση του μεθανίου (CH₄)  που είναι από τις αντιδράσεις εκείνες που θεωρούνται αντικειμενικά «απλές». Όσοι αναγνώστες έχουν στοιχειώδεις γνώσεις σχολικής χημείας είναι σε θέση να γράψουν την χημική εξίσωση που αποδίδει την καύση αυτή και συγκεκριμένα:

CH₄  +  2O₂  →  CO₂  +  2 H₂O

Ακόμη και έμπειροι χημικοί θεωρούν ότι η συγκεκριμένη καύση αν δεν είναι τυπικά απλή αντίδραση , δηλαδή που ολοκληρώνεται σε ένα και μοναδικό στάδιο , λογικά θα πρέπει να αποτελείται από δύο , το πολύ τρία στάδια. Αποτέλεσε και για μένα μεγάλη έκπληξη όταν διάβασα ότι η συγκεκριμένη καύση, περιλαμβάνει δέκα (!) ενδιάμεσες αντιδράσεις κατά τις οποίες σχηματίζονται ασταθή σώματα (ρίζες) με τελικά σταθερά προϊόντα το διοξείδιο του άνθρακα και το νερό! Στην εναρκτήρια αντίδραση το μοριακό οξυγόνο (Ο₂) δεσμεύει ένα άτομο οξυγόνου από το μεθάνιο και σχηματίζει τη ρίζα ΗΟ₂, η οποία στη συνέχεια διασπάται σε υδροξύλιο (ΟΗ) και δραστικό ατομικό οξυγόνο (Ο). Το γαλάζιο της φλόγας του μεθανίου οφείλεται στην ακτινοβολία που παράγεται κατά την διέγερση  και αποδιέγερση ενός ηλεκτρονίου  σε κάποια «ιδιόρρυθμα» μόρια όπως του C₂  και της ρίζας CH.⁽¹⁾

Υπάρχουν βιοχημικοί  κύκλοι , κατά τους οποίους για να αποικοδομηθεί μια σύνθετη ένωση σε απλά συστατικά απαιτείται ικανός αριθμός διαδοχικών σταδίων. Η διάσπαση του κιτρικού οξέος στα κύτταρα αποτελεί την τελική μόνο φάση της αποικοδόμησης υδατανθράκων , λιπών και αμινοξέων που προσλαμβάνονται από τους οργανισμούς με την διατροφή. Η  διάσπαση αυτή που είναι γνωστή και σαν κύκλος του Krebs παράγει ενέργεια ,    διοξείδιο του άνθρακα και οξαλικό οξύ  και αποτελείται από 8 οκτώ διαδοχικά στάδια.⁽²⁾

Αξίζει να ρίξουμε μια σύντομη ματιά  στην παρασκευή ενός  απλού και φθηνού  βιομηχανικού προϊόντος,  όπως το σπίρτο. Αν και οι περισσότεροι χρησιμοποιούν πλέον για το άναμμα φλόγας τους μικρούς αναπτήρες υγραερίου, όλοι σε κάποιες περιπτώσεις τρίψαμε την επικαλυμμένη χρωματιστή  άκρη του μικρού σπίρτου για να δούμε την λαμπρή φλόγα και να μυρίσουμε την «όξινη» μυρωδιά της. Το ταπεινό   σπίρτο είναι ένα άριστο παράδειγμα για να αντιληφθεί κανείς πώς λειτουργεί η Χημεία σαν επιστήμη εφαρμογών. Το απλό σπίρτο που ανάψατε δεν είναι τελικά τόσο απλό όσο ίσως  πιστεύετε, διότι περιέχει  συνήθως 20 διαφορετικά συστατικά!  Ας αρχίσουμε αναφέροντας τα βασικά.

Για να ανάψει φέρει στην άκρη του ένα μείγμα από χλωρικό κάλιο, θειάφι και ζελατίνα. Το χλωρικό κάλιο θα ελευθερώσει οξυγόνο (Γι αυτό και η φλόγα αρχικά είναι πολύ λαμπρή), που θα κάψει το θείο και θα δημιουργήσει τη φλόγα. Η ζελατίνα αποτελεί την συγκολλητική ύλη. Ναι αλλά για την ανάφλεξή τους χρειάζονται τα σπίρτα ειδική επιφάνεια. Η επιφάνεια αυτή αποτελείται από ένα άλλο μείγμα διοξειδίου του μαγγανίου (πυρολουσίτη), σκόνης γυαλιού και ακίνδυνου ερυθρού φωσφόρου. Με την τριβή αποσπώνται από την τραχεία επιφάνεια μικρά κομμάτια φωσφόρου που αντιδρούν βίαια με το χλωρικό κάλιο προκαλώντας την αρχική «έκρηξη» και την μητρική φλόγα θερμοκρασίας 2000 ^oC. Η φλόγα αυτή καίει τελικά το θείο και στη συνέχεια μεταδίδεται στο ξυλαράκι .  Αν όμως προσπαθήσετε να κάψετε ένα ξυλαράκι, σαν αυτό που χρησιμοποιούν για τα καλαμάκια στα σουβλάκια, θα διαπιστώσετε ότι η φλόγα δεν μεταδίδεται εφόσον το κρατάτε σε όρθια θέση. Άρα κάτι πρέπει να σκεφτεί ο χημικός για να διευκολύνει την μετάδοση της φλόγας και αυτό λέγεται παραφίνη! Για να μην διατηρείται η κάφτρα αναμμένη για πολύ χρόνο όπως συμβαίνει στα κάρβουνα , προσθέτει και λίγο αμμωνιακό λίπασμα (!) δηλαδή φωσφορικό αμμώνιο. Η κεφαλή του σπίρτου «φιλοξενεί» δύο ακόμη οξειδωτικά. Το διχρωμικό κάλιο για να ελαττωθεί η ταχύτητα ανάφλεξης και τον πυρολουσίτη που παίζει το ρόλο καταλύτη, στο όλο φαινόμενο. Επειδή όμως η κεφαλή είναι αρκετά συμπαγής ενώ εμείς την θέλουμε πορώδη για την καλλίτερη μετάδοση της φλόγας, προσθέτουμε και γη διατόμων ένα λεπτοκοκκώδες υλικό που αποτελείται από διοξείδιο του πυριτίου και σκελετούς θαλάσσιων οργανισμών.⁽³⁾

Και αφού οι άνεμοι της χημείας μας έφεραν στα τόσο απλά μα και τόσο σύνθετα σπίρτα, είναι ευκαιρία να διανθίσουμε το θέμα με ορισμένες ενδιαφέρουσες – θεωρώ – λεπτομέρειες. Τα πρώτα «πυρεία τριβής»  εφευρέθηκαν από τον βρετανό φαρμακοποιό Τζον Ουόκερ (John Wolker) μετά από μια τυχαία συγκυρία, συνηθισμένη ιστορία στο χορό των ανακαλύψεων όπως πιθανότατα γνωρίζετε. Συγκεκριμένα ο κύριος Ουόκερ πάτησε κατά λάθος μικρή ποσότητα του εύφλεκτου υλικού του, που αποτελείτο από χλωρικό κάλιο και θειούχο αντιμόνιο που είχε πέσει στο πάτωμα προκαλώντας την έκρηξη και ανάφλεξή του. Το «ατυχές» αυτό περιστατικό του έδωσε εκτός από την αρχική τρομάρα, την ιδέα να επικαλύψει το μείγμα με αδρανές υλικό εφοδιάζοντας το κουτί των σπίρτων και με ένα μικρό κομμάτι γυαλόχαρτου. Τα υπόλοιπα ήταν θέμα τριβής και θερμότητας.  Μόνο που ο  ευφυής φαρμακοποιός αποδείχθηκε κακός επιχειρηματίας, μιας και δεν φρόντισε να κατοχυρώσει την εφεύρεσή του. Έτσι, τρία χρόνια αργότερα, ένας ανταγωνιστής του ο Σάμιουελ Τζόουνς σφετερίζεται την ιδέα και λανσάρει στο εμπόριο σπίρτα με το ευφάνταστο εμπορικό όνομα «ΛΟΥΣΙΦΕΡ» που παραπέμπει στον έκπτωτο άγγελο τον εωσφόρο! Ο Εωσφόρος απέφερε τελικά σημαντικά κέρδη

στον κύριο Τζόουνς. ⁽⁴⁾

Τα σπίρτα ανέβηκαν επίπεδο με την προσθήκη λευκού φωσφόρου , ενός δραστικού αμέταλλου, που αναφλέγεται όταν απλά και μόνο έλθει σε επαφή με τον αέρα. Και στην περίπτωση αυτή το προστατευτικό επικάλυμμα καταστρέφεται με την τριβή του σπίρτου, οπότε ο φώσφορος αναφλέγεται αντιδρώντας με το οξυγόνο του αέρα. Αυτό το ιδιαίτερο που θα σας εκπλήξει είναι ότι τα ποντίκια έδειχναν μια ιδιαίτερη προτίμηση στον φώσφορο προκαλώντας συχνές πυρκαγιές στις αποθήκες σπίρτων. Ένα ακόμη ενδιαφέρον στοιχείο στην ιστορία των σπίρτων είναι ο λόγος της αντικατάστασης του λευκού από ερυθρό φώσφορο. Ο λευκός φώσφορος είναι τοξικό στοιχείο με δηλητηριώδη δόση για ενήλικο περίπου 0,1 γραμμάριο, δηλαδή σχεδόν όση υπάρχει σε ένα κουτί σπίρτων. Την εποχή εκείνη αυξήθηκαν σημαντικά οι αυτοκτονίες ανθρώπων που έτρωγαν τις σπιρτοκεφαλές προκαλώντας στον οργανισμό τους οξύτατη ηπατική ανεπάρκεια. Αλλά ακόμη και αν η δόση που έπαιρναν δεν  οδηγούσε στον θάνατο, προκαλούσε μια φρικτή νόσο γνωστή σαν φωσφορική νέκρωση γνάθου. Τα συμπτώματα της νόσου ξεκινούσαν με αποστήματα στα ούλα και απώλεια δοντιών για να καταλήξουν σε καταστροφή του οστού της γνάθου και δυσώδη πυόρροια. Η νόσος ήταν τόσο φοβερή ώστε σύμφωνα με τα αποτελέσματα μελέτης του 1858 οι μισοί από τους ασθενείς αυτοκτονούσαν. Κάπως έτσι καθιερώθηκε στα σπίρτα ο ερυθρός φωσφόρος.⁽⁴⁾ Κλείνοντας  την παρένθεση με τις ιστορικές αυτές αναφορές στα σπίρτα  να τονίσουμε ότι ο  δρόμος του Χημικού   αρχίζει με το «τι θέλω;» , συνεχίζει με το «πώς θα το πετύχω;», περνάει από το «τι πρόβλημα δημιουργήθηκε εν τω μεταξύ;» και συνεχίζει με το «πώς θα αντιμετωπίσω το νέο αυτό πρόβλημα;». Και  πάλι από την αρχή τον δρόμο  με νέες δοκιμές. Επίπονο αλλά αναγκαίο!

Συμπέρασμα: Μήπως τελικά, τα πράγματα δεν είναι πάντα τόσο απλά όσο φαίνονται;

 (Το άρθρο είναι από το βιβλίο “ΑΠΟ ΜΙΚΡΟΣ ΜΙΣΟΥΣΑ ΤΗ ΧΗΜΕΙΑ – Η ΧΗΜΕΙΑ ΑΛΛΙΩΣ” του Τζιανουδάκη Λεωνίδα, εκδόσεις Carpe librum, Αθήνα 2025, και επιτρέπω την διδακτική αξιοποίησή του.) 

Τιμητική αναφορά στο στοιχείο της ενότητας P (phosphorus – Φώσφορος):

Ο φώσφορος είναι αμέταλλο που συναντάται σε δύο κυρίως αλλοτροπικές μορφές , τον λευκό και τον ερυθρό. Είναι πολύ δραστικό στοιχείο γι αυτό και δεν υπάρχει ελεύθερο στη φύση.  Υπάρχει με την μορφή φωσφορικών ορυκτών και πετρωμάτων. Στα οστά και κυρίως στα δόντια βρίσκεται σε μεγάλες ποσότητες με την μορφή χημικών ενώσεων φυσικά.

Ανακαλύφθηκε τυχαία το 1669 από τον αλχημιστή Hennig Brand  όταν στην προσπάθειά του  να παράξει χρυσό με απόσταξη ούρων (!) είδε με δέος στη φιάλη απόσταξης να λούζεται από ένα λαμπρό φως, το οποίο ονόμασε «ψυχρό πυρ». Μετά από πολλά χρόνια αποδείχθηκε ότι το φως οφείλονταν σε ένα  νέο θαυμαστό στοιχείο που απομονώθηκε και του δόθηκε η ονομασία «φωσφόρος».

Ο λευκός φώσφορος επειδή οξειδώνεται ταχύτατα στον αέρα και μάλιστα με ανάφλεξη διατηρείται σε φιάλες με νερό.  Επειδή κατά την καύση του ελευθερώνονται πυκνοί καπνοί χρησιμοποιήθηκε σε εμπρηστικές βόμβες και σε καπνογόνα. Αποτελεί από τα πλέον σημαντικά στοιχεία στην θρέψη των φυτών, και στους βιολογικούς κύκλους στα κύτταρα. ⁽⁵⁾

ΠΑΡΑΠΟΜΠΕΣ

1. Βάρβογλη Αναστασίου, Χημείας απόσταγμα, εκδ. τροχαλία
2. Wikipedia, διαδικτυακή εγκυκλοπαίδεια.
3. Chemview, Ιστοχώρος Χημείας.
4. Ρεμπέκα Ρουπ, «τα τέσσερα στοιχεία» εκδ. αβγο
5. Paul Strathern, Το όνειρο του Μεντελέγιεφ, εκδ. Τραυλός.