Η Χημεία στον ουρανό και τι υπήρχε πριν τη Χημεία

2014-06-12 17:18

της Δήμητρας Σπανού καθηγήτριας χημικού

στον Αλκίνοο και τον μπαμπά του

 

Κι ενώ η παλιά κατάρα

αγωνιζόταν να κρατήσει την μορφή της

εμάς μας "ολοκλήρωνε"

ένα άσπρο ντίτζιμαν στον ουρανό

που ανέβαινε ακόμα ψηλότερα

σε δρόμους που δεν μπορούσαμε να καταλάβουμε εντελώς

 

 

 ΧΗΜΙΚΕΣ ΟΥΣΙΕΣ ΣΤΟΝ ΟΥΡΑΝΟ 

 
Στον μεσοαστρικό χώρο του ηλιακού μας συστήματος υπάρχουν σήμερα πάνω από 100 απλές χημικές ενώσεις που δεν υπάρχουν στη Γη. 
      
                                     CHO                
                                    Οπως η ρίζα της φορμαλδευδης               και τα φουραλένια
   
                     Ατμόσφαιρα στην Αφροδίτη και στον Άρη
Με τα σημερινά δεδομένα επίσης στην Αφροδίτη και στον Άρη το διοξείδιο του άνθρακα φτάνει μέχρι εννενήντα πέντε τοις εκατό 
Στο Άρη ραδιενεργά σοιχεία στην επιφάνειά του (ουράνιο, θόριο, κάλιο)
 
Υδρογόνο σε υγρή και μεταλλική μορφή στον Δία             Στον ουρανό ατμόσφαιρα από υδρογόνο, ήλιο 
                                                                                                                   και μεθάνιο
                      (πυρηνικό καύσιμο)
 
Ενώ ο Δίας και άλλοι μακρινοί πλανήτες έχουν (ακόμα) κυρίως αέριο υδρογόνο που σε μορφή υγρή στην επιφάνεια αλλά και μεταλλική ενώ στο κέντρο ατομικό και μοριακό Αυτό λόγω των ακραίων συνθηκών που επικρατούν. 
Στον πλανήτη Ουρανό συναντάμε αμμωνία και το μεθάνιο φτάνει τα 3 τοις εκατό 
 
ενώ στην Ιώ που είναι δορυφόρος του πλανήτη Πλούτωνα ηφαίστειο εκπέμπει διοξείδιο του άνθρακα και θείο
Σε έναν κομήτη με δυοουρές η μια ουρά βρέθηκε νααποτελείται από ιοντισμένα άτομα και μικρά μόρια σε μορφή πλάσματος ενώ η άλλη από πυριτικά ορυκτά 
 
 
Όμως από πότε βρίσκονται οι ουσίες αυτές εκεί; Γιατί έχουμε τόσο μεγάλες διαφορές στην σύσταση στο ουράνιο στερέωμα;
Τι υπήρχε στην αρχή της δημιουργίας του σύμπαντος λίγο μετά την μεγάλη έκρηξη;
 
Η ΧΗΜΕΙΑ ΣΤΟΝ ΗΛΙΟ
Ας ξεκινήσουμε την έρευνα -με την σκέψη μας και τις πληροφορίες που έχουμε- από το κοντινότερό μας άστρο τον ήλιο.
Οι συνθήκες που επικρατούν στα διάφορα στρώματα της ηλιακής μάζας δεν είναι ίδιες αλλά ούτε και η σύστασή τους. Δεν την λέμε χημική σύσταση γιατί στον ήλιο αλλά αλλού στο σύμπαν  βρίσκουμε καταστάσεις που δεν μπορεί να τις περιγράψει η γνωστή μας χημεία. Υλικό που υπήρχε πριν δημιουργηθεί η ύλη όπως την γνωρίζουμε, αυτή που μελετά η επιστήμη της χημείας
Στο εσωτερικό του ήλιου επικρατούν, όπως είναι λογικό, μεγαλύτερες πιέσεις  ( λόγω του βάρους των υπερκείμενων στρωμάτων ) αλλά και θερμοκρασίες της τάξης του 10βαθμοί Κέλβιν. Σε αυτές τις συνθήκες δεν μπορούν να μείνουν άθικτοι οι ηλεκτρονιακόι φλοιοί των ατόμων ακι συναντάμε από αυτά μόνο γυμνούς πυρήνες και βέβαια τα ελέυθερα ηλεκτρόνια σε μια κατάσταση ύλης που ονομάζεται πλάσμα  με μεγάθη σωματιδίων αυτά των πυρήνων περίπου 10-13 που έχουν την δυνατότητα να συμπεριφέρονται και να ακολουθούν τους νόμους των ιδανικών αερίων.
Σε τέτοιες συνθήκες το υλικό σχεδόν αδιαφανές και η ακτινοβολία που παράγεται είναι ακτίνες Χ που διανύουν μερικά μόνο χιλιοστά και αμέσως συγκρούονται με κάποιο σωματίδιο με τις γνωστές συνέπειες (σκέδαση ή απορρόφηση και επανεκπομπή). Και τελικά ελάχιστα διαδίδονται στον χώρο.
Όμως η ενέργεια του ήλιου που εκπέμπεται στον αστρικό χώρο και φτάνει και σε πλανήτες σαν τον δικό μας είναι τερικού ήλιου, είναι τελικά η ενέργεια του πυρήνα του. Πως και γιατί;
Τα φωτόνια των ακτίνων Χ στην βασανιστική τους πορεία και ενώ φυσιολόγικά από το εσωτερικό του ήλιου που παράγονται ως την επιφάνεια που κατευθύνονται θα χρειάζονταν σε ευθεία 2 δευτερόλεπτα, με τις διαρκείς συγκρούσεις, σκεδάσεις, απορροφήσεις καταφέρνουν να φτάσουν τελικά σε 30000 χρόνια αλλά όχι σαν φωτόνια ακτίνων Χ της υψηλής ενέργειας αλλά σαν φωτόνια ορατού φωτός έστω και υπεριώδους δηλαδή φανερά υποβαθμισμένες, κατάλληλες όμως για τους πλανήτες που φωτίζουν.
Επανερχόμαστε στο θέμα μας.
Χωρίς να πρέπει να γίνουμε Αινστάιν μπορούμε να καταλάβουμε πως η θερμική ενέργεια στο εσωτερικό του ήλιου οφείλεται στην μηχανική ενέργεια -βαρυτική- των υπερκείμενων στρωμάτων. Η θερμική δηλαδή ενέργεια του πλάσματος αντιστέκεται στην βαρυτική συστολή. Όμως η τελική ενέργεια που παίρνουμε είναι πολύ περισσότερη από όση αναμένεται. Ποια είναι η δεύτερη πηγή ενέργειας για το εσωτερικό του ήλιου; Είναι η θερμοπυρηνική ενέργεια, ενέργεια που απελευθερώνεται από συντήξεις πυρήνων και  δημιουργεί βαρύτερα χημικα στοιχεία από ελαφρότερα μέσω πυρηνικών αντιδράσεων σε υψηλές θερμοκρασίες.
 
Αυτή η διπλή παραγωγή ενέργεια του ήλιου από το βαρυτικό πεδίο και από τις θερμοπυρηνικές αντιδράσεις έιναι κι αυτό που εμποδίζει το απόλυτο πυρηνικό ατύχημα στον ουρανό . Λειτουργεί σαν μια βαλβίδα ασφαλείας .  Όταν η θερμοπυρηνική ενέργεια υπερβαίνει τα όρια ο ήλιος την απορροφά και διαστέλλεται  ενώ όμα όταν πέφτει η παραγωγή  ο ήλιος συστέλεται και ελευθερώνει ενέργεια του βαρυτικού πεδίου.
Ο ρυθμός παραγωγής θερμοπυρηνικής ενέργειας είναι 3,9.1033 erg/sec
 
Έτσι η  θερμική ισσορροπία διατηρείται για πολλά πολλά χρόνια. Αν δεν υπήρχε η βαρύτητα ο ήλιος θα είχε εκραγεί, αν δεν υπήρχε η θερμοπυρηνική δράση ο ήλιος θα είχε κρυώσει και μικρύνει τελεσίδικα.
 
ΨΑΧΝΟΝΤΑΣ ΓΙΑ ΤΗΝ ΧΑΜΕΝΗ ΣΧΟΛΙΚΗ ΧΗΜΕΙΑ
 'η πως θα έρθουμε πάλι στα νερά μας
 
 
Υπάρχουν χημικά στοιχεία στις συνθήκες αυτές. Ποια υπάρχουν μέσα στον ήλιο ποια είναι στην επιφάνειά του; Πως δημιουργήθηκαν; Αντιδρούν μεταξύ τους ;
 
Στο εσωτερικό ο πυρήνα με μάζα 10% της μάζας του ήλιου με θερμοκρασία αρκετά υψηλή ώστε να έχουμε θερμοπυρηνικές αντιδράσεις με την σύντηξη υδρογόνου παράγεται το ήλιον
 
 
 
Ενώ στον πυρήνα με μεγάλη οπτική πυκνότητα τα φωτόνια ¨βαδίζουν¨,  στα εξωτερικά  στρώματα  (ηλιακή φωτόσφαιρα) όπου η ύλη είναι οπτικά  "λεπτή" και τα φωτόνια "ίπτανται". 
Στην σχετικά χαμηλή θερμοκρασία της φωτόσφαιρας ένα μέρος του ατομικού υδρογόνου αποσπά ενέργεια και σταθεροποιείται και παραμένουν ουδέτερα, Επίσης σε αυτή την κατάσταση έχει την τάση να προσλαμβάνει το ηλεκτρόνια που αποδεσμεύτηκαν από την εξωτερική στοιβάβα των μετάλλων  
 και εμφανίζεται αρνητικά φορτισμένο (Η -δηλαδή μιμείται τα αλογόνα. Αυτό δίνει κάποια ιδιαίτερα αποτελέσμα αδιαφάνειας στο συνεχές φάσμα . 
Που σημαίνει ότι μπαίνει κάποιο εμπόδιο στην εκπομπή ακτινοβολίας του ήλιου προς τα έξω. Ακτινοβολείται μόνο όση ενέργεια χρειάζεται για την ισορροπία κι όχι περισσότερη που θα κρύωνε το άστρο.
 Και βέβαια για την ιστορία πρέπει να ξέρουμε πως  οι περισσότερες πληροφορίες που έχουμε για τον ήλιο αλλά και από άλλα τέτοια ουράνια σώματα είναι από τα φάσματα των ηλεκρομαγνητικών  ακτινοβολιών τους. 
Και βέβαια επειδή δεν νοείται να μετακινούνται μάζες   και έτσι να διαμοιράζεται η ενέργεια μετακινούνται αέριες φυσαλίδες θερμότερες ή ψυχρότερες από το περιβάλλον τους προς τα κάτω ή προς τα πάνω ανάλογα κι έτσι ανακατανέμεται η ενέργεια.
Είναι ζώνη των δινορευμάτων
 
ΤΟ ΥΔΡΟΓΟΝΟ ΚΑΙ ΤΑ ΑΛΛΑ ΧΗΜΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ
 
Η λαμπρότητα του ηλίου οφείλεται στην πυρηνική σύντηξη  Το στοιχείο υδρογόνο το πιο απλό στοιχείο που δημιουργήθηκε , με ένα πρωτόνιο στον πυρήνα του ,αντιδρά είτε σαν μονοτομικό είτε σαν μοριακό (β) ή με την μορφή δευτέριου ή τρίτιου  (γ) (πυρήνες με πρόσθετα ουδέτερα νετρόνια) με θερμοπυρηνική αντίδραση μας δίνει το στοιχείο ήλιον (He)  4Η. ___Ηe  (α)
      (β)  και (γ)
Στις αντιδράσεις αυτές βρίσκεται έλειμα μάζας στα προιόντα γύρω στα 0,7% δηλαδή0.03.mp. Αυτή η μάζα μετατρέπεται σε θερμοπυρηνική ενέργεια σύμφωνα με την εξίσωση Ε=mc2
 
Το δευτέριο και το τρίτιο είναι ισότοπα του υδρογόνου και η σταθερότητά τους εξαρτάται από αν η τοποθέτηση των έξτρα νετρονίων τους στις ενεργειακές τους στάθμες ικανοποιεί ή όχι κάποιους κανόνες που αν τους αναλύσουμε θα ξεφύγουμε  αρκετά από το θέμα μας 
 
Στούς κανόνες αυτούς όμως οφείλεται και η δημιουργία άλλων μεγαλύτερων ατόμων που είναι περισσότερο ή λιγότερο σταθερά ανάλογα με την τοποθέτηση των νετρονίων και πρωτονίων τους σε σταθερές ενεργειακές στοιβάδες  
Από το υδρογόνο και στη συνέχεια το ήλιο και με ανάλογες πυρηνικές αντιδράσεις δημιουργούνται και τα υπόλοιπα χημικά στοιχεία.
 
Δηλαδή η σχολική Χημεία γενήθηκε στον ήλιο!
  
Γιατί όμως ενώνονται όλο και περισσότερα βαρυτόνια (πρωτόνια και ηλεκτρόνια) για να δημιουργήσουν όλο και μεγαλύτερους πυρήνες
Για τα ελαφρά σωματίδια, εκείνο που χρειάζεται είναι θερμότητα για να υπερπηδήσουν το αρχικό απωστικό φράγμα και τις απωστικές δυνάμεις που δρα από μακρυά.  Όταν καταφέρουν να έρθουν κοντά υπερισχύουν οι ελκτικές συνάμεις σύνδεσης των βαρυτόνιων (ενέργεια σύνδεσης).   Η ενέργεια σύνδεσης των βαρυτόνιων εξατάται και από τον συνολικό αριθμό των βαρυτονίων.  Όταν ο πυρήνας αυξηθεί τόσο ώστε να φτάσει στο στοιχείο σίδηρο με 26 πρωτόνια και 26 νετρόνια τότε 
Στους απο κει και πάνω πυρήνες (που επικρατούν οι δυο τάσεις αυτές που τους σταθεροποιούν και αυτές που τους αποσυνθέτουν) αρχίζουν να υπερισχύουν οι δεύτερες . Ο πυρήνας μεγαλώνει και οι απωστικές δυνάμεις δουλεύουν πιο καλά σε μεγάλες αποστάσεις σε αντίθεση με τις ελκτικές που δρουν από κοντά .
Δεν διασπώναι βέβαια ακόμα γιατί οι συγκεκριμένες θέσεις που καταλαμβάνουν τα πρωτόνια και νετρόνια του πυρήνα δίνουν ακόμα αρκετή σταθερότητα .
Όταν όμως  ο πυρήνας γίνει πολύ μεγάλος (υπερουράνια σοιχεία) εμφανίζουν ραδιενέργεια. Σε πολλές περιπτώσεις το βαρύ στοιχείο για να σταθεροποιηθει αποβάλλει από τον πυρήνα του έναν πυρήνα ηλίου4 που λέγεται και σωμάτιο α .
 
Το ουράνιο με 90 πρωτόνια στον πυρήνα αποβάλειένα σωμάτιο α και μετατρέπεται σε θόριο με 90 πρωτόνια στον πυρήνα του
 
Τα άστρα λοιπόν μέσ σε ένα σκοτεινό και παγωμένο διλαστημα εκπέμπουν φως και θερμότητα. με δυο ττρόπους Με την συστολή της μάζας τους και με τα θερμοπυρηνικά τους καύσιμα. Όμως και τα δύο αυτά δεν διαρκούν στην αιωνιώτητα. Κάποτε τα αστέρια πεθαίνουν. 
Τα αποθέματα της πυρηνικής ενέργειας δεν είναι απεριόριστά και η διαρκής απώλεια ενέργειας το ψυχει και το συρρικνώνει διαρκώς έως το τέλος που μπορεί να είναι μια έκρηξη ή μια μαυρη τρύπα.
Ποια όμως μπορεί να είναι η εξέλιξη της ύλης με την γνωστή της μορφή στο μεταξύ. 
 
Τα χημικά στοιχεία έχουν εν το μεταξύ δημιουργηθεί

 

Ερχόμαστε από μια σκοτεινή άβυσσο· καταλήγουμε σε μια σκοτεινή άβυσσο· το μεταξύ φωτεινό διάστημα το λέμε Ζωή.

Ευτύς ως γεννηθούμε, αρχίζει κι η επιστροφή· ταυτόχρονα το ξεκίνημα κι ο γυρισμός· κάθε στιγμή πεθαίνουμε. Γι αυτό πολλοί διαλάλησαν: Σκοπός της ζωής είναι ο θάνατος.

Μα κι ευτύς ως γεννηθούμε, αρχίζει κι η προσπάθεια να δημιουργήσουμε, να συνθέσουμε, να κάμουμε την ύλη ζωή· κάθε στιγμή γεννιούμαστε. Γι’ αυτό πολλοί διαλάλησαν: Σκοπός της εφήμερης ζωής είναι η αθανασία....

 

από την Ασκητική του Νίκου Καζαντζάκη
 
και είχαν την αναμενόμενη εξέλιξη. Μόρια και χημικές ενώσεις ανάλογα με τις ενεργειακές τους ανάγκες και τις συνθήκες . Ακόμα και σήμερα ανιχνεύονται στον ουρανό ,νέες ουσίες, που άλλες υπάρχουν στη Γη κι άλλες όχι .Στην ηλεκτρονική δ/νση "Λίστα του διαστρικού και circumestellar μόρια-Βικιπαίδεια "  βρίσκονται καταγεγραμένα όσα μόρια έχουν εντοπιστεί και όσα ακόμα ανιχνεύονται στο διάστημα  με φασματοσκοπία. Σημειώνουμε πως πολλές είναι οι ιονισμένες ή οι ρίζες -σπάνιες στη γη. Οι ενώσεις αυτές γίνονταί στην εξέλιξή τους όλο και πιο πολύπλοκες και ορισμένες εμφανίζουν δομή και ιδιότητες που θα μπορούσαν στην συνέχεια να εξελιχθούν σε οργανισμούς και στο επόμενο βήμα σε ζωντανούς οργανισμούς.
 
 ΑΠΟ ΤΟ ΑΠΛΟ ΣΤΟ ΣΥΝΘΕΤΟ

Πόσο έπρεπε να εξελιχθεί η ύλη για να μπορέσει να λειτουργήσει στην επόμενη βαθμίδα την ζώσα ύλη 
Ύποπτες ενώσεις που αποτέλεσαν βάσεις για την οργανική ζωή είναι η αμμωνία (NH3) ,το νερό βέβαια (H2O),το υδροκυάνιο (HCN) , το μεθάνιο (CH4), φορμαλδείδη (HCHO) Το υδροκυάνιο  (HCN ) ένα απλό μόριο παρασκευάζεται εύκολα από τις ηλεκτρικές εκκενώσεις σε ατμόσφαιρα που περιέχει μεθάνιο CHκαι άζωτο N2
 αμινοξυ από HCN
 Mόρια υδροκυάνιου μπορούν να δώσουν αδενίνη και άλλες ενώσεις του DNA επίσης  και αμινοξέα
Εξ άλλου η φορμαλδείδη που μπορεί να παρασκευαστεί από διοξείδιο του άνθρακα και ορυκτά παρουσία νερού είναι ουσία που  τα μόριά της που εύκολα συννενώνεται και δίνουν σάκχαρα. Όλα μόρια της ζωής. Κοινή καταγωγή από τον ήλιο. Γι αυτό όλοι οι αρχαίοι λαοί τον  τιμούσαν σαν θεό.
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Όλα αυτά μας λένε ένα πράμα Ο ουρανός μεγαλώνει και γερνάει αλλά όχι με την ίδια ταχύτητα σε όλα του τα σημεία
(συνεχίζεται...)
 
Πηγές: Αστροφυσική Frank Shu τομος Ι 1991, Τα επτά ίχνη A.G.Cairns-Smith, πληροφορίες, εικόνες διαδικτύου