Harmóniában 17. – Mindennapi kémiánk

Harmóniában 17.

Mindennapi kémiánk

 

Az ember és a világ kapcsolatának további értelmezéséhez most ki kell nyitnunk a kémia fegyvertárát. Tudom, nem tartozik a népszerű tantárgyak közé a tudomány, de ígérem, nem fog fájni az alapjaiba való betekintés, és gyorsan végzünk is vele.

Elnevezése az alkímia szóból ered, ahogyan a tárgya is. Tulajdonképpen az egykori okkult tudománynak az anyaggal kapcsolatos vizsgálódási körét takarja. Vagyis: miből áll, milyen tulajdonságú és adott körülmények között hogyan viselkedik a kérdéses anyag. Leegyszerűsítve a kérdést: az atomok magját pozitív töltésű protonok és semleges neutronok alkotják. Alapesetben a mag körül annyi negatív töltés hordozó elektronpálya épül ki, amennyi protont tartalmaz a mag. Így lesz a külvilág felé semleges töltésű az atom. Az egynél több protont tartalmazó atommagokban mindig jelen vannak a neutronok is. Általában, de nem kizárólag, a protonokkal megegyező számban vannak jelen. Az esetek kisebb hányadában több neutront találhatunk, mint protont – az adott elem eltérő neutronszámú atom-változatai az izotópok. Az azonos protonszámú atomokból felépülő anyagi halmazokat elemeknek, a különböző atomokból felépülteket, amennyiben kémiai kötés jött létre az eltérő atomok között, vegyületeknek nevezzük.

A kémiai reakciók anyag-szerkezeti értelemben a (korábban már részletezett) elektronpályák kölcsönhatásait jelentik. Mindig az atom magjától legtávolabbi elektronok lépnek kölcsönhatásba a másik atom hasonlóan elhelyezkedő elektronjaival. A reakciók célja a nemesgáz elektronhéj-szerkezet kialakítása. Az atom elektronszerkezetének kiépülését a kvantumszámokkal jellemezhetjük.

A főkvantumszám (n) a magtól való távolságot szimbolizálja. Értéke 1, 2, n egész szám lehet. Az azonos főkvantumszámú pályák adják ki az elektronhájakat, amiket K, L, M, stb. nagybetűkkel jelölünk.

A mellék-kvantumszám (l) a pálya térbeli alakját jellemzi, értéke pedig n-1. Jelölését általában nem a számértékkel, hanem kisbetűkkel végezzük: 0 = s(harp), 1 = p(rinciple), 2 = d(iffuse), 3 = f(undamental).

A mágneses kvantumszám (m) az elektron pályamozgásából adódó mágneses momentumát írja le. Értéke a mellék-kvantumszám +/- értékei közötti összes egész szám. Azaz, a mellék-kvantumszám 0 értékénél 0, 1 értéknél -1, 0, +1, 2 értékénél pedig -2, -1, 0, +1, +2 lehet, és így tovább.

Az elektron elemi mágnesként is viselkedik, így a külső erőtérrel szemben két állapotot vehet fel: az erővonalakkal ellentétes vagy megegyező irányba állhat be. Ennek jellemzésére szolgál a spínkvantumszám, mely -1/2 vagy +1/2 értéket vehet fel. Ebből következik, hogy minden elektronpályán maximum két, ellentétes spínű elektron tartózkodhat.

Tehát: ha az elektronpálya főkvantumszáma 1, akkor mellék-kvantumszáma 0, mágneses kvantumszáma is 0. Tehát csak egyetlen, gömbszimmetrikus elektronpálya, az 1s épülhet ki a K héjon, 2 elektron befogására alkalmas módon. A főkvantumszám 2 értékénél a mellék-kvantumszám 1 értéket ad, a mágneses pedig -1, 0, +1 értékeket. Három elektronpálya épülhet ki ebben a 2p alhéjban. A 2s alhéjjal együtt az L héj 4 elektronpályát tartalmaz, összesen 8 elektron befogására képesen. Az egyes héjak elektron-befogadó képessége a főkvantumszám függvénye, értéke pedig 2n2.

A Pauli-elv szerint egy atomban nem lehet két olyan elektron, melynek mind a négy kvantumszáma megegyezik – legalább a spín-kvantumszámoknak különbözőnek kell lenniük. A Hund-szabály szerint az elektronpályák betöltése úgy történik, hogy minél több párosítatlan spínű elektron foglaljon helyet azokon. Az energia-minimum elve alapján pedig az elektronok a lehető legalacsonyabb energiájú helyeket foglalják el az atomban. A pályák kiépülési és betöltési sorrendje tehát a következőképpen alakul (zárójelben az alhéj és az atom maximális elektronszámával), az adott héjhoz tartozó nemesgáz jelölésével: 1s (2/2) He, 2s (2/4), 2p (6/10) Ne, 3s (2/12), 3p (6/18) Ar, 4s(2/20), 3d(10/30), 4p (6/36) Kr, 5s (2/38), 4d (10/48), 5d (6/54) Xe, stb. A nemesgázok telített K, L, M, N, O, stb. elektronhéjuk következtében nem vegyülnek, teljesen masszív atomi szerkezetet mutatnak. Ez, a telített elektronhéj a szerkezeti kiépülés ideális esete, egyben minden spontán kémiai reakció végcélja is.

A nemesgáz elektronhéj-szerkezet kiépülése során azok az atomok, melyeknek legkülső héjukon, a vegyérték-elektronhéjon, az összes felvehető elektronhoz képest csekély számú elektronjuk van, szívesen átadják azokat az elektronokat olyan atomoknak, melyeknek a vegyértékhéja kevés elektron felvételével komplettírozható. Az akció eredményeként mindkét atom a telített elektronpályák, azaz a nemesgáz elektronhéj-szerkezet birtokába jut. Elértünk tehát a természetben zajló kémiai folyamatok kiváltó okának, hajtóerejének megértéséhez.

Attól függően, hogy az elektron-donor és elektron-akceptor atom (különösen az elektron-affinitás szempontjából) milyen viszonyban áll egymással, elsődleges kémiai kötésként ionos, fémes és kovalens kötések jöhetnek létre a reakcióban résztvevő elemek között. A fémes kötés, mint neve is mutatja, fémek között alakulhat ki. A fent tárgyaltak értelmében, olyan atomok között alakul ki a reakció, melyek mindegyike elektron-donor hajlamokkal bír, akceptorként viszont egyikük sem lép fel. A reakcióban részt vevő atomok „eldobják” maguktól a vegyérték-elektronjaikat, s az összes elektron egy delokalizált, közös elektronszerkezetet alkot. Kialakul a fémrács, melynek rácspontjaiban a pozitív töltésű atomtörzsek helyezkednek el, s a delokalizált elektronok tartják össze a szerkezetet.

Kovalens kötés a nemfémek között jön létre, oly módon, hogy megosztott, kötő elektronpárok biztosítják a résztvevő atomok számára a stabilabb elektronszerkezetet. A kötést alkotó atomok eltronaffinitása és a molekula térszerkezete alapján apoláris és poláris kovalens kötésekkel találkozhatunk. Apolárisak az elem-molekulák, hisz az atomok elekton-affinitásában nincs különbség, illetve azok a vegyület-molekulák, melyekben a létrejött kötések egyenkénti polárisságát ellensúlyozza a molekula térbeli szimmetriája (pl. metán és szén-dioxid esetében). Az aszimmetrikus vegyület-molekulák esetében poláris kovalens kötéssel találkozunk (pl. víz, ammónia, stb.)

Az elektronok származása szerint kolligációs a kovalens kötés, ha mindegyik atom 1-1 elektronnal vesz részt a kialakításában, illetve datív, amikor valamelyik atom egy elektronpárt ad a kötéshez. A kötő elektronpárok számától függően, egyszeres vagy többszörös kovalens kötések alakulhatnak ki. Az ionos kötés akkor jön létre, ha nagyon erős donor és hasonlóan erős akceptor hajlamú atomok találkoznak. Ez esetben a donor atom teljesen átadja vegyérték-elektronjait az akceptornak. Így a donor vegyértékhéja meg is szűnik, az akceptoré pedig telítődik. A reakció eredményeként létrejövő ionok elektrosztatikus töltésre tesznek szert, a kationok +, az anionok – töltéssel helyezkednek el a halmazban. Az elektrosztatikus vonzások és taszítások következtében kialakul egy váltakozó töltésű ionokból álló kristályrács. E kötésforma általában a fémek és nemfémek között jön létre. Legismertebb esete a konyhasó (NaCl), melyben a Na+ és Cl- ionok alkotják a rácsot.

A fenti, elsődleges kémiai kötéseken kívül, a molekulák között létrejöhetnek sokkal kisebb energiájú, úgynevezett másodlagos kötések is. Ezek fő típusai a hidrogén-, és a Van der Waals-kötések. A Van der Waals-kötések csoportjába a dipól-dipól kölcsönhatások, az indukált dipól-hatások és a London-féle kötések tartoznak. E másodlagos kötések alapvetően az anyag fizikai megjelenését (például halmazállapotát) határozzák meg. A kémiai reakciók célja tehát olyan kötés kialakítása, mely a kiinduló elemek vagy vegyületek számára a végtermékben biztosítja a nemesgázokéhoz hasonló, stabilabb elektronszerkezetet.

Rendkívül fontos tudnunk, és a későbbiek során is szem előtt tartanunk, hogy adott környezeti feltételek mellett, adott kiinduló anyagok között az a reakció fog végbemenni, melynek eredményeként az érintett anyagrendszer a lehető legalacsonyabb szabadenergia-szintet éri el! A korrózió például azért támadja meg fémtárgyainkat, mert a végeredményként kialakuló kötések erősebbek, tehát a rendszer szabadenergia-tartalma alacsonyabb, mint a kiinduló anyagoké volt.

Az energia-minimumra irányuló törekvés az anyag létezésének legfőbb jellemzője. Mind fizikai, mind kémiai értelemben erre vezetnek a természetes, a spontán változások. Ahogyan a víz lefelé folyik, úgy a kémiai változások is az entalpia csökkenését célozzák meg. A környezeti paraméterek határozzák meg, hogy mi az elérhető legalacsonyabb energiaszint, s az anyag ennek elérésén „fáradozik”. E törvényszerűségből következik a kiegyenlítődés jelensége is: adott anyagi rendszer és a környezete között mindaddig folyik az energia-átadás, míg energiatartalmuk tekintetében egyensúlyba nem kerülnek.

Léteznek olyan reakciók is, melyek végeredménye alacsonyabb energiaszint elérését teszi ugyan lehetővé, mint a kiinduló állapoté volt, de a beindításához energiát kell közölnünk a rendszerrel. Ahogyan kisiskolás korunkban tanultuk az égés feltételeiről: szükséges hozzá az éghető anyag, az oxigén és a gyulladási hőmérséklet. Ez a gyulladási hőmérséklet az az energiaszükséglet, mely a beindítás feltétele. Szükségszerűségének végtelenül egyszerű a magyarázata. A reakcióban résztvevő anyagok valamelyike (akár mindegyike) relatíve stabil elektronszerkezeti állapotban van. A kötések, melyek ezen állapotát biztosítják, gyengébbek, tehát magasabb szabadenergia-tartalmúak ugyan, mint a végeredményként beálló kötések lesznek, de a reakció beindulását mindaddig megakadályozzák, míg külső energia-közlés fel nem szakít belőlük legalább egyet. Képzeljünk el egy dombot, melynek a tetején, kicsiny gödörben egy vasgolyó pihen. A helyzeti energiája sokkal nagyobb, mint a domb alján lenne, mégsem gurul le, mindaddig, míg a gödröcske peremén át nem segíti valami külső erő. Utána viszont meg sem áll, míg a következő legmélyebb pontot el nem éri. Így van ez az égéssel (és sok egyéb, indítási energiaszükséglettel bíró reakcióval is): az aktiválást követően, mivel energia-felszabadulással járó reakció indul el, a folyamat, energetikai szempontból már önfenntartó lesz. Egy szál gyufával akármekkora tüzet is gyújthatunk…

A későbbiek megértése érdekében itt feltétlenül meg kell említenünk a katalizátorokat. A katalizátor olyan anyag, mely csökkenti a kémiai reakció beindításának energia-szükségletét, anélkül, hogy a reakció során ő maga maradandóan megváltozna. Vasgolyónkhoz visszatérve: a katalizátor nem a golyót emeli a perem fölé, hanem a peremet süllyeszti a golyó alá. Az élővilágban az enzimek töltik be ezt a katalizátor-funkciót.

Tegyük fel, hogy van egy farönkünk, amit, ha felhasítunk, s a kandallóban elégetünk, egész Szenteste meleget ad. Ugyanez a farönk, ha az erdőn hagyjuk, évekig korhadozik, mire az enyészet végez vele. Nem fog lángot, nem vet szikrát, de szabadenergia-tartalmát éppúgy átadja a környezetének, mintha a kandallóba vetnénk. A baktériumok és a gombák szép csendben, lassan, égéstermékké alakítják a cellulózt és pektint, mint a vidáman lobogó, pattogó tűz lángja. Ez az élet egyik csodája. A számtalan áttételen, apró lépésen keresztül megvalósított energia-feltárás.

De mit is értünk az élet fogalma alatt? Igen nehéz erre pontos választ adnunk. A szakemberek sem tudtak még megbirkózni ezzel a feladattal. Tanulmányainkból derenghetnek olyasféle meghatározások, mint: környezetétől elkülönült, inherens egység, mely biológiai anyagcserét folytat, homeosztázissal és önvédelmi (immun) rendszerrel bír, a környezeti ingerekre stresszválaszt ad, saját információs rendszere van, amit tovább örökít, egyben az örökletes változékonyságra is alkalmas, növekedésre képes, önmagához hasonló utódot hoz létre, stb.

Ez mind szép és igaz is. Csak nem válasz a feltett kérdésre. Ugyanis, ha jól átgondoljuk, kielemezzük az állításokat, rájövünk, hogy nem az életről, mint fogalomról szólnak, hanem az életjelenségeket sorolják fel. A hogyant járják körül, anélkül, hogy a miértet érintenék.

Sokat kutattunk, töprengtünk a megfelelő válaszon mi is. Azt gondolom, megtaláltuk. Sokkal egyszerűbbet és univerzálisabbat, mint amit a hivatalos, lexikális vagy enciklopédikus közelítések kínálnak. Szerintünk az élet az anyagnak az a megnyilvánulási formája, melyben, saját határai között, átmenetileg képes az entrópia-törvénnyel szemben működni. Azaz, képes a környezetéhez viszonyítva növelni, illetve megtartani magasabb szabadenergia-szintjét. Ez a válasz arra, hogy mitől, illetve miért tekinthető élőnek egy adott anyagi rendszer.

Nem gondoljuk, hogy mi lennénk a Föld legokosabb emberei, s kizárólag nekünk jutott volna eszünkbe ez a megoldás. Azt viszont gondoljuk, hogy a megátalkodott materialisták, ateisták számára borzasztó kényelmetlen ez a megközelítés.

Hogy miért?

Mert az életnek ez a (már-már filozófiai) meghatározása kikerülhetetlenné teszi Isten létét. Máskülönben hogyan lenne képes a buta anyag, mely a stabil elektronszerkezet kiépítése mellett a minimális szabadenergia-tartalom elérésére törekszik, olyan bonyolult rendszereket spontán módon létrehozni, melyek éppen az alaptörvény ellenében hatnak? A vak, élettelen természet, katalizátor vagy külső energia-befektetés nélkül arra is képtelen, hogy a már meglévő, kvázi-stabil elektronszerkezeteket felbontsa, a stabilabb és energiaszegényebb végső felállás kialakítása érdekében. Vagyis, képtelen azt a bizonyos golyót átlendíteni a gödröcske peremén.

Az élettelen világ vak anyagának nemhogy nincs belső késztetése a bonyolult struktúrák kialakítására, hanem éppenséggel a legstabilabb, ugyanakkor legegyszerűbb szerkezetek létrehozása van belé kódolva. Hiába dobálóznak az istentagadók a nagy számokkal: évmilliárdokkal és végtelen kombinációs lehetőségekkel – az igazság az, hogy külső beavatkozás, idegen erő vagy akarat nélkül, az összes lehetőség a legegyszerűbb, energia-szegény formát fogja megtartani. Ha kell, évmilliárdokig. Úgyhogy, éppenséggel a tudomány által feltárt törvényszerűségek zárják ki az élet Isten nélküli keletkezésének lehetőségét. Az ősóceánban kialakuló koacervátum, az „Ős-húslevesből” kiemelkedő élet csak dajkamese. Sem a vak természet véletlenül, sem a tudósok célirányos törekvéseikkel, nem voltak és valószínűleg nem is lesznek képesek az élettelenből valóban élőt előállítani. Az egy sokkal magasabb intelligenciájú tervezést igénylő feladat.

Ezért aztán ideje lenne az ateista keletkezés-elméleteket a tudomány szemétdombjára vetni. Mert tévedések. Vagy hazugságok. De mindenképpen istenkáromlások.

 

Kucsora István

 

Minden vélemény számít!

Az email címet nem tesszük közzé. A kötelező mezőket * karakterrel jelöljük.

A következő HTML tag-ek és tulajdonságok használata engedélyezett: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <strike> <strong>