Χημικά ρεκόρ

Ποια είναι η ακριβότερη ουσία; 

Για ένα διάστημα ήταν το γραφένιο. Η παραγωγή του σε μονομοριακό στρώμα το είχε αναγορεύσει στο ακριβότερο διαθέσιμο υλικό: αν γινόταν δυνατή η παραγωγή ενός τετραγωνικού του μέτρου, υπολογίζεται ότι η αξία του θα ήταν γύρω στα 800 δις ευρώ! Το τεράστιο κόστος οφειλόταν στο γεγονός ότι τα τεμαχίδια γραφενίου ήταν νανοδιαστάσεων και έπρεπε να εντοπίζονται ένα προς ένα σε ειδικό μικροσκόπιο από ειδικευμένους τεχνικούς. Σήμερα οι νέες τεχνικές παραγωγής έχουν καταστήσει το γραφένιο αρκετά φθηνό. Από τις κοινές ουσίες η ακριβότερη είναι τα διαμάντια: ανάλογα με την ποιότητα, η τιμή τους κυμαίνεται μεταξύ ευρύτατων ορίων, από 200 ως 200.000 ευρώ το καράτι (0,2 g). Στις πολύ ακριβές ουσίες υπάγονται ορισμένα ζωικά δηλητήρια πρωτεϊνικής φύσης, π.χ. η μελιτίνη (mellitine από το δηλητήριο της μέλισσας) πωλείται σε συσκευασία των 100 μg που ανάγεται σε 450.000 ευρώ / g. Το ραδόνιο ωστόσο κατέχει σήμερα ένα ακατάρριπτο ρεκόρ: πωλείται για επιστημονικούς σκοπούς προς περίπου 6.000 δολάρια ανά κ.ε. διαλύματος ραδίου που περιέχει μόνο 15 πικογραμμάρια ραδονίου σε κάθε δεδομένη στιγμή. 

 Αν επιχειρήσουμε αναγωγή στο 1 γραμμάριο, προκύπτει το μυθώδες ποσό των 400 δισεκατομμύρίων δολαρίων. Το βραχύβιο ραδόνιο παράγεται συνεχώς από ράδιο-226 (χρόνου ημιζωής 1600 ετών). 

Ποια είναι η πιο γλυκιά ουσία; 

 Με την κοινή ζάχαρη να αποτελεί τη βάση (1) μιας κλίμακας γλυκύτητας, το ρεκόρ ανήκει με μεγάλη διαφορά στο σουκρονικό οξύ, ένα παράγωγο της γλυκίνης με ομάδες γουανιδίνης, βενζονιτριλική και κυκλονονυλική. 

Το σουκρονικό οξύ βαθμολογείται με (200.000), αλλά δεν έχει βρει εφαρμογή. Το ίδιο συμβαίνει και με τις δύο επόμενες ουσίες που προέρχονται από την ασπαρτάμη – ένα παράγωγό της με θειουρία (50.000) και τη σουπερασπαρτάμη (8.000). Η ίδια η ασπαρτάμη σκοράρει μόνο (180), ενώ η σακχαρίνη (300). 

Ποια είναι η πιο πικρή ουσία;

Είναι το άλας με βενζοϊκό οξύ της διαιθυλοβενζυλαμίνης, γνωστότερο ως μπίτρεξ (bitrex), ονομασία που  συνιστά ένα λογοπαίγνιο, εξαιτίας της εξαιρετικά πικρής της γεύσης.

 

Πρόκειται για την πιο πικρή (bitter) ουσία, σε τρόπο που να θεωρείται ο βασιλιάς (rex) των πικρών ουσιών. Η πικράδα της γίνεται αισθητή στο επίπεδο των 10 ppb, ξεπερνώντας κάθε φυσική ή συνθετική πικρή ουσία. 

Επιπλέον, η αίσθηση του πικρού, αντίθετα από άλλες πικρές ουσίες, αργεί να εξαλειφθεί.

Ποια ουσία έχει την πιο αποκρουστική οσμή;

Αν και δεν πρόκειται για μετρήσιμο μέγεθος, ωστόσο τα πρωτεία ανήκουν μάλλον στη μεθυλομερκαπτάνη που έχει τόσο ανυπόφορη οσμή ώστε χρησιμοποιείται για τη διάλυση συγκεντρώσεων. Ακόμη και οι πιο μαχητικοί διαδηλωτές δεν την αντέχουν και τρέπονται σε φυγή. Σε αντίθεση με τα δακρυγόνα, είναι τελείως αβλαβής.

* Τα χημικά ρεκόρ είναι εμπνευσμένα από το βιβλίο του Hans-Jürgen Quadbeck-Seeger και άλλων “World records in Chemistry”, αγγλική έκδοση Wiley-VCH (1999). Ωστόσο πολλά από τα ρεκόρ που εμφανίζονται είναι από την τρέχουσα βιβλιογραφία ή αναζητήσεις στο Διαδίκτυο. Το μεγαλύτερο μέρος της συγκεκριμένης ενότητας αποτελεί ευγενική προσφορά του Καθηγητή Αναστάσιου Βάρβογλη.(www.atmitos.gr)

30os Πανελλήνιος Μαθητικός Διαγωνισμός Χημείας

Στις 19-3-2016 θα πραγματοποιηθεί ο 30ός ΠΜΔΧ. 
Κυκλοφόρησε και η σχετική αφίσα:

Οι νικητές θα εκπροσωπήσουν την Ελλάδα στην 48η Ολυμπιάδα Χημείας στο Καράτσι του Πακιστάν στις 20-29 Ιουλίου 2016.

Περισσότερα στο site της διοργάνωσης: icho2016.pk

Χημεία Γ΄ Λυκείου ΟΕΦΕ 2016 (α΄ φάση)

Τα θέματα (εκφωνήσεις) Χημείας Γ΄ Λυκείου από την α΄ φάση (KEΦ. 1 έως 5) της προσομοίωσης της Ο.Ε.Φ.Ε για το 2016.
Για download πατήστε το βελάκι κάτω αριστερά

Για τις απαντήσεις πατήστε ΕΔΩ

Ατμοσφαιρική ρύπανση και εισπνεόμενα σωματίδια

Γιατί τα σωματίδια καύσης είναι επικίνδυνα για την υγεία του ανθρώπου; 

   Η ατμοσφαιρική ρύπανση σε αστικές περιοχές αποτελεί σημαντικό παράγοντα νοσηρότητας και θνησιμότητας για τον άνθρωπο. Τις δεκαετίες του 1950 και 1960 τα φαινόμενα της ατμοσφαιρικής ρύπανσης σε μεγάλες πόλεις (Λονδίνο, Λος Άντζελες) ήταν αποτέλεσμα της αλματώδους ανάπτυξης της κυκλοφορίας τροχοφόρων, των τοπογραφικών χαρακτηριστικών και της κεντρικής θέρμανσης κατά τους χειμωνιάτικους μήνες. Η ποιότητα καυσίμων ήταν μία από τις αιτίες για την παραγωγή τοξικών αερίων ρύπων. Οι κυριότεροι ρύποι είναι τα οξείδια του αζώτου (ΝΟΧ), το διοξείδιο του θείου (SO2), το μονοξείδιο του άνθρακα (CO) , ο καπνός (smoke) και οι πτητικές οργανικές ενώσεις (VOCs, volatile organic compounds). Οι μηχανές εσωτερικής καύσης των οχημάτων δημιουργούσαν μεγάλες ποσότητες καυσαερίων και η χρήση κάρβουνου ή μαζούτ για θέρμανση των σπιτιών και των γραφείων προκαλούσε σημαντικές ποσότητες καπνού, καυσαέρια και μικρής διαμέτρου εισπνεόμενα αιωρούμενα σωματίδια. 

   Η πρόσφατη χρήση καυσόξυλων (Δεκέμβριος 2012) και άλλα είδη βιομάζας σε τζάκια στην Αθήνα λόγω της οικονομικής κρίσης και της αύξησης της τιμής του πετρελαίου θέρμανσης προκάλεσε σημαντική αύξηση των συγκεντρώσεων του καπνού στην Αθήνα και άλλες αστικές περιοχές (αιθαλομίχλη σε Θεσσαλονίκη, Βόλος, κ.α). Ιδιαίτερα ανησυχητική για την υγεία των κατοίκων είναι η αύξηση σε εισπνεόμενα αιωρούμενα σωματίδια με αεροδυναμική διάμετρο μικρότερη των 10 μικρών). Τα καυσαέρια και ο καπνός που δημιουργούνται σε τζάκια με ανεπαρκή εξαερισμό και συντήρηση είναι πηγές ρύπανσης σε εσωτερικούς χώρους όπως και στην περίπτωση του παθητικού καπνίσματος. Αλλά οι συγκεντρώσεις ρύπων από τζάκια είναι υψηλότερες και οι επιπτώσεις στο αναπνευστικό σύστημα του ανθρώπου πιο επικίνδυνες. 

   Αρχικά, οι επιστήμονες που μελετούσαν την ατμοσφαιρική ρύπανση επικέντρωσαν την προσοχή τους στα αέρια και τις πτητικές ενώσεις (CO, SO2, NOx, O3, αλδεΰδες, υδρογονάνθρακες, βενζολιο, κ.λπ) και στους μηχανισμούς που προκαλούσαν το φωτοχημικό νέφος και τις δευτερογενείς τοξικές ουσίες. Οι πρώτες νομοθεσίες για τις ανώτατες επιτρεπόμενες συγκεντρώσεις και τα ανώτατα όρια εκπομπών αφορούσαν κυρίως τα αέρια και τις πτητικές οργανικές ενώσεις. Οι αέριοι ρύποι περιορίσθηκαν δραστικά με τις αυστηρότερες νομοθεσίες, τη βελτίωση των καυσίμων, τις αποδοτικές μηχανές εσωτερικής καύσης και τους τριοδικούς καταλύτες για τα καυσαέρια. Ο καπνός και τα εισπνεόμενα αιωρούμενα σωματίδια των καυσαερίων θεωρούνταν ότι μπορούν να περιορισθούν με ειδικά φίλτρα και καλύτερη καύση του καυσίμου στις μηχανές των τροχοφόρων και ειδικά των μηχανών ντίζελ. 

Εισπνεόμενα σωματίδια της ατμοσφαιρικής ρύπανσης και του καπνού του τσιγάρου 

Παρά τις βελτιώσεις των καυσίμων και τη μείωση της ατμοσφαιρικής ρύπανσης σε αστικές περιοχές, η προσοχή των επιστημόνων επικεντρώθηκε στα εισπνεόμενα αιωρούμενα σωματίδια, ιδιαίτερα στα σωματίδια με αεροδυναμική διάμετρο 10 μm (1 μm =10-6 m) ή και μικρότερη (ιδιαίτερα 2,5 μm). Τα σωματίδια αυτά αποδείχθηκαν ότι έχουν εξαιρετικά τοξικές ιδιότητες και μπορούν να αποτελέσουν παράγοντα νοσηρότητας και θνησιμότητας από παθήσεις του αναπνευστικού συστήματος. Το μέγεθος σωματιδίων μικρότερο των 2,5 μm είναι παρόμοιο με τον καπνό του τσιγάρου. Αν και η σύστασή των σωματιδίων των καυσαερίων είναι διαφορετική από τον καπνό του τσιγάρου, περιέχουν ΠΑΥ, καρκινογόνες ουσίες, σταθερές ανθρακούχες ελεύθερες ρίζες (R•) και η ικανότητα καρκινογένεσης είναι παρόμοια. 

Εικόνα 1: Τα καυσαέρια των αυτοκινήτων και ιδιαίτερα ο καπνός είναι αποτέλεσμα της ατελούς καύσης των ορυκτών καυσίμων (βενζίνη, ντίζελ) και ο σχηματισμός μικροσκοπικών ανθρακούχων σωματιδίων (πισσώδους υφής) που φέρουν πόρους και προσροφημένες τοξικές ουσίες και μέταλλα. Τα σωματίδια είναι παρόμοια με τον καπνό του τσιγάρου και εξαιρετικά τοξικά

   Ο καπνιστής εισπνέει το «κύριο» ρεύμα του καπνού κατευθείαν στους πνεύμονες και το αναπνευστικό του σύστημα, ενώ το «δευτερεύον» ρεύμα όταν «κρατάει» το τσιγάρο στα χέρια του εισέρχεται κυρίως από την ρινική κοιλότητα. Τα δύο ρεύματα είναι εξίσου τοξικά, με το «δευτερεύον» να παρουσιάζει υψηλότερες συγκεντρώσεις καρκινογόνων ουσιών λόγω της πυρολυτικής καύσης του καπνού. 

     Το δευτερεύον ρεύμα του καπνού του τσιγάρου (secondary stream of tobacco smoke, or passive smoking) αυτό αποτελείς το ¨παθητικό» κάπνισμα για τους μη καπνιστές που βρίσκονται στους ίδιους εσωτερικούς χώρους. Το ενεργό κάπνισμα είναι γνωστό ότι είναι ο σημαντικότερος εξωγενής παράγοντας θνησιμότητας στον άνθρωπο (περίπου 5 εκατομμύρια πρόωροι θάνατοι καπνιστών κάθε χρόνο σε παγκόσμια κλίμακα). Το παθητικό κάπνισμα θεωρείται ότι είναι υπεύθυνο για το 5-10% των καρκίνων του πνεύμονα, μεγάλο ποσοστό για το άσθμα νεαρών ατόμων και διάφορες βρογχοπνευμονικές ασθένειες στον άνθρωπο. 

                        

Οι κάτοικοι αστικών περιοχών αναπόφευκτά εισπνέουν σημαντικές ποσότητες αιωρουμένων σωματιδίων καθημερινά από τα καυσαέρια τροχοφόρων, τον καπνό από κεντρικές θερμάνσεις και τα τζάκια στους εσωτερικούς χώρους. Η τοξικότητα των αιωρουμένων σωματιδίων είναι ανάλογη με την αστική κυκλοφοριακή πυκνότητα, τα είδη κεντρικής θέρμανσης, τον είδος του καυσίμου και τη διάρκεια της έκθεσης. Αν και είναι δύσκολο να εκτιμηθεί ο βαθμός έκθεσης και ο αντίστοιχος βαθμός κινδύνου (risk assessment) από την ατμοσφαιρική ρύπανση αστικών περιοχών, οι πρόσφατες επιδημιολογικές έρευνες δείχνουν ότι η ατμοσφαιρική ρύπανση συμβάλλει στο 3-5% της θνησιμότητας από τον καρκίνου του πνεύμονα στον άνθρωπο. Αλλά η ατμοσφαιρική ρύπανση των σωματιδίων ερεθίζει το αναπνευστικό σύστημα, προκαλεί βρογχοπνευμονικές φλεγμονές, έξαρσεις του άσθματος, και χρόνια αναπνευστική ανεπάρκεια 

Γιατί είναι επικίνδυνα τα τζάκια από τη χρήση καυσόξυλών ή/και βιομάζας; 

   Προβλήματα ρύπανσης εσωτερικών χώρων και της εξωτερικής ατμόσφαιρας από καπνό (αιθαλομίχλη) Η χρήση μαζούτ στις δεκαετίες 1950 και 1960 στην Αθήνα για τη θέρμανση κατά τους χειμερινούς μήνες δημιούργησε το κλασικό «νέφος» και την αποπνικτική ατμοσφαιρική ρύπανση.

   Η περιεκτικότητα σε 4-6% σε θείο του μαζούτ, τα οξείδια του αζώτου και ο καπνός των τροχοφόρων ήταν οι βασικές αιτίες. Με τη χρήση διϋλισμένου πετρελαίου για τις κεντρικές θερμάνσεις (θείο < 1%), και αργότερα φυσικού αερίου (αιθάνιο), και η καινούργια τεχνολογία οχημάτων με τριοδικούς καταλύτες (και η εκ περιτροπής κυκλοφορία στο κέντρο) βελτίωσαν σημαντικά την ατμοσφαιρική ρύπανση. Αλλά τα εισπνεόμενα αιωρούμενα σωματίδια παρέμειναν ως το σημαντικό πρόβλημα της ατμοσφαιρικής ρύπανσης. Πρόσφατα, με την οικονομική κρίση και την αύξηση της τιμής του πετρελαίου για θέρμανση, πολλοί κάτοικοι των Αθηνών επέλεξαν να χρησιμοποιήσουν τα τζάκια τους και πολλοί από αυτούς χρησιμοποίησαν «κακής» ποιότητας καυσόξυλα και διάφορα υλικά (αναφέρονται πλαστικά, έπιπλα, ξύλινα αντικείμενα με χρώματα, κ.λπ). Το αποτέλεσμα ήταν να προκαλέσουν αύξηση του καπνού στην ατμόσφαιρα, δημιουργία αιθαλομίχλης σε ορισμένες ημέρες, και ιδιαίτερα αύξηση των σωματιδίων PM10.

Εικόνα 2. Τα τζάκια μπορούν να αποτελέσουν επικίνδυνες πηγές ρύπανσης των εσωτερικών χώρων. Σωστή χρήση και κατάλληλα καύσιμα είναι απαραίτητα για την καλή λειτουργία των τζακιών (και σε ικανοποιητικά αεριζόμενους χώρους).

      Η χρήση τζακιών σε χώρους που δεν αερίζονται ικανοποιητικά και η «κακή» ποιότητα καυσοξύλων παρουσιάζουν σημαντικά προβλήματα ρύπανσης των εσωτερικών χώρων και επιβάρυνση στην υγεία των κατοίκων. Τα τζάκια είναι γνωστό ότι απαιτούν καλή συντήρηση, τακτικό καθαρισμό, εξαερισμό των χώρων σε τακτά χρονικά διαστήματα και ικανοποιητική ποιότητα καυσίμων. Σε αντίθετη περίπτωση δημιουργούν σημαντική ποσότητα καπνού, ενώ παράγουν καρκινογόνους πολυκυκλικούς αρωματικούς υδρογονάνθρακες (ΠΑΥ), διοξίνες και πτητικές οργανικές ενώσεις.. Τα ανθρακούχα σωματίδια του καπνού έχουν υψηλή τοξικότητα λόγω της προσρόφησης βαρέων μετάλλων, σταθερών ελευθέρων ριζών και διάφορες οργανικές ουσίες με μεταλλαξιγόνο δράση. Τα σωματίδια αυτά μοιάζουν με τον εισπνεόμενο καπνό του τσιγάρου και το μέγεθός τους είναι αρκετά μικρό για να εισχωρήσουν στο αναπνευστικό επιθήλιο και τις κυψελίδες.

 Γιατί τα εισπνεόμενα αιωρούμενα σωματίδια της καύσης είναι επικίνδυνα στην υγεία του ανθρώπου; 

      Τα αιωρούμενα σωματίδια (Particulate Matter, PM) είναι αποτέλεσμα ατελούς καύσης των καυσίμων (ξύλο, κάρβουνο, πετρέλαιο και σε μικρότερο βαθμό φυσικό αέριο). Η σύστασή τους αποτελείται από τοξικές, καρκινογόνες, μεταλλαξιγόνες και ερεθιστικές ουσίες (πτητικές οργανικές ουσίες, VOCs) του αναπνευστικούς συστήματος. Τα ΡΜ έχουν την ικανότητα να διεισδύουν στο εσωτερικό των κυψελίδων των πνευμόνων και να εγκλωβίζονται στο εσωτερικό τους. 

Εικόνα 3. Οι πνεύμονες στον άνθρωπο αποτελούν ακρογωνιαίο όργανο για την παραλαβή του οξυγόνου και την αποβολή του διοξειδίου του άνθρακα. Οι κυψελίδες (alveoli) και οι εσωτερικές τους επιφάνειες, όπου γίνεται η ανταλλαγή αερίων, αποτελούν θύλακες εγκλωβισμού των μικρής διαμέτρου σωματιδίων της ατμοσφαιρικής ρύπανσης.

   Οι πνεύμονες του ανθρώπου κατά τη βιολογική τους εξέλιξη έχουν αναπτύξει εξαιρετικούς αμυντικούς μηχανισμούς και καθαρισμούς των σωματιδίων και τοξικών ουσιών με τη βοήθεια του βλεννοκροσσωτού συστήματος των αεραγωγών. Η βλεννοκροσσωτή κάθαρση στους πνεύμονες καθώς και τα κυψελιδικά μακροφάγα αντιμετωπίζουν τις φλεγμονώδεις δράσεις και είναι ακρογωνιαία βιολογικά συστήματα που προστατεύουν και αντιμετωπίζουν αέριους και σωματιδιακούς ρύπους. 

   Όπως είναι γνωστό, ο καπνός του τσιγάρου και τα σωματίδια της ατμοσφαιρικής ρύπανσης προκαλούν δομικές και λειτουργικές ανωμαλίες στο βλεννοκροσσωτό σύστημα. Βραχύχρονη έκθεση προκαλεί στάση των κροσσών in vitro, ενώ μακροχρόνια έκθεση προκαλεί βλάβες στο επιθήλιο, υπερέκκριση βλέννης και δυσκινησία των κροσσών. 

   Η χρόνια βρογχίτιδα των καπνιστών, ή ατόμων που εισπνέουν μακροχρόνια τοξικούς ρύπους και σωματίδια της αστικής ρύπανσης, χαρακτηρίζεται από βλάβη της βλεννοκροσσωτής κάθαρσης Η επίδραση των σωματιδίων στο πνευμονικό παρέγχυμα προκαλεί αυξημένο αριθμό φλεγμονωδών κυττάρων (μακροφάγα, ουδετερόφιλα) στους πνεύμονες. 

   Την τελευταία δεκαετία έγιναν συστηματικές έρευνες με αιωρούμενα σωματίδια ατμοσφαιρικής ρύπανσης στην περιοχή της Αθήνας και σε εξατμίσεις διαφόρων τροχοφόρων. Η συλλογή των εισπνεόμενων αιωρουμένων σωματιδίων έγινε με ειδικά φίλτρα. Το υδατικό διάλυμα των σωματιδίων αυτών έδειξαν έντονη παραγωγή ελευθέρων ριζών (ιδιαίτερα ρίζες υδροξυλίου, ΗΟ•), οι οποίες είναι καρκινογόνες στα πνευμονικά κύτταρα. Διεισδύουν στον πυρήνα μέσω της λιπιδικής μεμβράνης και λόγω της υψηλής ενεργότητας «επιτίθενται» στο DNA προκαλώντας μεταλλάξεις. Παρόμοιες βλάβες προκαλούνται στις πρωτεΐνες, τα ένζυμα και τα λιπίδια των κυττάρων (λιπιδική υπεροξείδωση, lipid peroxidation). ‘ Ολες αυτές οι βλάβες που συνεργούν με το κάπνισμα και συσσωρεύονται με τη μακροχρόνια έκθεση είναι αιτίες φλεγμονωδών καταστάσεων, ενεργοποίησης ογκογονιδίων (που προκαλούν ενδοκυτταρικά την έναρξη μηχανισμών για δημιουργία κακοήθων νεοπλασιών) και αθηρωματικών φλεγμονών στο κυκλοφορικό σύστημα του ανθρώπου. 

    Οι μελέτες που έχουν γίνει τα τελευταία χρόνια (το Εργαστήριο της Οργανικής Χημείας έχει να παρουσιάσει σημαντικό αριθμό ερευνών στον τομέα αυτό, δες τη βιβλιογραφία) δείχνουν ότι σημαντικό μέρος της τοξικότητας είναι οι σταθερές ανθρακούχες ελεύθερες ρίζες. Τα στερεό δείγματα των σωματιδίων παρουσιάζουν (φασματοσκοπία Ηλεκτρονικού Παραμαγνητικού Συντονισμού) σταθερές ελεύθερες ρίζες, επιβεβαιώνοντας άλλες έρευνες. Οι ρίζες αυτές καθιστούν τα σωματίδια ισχυρά καρκινογόνα. Οι έρευνες αυτές είναι μέρος της διεθνούς ερευνητικής προσπάθειας για πιστοποίηση μηχανισμών καρκινογένεσης στον άνθρωπο από περιβαλλοντικούς ρύπους. 

     Γιατί τα εισπνεόμενα αιωρούμενα σωματίδια εγκλωβίζονται στις πνευμονικές κυψελίδες 

Τα αιωρούμενα σωματίδια των καυσαερίων, πέρα από τον εγκλωβισμός τους στο στενό κυψελιδικό χώρο, μεταφέρουν μικρές ποσότητες βαρέων μετάλλων, πολυκυκλικούς αρωματικούς υδρογονάνθρακες (ΠΑΥ), διοξίνες, πτητικές οργανικές ενώσεις (VOCs), και σταθερές ανθρακούχες ελεύθερες ρίζες που είναι προσροφημένες στους πόρους τους. Ο εγκλωβισμός τους είναι αποτέλεσμα του μικρού αεροδυναμικού μεγέθους, το σχήμα τους με αιχμηρές κορυφές που εισχωρεί στο ενδοκυτταρικό επιθήλιο, η λιποδιαλυτότητά τους και η δυσκολία να εκδιωχθούν με τον βλεννοκροσσωτό μηχανισμό. Με το πέρασμα του χρόνου, οι τοξικές, καρκινογόνες και μεταλλαξιγόνες αυτές ουσίες απελευθερώνονται στον κυψελιδικό χώρο και με μηχανισμούς ελευθέρων ριζών, κυρίως, προκαλούν οξειδωτικές βλάβες στο πρωτεϊνούχο επιθήλιο, στο DNA των κυττάρων και στις κυτταρικές λιπιδικές μεμβράνες. Το μέγεθος, η σύσταση, οι συγκεντρώσεις και ο χρόνος έκθεσης σε αιωρούμενα και εισπνεόμενα σωματίδια είναι παράμετροι που συμβάλλουν στην αυξημένη νοσηρότητα και θνησιμότητα. Οι έρευνες αυτές για τα εισπνεόμενα αιωρούμενα σωματίδια της ατμοσφαιρικής ρύπανσης έχουν δημοσιευθεί σε έγκυρα επιστημονικά περιοδικά και έχουν τύχει μεγάλης αναγνωσιμότητας. Η επιστημονική συμβολή των Ελλήνων επιστημόνων για την έρευνα αυτή στον τομέα της περιβαλλοντικής χημείας και τοξικολογίας είναι σημαντική. 

Εικόνα 4. Τα εισπνεόμενα σωματίδια (αεροδυναμική διάμετρος μικρότερη των 10 μm) εισχωρούν στους αεραγωγούς και καταλήγουν στις κυψελίδες, όπου λόγω μεγέθους εγκλωβίζονται. Σωματίδια PM10 (scanning microscope).

 Με το πέρασμα του χρόνου, οι τοξικές, καρκινογόνες και μεταλλαξιγόνες αυτές ουσίες απελευθερώνονται στον κυψελιδικό χώρο και με μηχανισμούς ελευθέρων ριζών, κυρίως, προκαλούν οξειδωτικές βλάβες στο πρωτεϊνούχο επιθήλιο, στο DNA των κυττάρων και στις κυτταρικές λιπιδικές μεμβράνες. Το μέγεθος, η σύσταση, οι συγκεντρώσεις και ο χρόνος έκθεσης σε αιωρούμενα και εισπνεόμενα σωματίδια είναι παράμετροι που συμβάλλουν στην αυξημένη νοσηρότητα και θνησιμότητα. 

     Η επιστημονική βιβλιογραφία για την δημιουργία εισπνεόμενων αιωρουμένων σωματιδίων από την καύση ορυκτών καυσίμων, στα καυσαέρια αυτοκινήτων και άλλες πηγές καύσης είναι εκτεταμένη. Οι έρευνες για τα αιωρούμενα σωματίδια της ατμοσφαιρικής ρύπανσης έχουν δημοσιευθεί σε έγκυρα επιστημονικά περιοδικά και έχουν τύχει μεγάλης αναγνωσιμότητας. Η επιστημονική συμβολή των Ελλήνων επιστημόνων για την έρευνα αυτή στον τομέα της περιβαλλοντικής χημείας και τοξικολογίας είναι επίσης σημαντική. 

    Υπάρχουν πολυάριθμες επιδημιολογικές έρευνες , ιδιαίτερα πλούσια από Έλληνες ερευνητές, για τις επιπτώσεις στην υγεία του ανθρώπου από τα εισπνεόμενα σωματίδια της ατμοσφαιρικής ρύπανσης. 

Αθανάσιος Βαλαβανίδης
(Καθηγητής, Τμήμα Χημείας, Πανεπιστήμιο Αθηνών)

atmitos.gr

Γ΄ Λυκείου: Ηλεκτρονιακή δόμηση ατόμων (aufbau principle)

1. Κατανομή ηλεκτρονίων σε τροχιακά για άτομα στη θεμελιώδη κατάσταση.
Ξεκινήστε την παραπάνω εφαρμογή  πατώντας εδώ Επιλέξτε από τον Περιοδικό Πίνακα το στοιχείο που θέλετε και δείτε την κατανομή των  e σε τροχιακά.

Άλλες εφαρμογές για την κατανομή e: 1,  2, 3, 4, 5, 6

2. Κατανομή ηλεκτρονίων σε τροχιακά για ιόντα στη θεμελιώδη κατάσταση.

Ξεκινήστε την εφαρμογή εδώ Επιλέξτε από τον Περιοδικό Πίνακα π.χ. Fe και δείτε την κατανομή των e του ατόμου του Fe. Μετά πατήστε Ιοnize και δείτε για το Fe2+. Αν πατήστε Ionize Again θα δείτε την κατανομή των e για το Fe3+.

3. Κανόνας του Hund

Δοκιμάστε εδώ ένα καταπληκτικό chemistry applet για να εμπεδώσετε τον κανόνα του Ηund (π.χ. προσπαθήστε να βάλετε πρώτα 2e στο 2px αντί του σωστού 1 στο 2px και 1 στο 2py).
Δυστυχώς έχει μόνο μέχρι Z=18.

ΟΔΗΓΙΕΣ: Πρώτα play , μετά επιλέξτε και σύρετε το 1s τροχιακό κ.λ.π. και αφήστε το εκεί που λέει drag objects here. Μετά σύρετε τα e και βάλτε τα μέσα στο τροχιακό. Πατήστε done για δείτε αν είναι σωστό.Συνεχίστε με το επόμενο στοιχείο που εμφανίζεται. Αν θέλετε να το παραβλέψετε πατήστε skip και πάτε στο επόμενο. Με το undo αναιρείται κάτι που κάνατε. Με το reser ξεκινάτε από την αρχή.

                                   

4. Δείτε εδώ τα e του ατόμου του Cl και πως δημιουργείται ο ομοιοπολικός δεσμός Cl-Cl.

5. Δε μπορείτε να μάθετε αυτή τη σειρά;

Chemistry is easy: Δείτε ένα πρωτότυπο τρόπο ΕΔΩ

6. Και για εμπέδωση ένα test  ΕΔΩ (σύρετε και συμπληρώστε τα τροχιακά με μονήρη ή ζεύγη e)

Γ΄Λυκείου: Τροχιακά s, p, d, f ... και η κυματοσυνάρτηση Ψ

1. Δείτε  για τις στιβάδες Κ, L δηλ. για τις υποστιβάδες 1s, 2s, 2p πως επικαλύπτονται τα τροχιακά τους: 1s, 2s, 2px, 2py, 2pz:

2. Παρακάτω μπορείτε να δείτε τα d τροχιακά:

3. Δείτε τώρα το απίθανο: Από το 1s έως το 3d τροχιακό. Πως ο ένας χώρος επικαλύπτει τον άλλο.

και μετά ...μουσικής:

4. Δείτε παρακάτω τα d τροχιακά:

5. Ακολουθούν τα f τροχιακά:

6. Τα g τροχιακά...

7. Για την κυματοσυνάρτηση Ψ:
ΣΧΟΛΙΚΟ ΒΙΒΛΙΟ: Οι κυματοσυναρτήσεις ψ που αποτελούν λύσεις της εξίσωσης Schrodinger, για το άτομο του υδρογόνου, ονομάζονται ατομικά τροχιακά.
Τα ατομικά τροχιακά αποτελούν συναρτήσεις της θέσης του ηλεκτρονίου στο άτομο δηλ. είναι είναι της μορφής ψ(x,y,z) όπου x, y, z  είναι οι συντεταγμένες που καθορίζουν τη θέση του e γύρω από τον πυρήνα.

Δείτε λοιπόν τι είναι τα x,y,z:

 

 

Από την εξίσωση Schrodinger π.χ. για n=2, l=1, ml=0 προκύπτει η κυματοσυνάρτηση ψ(2pz) που περιέχει τις μεταβλητές r,θ,φ.  Το τρισδιάστατο γράφημα του τετραγώνου της ψ(2pz) ως προς τις γωνίες θ,φ δίνει τον γνωστό αλτήρα στον άξονα z (στον οποίο υπάρχει πιθανότητα 90-99 % να βρεθεί το e).

Αυτό το σύνολο σημείων που υπάρχει πιθανότητα να βρεθεί το e λέγεται ηλεκτρονιακό νέφος 2pz ή απλά τροχιακό 2pz  (γι αυτό τη φράση ατομικό τροχιακό κανονικά πρέπει να την κρατάμε μόνο για το ψ).

Αν στη εξίσωση Schrodinger η τριάδα τιμών n,l, ml δεν είναι επιτρεπτή τότε προκύπτει ψ=0 (απουσία e).

Γ΄Λυκείου: Αρχή αβεβαιότητας του Heisenberg (1927)

Werner Karl Heisenberg (5 December 1901 – 1 February 1976)

                                           
                                             Μετρήσεις και Αρχή της Αβεβαιότητας

Σ’ όλες τις μετρήσεις που κάνουμε στην καθημερινή μας ζωή υπεισέρχονται κάποια σφάλματα, υπάρχει δηλαδή κάποια αβεβαιότητα. Την αβεβαιότητα αυτή μπορούμε να την ελαττώσουμε, αν στις μετρήσεις μας χρησιμοποιήσουμε όργανα μεγαλύτερης ακρίβειας. Για παράδειγμα, ένα ρολόι χειρός που στη ζυγαριά του παντοπωλείου ζυγίζει 50 g, σ’ έναν απλό εργαστηριακό ζυγό δείχνει να έχει μάζα 47,35 g και στον αναλυτικό ζυγό 47,3482 g. Θα περίμενε έτσι κανείς ότι αυξάνοντας συνεχώς τον βαθμό της ακρίβειας ενός οργάνου μετρήσεως η αβεβαιότητα στη μέτρηση να γίνεται απεριόριστα μικρή. Έρχεται όμως ο Heisenberg με την αρχή της αβεβαιότητας και βάζει ένα όριο στην ακρίβεια των μετρήσεων, όπως κάποτε ο Δημόκριτος με τον όρο άτομο έθεσε φραγμό στη συνεχή κατάτμηση της ύλης. Το όριο αυτό του Heisenberg δεν σημαίνει ότι υπάρχει περιορισμός στην τεχνολογική εξέλιξη των οργάνων μετρήσεων, περισσότερο έχει την έννοια ότι πρόκειται για κάτι έμφυτο, δηλαδή κάτι που υπάρχει στη φύση. Για αντικείμενα του μακροκόσμου το όριο του Heisenberg δεν έχει πρακτικά καμιά απολύτως συνέπεια. Όμως, για υποατομικά σωματίδια, όπως το ηλεκτρόνιο, η σημασία αυτού του ορίου είναι τεράστια.

Για να κατανοήσουμε την αρχή της αβεβαιότητας του Heisenberg ας φανταστούμε την εξής εικόνα. Βρισκόμαστε σ’ ένα σκοτεινό δωμάτιο και με τη βοήθεια ενός φακού τσέπης προσπαθούμε να εντοπίσουμε τη θέση μιας μπάλας του μπάσκετ που κυλάει στο πάτωμα. Κάποια στιγμή η δέσμη του φωτός πέφτει πάνω στη μπάλα, το φως σκεδάζεται και η μπάλα γίνεται ορατή στα μάτια μας. Σ’ αυτή τη διαδικασία η μπάλα δεν «ενοχλήθηκε» καθόλου, αφού η δέσμη των φωτονίων που έπεσε επάνω της δεν άλλαξε ούτε τη θέση της ούτε την ορμή της. Φαντασθείτε τώρα ότι με ανάλογο τρόπο θέλετε να προσδιορίσετε τη θέση ενός ηλεκτρονίου που κινείται με ταχύτητα υ. Το ηλεκτρόνιο θα πρέπει να «φωτισθεί» και κάποιο από τα φωτόνια που σκεδάζονται να γίνει αντιληπτό από το «μάτι» ενός ανιχνευτή (μικροσκόπιο παρατηρήσεως).

Όμως σε μια τέτοια μέτρηση υπεισέρχονται σφάλματα λόγω περίθλασης. Για να έχουμε μεγάλη ακρίβεια στον προσδιορισμό της θέσεως του ηλεκτρονίου θα πρέπει τα σφάλματα αυτά να είναι μικρά και για να είναι μικρά θα πρέπει το φως που χρησιμοποιούμε για να «φωτίσουμε» το ηλεκτρόνιο να έχει όσο δυνατόν μικρότερο μήκος κύματος.

Μικρό μήκος κύματος σημαίνει μεγάλη συχνότητα και μεγάλη ενέργεια για τα φωτόνια που πέφτουν πάνω στο ηλεκτρόνιο. Με τη σειρά της η μεγάλη ενέργεια των φωτονίων προσδίδει μεγάλη ορμή στο ηλεκτρόνιο, του οποίου πλέον η κίνηση μεταβάλλεται κατ’ απρόβλεπτο τρόπο. Έτσι βλέπουμε ότι προσπαθώντας να ελαττώσουμε τα σφάλματα, δηλαδή να αυξήσουμε την ακρίβεια στον προσδιορισμό της θέσεως του ηλεκτρονίου, ελαττώνουμε την ακρίβεια στον προσδιορισμό της ορμής του. Αυτό αποτελεί την ουσία της αρχής της αβεβαιότητας: Υπάρχει πάντα μια αβεβαιότητα είτε στη θέση είτε στην ορμή του ηλεκτρονίου που δεν μπορεί να μειωθεί κάτω από ένα συγκεκριμένο όριο.

Μολονότι ποτέ δεν μπορούμε να γνωρίζουμε την ακριβή θέση και ορμή του ηλεκτρονίου, εντούτοις μπορούμε να μιλάμε για την πιθανότητα εύρεσης του ηλεκτρονίου σε ορισμένες θέσεις στο χώρο.

Το πείραμα που εισήχθηκε από τον Heisenberg και το οποίο βοηθάει να ξεκαθαριστεί αυτή η ιδέα, δίνεται από την παρακάτω απεικόνιση. Για να δει κάποιος ένα ηλεκτρόνιο, και να καθορίσει έτσι τη θέση του, μπορεί να χρησιμοποιήσει ένα ισχυρό μικροσκόπιο φωτός. Για να είναι το ηλεκτρόνιο ορατό, πρέπει τουλάχιστον ένα φωτόνιο του φωτός να συγκρουστεί με αυτό, και να περάσει έπειτα μέσω του μικροσκοπίου στο μάτι μας.

Ένα πρόβλημα όμως εμφανίζεται εδώ:  το φωτόνιο μεταφέρει κάποιο άγνωστο ποσό ορμής του στο ηλεκτρόνιο. Κατά συνέπεια, στο στάδιο της εύρεσης μια ακριβούς θέσης του ηλεκτρονίου (κάνοντας το Δx πραγματικά μικρό), το ίδιο φως που μας επιτρέπει να το δούμε αυτό, αλλάζει την ορμή του ηλεκτρονίου σε μια απροσδιόριστη έκταση, κάνοντας το Δp πολύ μεγάλο.

Αν χρησιμοποιήσουμε φωτόνιο χαμηλής συχνότητας, το μήκος κύματος του θα περιορίσει την ακρίβεια με την οποία θα εντοπίσουμε το ηλεκτρόνιο. Από την άλλη μεριά ένα φωτόνιο μικρού μήκους κύματος δίνει καθαρότερη εικόνα αλλά θα προκαλέσει μια διατάραξη στην ορμή του ηλεκτρονίου, αφού έχει μεγάλη συχνότητα άρα και μεγάλη ορμή.

Τα δύο είδη λοιπόν φωτονίων δίνουν αμοιβαίως αποκλειόμενα αποτελέσματα. Υπάρχει λοιπόν καθορισμένο όριο στην ακρίβεια της γνώσης μας για τις υποατομικές καταστάσεις.

Μία άλλη εκδοχή είναι το video:

Ακρίβεια στη μέτρηση της υ => σφάλμα στη μέτρηση της θέσης

Αντίθετα: ακρίβεια στη μέτρηση τη θέσης => σφάλμα στη μέτρηση της υ

Γ΄ Λυκείου: Υλοκυματική θεωρία του de Broglie (1924)

                                                                                                   
                                                             Louis De Broglie
"Στο ηλεκτρόνιο συνυπάρχουν το σωματίδιο και το κύμα"
Κάθε κινούμενο μικρό σωματίδιο (π.χ. το e) είναι και κύμα (έχει f και λ) και σωματίδιο (έχει ορμή p=m*υ)

Κάθε κινούμενο μικρό σωματίδιο π.χ. το e παρουσιάζει διττή φύση: σωματίδιο (έχει ορμή p=mu) και κύμα (έχει f και λ)

                                     
       Η φύση του φωτός, του ηλεκτρονίου και άλλων μικρών σωματιδίων είναι μία, δηλ. δεν αλλάζει συνεχώς, και ανάλογα με τις πειραματικές συνθήκες άλλοτε εκδηλώνεται ο σωματιδιακός και άλλοτε ο κυματικός χαρακτήρας. Δείτε τα παρακάτω παραδείγματα:

 α) Τι βλέπετε μία νέα κοπέλλα ή μία γριά;
                                                 

β) Τι βλέπετε ένα σαξοφωνίστα ή ένα γυναικείο πρόσωπο;
                                                              

 Απλά συνυπάρχουν και τα δύο...
Mία  σχετική προσομοίωση για τη θεωρία του de Broglie εδώ