Ανόργανη χημεία ΙΙ. Αικ. Δενδρινού-Σαμαρά, Αναπλ. Καθηγήτρια, γρ. 407 Γ. Ψωμάς, Επίκουρος καθηγητής, γρ. 403 Π. Αγγαρίδης, Λέκτορας, γρ.

Transcript

1 Ανόργανη χημεία ΙΙ Αικ. Δενδρινού-Σαμαρά, Αναπλ. Καθηγήτρια, γρ. 407 Γ. Ψωμάς, Επίκουρος καθηγητής, γρ. 403 Π. Αγγαρίδης, Λέκτορας, γρ.!!!! Μάθημα Τρίτη!!!! Στο δίκτυο έως μια μέρα πριν βασικές σημειώσεις

2 ΑΝΟΡΓΑΝΗ ΧΗΜΕΙΑ ΙΙ ΕΝΑΡΞΗ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΩΝ : 24 ΦΕΒΡΟΥΑΡΙΟΥ 2014 Να φέρεται τις σημειώσεις των εργαστηρίων και ποδιά, Ημέρα Ώρα Τμήματα Υπεύθυνος Δευτέρα Ν - Ω Γ. Ψωμάς και Π. Αγγαρίδης Τετάρτη A- Κ Γ. Ψωμάς και Π. Αγγαρίδης Τετάρτη Κρ.-Μ Π. Αγγαρίδης!!!ΕΡΓΑΣΙΕΣ- ΕΠΙΛΟΓΗ ΑΠΟ ΚΑΠΟΙΑ ΘΕΜΑΤΑ ΠΟΥ ΘΑ ΣΑΣ ΔΟΘΟΥΝ!!!! ΓΡΑΠΤΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΚΑΙ και παρακολούθηση των παρουσιάσεων των εργασιών ΥΠΟΧΡΕΩΤΙΚΑ

3 Ανόργανη Χημεία ΙΙ : Βασικές χημικές ιδιότητες των στοιχείων και πως οδηγούν στις εφαρμογές τους στη ζωή. Η επιστήμη της χημείας είναι γύρω μας και εμείς αποτελούμε μέρος της, παρόλα αυτά είναι ένας κόσμος κρυφός με πολλές ιδιαιτερότητες και εκπλήξεις. Η κατανόηση των εφαρμογών και ως εκ τούτου και η ανάπτυξη τους απαιτεί να ανατρέξουμε όλοι μας στις βασικές/δομικές ιδιότητες. Τα ανόργανα χημικά στοιχεία εμπλέκονται σε όλη μας τη ζωή, χωρίς υπερβολή είναι η ζωή!!!!!

4 ΖΩΗ????????????? Η ζωή στη Γη άρχισε πριν από 3 δισεκατομμύρια χρόνια, ξεκινώντας από τον πιο βασικό μονοκύτταρο οργανισμό και φθάνοντας σε μια εκθαμβωτική σειρά πολυπλοκότητας κατά τη διάρκεια των χρόνων που πέρασαν. Αλλά πώς αναπτύχθηκαν από την αρχέγονη σούπα οι πρώτοι οργανισμοί στο μόνο γνωστό χώρο για τη ζωή στο σύμπαν;

5

6 Η αρχή της φωτοσύνθεσης Ο εμπλουτισμός του περιβάλλοντος με οξυγόνο αποτέλεσε απαραίτητη προϋπόθεση για την εμφάνιση ποικιλίας αερόβιων βακτηρίων αρχικά και πολύ πιο σύνθετων οργανισμών αργότερα

7 Πηγές ενέργειας που ήταν παρούσες και πιθανόν να συνέβαλαν στην χημική εξέλιξη που συντελέστηκε στην πρωταρχική Γη πριν από 4 δισεκατομμύρια χρόνια Η ηλιακή ακτινοβολία ( δεν υπήρχε το προστατευτικό στρώμα του όζοντος) Οι ηλεκτρικές εκκενώσεις Οι κοσμικές ακτίνες Ο ηλιακός άνεμος Τα παλιρροιακά κύματα Τα ηφαίστεια Η ραδιενέργεια (οφειλόμενη κυρίως στα νουκλεοτίδια 238 U, 235 U, 232 Th και 40 Κ).

8 ΚΑΙ ΟΛΑ ΞΕΚΙΝΑΝΕ ΜΕ ΜΙΑ ΕΚΡΗΞΗ

9 Σε χρόνο sec και θερμοκρασία ο C

10 Σε χρόνο 10-6 sec και θερμοκρασία ο C Τα quarks παγώνουν ενωμένα μεταξύ τους σε ομάδες των δύο ή τριών. Πρώτα σχηματίστηκαν τα νετρόνια, τα οποία διασπάστηκαν γρήγορα (χρόνος ημισείας ζωής 11,3 λεπτά)

11 Σε χρόνο 3min και θερμοκρασία C Τα νετρόνια διασπάστηκαν σε πρωτόνια, ηλεκτρόνια και νετρίνα (σωματίδιο μηδενικού ηλεκτρικού φορτίου και μάζας αμελητέας σε σχέση με το ηλεκτρόνιο-το διάνυσμα του spin είναι παράλληλο του διανύσματος της ορμής του). Μέσα σε χρόνο μιας ημιζωής ενός νετρονίου, η μισή ύλη του διαστήματος ήταν πρωτόνια και η θερμοκρασία έφτανε τους 500x10 6 K.

12 Μετά από χρόνια και θερμοκρασία ~ C Οι πυρήνες που σχηματίστηκαν τα πρώτα 30 με 60 λεπτά ήταν αυτοί του δευτέριου ( 2 H), και διαφόρων ισοτόπων του ηλίου ( 3 He, 4 He, 5 He) μέσω μιας διαδικασίας που ονομάζεται «κύκλος καύσης του υδρογόνου» H 1H 1H e ve H 1H 2 He γ He 2He 2 He H

13 1 BILLION χρόνια σε θερμοκρασία ~ C Το υλικό που τότε δημιουργήθηκε από τις πρώτες αυτές αντιδράσεις άρχισε να συγκεντρώνεται σε γαλαξιακά συμπλέγματα και στη συνέχεια σε πιο πυκνά αέρια νεφελώματα και τελικά σε αστέρια, όπου η πίεση της βαρύτητας διατήρησε τη θερμοκρασία αρκετά υψηλή ώστε να πραγματοποιηθούν και περαιτέρω αντιδράσεις. Ο συνδυασμός του υδρογόνου και του ηλίου με πλήθος πρωτονίων και νετρονίων οδήγησε ταχύτατα στο σχηματισμό βαρύτερων στοιχείων, όπως το βηρύλλιο (Be) κι ο άνθρακας (C).

14

15 15 BILLION χρόνια και σε θερμοκρασία C

16 Πανσπερμία Ίσως η ζωή να μην άρχισε στη Γη, αλλά να παρουσιάστηκε εδώ ερχόμενη από κάπου αλλού στο διάστημα, μια ιδέα γνωστή ως πανσπερμία.

17 Τι στοιχεία όμως υπάρχουν για την πανσπερμία; Πειράματα επιβεβαίωσης Το πείραμα του Narlikar, Blank, Sugita,. Υπάρχουν ενδείξεις σήμερα; 2001 επιστήμονες από την Αγγλία και τις Ινδίες ανακοίνωσαν την ύπαρξη μικροοργανισμών στη στρατόσφαιρα, ενώ στις 11 Μαΐου 2001 ο γεωλόγος Bruno d' Argenio και ο βιολόγος G. Geraci από το Πανεπιστήμιο της Νάπολης ανακοίνωσαν την ύπαρξη εξωγήινων βακτηρίων σε μετεωρίτη ηλικίας 4,5 δισ. ετών. Οι ανακαλύψεις αυτές πυροδότησαν την έναρξη ενός εκτεταμένου προγράμματος ερευνών ταυτόχρονα από τη NASA και τον Ευρωπαϊκό Οργανισμό Διαστήματος (ESA), οι οποίες αποσκοπούν στην επιβεβαίωση της θεωρίας της πανσπερμίας. Τα αποτελέσματα των ερευνών συνεχίζουν να εκπλήττουν τους επιστήμονες ως προς την ανθεκτικότητα των μικροοργανισμών σε ακραιές συνθήκες. Μέρος αυτής της προσπάθειας υπήρξε και η κοινή προσπάθεια της Ευρωπαϊκής Ένωσης και του ESA μέσω του προγράμματος SURE, στο οποίο συμμετείχε και το Εθνικό Ίδρυμα Ερευνών. Η ερευνητική προσπάθεια περιλάμβανε την εκτέλεση πειραμάτων στο Διεθνή Διαστημικό Σταθμό, παράλληλα με εργαστηριακές προσομοιώσεις συνθηκών Διαστήματος, με σκοπό την εκτίμηση της επίδρασης της έλλειψης βαρύτητας, της υπεριώδους ακτινοβολίας, του διαστημικού κενού και των χαμηλών θερμοκρασιών στη βιωσιμότητα διάφορων μικροοργανισμών.

18 Θεωρίες «σούπας»

19 Θεωρίες «σούπας» Σύμφωνα με τη θεωρία της «προβιοτικής σούπας», σε μεγάλες λεκάνες -μεγάλες λίμνεςσυσσωρεύτηκαν υλικά που συμπυκνώθηκαν μετά από μεγάλη ακτινοβολία και υψηλές θερμοκρασίες. Ας σημειωθεί ότι η πρωταρχική μας ατμόσφαιρα ήταν αναγωγική και περιείχε μεθάνιο, υδρόθειο, αμμωνία, μονοξείδιο και διοξείδιο του άνθρακα. Άρα, όταν αυτά τα μόρια βρέθηκαν σε μια τέτοια «σούπα», μπόρεσαν και άρχισαν να δίνουν τις πρώτες αντιδράσεις σχηματισμού των πρώτων βιομορίων και στη συνέχεια τον σχηματισμό του πρώτου κυττάρου, τον πιθανό προγονό μας. Η μεμβράνη που σχηματίζεται από απλά μόρια λιπιδίων, χοληστερόλης και πρωτεϊνών έχει τη δομή μωσαϊκού και μπορεί σε υδατικό διάλυμα να πάρει τη μορφή σφαίρας εμπερικλείοντας πολλά άλλα νεοσχηματισθέντα μόρια.

20 Miller- Urey : Nobel χημείας, 1934 Ο Miller προσπάθησε να μιμηθεί μερικές διαδικασίες της χημειογένεσης in vitro σε συνθήκες παρόμοιες με εκείνες που πιστεύεται ότι επικρατούσαν αρχικά στην επιφάνεια της προβιοτικής Γης. Ηλεκτρικός σπινθήρας Κυκλική συσκευή: CH 4, NH 3, H 2, ατμοί ύδατος (ηλεκτρικές εκκενώσεις) Αλλαγή χρώματος μίγματος (χρωματογραφία) Εύρεση αμινοξέων, καρβοξυλικών οξέων κλπ (UV ακτινοβολία) Σχηματισμός ΗCN σύνθεση αδενίνης

21 Ψυχρό ξεκίνημα : «κρύα σούπα κάτω από τον πάγο» Ο πάγος μπορεί να είχε καλύψει τους ωκεανούς πριν 3 δισεκατομμύρια χρόνια, δεδομένου ότι ο ήλιος ήταν τότε κατά ένα τρίτο λιγότερο φωτεινός από ότι είναι τώρα. Αυτό το στρώμα του πάγου, με πάχος ενδεχομένως λίγες εκατοντάδες μέτρα, μπορεί να είχε προστατεύσει τις εύθραυστες οργανικές ενώσεις κάτω στο νερό από το υπεριώδες φως και την καταστροφή από τις επιδράσεις των κοσμικών ακτίνων.

22 Προκάμβριοι στρωματόλιθοι στα Όρη Siyeh, στο Glacier National Park. Απολιθωμένα κυανοβακτήρια ηλικίας 3,5 δισεκατομμυρίων ετών. Κοινότητα αργίλου Τα πρώτα μόρια της ζωής μπορεί να έχουν συναντηθεί στην άργιλο, (Alexander Graham Cairns-Smith). Αυτές οι επιφάνειες όχι μόνο μπορεί να είχαν συγκεντρώσει αυτές τις οργανικές ενώσεις μαζί, αλλά και τις βοήθησαν να οργανωθούν σε μοτίβα σαν τα γονίδιά μας τώρα.

23 Θεωρία υποθαλάσσιων διεξόδων αερίων Η ζωή μπορεί να είχε ξεκινήσει σε υποβρύχιες υδροθερμικές διεξόδους, που ανέβλυζαν τα βασικά μόρια πλούσια σε υδρογόνο απαραίτητα για τη ζωή. Ακόμα και τώρα, αυτές οι υδροθερμικές υποθαλάσσιες διέξοδοι, πλούσιες σε χημική και θερμική ενέργεια, στηρίζουν δραστήρια οικοσυστήματα. Wächtershäuser: οι μη κυτταρικές μορφές ζωής προηγήθηκαν των κυτταρικών, που τελικά επικράτησαν. Martin- Russel: ύπαρξη ανόργανων κυψελίδων, με μορφή κυττάρων, οι οποίες αντλούν ενέργεια από τη διαβάθμιση του ph που διαμορφώνεται στις δύο πλευρές μιας ανόργανης μεμβράνης.

24 Κόσμος του RNΑ Οι πρωτεΐνες χρειάζονται το DNA προκειμένου να φτιαχτούν, και το DNA τις πρωτεΐνες για να σχηματιστεί, γι αυτό και οι επιστήμονες απορούν πώς μπόρεσαν αυτά τα δύο να έχουν σχηματιστεί το ένα χωρίς το άλλο; Η απάντηση γι αυτό το ζήτημα μπορεί να είναι το RNA, που μπορεί να αποθηκεύσει πληροφορίες όπως και το DNA, να παίξει το ρόλο ενός ενζύμου, όπως οι πρωτεΐνες, και να βοηθήσει στην δημιουργία τόσο του DNA όσο και των πρωτεϊνών. Άλλα νουκλεϊκά οξέα που έχουν προταθεί επίσης εκτός από το RNA, είναι το εσωτερικό PNA ή TNA.

25 Το κεντρικό δόγμα της μοριακής γενετικής. Τα συνεχή βέλη δείχνουν τους τύπους της μεταφοράς της γενετικής πληροφορίας που συμβαίνει σε όλα τα κύτταρα. Οι ιδιαίτεροι τύποι μεταφοράς σημειώνονται με διακοπτόμενα βέλη: RNA-κατευθυνόμενο RNA πολυμεράση παρατηρείται σε ορισμένους RNA ιούς και σε κάποια φυτά. RNAκατευθυνόμενη DNA πολυμεράση (αντιστροφή τρανσκριπτάση) απαντάται σε RNA ιούς. Η κατευθυνόμενη σύνθεση πρωτεϊνών από το DNA είναι άγνωστη, αλλά δεν φαίνεται να είναι αδύνατη. Οι πρωτεΐνες μπορούν να είναι μόνο αποδεκτές της γενετικής πληροφορίας.

26

27 Το Πρώτο Κύτταρο - Τελευταίος Κοινός Πρόγονος Οργανικά μόρια μοριακή εξέλιξη αυτό-αντιγραφή, ένζυμα, προκυτταρική ζωή πρώτο κύτταρο (μετάβαση στη ζωή)

28 Η μεγάλη έκρηξη Big Bang) Πώς από το τίποτα προήλθαν τα πάντα; Δημιουργία σύμπαντος από μία υπερβολικά πυκνή και θερμή κατάσταση πριν από 13,7 δις χρόνια

29 Bing Bang: sec ΠΥΡΗΝΟΑΝΘΗΣΗ πυρηνική αντίδραση με πρωταγωνιστή το Υδρογόνο ΕΠΟΧΗ ΤΟΥ ΧΡΙΣΤΟΥ 9 ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΓΝΩΣΤΑ ΣΗΜΕΡΑ 116 ΣΤΟΙΧΕΙΑ Ηλεκτρονια πρωτόνια και νετρονια σχηματιζουν τα πρωτα ατομα Η και Ηe Λόγω βαρύτητας H & He σχηματιζουν τους πρώτους γαλαξίες. Μικρες συγκεντρωσεις αεριων δημιουργουν τα αστερια Θάνατος των πρώτων αστεριων και διασπορά βαρεων στοιχειων. ΝΕΑ ΑΣΤΕΡΙΑ

30

31 The Big Bang Theory Τα πρώτα στοιχεία που δημιουργήθηκαν ήταν το H, το He καθώς και ίχνη Li. Η αφθονία των στοιχείων στο σύμπαν μας οδηγεί στο συμπέρασμα ότι οι διεργασίες δημιουργίας στοιχείων δεν έχουν περατωθεί, αλλά συνεχίζονται μέχρι σήμερα.

32 Πυρηνοσύνθεση: ένα κοσμολογικό φαινόμενο Σήμερα, τα χημικά στοιχεία δημιουργούνται φυσικά: στους αστέρες. στις εκρήξεις αστέρων τύπου supernova. κατά τις συγκρούσεις αστρικών λειψάνων (πλην μελανών οπών). κατά τις συγκρούσεις αστρικών λειψάνων με αστέρες. κατά τη μεταστοιχείωση κάποιων χημικών στοιχείων του μεσοαστρικού κονιορτού από την κοσμική ακτινοβολία.

33 Μεταστοιχείωση Πρόκειται για την μετατροπή ενός χημικού στοιχείου σε κάποιο άλλο με αλλαγή του αριθμού πρωτονίων του πυρήνα του ατόμου του. Δημιουργούνται και τεχνητά στοιχεία, δηλαδή χημικά στοιχεία που όμως δεν υπάρχουν θεωρητικά στη φύση.

34 Πυρηνική Σχάση και Σύντηξη Στην πυρηνική σχάση ένας βαρύς πυρήνας με απορρόφηση νετρονίων χωρίζεται σε δύο μεγάλα θραύσματα και ελευθερώνονται νέα νετρόνια. Στην πυρηνική σύντηξη δύο ελαφροί πυρήνες συνενώνονται, για να σχηματίσουν ένα βαρύτερο.

35 Ακτινοβολίες και Ραδιενέργεια Οι πιο πολλοί πυρήνες είναι ασταθείς και μεταπίπτουν σε σταθερότερους με διασπάσεις α, β και γ. Αυθόρμητη σχάση: Η αυθόρμητη διάσπαση ενός ασταθούς πυρήνα, κατά την οποία ένας βαρύς πυρήνας (Mr>89) διαιρείται σε ελαφρύτερους πυρήνες κι ελευθερώνεται ενέργεια.

36 Σύγχρονες Ανακαλύψεις 2011: 3 νέα στοιχεία: Νταρμστάντιο (Ds), Ρεντγκένιο (Rg) και Κοπερνίκειο (Cn) 2013: 2 νέα στοιχεία: Φλερόβιο (Fl) και Λιβερμόριο (Lv) Η δημιουργία των στοιχείων αυτών αναπτερώνει τις ελπίδες των επιστημόνων ότι επιτέλους θα φθάσουν στη λεγόμενη νήσο σταθερότητας.

37 Περιοδικός Πίνακας Η απαρχή της ιδέας της κατάταξης των στοιχείων και η δημιουργία του πρώτου περιοδικού πίνακα

38 Οι πρώτοι περιοδικοί πίνακες Ο Lavoiser δημιούργησε τον Πίνακα των απλών ουσιών. Ο Dobereiner το 1817 χώρισε τα στοιχεία ανά τριάδες

39 Ο Duma το 1859 επέκτεινε την θεωρία του Dobereiner δημιουργώντας ομάδες τεσσάρων στοιχείων Ο Alexandre-Ιmile Bιguyer de Chancourtois επινόησε μια πρόωρη μορφή του περιοδικού πίνακα, την οποία ονόμασε telluric screw Ο John Newlands διάταξε τα στοιχεία κατά σειρά ατομικού βάρους

40 Ο Julius Lothar Meyer κοντά στο 1870 εργάζονταν στην ταξινόμηση των στοιχείων Το 1868, ο ρώσος χημικός Mendeleev ταξινόμησε τα στοιχεία βάση των ατομικών βαρών τους

41 Ο Sir William Ramsay και ο λόρδος Rayleigh το 1895 ανακάλυψαν το αργό και την ομάδα των ευγενών αερίων Ο Moseley το 1913, παρατήρησε και μέτρησε το X-ray φάσμα διάφορων χημικών στοιχείων, ανακάλυψε τη σχέση μεταξύ του μήκους κύματος και του ατομικού αριθμού και προσδιόρισε τον αριθμών των λανθανίδων

42 Κατανομή των στοιχείων στον περιοδικό πίνακα Στο σύγχρονο περιοδικό σύστημα η κατάταξη των στοιχείων γίνεται σύμφωνα με τον περιοδικό νόμο του Moseley (1913): Οι ιδιότητες των στοιχείων είναι περιοδική συνάρτηση του ατομικού αριθμού τους.