Gyorsabb-e a fénynél a kisJézus?

A Jézuska/Télapó minden évben minden (jó) gyereknek ajándékot visz. Tfh. 200 millió gyerek van a világon, a megajándékozásukhoz Babbo Natale-nak 510 millió km²–t kell bejárni (ebben benne van az óceán is, de hát affellett is át kell repülni), és valamennyit még karácsonykor kellene megajándékozni, vagyis 24 óra alatt kell valamennyi ajándékot kézbesíteni. Ha háztartásonként 2,7 gyerekkel számolunk (a 83. rezsicsökkentésnek köszönhetően), akkor 75 millió háztartásba kell eljutnia Télapónak (lánykori nevén Jézuska). Legyen átlagosan a házak között 2,62 km, ekkor hány éves ekkor a kapitány, mekkora a télapó átlagsebessége?

Nos, a közhiedelemmel ellentétben a TélapóJézuska ismeri a fizikát, és Einsteint is tiszteli, így nem, nem közlekedik a fénynél gyorsabban, hanem kb. 130-szor lassabban annál, vagyis mintegy 8,2 millió km-rel óránként, ami azért még mindig elég gyors:

• 92 ezerszer gyorsabb szánjával, mintha egy 90 km/órás autóval közlekedne,
• 8 ezerszer gyorsabb, mintha magángépével végezné ugyanezt a munkát
• 6100× gyorsabb mint Felix Baumgartner szuperszónikus szabadesése
• 209× gyorsabb, mint az Apollo 11 legnagyobb sebessége
• 50× gyorsabb, mint a Hale-Bopp üstökös.

Szeresd a tesztem bébi: hát hűl a sör :D How to cool a beer from 31 to 2°C in 1 minute?

Bár Chem. John. éppen nyaral kidolgozza a belét, azért szakít egy percet sörhűtésre is. Vagyis a legfontosabb tudás megosztására kell, hogy maradjon idő. Szerencsére és az indexes kollegáknak hála, a magyarázat is bennefoglaltatik a videoban.

Túlélőpraktikák: hogyan hűtsünk le egy sört egy perc alatt 31°C-ról 2°C-ra? Íme:

http://index.hu/video/2014/07/20/igy_hutsd_le_a_sort_1_perc_alatt/?utm_source=facebook&utm_medium=share&utm_campaign=index&token=f0add6bc01826e5c56596d1a868e36a0

Rézpénzspecifikus kísérlet kettő - hárdkór fizkém

(Jó)Néhány hete a Szertárostól megtudtuk, hogy ha rézpénz kifényesíthetnékünk támad, akkor az ecetnél csak egy jobb megoldás van: az ecet+konyhasó kombináció. Hogy miért? Na ezt már nem árulta el, sőt, kérdésként szegezte a szurkolók felé (felénk) a Szertáros. (Igen, nézd meg a videót, hogy értsd a továbbiakat. Na meg azért is, mert vicces.)

Az egész ügy első néhány hallásra furán hangzik, ui. mi a fene köze van a sónak az egészhez? Nyilván semmi! Ugyanakkor meg nyilván van, hiszen a kísérletes tapasztalat az, hogy a rézpénz felületének kifényesedési sebessége megnő a hozzáadott konyhasó hatására ahhoz viszonyítva, amikor csak ecettel, só nélkül próbálunk fényesítgetni.

Na szóval az úgy van, hogy előbb-utóbb az ember, miközben (tudományos szempontból) felcseperedik,  ráébred, hogy azok a szép, csinos, egyszerű lineáris összefüggések, amiket az általános/középiskolai kémiaórákon tanult, sajnos nem (mindig/teljesen) igazak. Néhány speciális esetben igaznak tűnhetnek, azonban ez itt a való világ! Ébredj, Neo!

Ennek az ideális vs. reális különbségnek az az oka, hogy míg ideális rendszerekben a részecskék között nincs kölcsönhatás, vagyis a részecskék nem „érzik” egymás közelségét, addig a valóságban nem ez a helyzet: vonzzák vagy taszítják egymást, ütköznek stb., egyszóval kölcsönhatnak, hatással vannak egymásra.

És ennek folyománya lesz az is, hogy a só hatására a rézpénz felületi oxidrétegének/szulfidrétegének oldhatósága megnő. Ugyanis pl. az oldatok (folyékony halmazállapotú többkomponensű homogén elegyek, pl. víz+ecet vagy víz+ecet+só) csak akkor tekinthetőek ideálisnak, ha nagyon-nagyon-nagyon-nagyon-nagyon hígak. Vagy még akkor se. Ha pedig nemideálisak, akkor az ideális elegyekre felírt csini kis összefüggések már nem írják le helyesen a viselkedésüket, nem várhatunk tőlük jól megszokott, logikusnak tűnő, ideális viselkedést.

A kísérletben szereplő ecet és sókoncentráció már mindenképpen nagyon mesze van az ideális viselkedéstől.A nemideális viselkedés pedig számos furcsaságot eredményezhet, pl. olyan szokatlan dolgot is, hogy egy az oldási folyamatban közvetlenül részt nem vevő anyag (konyhasó) valahogy mégis befolyással van a folyamatra.

Amikor az ideális viselkedésről áttérünk a nemideálisra, akkor a használt mennyiségeinket is meg kell változtatni, pl. a koncenráció helyett a effektív koncentráció, más néven aktivitás a használandó. Az aktivitás nagysága híg oldatokban (ahol az oldott anyag részecskéi nem érzik egymás közelségét, ideális a rendszer) megegyezik a koncentrációval, míg töményebb oldatokban elmarad attól: minél töményebb az oldat, annál kisebb lesz az aktivitás (effektív koncentráció) a koncentrációhoz viszonyítva. Amikor viszont ebben az utolsó mondatban azt írom, hogy „minél töményebb az oldat”, akkor az oldat össztöménységéről beszélek, vagyis minden abban feloldott cucc együttesen számít. És végre eljutottunk a só szerepéig: a só szerepe itt mindössze az, hogy az oldat össztöménységét növelje, ezáltal az aktivitást csökkentse.

Most vissza a rézpénzhez. Amikor a korrodált felületű rézpénzt ecetbe dobom, két dolog történik: 

1. A felületről kismennyiségű réz-oxid és/vagy szulfid (ezek találhatóak a korrodált rézpénz felületén) az oldatba kerül. Azért csak kevés, mert ezek nagyon rosszul oldódnak vízben (és a boltban vásárolt ecet egy vizes oldat). 

2. A már nagy nehezen oldatba került réz-oxid/szulfid gyorsan reagál a jelenlevő ecetsavval, és a „helyére” „újabb” réz-oxid/szulfid kerül (oldódik) a pénz felületéről.

Ha a folyamatot meg akarjuk gyorsítani (vagy a folyamat gyorsulását megmagyarázni), akkor a lassabb, az első lépést kell meggyorsítani (vagy annak gyorsulását megmagyarázni). A só jelenlétében az aktivitások, effektív koncentrációk kisebbek (l. fent), ezért több felületi réz-oxid/szulfid tud oldódni (1. lépés gyorsul), később fog ezekre nézve telítődni az oldat, ezáltal ez hamarabb fog elfogyni a felületről, hamarabb lesz fényes a pénzünk.

Bővebb utánaolvasásra vágyó kollegáknak hívószavak: Debye-Hückel elmélet, aktivitási koefficiens, röviden pedig csak annyi, hogy az oldhatósági szorzatba az aktivitásokat kell beleírni, és nem a koncentrációkat.

A bejegyzés elkészülésében segítettek (de az esetlegesen elhangzott hülyeségekről nem tehetnek): Gyurcsányi E. Róbert, Zsiros László Róbert, Höfler Lajos, Szűcs Rózsa, Kun Dávid, Nagy Balázs.

Ínyenceknek. Miközben a kérdésen rágódtam és rágtam néhány kollegámat, az alábbi alternatív/adícionális magyarázatok vetődtek fel amolyan brainstorming jelleggel:

„- Egyszerűen a rosszul oldódó réz-oxidot a felszínen lecseréled jól oldódó réz-acetátra. Az én tippem az, hogy az ionerősség növelésével lecsökken a Debye-hossz, így könnyebben bejut az acetát (ami az említett lecseréléshez kell) a porózus oxid-szulfid rétegbe.

„- Amikor tiszta ecetsavban oldod, akkor a Cu²⁺ ionok az oldatban úgy lesznek jelen, hogy a ligandumterükben csak víz van (értsd: vízmolekulák veszik körül), aminél ismert, hogy jobban szereti, ha a ligandumterében Cl^- van (ha kloridionok veszik körül, ami ugye a konyhasó alkatrésze). Emiatt zöldül be a CuSO₄ oldal is ha NaCl-t lapátolsz bele. Szerintem ez a hajtóerő: hogyha van só, akkor jobb (értsd: stabilabb) komplex keletkezik, ezért szívesebben és gyorsabban csinálja.”

„- Nagy só felesleg elképzelhető, hogy kis mértékben oldja is az oxidokat, hogy CuCl₂ keletkezik (lokális korrózió) amelynek az oldhatósága jobb, mint a réz-oxidoké vagy szulfidoké.”

Házi feladat (kommentbe): milyen kísérlettel/kísérletekkel lehetne eldönteni, hogy melyik ok a valódi a fenti alternatívák közül? Milyen kísérlettel lehetne egy-egy alternatívát kizárni?

Minden jó, ha a vége…nyitott

Azért ez a bejegyzés címe, mert még az év VÉGÉ-re íródott.

Avagy: Nyitott kérdések a kémiában, a kémia megválaszolatlan kérdései. Vagyis közülük öt. Aztán később még lesz több is. A válogatás teljesen szubjektív.

1. „On water” reakciónak hívjuk az olyan szerves kémiai reakciókat, ahol a reakciópartnerek legalább egy része nem oldódik vízben, mégis ezek a reakciók sokkal gyorsabban mennek végbe víz jelenlétében, mint oldószer nélkül vagy szerves oldószerben, homogén fázisban. Laikusok kedvéért: ez ellentmondás(nak látszik elsőre). Hozzáadok a reakciómhoz egy olyan anyagot (oldószert: víz), aminek látszólag semmi szerepe nincs a reakcióban, még csak  nem is oldja a reaktánsokat, mégis, a reakciósebesség sok nagyságrenddel megnő. Miért? Nem tudjuk. Ezért nyitott kérdés. Valószínűleg egy, a hidrogénkötésekkel összefüggő határfelületi jelenségről van szó. Felfedezése és első részletes leírása egyébként annak a Nobel-díjas K. Barry Sharplessnek a nevéhez fűződik, akiről már meséltem a click kémia felfedezése/megfogalmazása kapcsán fél évvel ezelőtt. És az irodáját is megmutattam. :)

2. Ki fia borja a kén-arany kötés? A kémiai kötéseket két csoportba szokás sorolni: az erősebbek az elsőrendű kötések, ilyen a kovalens, az ionos és a fémes kötés; illetve ezeknél jóval gyengébbek az alapvetően molekulák között ható másodrendű kötések (közülük legerősebb a hidrogénkötés).  De melyik csoportba tartozik az arany és kén közötti kötés? Válasz: attól függ, ki tantítja/hol nézel utána. :) Ez egy nagyon erős másodrendű kötés, már-már olyan erős, mint az elsőrendű, de mégsem az. Senki sem tudja igazán mi ez. A probléma - mint oly gyakran - a modellalkotással van. Az első- és másodrendű kötés mint kategóriák felállítása egy modell, ami egyszerűbbé teszi a munkánkat. Azonban mint minden modellnek, véges az érvényessége. Ennek a modellnek valószínűleg éppen az arany-kén kötésnél. Milyen tehát az arany-kén kötés? Éppen olyan, mint az arany-kén kötés. :) 

A kötés jelentősége egyébként nem csak elméleti, széleskörűen használják biomolekulák aranyfelületre való kötéséhez analitikai célokra, pl. felületi plazmon rezonancia mérések során. Ilyen aranyhoz kötögetős dolgokat mi is csináltunk: ionofórokat kötöttünk arany nanorészecskékhez, hogy a korábbinál stabilabb potenciometriás membránelektródokat állítsunk elő. Bővebb magyarázat helyett (hiszen most nem ez a téma) itt egy móricka ábra:

3. Véget ér-e a periódusos rendszer, vagy vég nélkül fognak összelegózni a fizikusok/kémikusok egyre nagyobb atommagokat? Van-e legnagyobb lehetséges elem? Lundi kutatók pl. épp most erősítették meg a 115-ös rendszámú (a rendszám az adott atom periódusos rendszeren belüli sorszáma, egyúttal az atommagban levő protonok száma) elem létezését. Ez nem a legnagyobb ismert atommag, van-e azonban valami elvi felső határa az atom(mag)ok nagyságának? Van -e egy olyan, aminél nagyobb atommag már elvileg sem lehetséges, nem csak „nem sikerült eddig megcsinálni”? Feynmann (nagyon vicces Nobel-díjas fizikus bácsi, akinek szenvedélye volt állítólag a bongózás és a streaptease bárok látogatása, valamint nagyon szerették a diákjai, mert jó tanár volt) szerint ez a határ a(z elég pontatlan Bohr-atommodellből) 137-es rendszám, amikoris a legbelső elektronok sebessége meghaldná a fénysebességet. Azóta elvégzett pontosabb számítások szerint (a relativisztikus effektusokat is figyelembe vevő Dirac-egyenletből) ez a szám 173. Mások a határt 128-as (John Emsley) vagy a 155-ös (Albert Khazan) rendszám jelenti. Megint mások szerint meg nincs határ. 

Az persze egy jó kérdés, hogy vajon a kémiai viselkedésben fennálló periodicitás, amely alapján Mengyelejev a táblázatot megalkotta, ezekre a mesterséges szupernehéz elemekre is fennáll-e, hiszen ezeknek a tipikus életidejük a másodperc töredéke, majd elbomlanak. És ennyi idő alatt nehéz kémiai megfigyeléseket végezni…

4. Mi az igazi a-tom? A tudomány történetének egyik legnagyobb, többezer éves, még ma is tartó hajszája az igazi a-tom után folyt és folyik, vagyis az után a részecske után, aminek már nincsenek további alkotórészei, oszthatatlan, görögül atom. A fogalmat még Démokritosz alkotta meg a következő példázattal: „Képzelje el, hogy megkérem mindenes szolgámat: fenjen meg egy kést olyan élesre, amilyenre csak lehet... Mikor kész, előveszek egy darab sajtot... Kettévágom a késsel, aztán az egyik felét megint ketté, aztán annak az egyik felét megint, és megint és megint. A folyamatnak valahol be kell fejeződnie, mert az logikai abszurdum, hogy végtelen sokáig tartson, márpedig csak úgy tud befejeződni, ha eljutunk egy sajtdarabhoz, amely már nem vágható ketté. És akkor – legalább egy ilyen gondolatkísérlet során – megkaptuk a végső, oszthatatlan objektumot, az  a-tomot.” (Leon Ledermann Nobel-díjas részecskefizikus Az isteni a-tom – Mi a kérdés, ha a válasz a Világegyetem c. fantasztikus könyvéből.) Amit ma atomnak hívunk kémiaórán, az a daltoni értelemben vett atom, és legalább száz éve tudjuk róla, hogy osztható: elektronokra és atommagra. Az atommag pedig protonokra és neutronokra. Ezek pedig kvarkokra… A kvarkok és az elektronok – más részecskékkel együtt – mai tudásunk szerint oszthatatlanok.

5. Milyen a víz szupramolekuláris szerkezete? Ezt a kérdést a Science magazin (a világ (egyik) legmenőbb tudományos folyóirata) 2005-ben a 100 legfontosabb tudományos kérdés közé választotta. A víz rendezettsége, rendeződése – szilárd és folyadék fázisban legalábbis biztosan – nem áll meg a molekulák szintjén, a molekulák elrendeződése nem véletlenszerű, hanem azok további (szupramolekuláris, „molekulán felüli/túli”) struktúrákat alkotnak, melyeket klasztereknek hívunk, és amelyeket a vízmolekulák között ható hidrogénkötések tartanak össze. A legegyszerűbb ilyen képződmény a két vízmolekulából álló dimer, egy viszonylag bonyolultabb pedig az elméleti számításokkal előrejelzett 100 molekulából álló klaszter:

A víz szupramolekuláris szerkezetének megismerésére irányuló kutatások magyarázatot adhatnak a víz néhány szokatlan tulajdonságára is. 

(((Sokzárójelben jegyzem meg, hogy ezt a sokat emlegetett középiskolai kémia tanárom Meleg Pista (Nyugodjon békében!) úgy magyarázta, hogy a víz olyan "perverz gernyó", amiben aztán sokminden megtalálható, csak éppen diszkrét, különálló H₂O molekulák nem.)))

Nemsoká további nyitott kérdések, addig is: válaszra fel!