Bemutatkozás/Labinformálódás/A periódusos rendszer története - 3. rész



Nemfémek: az élet alapvető építőkövei

Hidrogén, szén, nitrogén, oxigén, kén, foszfor. A periódusos rendszer nemfémes elemeinek felsorolása első pillantásra csupa olyan elem listája, amelyekből az élőlények szervezete nagyrészt felépül. De milyen tulajdonságok teszik lehetővé számukra, hogy szerves molekulákat hozzanak létre, ezekből pedig a testünket építsék fel?

Ha azt a feltételeznénk, hogy a kémiai elemek létrehozásáért valamilyen intelligens lény felel, szinte azonnal lelepleznénk a legkedvesebb kötődését. Ez a lény biztosan vonzódott azokhoz az elemekhez, amelyek jól vezetik az elektromos áramot, a hőt, jól megmunkálhatók, ezen kívül fémes fényűek.

Igen, természetesen a fémekről van szó. A félfémekből mindössze 8 van, a nem fémes elemekből pedig „csupán” 18. Ám a nemfémes elemek jelentős részét a mi feltételezett „teremtőnk” valami egészen másra használta – létrehozta belőlük az életet.

Rekordtartó a vegyületekben
A kémia szempontjából a leglényegesebb, hogy ezen elemek közé tartozik a szén. A szén kötési tulajdonságai (főként az a képessége, hogy egyszerre akár négy különböző atomhoz is kötődjön) révén arra rendeltetett, hogy a belőle épített láncok alkossák minden élő szervezet vázát. Leggyakrabban azokkal az elemekkel létesít kémiai kötést, amelyekről a továbbiakban szó lesz, de pl. bizonyos halogénekkel vagy számos fémmel is. A tudósok jelenleg kb. 10 millió különböző szerves vegyületet ismernek. E szám biztosan nem végleges, de egyértelmű elsőséget jelent az összes elem között.

A szén egy sor szervetlen vegyületben is megtalálható. Legjelentősebb közülük a széndioxid, ami az utóbbi években főként az üvegházhatáshoz hozzájáruló gázként vált ismertté. De ha nem létezne ez a vegyület, megállna a szén körforgása a bolygónk felszínén. A növényeknek nem lenne miből felépíteniük magukat, az élőlényeknek pedig nem lenne miből tápanyagot és energiát szerezni.

Hidrogén, víz és hidacskák
A szerves vegyületek további alap alkotóeleme a hidrogén. A hidrogén szintén különleges kémiai kötés, az ún. hidrogénkötés létrehozására képes. Egyetlen molekula hidrogén szerkezetének hidrogénhidakkal történő átkötése lehetővé teszi pl. a molekulák különböző térkonformációjának kialakítását, hozzájárulva ezzel a molekulák alakbeli és funkcionális változatosságához.

De a hidrogén nem csak a szerves vegyületek alkotóelemeként fontos az élet szempontjából. Hidrogén (és persze oxigén) nélkül nem létezne az oxid, vagy közönséges nevén a víz nevű vegyület. A vízben nem csak hogy megszületett az élet (vagy legalábbis sokáig fejlődött), de testünk létfontosságú alkotórésze, minden élő szervezet nagyrészt vízből áll (egy felnőtt embernél ez az arány kb. 60%).

hidrogen


De miért épp a víz, és miért nem pl. a folyékony metán? A víz olyan vegyület ugyanis, amelyben számos optimális fizikai tulajdonság egybeesik. A Földön lévő körülmények között folyékony halmazállapotban létezik, kiváló oldószer, és magas a fajhője (a hőtárolás képessége).

A nitrogén nem fojt meg
Bár Antoine Lavoisier (1743–1794) az „azote”, vagyis a „fojtógáz” nevet adta a nitrogénnek, mivel nem táplálja az égést, és ez alapján azt várnánk, hogy alapvetően kizárja az életet, ennek pontosan az ellenkezője igaz. Közvetlenül ugyan nem segíti a légzést, a körülöttünk lévő levegő 78%-át még is ez a gáz alkotja, ennek ellenére nem fulladunk meg tőle.

A nitrogén testünk tömegének mindössze 2,7%-át teszi ki, de teljességgel pótolhatatlan, ugyanis nélkülözhetetlen eleme az aminosavaknak, amelyek a fehérjék (proteinek) építőkövei. Lényegében pedig ezekből épül fel az egész testünk.

A nitrogén azonban az élő szervezetek más, központi fontosságú molekuláinak is az összetevője. Ezek elsősorban a DNS- és az RNS molekulák, amelyek ún. nitrogén bázisokat tartalmaznak. A DNS egyik építőköve az adenozin-trifoszfát (ATP) nevű többfunkciós nukleotid, amely a sejten belüli energiaátvitel legkisebb „molekuláris pénzegysége”.

Pokoli elemek: kén és foszfor
A kén és a foszfor nélkül, noha a biogén elemek között némileg a perifériára szorultak, egészen más lenne az élet. Erről leginkább a földművelők mesélhetnének, akiknek trágya formájában folyamatosan be kell vinni ük a talajba ezeket az elemeket. De mi ért is nélkülözhetetlenek az élethez?

A kén egyrészt két fontos aminosav (a metionin és a cisztein) alkotóeleme, másrészt egy sor enzim és vitamin összetevője, amelyek a szervezet fontos kémiai folyamataiban vesznek részt.

Foszfor nélkül megint csak nem létezhetne DNS, sem pedig az adenozin-trifoszfát. Mindegyik DNS építőköve tartalmaz ugyanis foszfátcsoportot (a foszforsav maradékát). Az adenozin-trifoszfát foszfátjai közti ún. makroerg kötésekben ugyanis az az energia tárolódik, amelynek ősi eredete a Napban van.

sulphur


Szén számtalan alakban


Azt, hogy a szén grafit és gyémánt alakjában fordul elő a természetben, már az általános iskola alsó osztályaiban megtanultuk. A szén allotróp módosulatainak száma azonban ennél lényegesen nagyobb, ugyanis nem mindegyikük fordul elő természetes formában.

Az a szén, aminek nincs szabályos kristályszerkezete, az úgynevezett amorf szén. Utóbbit főleg az égés melléktermékeként, koromként ismerjük. Ám a természetben ritkán előfordulnak különleges kristályszerkezetű allotrópok is. Ilyen a lonsdaleit (hexagonális gyémánt), amelynek a gyémánthoz hasonlóak a tulajdonságai, de nem köbös, hanem hexagonális rendszerben kristályosodik. Ugyanígy kristályosodik a chaoit (fehér szén) is. Ritkán, vélhetően meteorit-becsapódás következtében fordulnak elő a természetben.

A fő szó a laboratóriumé
Számos szénmódosulatot viszont mesterségesen alkottak meg. Az egyrétegű, méhsejtre emlékeztető szénszerkezet a grafén, kevésbé szabályos változata a grafin. A grafén hengeralakba való összetekerésének eredménye a szénnanocső. Különleges térbeli elrendezéssel szén nanohab jön létre.

A gömbszerűen elrendezett térbeli szerkezet neve fullerén, a belőle álló kristályok a fulleritek. Szénből további alakzatok, ún. strukturált amorf szénklaszterek is létrehozhatók.

A szén további érdekes formája, ami iránt jelenleg érdeklődnek a nanotechnológusok, a karbin (angolul linear acetylenic carbon, LAC). E formában a szénatomok kölcsönösen hármas kötéssel kapcsolódnak egymáshoz.

grafen


HIDROGÉN – A TÁBLÁZAT BAL SARKÁBAN

Amikor 1776-ban Henry Cavendish (1731–1810), brit kémikus és fizikus savakban oldott fel fémeket, megfigyelte, hogy a reakció során színtelen, de gyúlékony gáz szabadul fel. Ez a látszólag apróság állt az univerzumban zajló folyamatok gerincét adó elem, a hidrogén felfedezése mögött.

A hidrogén különlegessége a periódusos rendszerben elfoglalt helyével magyarázható. Az első és a legegyszerűbb elem, atomburka egy elektront tartalmaz, de a neutronok száma változhat. Az atommagjában plusz egy neutronnal rendelkező hidrogén a deutérium, a két neutronnal rendelkező pedig a trícium. A ma az univerzumban létező összes hidrogénatom (ami a világegyetem bariontömegének kb. 73%-át alkotja) a „nagy robbanás” utáni első három percben keletkezett. Testünket tehát legalább 63%-ban a 13 milliárd 700 millió évvel ezelőtt létrejött hidrogén-atommagok alkotják.


forrás: 3.Évezred Magazin

Regisztráció
HÍRLEVÉL REGISZTRÁCIÓ
Keresés
Mit:
Hol:
gyogyszercimke Chemgeneration