Chemia na Marsie

Wyprawa Pathfindera na Marsa jest osiągnięciem wielu dziedzin nauki, także chemii.

Wskazanie jednego, przełomowego wydarzenia roku w chemii, dziedzinie nauki bardzo obszernej i zróżnicowanej, nie jest sprawą łatwą. Zwróciłam się, więc do kilku znanych specjalistów z prośbą, by wytypowali najważniejsze osiągnięcia.

Prof. dr hab. Zbigniew Stojek z Uniwersytetu Warszawskiego, chemik-nieorganik, uważa, że łatwiej przewidzieć, kto może otrzymać Nagrodę Nobla niż ocenić, które z odkryć ubiegłego roku będzie tym przełomowym. Do bieżących prac nie mamy jeszcze dystansu, wydają się one wycinkowe, nie widać uogólnień i niełatwo docenić ich potencjalne znaczenie. W 1985 roku mało, kto przypuszczał, że odkrycie ładnych, symetrycznych, węglowych piłeczek będzie miało tak daleko idące konsekwencje w nauce. Właściwie Nagroda Nobla powinna zostać przyznana nie za same fullereny, lecz za nanorurki węglowe, ponieważ to one wywołały wielki ferment w chemii nadprzewodników oraz technologii materiałowej (patrz: Sygnały, „WiŻ" nr 9/1997). Odkrywanie czy raczej synteza kolejnych pierwiastków od dawna jest domeną fizyków. Natomiast zbadanie właściwości pierwiastka 106, po licznych kontrowersjach nazwanego w końcu seaborgium (symbol chemiczny Sg), chemicy mogą przypisać sobie.

Wyniki opublikowane na początku lipca ub.r. potwierdziły, że najstarszy sposób przewidywania właściwości pierwiastka ­ ulokowanie go w układzie okresowym, sprawdza się całkiem nieźle także dla najcięższych z nich. Po stwierdzeniu, że chemia pierwiastków 104 i 105 jest pełna niespodzianek, niektórzy byli już skłonni odłożyć tablicę Mendelejewa do lamusa. Okazuje się jednak, że seaborgium bardzo dobrze pasuje do grupy VI układu okresowego, wraz z chromem, molibdenem i wolframem.

Zaskakujące właściwości pierwiastków 104 i 105 na pewno po części przypisać można efektowi relatywistycznemu. W takim superciężkim atomie elektrony powłok wewnętrznych poruszają się z prędkościami bliskimi prędkości światła. Przyciągane są też bardzo silnie przez jądro o ogromnym ładunku dodatnim. Wskutek tego w atomach pierwiastków z końca układu okresowego jądro, szczelnie spowite chmurą elektronów z powłok wewnętrznych, traci kontrolę nad elektronami walencyjnymi decydującymi o właściwościach chemicznych. Opis układów z silnymi efektami relatywistycznymi to ciągle jeszcze nierozwiązany problem w chemii kwantowej ­ trudno, zatem powiedzieć, dlaczego właśnie w wypadku pierwiastka 106 nie powodują one odstępstw od układu okresowego. Poczekać trzeba na publikację prac dotyczących chemii pierwiastków 107­112, aby powiedzieć, czy zachowanie seaborgium to reguła, czy też wyjątek od załamania się prawa okresowości przy przejściu do ciężkich pierwiastków. Nie wiadomo, oczywiście, czy i kiedy prace takie powstaną.

Na pierwszy rzut może budzić pewne zdziwienie, że seaborgium, pierwiastek otrzymany już dość dawno, dopiero teraz doczekał się zbadania. Kiedy zastanowić się jednak nad tym, co i w jakiej ilości rzeczywiście otrzymuje się w laboratoriach ciężkich jonów, podziwiać należy, że o pierwiastku 106 w ogóle czegoś mogliśmy się dowiedzieć. Nie istnieje i istnieć nie może sztabka seaborgium; wszystkie doświadczenia wykonano na siedmiu atomach ²⁶⁵Sg i ²⁶⁶Sg, które otrzymano, bombardując, kiurową tarczę atomami neonu. Co więcej, eksperymenty te trzeba było przeprowadzić w ciągu sekund, zanim atomy rozpadły się. Produkty ich rozpadu wykorzystane zostały do detekcji w chromatografie gazowym, przez który przechodził gaz nośnikowy z dodatkiem tlenu, chlorku tionylu i chloru. W ten sposób ustalono właściwości powstającego SgO₂Cl₂. Z kolei za pomocą chromatografii cieczowej stwierdzono, że seaborgium, podobnie jak molibden i wolfram, tworzy aniony typu MO₄^­.

Jednym z wydarzeń roku jest marsjańska misja Pathfindera. Chociaż w zespole bezpośrednio nią kierującym nie ma chemików, jeden z celów przedsięwzięcia ­ analiza składu skał i gleby Marsa ­ to zagadnienie typowo chemiczne. Z uzyskanych wyników będzie można wyciągnąć wnioski dotyczące historii Marsa (a zwłaszcza obecności wody na Marsie) i występowania tam węglanów i azotanów, co będzie przesłanką istnienia na tej planecie, teraz czy w przeszłości, cząsteczek organicznych, a zatem możliwości życia.

Służy do tego celu spektrometr APXS (alpha-proton-X-ray spectrometer), stanowiący część wyposażenia łazika marsjańskiego Sojourner, skonstruowany częściowo na Wydziale Chemii niemieckiego Max­Planck Institut, a częściowo w University of Chicago. Przyrząd ten składa się ze źródła cząstek a (jąder helu) i trzech detektorów: cząstek a, protonów i promieniowania rentgenowskiego. Wykorzystano w nim metodę analizy opartą na trzech rodzajach oddziaływania cząstek a z materią. Pierwszy z nich to elastyczne rozpraszanie cząstek a przez jądra. Rejestracja energii i liczby rozproszonych cząstek pozwala ustalić, odpowiednio, rodzaj i ilość pierwiastków tworzących powierzchnię próbki. Technika ta najlepiej sprawdza się w wypadku lekkich pierwiastków. W przypadku pierwiastków o liczbie atomowej od 9 do 14 bardzo charakterystyczne są wartości energii protonów powstających w wyniku reakcji jądrowych z cząstkami a. Z kolei najcięższe i najmniej rozpowszechnione pierwiastki wykryć można, analizując promieniowanie rentgenowskie, powstałe w wyniku powrotu wzbudzonych przez cząstki a atomów do stanu podstawowego.

Połączenie tych trzech metod umożliwiło ustalenie zawartości wszystkich ważniejszych pierwiastków, oprócz wodoru, w powierzchniowej warstwie marsjańskich skał i gleby. Wstępne rezultaty tej analizy zebrane są w tabeli obok. Wyniki dla węgla, tlenu, potasu i manganu są mało dokładne; w momencie pisania tego artykułu bardziej precyzyjne pomiary nie były jeszcze zakończone. Nie wiadomo, co prawda, czy kiedykolwiek się to stanie; gdy piszę te słowa, mija trzeci tydzień od ostatniego sygnału z Pathfindera.

Prof. dr hab. Tadeusz Marek Krygowski z Uniwersytetu Warszawskiego, prezes Polskiego Towarzystwa Chemicznego, jest krystalografem, przedstawicielem nauki zajmującej się doświadczalnym badaniem struktury ciał stałych, a ostatnio także cieczy i układów powierzchniowych: Każde wydarzenie w chemii jest wynikiem, co najmniej kilkuletniej pracy, niełatwo, więc dokładnie określić jego datę. W ostatnim roku największe wrażenie zrobiła na mnie prezentacja na międzynarodowej konferencji krystalograficznej w Lizbonie najnowszych wyników Philipa Coppensa ze State University of New York w Buffalo. Ten naukowiec już od około dwudziestu lat rozwija metody znajdowania rozkładu gęstości elektronowej w kryształach. Pozwoliłem sobie nawet typować go, ­ choć bez wielkiego przekonania ­ do ubiegłorocznej Nagrody Nobla w ankiecie „Gazety Wyborczej". Chyba już za dużo chemicznych, Nobli przypadło krystalografom, żeby nagroda znowu im się trafiła. Ostatnie prace Coppensa pozwoliły wedrzeć się z analizą strukturalną w obszar dotychczas niemal nietknięty ­ w dziedzinę stanów wzbudzonych i krótkotrwałych przejściowych produktów reakcji.

Cząsteczki wzbudza się pulsującą wiązką laserową, naświetla równocześnie promieniowaniem rentgenowskim i rejestruje, w synchronizacji z drganiami wiązki laserowej, jego dyfrakcję na elektronach. Można w ten sposób uzyskać informację o rozkładzie gęstości ładunku w cząsteczce wzbudzonej elektronowo, czyli coś, co dotychczas mogli tylko obliczać w przybliżeniu chemicy-teoretycy metodami chemii kwantowej. Osiągnięcie to będzie miało jeszcze większe znaczenie, jeśli dojdzie do zrealizowania pewnego projektu badawczego, w którym duży udział ma też Philip Coppens.

Jak wiadomo, w mikroświecie nie można określić toru cząstki; nie można powiedzieć, że w tej chwili elektron jest w pobliżu jednego jądra, a w następnej obok innego. Wszystko, co można, to określić prawdopodobieństwo znalezienia się elektronu w danym obszarze ­ a i tego w większości przypadków nie można zrobić dokładnie. W chemii kwantowej zakłada się przybliżoną funkcję falową dla cząsteczki i na jej podstawie oblicza przestrzenny rozkład gęstości elektronowej (a właściwie rozkład prawdopodobieństwa) i różne właściwości cząsteczki ­ pochodne gęstości elektronowej. W krystalografii pokuszono się ostatnio o rzecz poniekąd odwrotną: mając doświadczalną gęstość elektronową, spróbować skonstruować doświadczalną funkcję falową. Do tej pory sukcesu nie osiągnięto, ale gdyby to się udało, byłoby prawdziwym przełomem w chemii ­ pozwoliłoby na rzeczywiste zespolenie chemii teoretycznej i doświadczalnej.

Wstępne wyniki analizy pierwiastkowej próbek powierzchni Marsa wykonanej przez APXS (w procentach wagowych)

Pierwiastek	Gleba A-2				Gleba A-4				Gleba A-5			Skała				Skała
												„Barnacle				„Yogi "A-7
												Bill" A-3
węgiel				­				­			­				­		­
tlen				42.5				43.9		43.2					45.0		44.6
magnez				3.2				3.8		2.6					3.1		1.9
sód				5.3				5.5		5.2					1.9		3.8
glin				4.2				5.5		5.4					6.6		6.0
krzem				21.6				20.2		20.5					25.7		23.8
fosfor			­					1.5		1.0					0.9		0.9
siarka				1.7				2.5		2.2					0.9		1.7
chlor			­					0.6		0.6					0.5		0.6
potas				0.5				0.6		0.6					1.2		0.9
wapń				4.5				3.4		3.8					3.3		4.2
tytan				0.6				0.7		0.4					0.4		0.5
chrom				0.2				0.3		0.3					0.1		0.0
mangan				0.4				0.4		0.5					0.7		0.4
żelazo				15.2				11.2		13.2					9.9		10.7
nikiel			­				­			0.1				­			­
Razem		100				100			100				100			100

---