You are currently browsing the category archive for the ‘Εισαγωγή στην Χημεία – Χημεία η Κεντρική Επιστήμη’ category.

 

 

H χημεία ως επιστήμη έχει ένα ευρύτατο αντικείμενο το οποίο διαρκώς εξελίσσεται και επεκτείνεται. Είναι επομένως δύσκολο να δοθεί ένας μοναδικός ορισμός για την επιστήμη αυτή και να μην κινδυνεύει να χαρακτηρισθεί ελλιπής.

Με τι ακριβώς ασχολείται η Χημεία και ποιος είναι ο ορισμός της;

 Είναι δύσκολο να δώσει κανείς ένα ορισμό για την Χημεία που να περιγράφει ικανοποιητικά και στο σύνολο της την επιστήμη αυτή. Οι κύριοι λόγοι είναι ότι έχει μεγάλο εύρος και ότι διαρκώς αναπτύσσεται και επεκτείνεται σε νέα πεδία.

Εάν επιχειρηθεί λοιπόν να δοθεί ένας απλός ορισμός θα ήταν ότι είναι η επιστήμη που ασχολείται με τις χημικές ουσίες, την δομή και τις ιδιότητές τους καθώς και με τις μεταβολές τους .

 Η χημεία, όπως και οι άλλες φυσικές επιστήμες, προσπαθεί να δώσει απαντήσεις για τον φυσικό κόσμο που μας περιβάλλει. Πρακτικά, αποτελούμαστε αλλά και περιστοιχιζόμαστε από τα άτομα των χημικών στοιχείων και από εκατομμύρια ενώσεις τους. 

Ποιες ερωτήσεις σχετικά με τις χημικές αυτές ουσίες προσπαθεί να απαντήσει  η χημεία;

  •  Κάποιες από τις ερωτήσεις που προσπαθεί να απαντήσει είναι για παράδειγμα, γιατί ορισμένα άτομα ενώνονται  μεταξύ τους ή με άλλα άτομα;  Για παράδειγμα στο Σχήμα 1 παρουσιάζεται φωτογραφία αντίδρασης του Na με το Η2Ο όπου σχηματίζεται ΝaOH και H2, δηλαδή το Na ενώνεται με το O από το H2O και τα άτομα Η μεταξύ τους.
  •    Ποιες είναι οι ιδιότητες  μίας  χημικής ένωσης;
  • Πώς μπορεί να προβλεφθεί το σχήμα ενός μορίου (ή διάταξη των ατόμων του στο χώρο);
  • Πώς μπορεί να παρασκευασθεί μία χημική ένωση;
  • Γιατί μερικές χημικές αντιδράσεις πραγματοποιούνται γρήγορα ενώ άλλες με πολύ αργό ρυθμό; Για παράδειγμα η αντίδραση του Na με το H2O πραγματοποιείται ταχύτατα και εκλύεται θερμότητα ( Σχήμα 1 ).
  • Κατά την διάρκεια μίας χημικής αντίδρασης μετατρέπονται τα αντιδρώντα πλήρως σε προϊόντα ή μόνο κατά ένα ποσοστό;
  • Πώς μπορεί να προσδιορισθεί η σύσταση μίας άγνωστης χημικής ουσίας;

Σχήμα 1: Το Νa αντιδρά με το νερό και σχηματίζεται NaOH και υδρογόνο

 

Οπως προκύπτει από τα παραπάνω η χημεία ασχολείται με τον φυσικό κόσμο, με την ύλη ποιο συγκεκριμένα, αλλά και με τα άτομα από τα οποία αποτελείται.

Η χημεία ασχολείται επομένως με τον μικρόκοσμο ή με τον μακρόκοσμο;

Η χημεία όπως όλες οι φυσικές επιστήμες μελετά την φύση και ποιο συγκεκριμένα την ύλη. Επομένως ασχολείται με τον μακρόκοσμο. Για να προσδιορίσει όμως τα χαρακτηριστικά και τις ιδιότητες της ύλης  χρειάζεται να μελετήσει τις ιδιότητες των ατόμων και των υποατομικών σωματιδίων καθώς και των μορίων από τα οποία αποτελείται. Επομένως ασχολείται και με τον μικρόκοσμο. Για παράδειγμα η τρύπα του όζοντος μπορεί να χαρακτηρισθεί ως μακροσκοπικό φαινόμενο. Εχει αποτυπωθεί σε δορυφορικές φωτογραφίες/αναπαραστήσεις  ως οι περιοχές με χαμηλές συγκεντρώσεις όζοντος στην στρατόσφαιρα (η λέξη τρύπα δεν χρησιμοποιείται από τους επιστήμονες κυριολεκτικά αλλά ως μεταφορά για να υποδηλωθεί η ελάττωση της συγκέντρωσης του όζοντος κάτω απο τα ιστορικά όρια των 220 Dobson units – στις κατάλληλα επεξεργασμένες αναπαραστήσεις οι περιοχές αυτές που έχουν χαμηλή συγκέντρωση όζοντος σύμφωνα με τις μετρήσεις αναπαραστώνται με μπλέ-μώβ χρώμα (Σχήμα 2)).  Η χημεία δεν εξετάζει όμως το φαινόμενο της τρύπας του όζοντος μόνο μακροσκοπικά δηλαδή με το να μετρήσει συγκεντρώσεις του όζοντος  και να τις αποτυπώσει στο χαρτί αλλά  προσπαθεί να κατανοήσει και να ερμηνεύσει το μηχανισμό, τις αντιδράσεις και τις χημικές ουσίες που συμμετέχουν στην δημιουργία του (Σχήμα 3).  Εξετάζει επομένως το φαινόμενο και σε επίπεδο μικρόκοσμου.

Σχήμα 2: Επάνω: Η τρύπα του όζοντος όπως αναπαρίσταται με βάση τις συγκεντρώσεις του στην στρατόσφαιρα στις 17-09-1997    Κάτω: Η τρύπα του όζοντος όπως αναπαρίσταται με βάση τις συγκεντρώσεις του στην στρατόσφαιρα στις 26-09-2009

 
 
 
 
Σχήμα 3:  Προτεινόμενος μηχανισμός αντιδράσεων για την εξήγηση του φαινομένου της δημιουργίας της τρύπας του όζοντος
 
 

Πριν να εξετάσουμε από χημικής πλευράς την ύλη είναι απαραίτητο να γνωρίζουμε από τι αποτελείται. Είναι γνωστό εδώ και χιλιάδες χρόνια, ότι μερικές ουσίες μπορούν να διασπασθούν σε απλούστερες με θέρμανση ή χημική επεξεργασία έως ένα ορισμένο σημείο όπου μετά είναι αδιαίρετες με χημικά και φυσικά μέσα. Οι αδιαίρετες αυτές ουσίες ονομάζονται στοιχεία η καλλίτερα άτομα των στοιχείων.

Η ιδέα του ατόμου ως του μικρότερου αδιαίρετου σωματιδίου της ύλης είναι γνωστή από την αρχαιότητα και είχε προταθεί από τον Δημόκριτο (460-370 π.Χ.) (η λέξη άτομο προέρχεται από

 

Δημόκριτος (460-370 π.Χ.)

 το στερητικό –α και το τέμνω και σημαίνει κάτι που δεν μπορεί να διαιρεθεί επιπλέον). Σύμφωνα με τον Δημόκριτο «η ύλη συντίθεται από αδιαίρετα σωματίδια τα άτομα τα οποία ενώνονται μεταξύ τους με διαφορετικούς συνδυασμούς σχηματίζοντας όλα τα υλικά σώματα που μας περιβάλλουν». Αν και η θεωρία του Δημόκριτου για το άτομο και την ύλη αποτελούν ακόμη και σήμερα θεμέλιο λίθο της επιστήμης, η αντίληψή μας για το άτομο έχει αλλάξει λόγω του έργου του Ε. Fermi. Σήμερα γνωρίζουμε ότι το άτομο είναι διαιρετό και μάλιστα ότι κατά την διάσπασή του εκλύονται τεράστια ποσά ενέργειας.

Η μελέτη των ιδιοτήτων των ατόμων των αερίων από τον J. Dalton τον 19 αι. άνοιξε τον δρόμο για την μελέτη του ατόμου στην σύγχρονη εποχή και την διατύπωση των σύγχρονων ατομικών προτύπων. Σύμφωνα με τον J. Dalton (1808) «κάθε χημικό στοιχείο αποτελείται από μικροσκοπικά αδιαίρετα, μη καταστρεφόμενα σωματίδια τα άτομα. Όλα τα άτομα του ίδιου στοιχείου είναι όμοια μεταξύ τους, έχουν το ίδιο ατομικό βάρος και άλλες κοινές ιδιότητες»

                                                                                                                           

Ακολούθησαν τα ατομικά πρότυπα του J. J. Thomson (1897), του Rutherford (1911) και του Ν. Bohr (1913) τα οποία συνέβαλαν σημαντικά στην προσπάθεια περιγραφής του ατόμου και στην

 σημερινή αντίληψη για το άτομο (κβαντομηχανικό πρότυπο).

Το 1926 προτάθηκε το κβαντομηχανικό πρότυπο του ατόμου το οποίο και έγινε τελικά αποδεκτό από όλους ως το πληρέστερο πρότυπο. Στην δεκαετία 1920-1930 επιτεύχθηκε η μέτρηση της μάζας και ο προσδιορισμός του μεγέθους αρκετών ατόμων των γνωστών έως τότε στοιχείων. Έως το 1970 αναπτύχθηκαν νέες τεχνικές που επέτρεψαν πλεόν την απεικόνιση μεμονωμένων ατόμων. Μία από αυτές είναι η Μικροσκοπική  Σάρωση Σήραγγας με την οποία  στο Σχήμα 4 έχει απεικονισθεί ένα άτομο κοβαλτίου (Co) επάνω σε μία χάλκινη επιφάνεια (περισσότερες πληροφορίες στην δημοσίευση του NIST).

 

Σχήμα 4: Απεικόνιση ατόμου Co επάνω σε χάλκινη επιφάνεια με την τεχνική της Μικροσκοπικής Σάρωσης Σήραγγας

 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Η συμβολή της επιστήμης της Χημείας στην βελτίωση της καθημερινής ζωής μας δεν γίνεται πάντοτε αντιληπτή.  Στο ιστολόγιο αυτό γίνεται μία προσπάθεια να παρουσιασθούν οι τομείς στους οποίους έχει συμβάλει αποφασιστικά η Χημεία και η επίδραση που έχει στον άνθρωπο. Ως σκοπός της δημιουργίας του ιστολογίου αυτού με τον τίτλο «Χημεία η Κεντρική  Επιστήμη» μπορεί να θεωρηθεί ότι είναι να παρουσιασθεί η συμβολή της  Χημείας στην βελτίωση της καθημερινής ζωής του ανθρώπου και γενικότερα η προσφορά της σε τομείς όπως: 

  • η υγεία και υγιεινή (φάρμακα, καλλυντικά, σαπούνια, απορρυπαντικά, αναλύσεις βιολογικών δειγμάτων, φίλμ για ακτίνες Χ, τεχνητά άκρα)  
Χημεία και Υγεία: εμβόλιο κατά του καρκίνου του τραχήλου της μήτρας
  • το περιβάλλον (νέες μορφές ενέργειας, νέα είδη καυσίμων, αναλύσεις δειγμάτων περιβαλλοντικού ενδιαφέροντος)

Χημεία και περιβάλλον: Βιοντίζελ που παράγεται από ηλιοτρόπιο

  •  η βιομηχανία (πλαστικά, συνθετικές ίνες, τρόφιμα,  χρώματα, λιπάσματα, γεωργικά φάρμακα, αναλύσεις δειγμάτων).
  • η Βιολογία και η Ιατρική (βοήθεια στην προοδευτικά αυξανόμενη κατανόηση  της μοριακής φύσης των βιολογικών διεργασιών και συστημάτων).  
  • η γεωργία (συνθετικά λιπάσματα, ζιζανιοκτόνα, παρασιτοκτόνα)
  • οι μεταφορές (πετροχημικά προιόντα, πλαστικά για οχήματα)
  • οι κατασκευές (επενδύσεις πατωμάτων και τοίχων, χρώματα, υλικά κατασκευών)
  • η έρευνα και η τεχνολογία (οργανική σύνθεση, δομή των μορίων, γεννητικός κώδικας)

Παρακάτω εξετάζουμε διεξοδικότερα μερικούς από τους τομείς όπου η επίδραση της Χημείας υπήρξε καταλυτική:

 

Χημεία & Γεωργία (Αγροτική Παραγωγή)

Καθώς ο πληθυσμός της γής αυξάνει με ρυθμό πολύ μεγαλύτερο από το παρελθόν υπάρχει μία διαρκώς διογκούμενη πίεση για μεγαλύτερες ποσότητες τροφίμων. Οι παραδοσιακές μέθοδοι καλλιέργειας της γής ήταν και είναι αδύνατο να καλύψουν τις διαρκώς αυξανόμενες ανάγκες με αποτέλεσμα να χρησιμοποιείται η λεγόμενη εντατική καλλιέργεια. Με τον τρόπο αυτό επιτυγχάνεται αύξηση της παραγωγής χρησιμοποιώντας σε μεγάλη κλίμακα:

  • νέα μηχανήματα
  • συνθετικά λιπάσματα για την παροχή βασικών θρεπτικών συστατικών σε φυτά (καλλιέργειες)
  • μυκητοκτόνα για την αποτελεσματική καταπολέμηση ασθενειών
  • παρασιτοκτόνα για την καταπολέμηση παρασίτων

Συνθετικό Λίπασμα

 

Η χρήση χημικών στην εντατική καλλιέργεια όπως φαίνεται και παραπάνω είναι εκτενής καθώς χρησιμοποιούνται είτε ως λιπάσματα είτε ως προιόντα για την καταπολέμηση ασθενειών σε αντίθεση με την παραδοσιακή γεωργία όπου δεν είναι απαραίτητα. Η λίπανση για παράδειγμα στην παραδοσιακή γεωργία προέρχεται κυρίως από την αποσύνθεση των φύλλων και των φυτών με αποτέλεσμα να ελαχιστοποιούνται οι αρνητικές επιπτώσεις στο περιβάλλον. Η χρησιμοποίηση όμως για δεκαετίες εντατικής καλλιέργειας (και μονοκαλλιέργειας) έχει επηρεάσει το έδαφος στερώντας το από τα απαραίτητα θρεπτικά συστατικά με αποτέλεσμα την ανάγκη χρήσης των πρόσθετων συνθετικών συστατικών. Επιπλέον, η μονοκαλλιέργεια κάνει τα φυτά ευάλλωτα σε ασθένειες, έντομα και παράσιτα. Χωρίς την ορθολογιστική χρήση χημικών οι περισσότερες καλλιέργειες θα καταστρέφονταν με αποτέλεσμα να δημιουργούνται ελλείψεις βασικών τροφίμων.

Εντομα επιτίθενται σε καλλιέργεια

 

Λιπάσματα:

 Τα λιπάσματα παρέχουν στο έδαφος, όταν χρησιμοποιούνται στις ενδεδειγμένες ποσότητες, τις ιδανικές ποσότητες θρεπτικών συστατικών (π.χ. άζωτο, φώσφορο, ασβέστιο, κάλιο, μαγνήσιο και ιχνοστοιχεία) έτσι ώστε να επιτυγχάνεται η κατάλληλη ανάπτυξη της κάθε καλλιέργειας. Οταν όμως χρησιμοποιούνται σε ποσότητες παραπάνω απο τις κανονικές (και δυστυχώς αυτό γίνεται τακτικά) ένα μέρος τους καταλήγει στα επίγεια και υπόγεια νερά με αποτέλεσμα να παρατηρείται μόλυνση του περιβάλλοντος. Για παράδειγμα η υπερβολική χρήση φωσφορικών λιπασμάτων σε καλλιέργειες δημιουργεί τελικά ψηλές συγκεντρώσεις φωσφορικών σε νερά κυρίως λιμνών και ποταμών με αποτέλεσμα την γιγάντωση φυτών, φυκιών και άλγης (το φαινόμενο ονομάζεται ευτροφισμός). Καθώς αυτά αφαιρούν οξυγόνο απο το νερό προκαλούν τον θάνατο σε ψάρια και σε άλλους οργανισμούς. 

 

Ευτροφισμός που παρατηρείται σε ποτάμι

Με βάση τα παραπάνω και καθώς η Χημεία αποτελεί «γέφυρα» – διασύνδεση πρός πολλές άλλες επιστήμες και τομείς ενασχόλησης του σύγχρονου ανθρώπου,  μπορεί  να χαρακτηρισθεί ως μια επιστήμη-κλειδί για το σύγχρονο Πολιτισμό, μια «κεντρική επιστήμη», όπως την αποκάλεσε πρόσφατα ο σύλλογος των Αμερικανών Χημικών (Αmerican Chemical Society).  Δίκαια λοιπόν μαζί με άλλες φυσικές επιστήμες και με τα μαθηματικά διδάσκεται στην δευτεροβάθμια εκπαίδευση (γυμνάσιο και λύκειο) και συμβάλλει στην κατανόηση του ατόμου για τον φυσικό κόσμο που μας περιβάλλει. Στο ιστολόγιο αυτό θα γίνει εκτενής αναφορά στην διδασκαλία της Χημείας στο Λύκειο με ιδιαίτερη έμφαση στην Γ΄Λυκείου καθώς αποτελεί μάθημα που εξετάζεται στις πανελλαδικές εξετάσεις για την εισαγωγή των υποψηφίων στην τριτοβάθμια εκπαίδευση.

Οκτώβριος 2019
Δ Τ Τ Π Π Σ Κ
« Ιαν.    
 123456
78910111213
14151617181920
21222324252627
28293031  

Άρθρα

Αρχείο Άρθρων

Blog Statistics

  • 83.314 hits (απο 20-09-2010)
Αρέσει σε %d bloggers: