Μόνο το 1% των χημικών ενώσεων έχει ανακαλυφθεί

Disclaimer: Απαγορεύεται η αναδημοσίευση, αναπαραγωγή, ολική, μερική ή περιληπτική ή κατά παράφραση ή διασκευή ή απόδοση του περιεχομένου του παρόντος διαδικτυακού τόπου με οποιονδήποτε τρόπο, χωρίς αναφορά στο RAWMATHUB.GR (με ενεργό link) ή χωρίς την προηγούμενη γραπτή άδεια του RAWMATHUB.GR. 

Αυτό που πρέπει να ξεκαθαριστεί για το ελάχιστο ποσοστό των χημικών ουσιών που γνωρίζουμε, είναι ότι δεν οφίλεται στο ότι οι χημικοί δεν είναι περίεργοι. Από τη στιγμή που ο Ρώσος χημικός Dmitri Mendeleev κατάρτισε τον περιοδικό πίνακα των στοιχείων το 1869, ο οποίος αποτελεί ουσιαστικά την εργαλειοθήκη ενός χημικού, οι επιστήμονες ανακάλυψαν τις χημικές ουσίες που βοήθησαν στη μορφοποίηση του σύγχρονου κόσμου. Χρειαζόμασταν την πυρηνική σύντηξη για να φτιάξουμε τα τελευταία, τεχνητά, στοιχεία του περιοδικού πίνακα. Με αυτό τον τρόπο παρήχθηκε το 2010 το τενέσιο (tennessine), το στοιχείο 117 του περιοδικού πίνακα.

Για να γίνει κατανοητή η πλήρης κλίμακα του χημικού σύμπαντος, πρέπει να κατανοηθούν οι χημικές ενώσεις. Μερικές εμφανίζονται φυσικά, για παράδειγμα το νερό, το οποίο αποτελείται από υδρογόνο και οξυγόνο. Άλλες, όπως π.χ. το nylon, ανακαλύφθηκαν σε εργαστηριακά πειράματα και παράγονται βιομηχανικά.

Τα χημικά στοιχεία αποτελούνται από άτομα και τα άτομα αποτελούνται από ακόμη μικρότερα στοιχειώδη σωματίδια, συμπεριλαμβανομένων των ηλεκτρονίων και των πρωτονίων. Όλες οι χημικές ενώσεις αποτελούνται από δύο ή περισσότερα άτομα. Αν και είναι πιθανό να υπάρχουν άγνωστα στοιχεία που αναμένουν την ανακάλυψη τους, η πιθανότητα είναι πολύ μικρή. Συνεπώς, πόσες χημικές ενώσεις μπορούμε να φτιάξουμε με τα 118 διαφορετικά στοιχεία που γνωρίζουμε αυτή τη στιγμή;

Μπορούμε να ξεκινήσουμε φτιάχνοντας όλες τις ενώσεις που περιέχουν δύο άτομα. Υπάρχουν πολλά από αυτά: Ν₂ (άζωτο) και Ο₂ (οξυγόνο) μαζί αποτελούν το 99% του αέρα γύρω μας. Πιθανώς, ένας χημικός θα χρειαζόταν περίπου ένα χρόνο για να φτιάξει μια διατομική ένωση και υπάρχουν 6.903 ενώσεις δύο ατόμων στη θεωρία. Άρα σχεδόν το σύνολο των χημικών στην Ευρώπη θα πρέπει να εργάζονται για ένα χρόνο, αποκλειστικά και μόνο για να φτιάξουν κάθε δυνατή ένωση δύο ατόμων.

Υπάρχουν περίπου 1,6 εκατομμύρια ενώσεις τριών ατόμων, όπως το H₂0 (νερό) και το CO₂ (διοξείδιο του άνθρακα), που είναι ο πληθυσμός του Μπέρμιγχαμ και του Εδιμβούργου μαζί. Μόλις φτάσουμε σε ενώσεις τεσσάρων και πέντε ατόμων, θα χρειαζόμασταν όλο τον πληθυσμό της Γης, όπου ο καθένας θα εργαζόταν πάνω σε τρεις πιθανές ενώσεις. Και για να κατασκευάσουμε όλες αυτές οι χημικές ενώσεις, θα χρειαζόταν επίσης να ανακυκλώσουμε όλα τα υλικά στο σύμπαν πολλές φορές.

Αλλά αυτό είναι μια απλοποίηση, φυσικά. Πράγματα όπως η δομή μιας ένωσης και η σταθερότητα της μπορεί να την κάνουν πιο περίπλοκη και δύσκολη στην κατασκευή της.

Η μεγαλύτερη χημική ένωση που έχει παραχθεί, κατασκευάστηκε το 2009 και έχει σχεδόν 3 εκατομμύρια άτομα. Δεν είμαστε σίγουροι τι κάνει ακόμα, αλλά παρόμοιες ενώσεις χρησιμοποιούνται για την προστασία των αντικαρκινικών φαρμάκων στο σώμα μέχρι να φτάσουν στο σωστό μέρος.

Όμως, εδώ υπεισέρχονται οι κανόνες της χημείας!

Είναι αλήθεια ότι υπάρχουν κανόνες που διέπουν τις χημικές ενώσεις, αλλά είναι κάπως ευέλικτοι, γεγονός που δημιουργεί περισσότερες, δυνητικά, χημικές ενώσεις. Ακόμα και τα «μοναχικά» ευγενή αέρια (συμπεριλαμβανομένου του νέον, του αργού, του ξένον και του ηλίου), που τείνουν να αποφεύγουν τη δημιουργία χημικών δεσμών, μερικές φορές σχηματίζουν ενώσεις.

Για παράδειγμα το υδρίδιο του αργού (ArH+) δεν απαντάται φυσικά στη Γη, αλλά έχει βρεθεί στο διάστημα. Οι επιστήμονες κατάφεραν να φτιάξουν συνθετικές εκδόσεις της ένωσης σε εργαστήρια που αναπαράγουν τις συνθήκες του βαθέως διαστήματος. Έτσι, εάν συμπεριλάβετε ακραία περιβάλλοντα στους υπολογισμούς σας, ο αριθμός των πιθανών ενώσεων αυξάνεται.

Ο άνθρακας συνήθως αρέσκεται στο να συνδέεται με ένα έως τέσσερα άλλα άτομα, αλλά πολύ περιστασιακά, για μικρά χρονικά διαστήματα, και πέντε άτομα αποτελούν μία πιθανότητα. Φανταστείτε ένα λεωφορείο με μέγιστη χωρητικότητα τεσσάρων. Το λεωφορείο είναι στη στάση και ο κόσμος ανεβοκατεβαίνει. Ενώ οι άνθρωποι μετακινούνται, για λίγο, μπορείτε να έχετε περισσότερα από τέσσερα άτομα στην πραγματικότητα στο λεωφορείο.

Μερικοί χημικοί περνούν όλη την ερυνεητική τους διαδρομή προσπαθώντας να φτιάξουν ενώσεις που, σύμφωνα με το εγχειρίδιο κανόνων της χημείας, δε θα έπρεπε να υπάρχουν. Και μερικές φορές το επιτυγχάνουν.

Ένα άλλο ερώτημα το οποίο πρέπει να αντιμετωπίσουν οι επιστήμονες είναι εάν η ένωση που επιζητούν, μπορεί να υπάρχει μόνο στο διάστημα ή σε ακραία περιβάλλοντα. Σκεφτείτε, για παράδειγμα, την τεράστια θερμότητα και πίεση που απαντώνται στις υδροθερμικές πηγές, ένα είδος θερμοπίδακα στον πυθμένα του ωκεανού.

Συχνά η απάντηση είναι η αναζήτηση νέων ενώσεων που σχετίζονται με εκείνες που είναι ήδη γνωστές. Υπάρχουν δύο βασικοί τρόποι για να γίνει αυτό. Κάποιος παίρνει μια γνωστή ένωση και την αλλάζει λίγο, προσθέτοντας, διαγράφοντας ή ανταλλάσσοντας μερικά άτομα. Ένας άλλος τρόπος είναι η λήψη μιας γνωστής χημικής αντίδρασης και η χρήση νέων πρώτων υλών. Αυτό συμβαίνει όταν η μέθοδος παραγωγής είναι η ίδια, αλλά τα προϊόντα μπορεί να είναι αρκετά διαφορετικά. Και οι δύο αυτές μέθοδοι είναι τρόποι αναζήτησης «γνωστών-αγνώστων» παραμέτρων.

Επιστρέφοντας στον περιοδικό πίνακα, είναι σαν να φτιάχνεις ένα σπίτι, μετά ένα ελαφρώς διαφορετικό σπίτι ή να αγοράζεις νέα τούβλα και να προσθέτεις έναν δεύτερο όροφο. Πολλοί χημικοί ξοδεύουν όλοι τους την καριέρα εξερευνώντας ένα από αυτά τα χημικά σπίτια. Αλλά πώς θα αναζητούσαμε πραγματικά νέα χημεία, δηλαδή χημικές ενώσεις που δεν φανταζόμαστε καν ότι υπάρχουν;

Ένας τρόπος με τον οποίο οι χημικοί μαθαίνουν για τις νέες άγνωστες ενώσεις είναι η εξέταση του φυσικού κόσμου. Η πενικιλίνη βρέθηκε με αυτόν τον τρόπο το 1928, όταν ο Alexander Fleming παρατήρησε ότι η μούχλα σε τριβλία Petri εμπόδιζε την ανάπτυξη βακτηρίων.

Πάνω από μια δεκαετία αργότερα, το 1939, ο Howard Florey επεξεργάστηκε πώς να καλλιεργήσει πενικιλίνη σε μεγαλύτερη ποσότητα, χρησιμοποιώντας επίσης μούχλα. Αλλά χρειάστηκε ακόμη περισσότερο, μέχρι το 1945, και την Dorothy Crowfoot Hodgkin για τον προσδιορισμό της χημικής δομής της πενικιλίνης.

Αυτό ήταν σημαντικό επειδή μέρος της δομής της πενικιλίνης περιέχει άτομα διατεταγμένα σε ένα τετράγωνο, η οποία είναι μια ασυνήθιστη χημική διάταξη που λίγοι χημικοί θα φαντάζονταν και είναι δύσκολο να κατασκευαστεί. Η κατανόηση της δομής της πενικιλίνης σήμαινε ότι ξέραμε πώς έμοιαζε. Ωστόσο, εάν είστε αλλεργικοί στην πενικιλίνη και χρειάζεστε ένα εναλλακτικό αντιβιοτικό, πρέπει να ευχαριστήσετε την Crowfoot Hodgkin.

Σήμερα, είναι πολύ πιο εύκολο να προσδιοριστεί η δομή των νέων ενώσεων. Η τεχνική ακτίνων Χ που εφηύρε η Crowfoot Hodgkin στην έρευνα της για τον εντοπισμό της δομής της πενικιλίνης, εξακολουθεί να χρησιμοποιείται παγκοσμίως για τη μελέτη ενώσεων. Και η ίδια τεχνική μαγνητικής τομογραφίας που χρησιμοποιούν τα νοσοκομεία για τη διάγνωση νόσων, μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί για τη μελέτη της δομής χημικών ενώσεων.

Αλλά ακόμα κι αν ένας χημικός μάντευε μια εντελώς νέα δομή που δε σχετίζεται με καμία ένωση που είναι γνωστή στη Γη, θα έπρεπε να την φτιάξει, το οποίο συνήθως είναι και το στάδιο με τη μεγαλύτερη δυσκολία. Το να καταλάβετε ότι μια χημική ένωση μπορεί να υπάρχει, αυτό σαν πληροφορία δε σας λέει πώς είναι δομημένη ή ποιες συνθήκες χρειάζονται για να την φτιάξετε.

Για πολλές χρήσιμες ενώσεις, όπως η πενικιλλίνη, είναι ευκολότερο και φθηνότερο να «αναπτυχθούν» και να εξαχθούν από μούχλα, φυτά ή έντομα. Έτσι, οι επιστήμονες που αναζητούν νέα χημεία εξακολουθούν να αναζητούν συχνά έμπνευση στις πιο μικρές γωνιές του κόσμου γύρω μας.

Με πληροφορίες από theconversation.com

ΜΕΤΑΦΡΑΣΗ - ΕΠΙΜΕΛΕΙΑ: ΣΥΝΤΑΚΤΙΚΗ ΟΜΑΔΑ RAWMATHUB.GR