Bum! Wszystko, co musisz wiedzieć o chemii, żeby przeżyć kolejny dzień - ebook

W 1779 roku w warszawskiej karczmie Ostatni Grosz, położonej opodal ogrodu Łazienkowskiego, zamieszkał sprowadzony przez króla Poniatowskiego przybysz z Wiednia. Nazywał się Ferdynand Ludwik Harrsch i obiecał monarsze rozwiązanie problemów gospodarczych upadającej Rzeczypospolitej przez uruchomienie produkcji kamienia filozoficznego z „namułu wiślanego” – zdaniem Harrscha ten z okolic Otwocka wyjątkowo dobrze się do tego nadawał – a także wykorzystanie owego kamienia do wytwarzania srebra, by od razu można było bić groszowe monety.

Za obietnicę produkcji srebra Harrsch zażądał hojnego wynagrodzenia w wysokości 200 złotych dukatów miesięcznie. Król nie tylko spełnił to żądanie, lecz także nagrodził Austriaka Orderem św. Stanisława i kluczem szambelańskim.

Harrsch żył więc w Warszawie po szambelańsku. Niestety, jak się wkrótce okazało w wyniku dogłębnych badań nad namułem wiślanym, materiał ten nie nadawał się jednak do produkcji kamienia filozoficznego. Za to Austriak zdążył sprzedać monarsze za 2600 dukatów przepis na produkcję stali.

Tego było już za wiele dla Stanisława Okraszewskiego, autora pierwszego polskiego podręcznika chemii. Badacz zaalarmował monarchę, że ma do czynienia z oszustem, bo recepta na stal warta jest najwyżej 100 dukatów. Król dał się chyba w końcu przekonać, Harrsch bowiem musiał uciekać w takim pośpiechu, że zostawił w karczmie order i klucz.

Nie był to pierwszy alchemik, który oszukał naszego biednego króla Stasia, ale przynajmniej już ostatni. Tyle z tego dobrego, że Okraszewski stał się niejako pierwszym zawodowym nauczycielem chemii w Polsce.

Przez następne lata zajmował się edukowaniem króla, że chemia potrafi przemieniać rudę żelaza w stal, ale nie potrafi przemieniać ołowiu w srebro. Dla współczesnego człowieka jest to rzecz oczywista, ale nie była taka 250 lat temu.

Właściwie dlaczego jedno jest możliwe, a drugie nie? Jeśli na chwilę zapomnimy o współczesnej wiedzy, a zastosujemy tak zwany zdrowy rozum – wzorem jutubowego mędrca, który „mówi, jak jest” – to w jednym przypadku mamy ogromną przemianę rdzawej grudki ziemi w połyskujący metal, a w drugiej zmianę jednego metalu w inny, choć w gruncie rzeczy bardzo podobny.

Skoro złoto różni się od innych metali głównie barwą i odpornością na korozję, to chyba nie powinno być wielką sztuką, żeby dodać do ołowiu jakiś barwnik i coś zwiększającego odporność, by otrzymać sztuczne złoto? Dodajmy na przykład siarkę, w końcu jest żółta!

Chemicy mówią, że to niemożliwe? Ale przecież pozyskanie stali jest możliwe – a ci sami chemicy mówią, że zwykłe żelazo możemy zmienić w stal przez dodanie do niego innych substancji, na przykład węgla. To węgiel do żelaza można dodać, a siarki do ołowiu nie? Kto da się na to nabrać? Czemu chemicy tak kręcą? Co chcą ukryć? Do licha, naprawdę powinienem nagrywać takie rzeczy na YouTubie, żeby mieć jakieś finansowe zabezpieczenie na stare lata.

W tej książce postaram się na takie (i podobne) pytania odpowiedzieć na serio, tak jak imć Okraszewski próbował wytłumaczyć zawiłości chemii Jego Królewskiej Mości. Król zresztą chyba nigdy do końca nie dał się przekonać, bo w jego otoczeniu ciągle krążyli oszuści obiecujący mu sztuczne złoto – jak niejaki Giuseppe Balsamo vel Cagliostro.

Jeśli więc te pałacowe wykłady uznamy za początek polskiego nauczania chemii, to być może Stanisław II August zapoczątkował inną tradycję. Był pierwszy w długim korowodzie uczniów znudzonych, uczniów nienadążających za nauczycielem, uczniów odpływających myślami gdzieś daleko, byle jak najdalej od tej najnudniejszej lekcji dnia.

Bądźmy szczerzy, droga czytelniczko, szanowny czytelniku, niebinarna osobo czytelnicza. Wszyscy kontynuowaliśmy tę tradycję. Szkolnej chemii prawie nikt nie lubi, nawet osoby wybierające później związany z nią kierunek studiów.

W swojej fantazji widzę króla Stasia, jak zadaje Okraszewskiemu pytanie, które nauczyciel chemii słyszy niemal na każdej lekcji: „A kiedy mi się to przyda w życiu?”. Oczywiście sformułowane z monarszym dostojeństwem: „A kiedy nam się to przyda w rządzeniu krajem?”.

Odpowiedź dla Poniatowskiego byłaby wbrew pozorom taka sama jak dzisiaj dla zwykłego Kowalskiego: Wasza Wysokość, zapewne nigdy sam próbki prażyć nie będziesz, jako też masy molowej rachować ani też innych rektyfikacyj uskuteczniać. Będą cię jednak nawiedzać rozmaici szarlatani chcący wyłudzać twoje dukaty, obiecujący cudowne leki i magiczne receptury, co to sztucznym złotem będą cię mamić, żeby rzeczywiste złoto wyciągnąć ci z pugilaresu. Jedyny sposób, by się przed nimi uchronić, to poznać wiedzę chymików.

Nie da się jednak ukryć, że na tym tle szkolna biologia, fizyka czy matematyka prezentują się jakby atrakcyjniej. Ich nauczycielom łatwiej udzielić konkretnych odpowiedzi na pytania: „Kiedy mi się to przyda w życiu?”.

Weźmy twierdzenie Pitagorasa – że suma kwadratów długości przyprostokątnych równa jest kwadratowi długości przeciwprostokątnej. Brzmi abstrakcyjnie, ale przydaje się, gdy chcemy sobie odpowiedzieć na pytania typu: „Czy jeśli mam w regale wnękę o szerokości metra, to zmieści mi się tam typowy 42-calowy telewizor?”. Teoretycznie odpowiedź można znaleźć w internecie. Ale po pierwsze, będzie dotyczyć tylko typowych przypadków, a prędzej czy później każdy zetknie się w życiu z jakimś nietypowym (nie ma niczego bardziej nietypowego od stuprocentowej typowości!).

A po drugie, w internecie znajdziemy też odpowiedzi błędne, na pierwszy rzut oka wyglądające na poprawne. Gdy to piszę (w 2024 roku), mamy w sieci inwazję śmieciowych treści generowanych przez sztuczną inteligencję – i chwilowo nikt nie wie, jak to powstrzymać.

Sztuczna inteligencja, gdy czegoś nie umie, zmyśla jak nieprzygotowany uczeń, który na klasówce ściemnia, licząc, że doda mu to chociaż pół punktu do oceny. Bez wiedzy szkolnej nie odróżnimy prawdy od fałszu, więc wrócimy do problemu króla Stasia, ale zwielokrotnionego: w internecie co chwila wciskają nam brednie za grube dukaty.

O ile szkolne matematyka czy fizyka przekazują nam wiedzę, która od razu ma gotowe praktyczne zastosowanie, o tyle z chemią tak nie jest. W codziennym życiu używamy centymetrów, kilowatów, herców i decybeli – moli i współczynników stechiometrycznych jednak raczej nie.

Szkolna chemia przekazuje głównie wiedzę negatywną. Dowiadujemy się, że nie może istnieć kamień filozoficzny i że atom węgla może się połączyć z czterema atomami wodoru, ale z siedmioma czy dziewięcioma już nie. Pytanie: „Kiedy mi się to przyda w życiu?” jest właściwie całkiem zasadne.

Będę do niego wracać w tej książce jeszcze wielokrotnie, ale te wstępne rozważania zakończę, wyrażając swoją miłosną deklarację do chemii. Czemu czuję chemię (metaforyczną) do chemii (dosłownej), choć zgadzam się, że to najnudniejszy przedmiot w szkole?

Moja miłość do chemii jest pochodną mojej miłości do Nauki. Uważam Naukę całkiem serio za najcenniejsze, co wymyśliła nasza cywilizacja. Osiągnięcia Newtona, Einsteina i Skłodowskiej-Curie w moich oczach przebijają dokonania Mozarta, Szekspira i sióstr Brontë (razem wziętych).

Nie chodzi o to, że nie cenię tych ostatnich – wprost przeciwnie! – tylko o to, że nauka ma znacznie silniejszy wpływ na nasze życie niż literatura czy muzyka. Często dosłownie zawdzięczamy jej to, że żyjemy – nowoczesna medycyna zdołała wyeliminować wiele chorób lub przynajmniej zamienić wyrok śmierci na przykrą, ale jednak znośną konieczność regularnego łykania pigułek lub przyklejania sobie plasterków.

To zrewolucjonizowało ludzkie życie w sposób dalece wykraczający poza kwestie zdrowotne. Emancypacja kobiet na przykład nie byłaby możliwa bez dwóch przełomów, które zdjęły biblijną klątwę rzuconą na Ewę.

Pierwszym było wyeliminowanie gorączki połogowej, która sprawiała, że do połowy XIX wieku poród był dla kobiety rosyjską ruletką. W klasycznej rosyjskiej ruletce, w której mamy jeden nabój na sześć komór w bębenku rewolweru, ryzyko wynosi 17%, a gorączka połogowa zabijała około 20% rodzących.

Ignacy Semmelweis wyeliminował ją przez wprowadzenie nakazu odkażania rąk przez osoby przyjmujące poród. Jeszcze nie wiedział, że chodzi o bakterie, po prostu zauważył życiodajne działanie podchlorynu wapnia, nieświadomy, na czym ono polega.

W drugim przełomie nie było przypadku. Między latami 30. a 50. XX wieku chemicy zidentyfikowali i zaczęli syntetycznie otrzymywać ludzkie hormony płciowe, co w następnej dekadzie zaowocowało pigułką antykoncepcyjną. Moim (i nie tylko moim) zdaniem bez tego nie byłoby drugiej fali feminizmu, tak jak bez wyeliminowania gorączki połogowej nie byłoby pierwszej. Po prostu trudno byłoby mówić o zrównaniu praw kobiet i mężczyzn, gdyby mężczyźni mieli kontrolę nad swoją płodnością, a kobiety nie – a w dodatku gdyby prokreacja oznaczała dla mężczyzny same przyjemności, a dla kobiet śmiertelne zagrożenie.

Moja płynąca z głębi serca odpowiedź na pytanie: „Kiedy chemia mi się przyda w życiu?” brzmi więc: prawdopodobnie już ci się przydała. Odwdzięczmy jej się za to, że możemy dziś żyć lepiej niż nasi przodkowie, lepiej niż sam król jegomość 250 lat temu – i z samej tej wdzięczności poznajmy jej podstawy.Opowieść o chemii wypada zacząć od samego początku – czyli od atomów. Jak dziś każdy wie, składa się z nich znana nam materia.

Większość ludzi wie także, że atomy składają się z protonów, neutronów i elektronów. Fizycy i chemicy są świadomi, że protony i neutrony składają się z kwarków i gluonów. Ktoś bardzo czepialski dodałby jeszcze neutrina, ale one chemika w zasadzie nie interesują.

Chemia to nauka o tym, co robią elektrony latające sobie wokół jądra atomu. Co się tam dzieje w tym jądrze, między kwarkami i bozonami, jest dla chemików nieistotne – chyba że specjalizują się w chemii jądrowej. Poświęcimy jej jeden rozdział tej opowieści i wtedy, owszem, zajrzymy pod maskę tej niezwykłej maszynerii, jaką jest jądro atomu. Przez większość czasu będziemy się jednak zachowywać jak zawodowy chemik, który tam nigdy nie zagląda.

Bo i po co? Elektrony są wystarczająco interesujące. Odpowiadają za całą chemię organiczną i nieorganiczną (z wyjątkiem, jako się rzekło, chemii jądrowej – ale to osobny podręcznik, osobny rozdział w tej książce, osobny budynek na kampusie).

Zilustrować to można dowolną reakcją chemiczną. Wyobraźcie sobie cokolwiek, co wam przychodzi na myśl na to hasło – pierwsze skojarzenie wystarczy.

Może pomyśleliście, że coś wybuchło. A może, że coś zmieniło kolor w probówce. A może, że w jakiejś kadzi gdzieś w piwnicy poczciwe drożdże powoli, w swoim tempie, przerabiają C₆H₁₂O₆ na 2C₂H₅OH plus 2CO₂.

Jakąkolwiek reakcję chemiczną sobie wyobrazimy, polega ona w swojej istocie na tym, że jakieś elektrony zaczęły sobie latać trochę inaczej niż przedtem. Jeśli coś wybuchło, to dlatego, że elektrony skokowo obniżyły sobie stan energetyczny i tak wyładowały nadwyżkę. Gdy cukier w zacierze zmienia się w alkohol, również mamy obniżkę energii, ale enzymy w drożdżach rozpisują tę reakcję na wiele etapów pośrednich, żeby uniknąć eksplozji (choć pośrednim skutkiem tej reakcji jest rosnące ciśnienie dwutlenku węgla – więc też może dojść do wybuchu, jeśli zaworek w kadzi do fermentacji będzie niesprawny).

A zmiana koloru? Kolor w chemii (a więc także wszystkie kolory farb, tkanin, minerałów, napojów, kwiatów i tak dalej) bierze się z tego, że konkretne elektrony w konkretnym związku chemicznym przeskakują z jednego stanu energetycznego w drugi i tak się składa, że przy tej okazji pochłaniają kwanty światła (fotony) odpowiadające konkretnej barwie.

W siatkówce oka mamy cztery substancje, które potrafią te kwanty pochłaniać. Trzy z nich specjalizują się w pochłanianiu kwantów odpowiadających kolorom podstawowym: czerwonemu, zielonemu i niebieskiemu (niektóre zwierzęta mają czwarty detektor, odpowiadający za pochłanianie niewidzialnego dla nas ultrafioletu – mówi się wtedy o „widzeniu tetrachromatycznym”).

Mamy też osobny detektor odpowiedzialny za recepcję światła szczątkowego. On już nie rozpoznaje barw, ale dzięki niemu w ogóle cokolwiek widzimy po zmroku. Powiedzenie, że „w nocy wszystkie koty są szare”, ma solidne naukowe podstawy!

Jeśli czytasz tę książkę na papierze, jest to możliwe dzięki temu, że farba drukarska pochłania kwanty odpowiadające wszystkim widzialnym barwom (w praktyce: znakomitej ich większości), co twój mózg odbiera jako kolor czarny. Wyjątkiem są, oczywiście, kolorowe ilustracje.

Jeśli czytasz ją na ekranie typowego komputera, to ekran ów jest zbudowany z misternie poukładanych pikseli, których serce stanowią elektrony mogące emitować fotony światła czerwonego, zielonego i niebieskiego. My zaś z kolei i papierowe książki, i ekrany komputerów widzimy dzięki pochłanianiu tych kwantów przez elektrony w białkach światłoczułych naszej siatkówki.

Gdziekolwiek więc spojrzeć, tam widać elektrony. Nawet w spojrzeniu i widzeniu.

Nic więc dziwnego, że te cząstki w zupełności wystarczają chemikom do szczęścia. Już pilnowanie samych elektronów to praca na cały etat.

Uważny czytelnik może mi jednak w tym momencie wytknąć pewną niekonsekwencję. Nagle przecież w mojej opowieści pojawił się jakiś foton!

Pojawił się właściwie znikąd – napisałem tylko, że elektron go wyemitował, gdy przeskoczył z jednego stanu w drugi. Rozpłynął się też nie wiadomo jak. Elektron go „pochłonął”.

No dobrze, ale co to znaczy? Skoro elektron nie ma żadnej wewnętrznej struktury (w odróżnieniu od protonu i neutronu składa się po prostu sam z siebie), to jak może coś pochłonąć? Foton wyskakuje z atomu – ale czy to znaczy, że był w nim już przedtem?

Tomasz z Akwinu zastanawiał się, czy w jednym miejscu może przebywać naraz wiele aniołów. Oświeceniowi wolnomyśliciele złośliwie przekręcili to na pytanie: „Ile aniołów zmieści się na ostrzu igły?”. Chcieli w ten sposób sparodiować teologię, ale 200 lat później okazało się, że całkiem serio można zapytać: „Ile fotonów może się zmieścić w jednym atomie?”.

Chemik w takiej sytuacji zaczyna się rozglądać za jakimś fizykiem, który powinien na to pytanie odpowiedzieć – bo to w końcu jego działka. Ja niestety żadnego w pobliżu nie mam, muszę więc sobie poradzić sam.

Przez wiele lat byłem jednak dziennikarzem, więc dobrze wiem, co trzeba zrobić, gdy ktoś nam zada pytanie, na które tak naprawdę nie znamy odpowiedzi. Należy oczywiście sparować ten podstępny cios za pomocą innego pytania.

Oto ono: skoro foton nie ma masy spoczynkowej i ma skłonność do pojawiania się i znikania w różnych okolicznościach (nie potrzebuje do tego elektronów!), to czy on w ogóle jest? Skoro nie jest bytem materialnym, ale jedynie nośnikiem oddziaływania pomiędzy bytami materialnymi, czy ma sens mówienie o jego istnieniu bądź nieistnieniu?

Na takie dictum fizyk z kolei zacznie się rozglądać za filozofem. Póki jest zajęty, udzielę prostszej, typowo chemicznej odpowiedzi.

Ostatecznego wyjaśnienia w kwestii kwantów, kwarków i bozonów nadal nie ma. Nie było go wtedy, gdy musiałem zdawać z tego egzamin. Zgoda, trochę czasu upłynęło, ale gdyby komuś się udało opracować jednolitą teorię pola (tak by się to mniej więcej nazywało), wszyscy byśmy o tym usłyszeli.

Od kilkudziesięciu lat uczeni zajmujący się mechaniką kwantową (dla chemików jest to tylko mechanika elektronów, dla fizyków – elektronów i całej reszty) stosują podejście zgodne z cytatem, którego autorstwo przypisywane jest różnym osobom: „zamknij się i obliczaj” (_shut up and calculate_).

Mamy kilka formuł matematycznych, a największą sławą cieszy się równanie Schrödingera, które potrafi opisać i przewidzieć zachowanie elektronów i fotonów – oraz wspomnianej całej reszty. Fizycy i chemicy stosują tę formułę, nie próbując wnikać w to, co ona opisuje „tak naprawdę, naprawdę”.

Samo opracowanie tych równań było ogromnym osiągnięciem nauki XX wieku. Weszliśmy w to stulecie z bardzo niejasnym przeczuciem, że atomy mają jakąś wewnętrzną strukturę, ale nawet nie wiedząc, że coś tam wokół czegoś lata. Ernest Rutherford zaczynał właśnie pracować nad tym odkryciem, ale zajęło mu to dobrą dekadę.

Wyszliśmy z XX wieku jako cywilizacja, której atomy jedzą z ręki. Nie tylko mamy równania matematyczne pozwalające precyzyjnie opisywać ich zachowanie, lecz także zręcznie nimi manipulujemy – na przykład układy scalone w naszych telefonach są już na tyle zminiaturyzowane, że mają warstewki grubości pojedynczych atomów krzemu.

W tych układach scalonych elektrony dosłownie tańcują tak, jak im zagramy. W zwyczajnym przewodniku elektrycznym, czyli na przykład w kablu, którym ładujemy telefon albo laptop, elektrony poruszają się jako chaotyczna chmura, którą umiemy opisywać tylko ilościowo – to znaczy możemy powiedzieć, ile ich przepłynęło na sekundę. Nazywamy to natężeniem prądu i mierzymy w amperach (jeden amper to trochę ponad 16 miliardów miliardów elektronów na sekundę).

W półprzewodnikach jednak potrafimy zorganizować elektrony w posłuszną armię, która defiluje w zdyscyplinowanych pododdziałach jak na paradzie. W jedną stronę elektrony, a w drugą – dziury.

Dziura w języku potocznym jest brakiem czegoś – w półprzewodniku jest czymś. Ma ładunek elektryczny (dodatni – jest przecież dziurą po ujemnym elektronie!), a nawet niezerową masę efektywną. Rzec można, że jest bardziej realna od fotonu.

Czy zatem dziura istnieje? Filozof być może powie, że nie. Ale jego własny telefon komórkowy będzie temu przeczyć, bo działa on dzięki temu, że dziury w półprzewodnikach zachowują się równie realnie jak elektrony.

Próby wyobrażenia sobie tego wywołują ból głowy. I to nie jest metafora – gdy o tym wszystkim słyszę, wracają do mnie lekko traumatyczne wspomnienia sprzed trzydziestu lat, gdy byłem biednym studentem, zakuwającym to wszystko do kolokwiów i egzaminów.

Chemia kwantowa za moich czasów była jednym z ostatnich przedmiotów, co dawało studentowi dodatkową motywację, by jednak się przez nią przebić. „Zabrnąłeś już za daleko, żeby teraz się poddawać!”

Spróbuję zastosować ten sam trik. Spróbuję wyjaśnić, o co chodzi w tej całej mechanice kwantowej – na tyle, na ile sam to zrozumiałem. Ale odłożę to do ostatniego rozdziału, w którym będziemy zaglądać atomom pod maskę.

KWANT

Na razie musimy się zadowolić najprostszą definicją pojęcia kwantu. Wymyślając je, Max Planck sięgnął po łacińskie słowo _quantum_, oznaczające po prostu „porcję”, „dawkę”, „dozę”. Stąd tytuł opowiadania o agencie 007 _Quantum of Solace_, czyli dosłownie „porcja pociechy”.

Na razie musimy się zadowolić najprostszą definicją pojęcia kwantu. Wymyślając je, Max Planck sięgnął po łacińskie słowo _quantum_, oznaczające po prostu „porcję”, „dawkę”, „dozę”. Stąd tytuł opowiadania o agencie 007 _Quantum of Solace_, czyli dosłownie „porcja pociechy”.

Foton jest więc porcją promieniowania elektromagnetycznego. Tym samym możemy już odpowiedzieć na pytanie: „Ile fotonów mieści się na końcu szpilki?” – to zależy, jak mocno ją oświetlimy.

Nie jest to jednak dowolna porcja. Planck zauważył, że energia fotonu zależy od częstotliwości fali elektromagnetycznej. Największą energię mają fotony promieniowania gamma – to dlatego jest ono takie zabójcze. Najmniejszą mają fotony fal radiowych.

Światło widzialne jest tu gdzieś pośrodku. Ale i ono oczywiście rozkłada się na wszystkie barwy tęczy, od koloru czerwonego (najmniejsza energia) po fioletowy (największa energia). Promieniowanie o energii nieco mniejszej od światła widzialnego nazywamy podczerwonym, o energii nieco większej zaś – promieniowaniem ultrafioletowym.

_Dalsza część dostępna w wersji pełnej_