Zanimljivosti iz hemije

I bi vodonik.... ( II deo )
Podsetimo da se vodonik pojavljuje kao gas, metal, i u stanju između gasa i metala ( tamni ) Na Zemlji ga nalazimo jedino u gasovitom stanju. Pretpostavlja se da se u ostala dva oblika nalazi u dubinama gasnih divova: u obliku tečnog metala je duboko u jezgrima, kao tamni vodonik na pola puta između površine i jezgre . Ovaj poslednji je nazvan tamnim zato što ne reflektuje i ne isijava svetlost u vidljivom delu spektra. Nauci je uspelo da proizvede oba vodonika koji ne postoje na Zemlji.


BOŽIJA ČESTICA

"I bi vodonik" !



Vodonik je najprostiji i u svemiru najrasprostranjeniji hemijski elemenat. Jezgro atoma sadrži jedan proton, u elektronskom omotaču nalazi se jedan elektron. Vodonik je jedini element koji nema neutrone. ( Napomena : Svi izvedeni eksperimenti pokazuju da se svojstva antivodonika nimalo ne razlikuju od svojstava vodonika.) Upravo iz tog razloga što je vodonik najprostije građe, jer sadrži samo po jedan proton i jedan elektron, smatra se da su svi ostali elementi nastajali od ovog oblika najprostije materije. Po tome, mislilo se, ako se nešto može nazvati pra-izvorom sveta ili božjom česticom - onda je to vodonik.

Zbog još malo podsećanja :

Vodonik se dakle sastoji od
1. protona koji spada u česticu zvanu barion ( sastavljenu od tri kvarka koji razmenjujući gluone stvaraju stabilnu vezu i
2. elelktrona koji je lepton
Istraživanja strukture atoma zaustavila su se na podeli elementarnih čestica na dva temeljna tipa čestica kvarkove i leptone. Pitanje glasi : Da li su kvarkovi i leptoni temeljne gradivne strukture, to jest da li je vodonik, koji je sastaljen od ovih elementarnih čestica, a ujedno najstariji i najrasprostranjeniji elemenat u vasioni, temeljna struktura?
tekst koji sledi odgovara na to pitanje.


NAJSTARIJI ELEMENT U VASIONI

Na običnoj tempertuti vodonik je gas bez boje mirisa i ukusa.... Ovakava rečenica može da se nađe u bilo kom udžbeniku iz neorganske hemije. Pominju se i druge fizičke ili hemijske osobine vodonika ali nidge ne možete naći da je to najstariji element u Vasioni, toliko star što već počinje da miriše na ustajalost...

I zaista kada (i kako) su nastali hemijski elementi u Vasioni? Da li su postojali oduvek? Stvaraju li se i danas?
Danas najprihvatljivija teorija o nastanku univerzuma je Big Bang. Suština ove teorije da je Vasiona nastala u jednoj kolosalnoj eksploziji, a kao posledica toga je što se Vasiona od samog svog početka širi. Dokaz tog širenja Vasione je pomeranje spektalnih linija u spektranim linijama galaksija (tzv. crveni pomak), a dokaz za samu eksploziju je pozadinsko (reliktno) mikrotalasno zračenje, koje dolazi iz svih pravaca Vasione i predstavlja ostatak toplote koja se oslobodila u toj kolosalnoj eksploziji. Međutim najčvršći dokaz teorije Big Bang-a je zastupljenost hemijskih elemenata u Vasioni.

Zamislimo da postoji film od momenta stvaranja Vasione koji je sniman tako da imamo po jednu sekundu snakih dva miliona godina, film bi trajao oko 2 časa. Ako sada pustimo taj film da ide unazad videli bi smo kako se galaksije približavaju jedna drugoj. Verovatno bi gledaoci ovog filma (koji bi bio dosta dosadan malo više od sat vremena) sa nestrpljenjem čekali momenat kada će se galaksije spektakularno sudariti. Ali, da li bi se baš to desilo?

Može li od skršenog stakla spontano da se stvori čaša? Može, ali samo u filmu koji teče u obrnutom pravcu. Tako i na našem filmu koji ide unazad logično bi bilo da će se galaksije, usled smanjenja dimenzije cele Vasione, toliko približiti da će doći do njihovog sudara i uništenja. Međutim gledajući film dešava se nešto sasvim drugčije. Galaksije počinju da isčezavaju sa filma. To znači da galaksije nisu stvorene na samom početku Vasione već dosta vremena posle toga otkako se stvorila prva pramaterija. A sada malo više o njoj jer nas ona i interesuje zato što u toj materiji najveći deo od svih postojećih atoma je atom vodonika.

Ako pomnožimo broj svih galaksija i svih zvezda u njima sa masom Sunca (koju ćemo uzeti kao jedinicu) dobićemo masu Vasione koja iznosi 1053 kg. Da bi se izbacila ovolika količina mase u Vasioni eksplozija je morala biti neizmerno velika. Takvu eksploziju nije mogla da izazove nikakva hemijska reakcija niti nuklearna eksplozija. Ali vratimo se mi broju 1053 kg. Kao što galaksije nisu mogle da se spakuju u mali prostor a da i dalje ostanu galaksije tako ni ukupna barionska materija (protoni i neutroni) u Vasioni nije mogla da se spakuje u proizvoljno mali prostor a i dalje da ostane to što jeste. Na sreću poznata Anštajnova relacija između mase i energije E=mc2, nam pokazuje da masa cele Vasione u samim njenim počecima nije postojala kao masa već kao energija koja tek kasnije poprima poznati materijalni oblik.

Prema standardnom kosmološkom modelu (Big Bang) u prvim trenucima postojanja vasione (tačnije po isteku 10-35 s) temperatura je iznosila 1027 K, a gustina 1088 g/cm3. U ovakvim uslovima, Vasiona je predstavljala plazmu od čestica i antičestica, neutrina (n) i visokoenergetskog elektromagnetskog (gama, g) zračenja. U plazmi je postojala ravnoteža između čestica i antičestica i viskoenergetskog elektromagnetnog zračenja. Elektromagnetni kvanti visoke energije stvarali su parove čestica i antičestica, na primer:

GAMA+GAMA <=> proton + antiproton

Ovakava rekcija je mogla da se odvija sve dok teperatura Vasione nije pala do 1013 K. Tada energija GAMA kvanta više nije bila dovoljna za stvaranje novih parova proton-antiproton. Protoni stvoreni u prethodnoj fazi bi morali da se anihiliraju sa antiprotonima ali činjenica je da je danas Vasiona izgrađena od materije. Predpostavlja se da u Vasioni postoji oko 1078 bariona.( čestica sastavljena od tri kvarka prim. aut. bloga ) Da li su ove čestice samo deo prvobitno stvorenih bariona i kako došlo do polarizacije materije nije predmet naše priče o vodoniku. Možda negde postoji i cela galaksija stvorena od antimaterije ali je to teško eksperimentalno utvrditi jer foton koji bi do nas pristigao od nje za nas po ničemu ne bi se razlikovao od fotona iz galaksije sastavljena od materije.
Bilo kako bilo po opadanje temperature Vasione na podnošljivih stotinu milijardi Kelvina, Vasiona je osvanula sa slobodnim protonima, neutronima, elektronima, neutrinima i elektomagnetnim zračenjem. Nikakva jezgra teža od jezgra vodonika nisu postojala u tim momentima. Kasnijim opadanjem temperature stvoren je i helijum (He) koji je u Vasioni zastupljen sa nekih 12%, a vodonik (H) sa 76%. Ovi rezultati dobijeni prema kosmološkom modelu u potpunosti su u saglasnosti sa merenjima koja su vršena i sa dobijenim rezultatima.

Vodonik gas bez boje i mirisa...
I tako je vodonik egzistirao u Vasioni niz milijardi godina sve dok na planeti Zemlji (nije potvrđeno za ostale planete) 1776. godine (AD) ser Henri Kevendiš (1731-1810), nije ustanovio da je vodonik zaseban elemenat. Ime mu daje Lavoazje (1743-1794) sa grčkim korenom (hydro-genes; vodu stvara). Slobodan je vrlo raširen u prirodi (naprimer vodonik se u Kosmosu nalazi u atomarnom stanju) ali se u malim količinama nalazi u atmosferi, zemnom gasu itd. Vezan u sastavu nekih jedinjenja nalazi se u vodi, svih kiselina i baza i ugljovodonika i organskih jedinjenja. Na Zemlji je po težini deveti po rasprostranjenosti, a po broju atoma drugi. Slobodni vodonik je gas bez boje mirisa i ukusa. Vodonik je po mnogo čemu privilegovan element pa i po tome što samo on ima posebna imena za svoja dva izotopa (element sa različitim brojem neutrona u jezgru). Deuterijum sa jednim protonom i jednim neutronom i Tricijum sa jednim protonom i dva neutrona. Vodonik na Zemlji, a time i voda nalazi se kao smesa sa vrlo malim udelom deuterijuma (0,015%). Radioktivni izotop tricijum ima vreme polu raspada 12,26 godina i raspada se bez gama zračenja. Tricijum se proizvodi nuklearnim ozračivanjem deuterijuma u nuklearnim rektorima. Koristi se kao fuzjisko punjenje hidrogenske bombe i na njemu se radi kao glavnom sastojku u budućim fuzionim reaktorima. Atom vodonika (Procijum) u jezgru sadrži jedan proton oko kog kruži jedan elektron.

Zbog svoje jednostavne građe na njemu može da se proveri teorija atomske građe. Teorijski je predviđeno, a eksperimentalno je potvrđeno postojanje dve modifikacije vodonika koje se razlikuju po ukupnom molekularnom spinu vodonika, pa time imaju i različite spektre zračenja. Orto vodonik ima paralelne spinove, a Para vodonik ima anti paralelne spinove. I orto i para modifikacija se nalaze u prirodnom vodoniku u razmeri 3:1. Temperatura topljenja i ključanja orto vodonika je viša za 0,1°C od para modifikacije.

Na sobnoj temperaturi vodonik je zagušljiv ali neotrovan gas bez boje i mirisa koji se hlađenjem na temperaturi ispod -252,8°C pretvara u tečnost. Na -259,3°C tečni vodonik se kristalizuje u heksigonalnoj kristalnoj strukturi (slika 2). Prema elektronskoj konfiguraciji u periodnom sistemu (1s1) može se svrstati u prvoj grupi alkalnih elemenata (jedan elektron u s orbitali), a može i u sedmoj, halogenoj grupi (jedan elektron fali da se dopuni stabilna elektronska konfiguracija nabližeg plemenitog gasa, u ovom slučaju helijuma (He 1s2).
U slobodnom stanju na Zemlji se nalazi kao dvoatomni molekul koji ne može disocirati ni pod najvećim pritiskom postignutim u laboratoriji. Gasoviti vodonik je najlakši od svih poznatih gasova i zato je korišćen kao gas za punjenje letelica (dirižabla), a tečni vodonik je najlakša poznata tečnost.

REKE VODONIKA kao gorivo za formiranje zvezda

Uz pomoć Gring Benk teleskopa Nacionalne fondacije za nauku Robert Bird, astronom D.J. Pisano sa Univerziteta Zapadna Virdžinija otkrio je nešto što može biti do sada nikada viđena reka vodonika koja teče kroz svemir.
“Znali smo da gorivo za formiranje zvezda mora da potiče odnekud. Do sada, međutim, uočili smo samo 10 odsto nečega što bi bilo neophodno da bismo objasnili šta posmatramo u mnogim galaksijama.”, rekao je Pisano. “Vodeća teorija je da reke vodonika – poznatije kao tokovi oblaka – prenose vodonik kroz intergalaktički prostor, tajno podstičući formiranje zvezda. Ali ovaj tanani vodonik je bio jednostavno previše difuzan da bi se uočio, sve do sada.”

Spiralne galaksije, kao naš Mlečni put, tipično održavaju relativno mirnu stopu formiranja zvezda. Druge, poput NGC 6946, koja se nalazi oko 22 miliona svetlosnih godina od Zemlje na granici sazvežđa Cefej i Labud, su mnogo aktivnije. Postavlja se pitanje šta podstiče održivo formiranje zvezda u ovoj i sličnim spiralnim galaksijama.

Ranija istraživanja galaktičkog komšiluka oko NGC 6946 otkrila su prošireni oreol vodonika (karakteristika obično viđena u spiralnim galaksijama, koje su verovatno formirane izbacivanjem vodonika iz diska galaksije od strane intenzivnog formiranja zvezda ili eksplozije supernova). Hladan tok, međutim, bio bi vodonik iz potpuno drugog izvora: gas iz intergalaktičkog prostora koji nikada nije bio zagrejan do ekstremnih temperatura u procesu rođenja zvezda ili procesima supernova.
Koristeći GBT, Pisano je bio u stanju da uoči sjaj emitovan od strane neutralnog gasa vodonika koji povezuje NGC 6946 sa njegovim kosmičkim okruženjem. Ovaj signal je bio jednostavno ispod praga uočavanja drugih teleskopa. Jedinstvene sposobnosti GBT-a, uključujući njegovu ogromnu antenu, deblokiranu blendu i lokaciju u mirnoj zoni (zaštićenoj od radio signala) omogućile su da otkrije ovu slabu radio-svetlost.
Astronomi su dugo teoretisali da veće galaksije imaju stalan priliv hladnog vodonika tako što ga kradu od ostalih manje masivnih “drugova”.
Gledajući u NGC 6946, GBT je uočio samo onu vrstu vlaknaste strukture koja bi bila prisutna u hladnom toku, mada postoji još jedno verovatno objašnjenje za ono što je primećeno. Takođe je moguće da je negde u prošlosti ova galaksija imala bliski susret sa svojim komšijama, ostavljajući trag neutralnog atomskog vodonika za sobom.
Ako je to slučaj, međutim, trebalo bi da postoji mala, ali primetna populacija zvezda u vlaknima. Dalja istraživanja će pomoći u potvrdi prirode ovog posmatranja i u rasvetljavanju mogućih uloga koje hladni tokovi igraju u evoluciji galaksija.

Deca zvezda

Vodonik kao najprostiji element i kao najstariji u kosmosu je osnovna jedinica za gradnju težih elemenata. Taj proces se vrši u jezgrama zvezda gde se vrši nukleo sinteza lakših jezgara u teže. Pod jakim pritiskom (milioni atmosfera) i velikoj temperaturi 4 vodonikova jezgra (protoni) se fuziraju u jedno helijumovo jezgro. U zavisnosti od početne mase zvezde ovaj proces moče da se nastavi sve do sinteze gvožđa (Fe) u jezgru i tu je kraj nukleosinteze u jezgrima zveda. Tada dolazi do gravitacionog kolapsa jezgra gde od jezgra nastaju neutronske zvezde ili crne jame (poznatije kao crne rupe). Spoljašnji slojevi zvezde u jednoj od najveličenstvenijih eksplozija u svemiru poznate kao supernova se odbacuju u svemir i pri toj eksploziji nastaju svi poznati prirodni elementi. Svaki atom našeg tela (ma koji) bio je stvoren u jezgrima zvezda ili u eksploziji supernove. Zato možemo reći da smo svi mi na neki način deca zvezda.

Njutn je neprikosnoveni genije kad je u pitanju matematika, ali i on je imao dosta poteškoća u početku. U školi se nije pokazao, kao ni na porodičnoj farmi za koju je bio zadužen. Njegov ujak više nije mogao da ga gleda i poslao ga na Kembridž gde je izrastao u naučnika svetskih razmera.