Zaujímavosti o prírodných vedách

Mám čo robiť. Skutočne, hoci sa to tak nezdá. No považujem za užitočné podeliť sa s vami s niekoľkými zaujímavými skutočnosťami zo sveta prírodných vied. Mal by som si dokončiť kapitolu o matematike, tá je zaujímavá sama osebe. Bude aj to niekedy, ale teraz len tak rýchlo mimo matematiku.

Možno ste počuli o Umbertovi Ecovi, bol to taliansky spisovateľ. Asi najznámejšia kniha od neho je Meno ruže, chcel by som si ju prečítať, ale zatiaľ som tak neurobil. Druhá známa kniha je Foucaultovo kyvadlo. Neviem, o čom je kniha.

Ale viem princíp toho kyvadla. Bol to experiment, ktorý potvrdzoval rotáciu Zeme okolo svojej osi. To kyvadlo je nejaká ťažká guľa zavesená na dlhom drôte. Rozkývate ho, kyvadlo bude kmitať tam a späť. Sledujete ho dlhšiu dobu, až časom si všimnete, že dráha, ktorú to kyvadlo opisuje sa vychyľuje z pôvodnej dráhy.

Ako som spomenul, dokazuje to rotáciu Zeme. Prečo?

Ide o to, že kyvadlo vlastne nemení smer kmitov, ale točí sa zem pod ním. Pozorovateľ zo zeme vníma to, že sa vychyľuje kyvadlo, kým pozorovateľ z vesmíru by videl kyvadlo kmitať stále na mieste a Zem pod ním by sa točila. Vcelku zaujímavá predstava.

Ďalsím zaujímavým aspektom je, že nie na všetkých miestach na zemi to prebieha rovnako. Vlastne niekde vychýlenie prebieha veľmi rýchlo, niekde nepatrne a inde dokonca vôbec. Iste tušíte, čím to je. Geografickou šírkou. Jednoducho na póle sa kyvadlo za jeden deň otočí o 360°. Na rovníku sa nebude točiť vôbec. A dajme tomu na 30° rovnobežke sa otočí za deň o 180°.

Určite predpokladáte, že aj pologuľa bude mať vplyv na zmenu dráhy. Na severnej pologuli sa kyvadlo vychyľuje v smere hodinových ručičiek a na južnej pologuli naopak proti smeru hodinových ručičiek.

Za tým všetkým stojí Coriolisova sila, ktorá je len zdanlivá.

Pri Coriolisovej sile by som ostal a napísal zopár príkladov, kedy sa vlpyv sily prejavuje.

Najvýznamnejšie je to asi pri smere prúdenia vzduchu pri tlakovej níži či výši. Smer na severnej pologuli je v smere hodinových ručičiek, a naopak na južnej pologuli. Naproti tomu tornáda sa už nesprávajú podľa Coriolisovej sily, pretože rýchlosť prúdenia vzduchu je omnoho vyššia než rýchlosť rotácie zeme.

Často sa spomína vytekanie vody z umývadla. Traduje sa, že vír, ktorý pri vytekaní vznikne na severnej pologuli má opačný smer ako na južnej pologuli. Coriolisova sila v tomto prípade je však zanedbateľná oproti iným vplyvom, ako sú tvar umývadla, rýchlosť odtekania vody. Údajne ak by voda odtekala dosť pomaly (až tak pomaly, že vzniknutý vír by sa točil pomalšie ako sa točí zem), tak by sa mohla prejaviť Coriolisova sila za predpokladu, že by sa vylúčil vplyv tvaru umývadla.

Ešte posledný príklad, ktorý stojí za zmienku, je balistika. Keď delostrelectvo počíta trajektóriu strely na dlhú vzdialenosť (100 km), je potrebné vziať do úvahy Coriolisovu silu, lebo jej vplyv je významný. Inak by sa stalo, že vôbec netrafia cieľ. Spomeniem konkrétny príklad. Strela v Sacramente (38°35´ severnej geografickej šírky) na vzdialenosť 910 m sa vychýli doprava o 71 mm.

Dnes budem písať o atmosférickom tlaku a teplote varu.

Začal by som otázkou. Idete do Tatier na túru. Napríklad na Gerlachovský štít. Vystúpite naň a urobíte si prestávku. Chcete sa posilniť, a tak si varíte čaj. Princípom je extrakcia, čiže dostávate obsiahnuté látky v čajových listoch do rozpúšťadla, teda vody. Účinnosť extkacie je závislá od teploty, čím vyššia je teplota, tým viac látok sa extrahuje. A otázka je, či si na tom štíte uvaríte viac alebo menej kvalitný čaj.

Musím najskôr popísať niektoré základné javy, ktoré majú na to vplyv. V prvom rade ide o var, ktorý nastáva pri takej teplote, že tlak nasýtenej pary kvapaliny sa vyrovná okolitémmu tlaku.

Len jedna veta z fyziky a hneď toľko zvláštnych pojmov. Máme tam akýsi okolitý tlak a tlak nasýtených pár kvapaliny. Aj keď vysvetlím tieto pojmy, tak je tá definícia celá abstraktná, že ak by sme ju hovorili niekomu, kto ešte nikdy nevaril, tak by zrejme ani nevedel, čo to var je.

Okolitý tlak je atmosférický tlak, čiže tlak, ktorým pôsobí vzduch na štvorec dĺžky, pretože na vzduch rovnako ako na každé iné látky pôsobí gravitačná sila. Aký je atmosférický tlak? To závisí od gravitečného zrýchlenia a "hustoty" vzduchu. Vieme, že na horách je vzduch redší, tažšie sa dýcha, a preto aj tlak vzduchu je nižší. Vplýva na to aj podnebie, takže tlaková níž a výš. Je dohodnuté, že normálny atmosférický tlak je 1 atmosféra (atm) a rovná sa 101 325 Pa, to by mohli byť niekde na rovníku pri mori. 

Potom tam máme nasýtené pary a ich tlak. Jednoducho by som napísal, že kvapaliny sa časom vyparujú, pretože molekuly vody sú stále v pohybe, to sa prejavuje aj tým, že voda je tečúca a tak ďalej. Základom je, že niektoré molekuly kvapaliny sa pohybujú až tak rýchlo, že sa odtrhnú z kvapaliny a stanú sa plynom, a plyn pôsobí určitým tlakom. Naopak, niektoré plynné molekuly sa skvapalnia, vrátia sa späť do kvapaliny. Takže ak mám hrniec do polovice naplnený vodou a nechám ho dostatočne dlho stáť, tak sa ustáli rovnováha, medzi vyparenými a skvapalnenými molekulami. Hovoríme, že para je v termodynamickej rovnováhe s kvapalinou. V takomto stave môžem odmerať, akým tlakom pôsobí para na vrchnák hrnca a to je tlak naśytenej pary.

Potom môžeme kvapalinu zahrievať, kvapalina dostáva teplo, energiu, to znamená, že viac molekúl sa vyparí a menej sa skvapalní, čiže tlak nasýtenej pary je stále vyšší a vyšší, ak ju zahrievam. No a keď sa tlak nasýtenej pary vyrovná okolítému tlaku nastáva var.

Toľko zložitého opisu pre jeden obyčajný var. Prečo je var taký významný? Lebo kvapalina sa v tomto okamihu vyparuje do celého objemu, preto sa tam tvoria bubliny, to sú vlastne bubliny pár. Toto má za následok jednu veľmi dôležitú skutočnosť, ktorú určite viete. Nech zohrievam čistú vodu akokoľvek rýchlo, nedosiahnem vyššiu teplotu ako teplotu varu pri normálnom tlaku, čo by malo byť tých 100°C. Ja to vysvetľujem tým, že ak by molekula vody mala mať vyššiu teplotu ako 100°C, tak sa vyparí a už nie je vo vode, ale je to para. A takto to robia všetky molekuly, takže žiadna neostane vo vode s vyššou teplotou ako bod varu.

Z prvej základnej definície vyplýva, že bod varu a okolitý tlak so sebou súvisia. Keď znížim okolitý tlak, tak je logické, že tlak nasýtených pár sa s okolitým tlakom skôr "stretne", teda var nastane pri nižšej teplote. Naopak ak zvýši okolitý tlak, aj var nastane pri vyššej teplote. Závisloť daného tlaku, bodu varu pri normálnom tlaku a bodu varu pri danom tlaku opisuje nomogram, je to zaujímavá vec.

Aby som sa vrátil k otázke, vo vysoko položených oblastiach je menej vzduchu, takže pôsobí menším tlakom, tým sa môže dosiahnuť var pri nižšej teplote a to zhoršuje kvalitu čaju. Takže na horách nevarte čaj.

Pre úplnosť dodám, že nižší tlak sa používa pri destilácii za zníženého tlaku, to je žiaduce, lebo sa to predestiluje skôr, nemusíme vykladať toľko energie na zohrievanie. To sa volá ľudovo aj vákuová destilácia. Na druhej strane vyššia teplota varu sa využíva v kuchyni v tlakovom hrnci.

Tuky a lipidy sa často považujú za synonymá, hoci to nie je celkom tak. Tuky sú podskupinou lipidov. Lipidy sú biomolekuly rozpustné v nepolárnych rozpúšťadlách, môžeme sem subsumovať tuky, cholesterol a jeho deriváty, mastné kyseliny, mastné alkoholy, fosfolipidy, sfingolipidy. Slovo biomolekula znamená, že ide o molekulu, ktorá je nevyhnutná na fungovanie biologického systému, teda organizmu. Tuky sú z chemického hľadiska estery trojsýtneho alkoholu, najmä glycerolu, a mastných kyselín. Mastná kyselina odkazuje len na to, že má dlhý uhlíkový reťazec. Môže sa esterifikovať jedna, dve alebo všetky tri hydroxylové skupiny glycerolu, vtedy hovoríme o triacylglyceroloch, ktoré sú v prírode narozšírenejšie.



Tieto tuky sa navzájom líšia od seba vo fyzikálno-chemických vlastnostiach práve podľa toho, aká (aké) mastné kyseliny tvoria tuk. Sú teda kvapalné a tuhé tuky. Kvapalné sú zväžša rastlinné a obsahujú nenasýtené mastné kyseliny a tuhú sú zas tie, u ktorých prevažujú nasýtené mastné kyseliny, sú to často živočíšne tuky. Čo je to nasýtenosť kyselín? Nasýtená kyselina neobsahuje žiadnu dvojitú väzbu, všetky väzby sú jednoduché. Naopak nenasýtená obsahuje aspoň jednu dvojitú väzbu, tieto sú vraj zdraviu prospešnejšie, ale ja na to nie som odborník, tak by som sa nerád k tomu vyjadroval.

To bol nudný, vyčerpávajúci úvod, ale musel som ho napísať, aby sme sa vedeli pochopiť. Zaujímavosť spočíva v tom, že na začiatku 20. storočia sa objavila a patentovala metóda, ktorá dokázala z kvapalných rastlinných tukov vyrobiť tuhé tuky. To malo význam jednak ekonomický, lebo rastlinné tuky sú lacnejšie než živočíšne, a jednak zdravotný, povedzme, lebo sa verilo, že rastlinné tuky sú zdravšie než živočíšne. Za týmto spôsobom stojí nemecký chemik Wilhelm Normann.



Ide o to, že tie dvojité väzby sa chemicky upravia na jednoduché. Inými chemickými slovami, je potrebné adovať (naviazať) vodík na dvojitú väzbu. Keďže sa naväzuje vodík, latinsky hydrogenium, reakcia sa volá hydrogenácia. Reakcia prebiaha pri vyššej teplote za katalýzy zinku, novšie už paládia. 

Reakcia je to pekná, jednoduchá, má význam, je tu jedno ale. Pri tejto reakcii sa zmení dostatok väzieb z dvojitých na jednoduchú, aby tuk stuhol, ale nie všetky dvojité väzby sa odstránia. Vlastne v prírode sú dvojité väzby v tukoch zväčša usporiadné cis, čiže k sebe, biosyntetizujú sa takým spôsobom, že vzniká cis forma. Je to ale energeticky nevýhodnejšia pozícia, a preto ak tuky môžu, tak preskočia na tú druhú výhodnejšiu pozíciu trans. A práve tá zvýšená teplota im to umožňuje.



Poviete si, malá zmena, veď nevadí, čo by sa tým mohlo zmeniť? Ukazuje sa, že to nie je až taká malá zmena, a tieto trans tuky spôsobujú vo vyššej miere kardiovaskulárne ochorenia, ale aj iné, napr. demenciu, depresiu. Dnes sa toto už vie, preto sa nevyrábajú margaríny zväčša hydrogenáciou, ale iným spôsobom, ktorý nespoôsobuje vznik trans tukov. Znamená to len toľko, že ak upravujeme biologické látky, amli by sme byť opatrní, lebo to môže mať kopec negatív, ktoré spočaitku nevidíme. To isté platí aj o liečivách, kde rozhoduje nielen počet atómov v liečive, ale aj ako sú jednotlivo viazané. O tom asi napíšem tiež.

Určite ste si to všimli. Príroda má rada symetriu. Osová symetria sa vyskytuje často, napríklad motýľ, list, kvet, ruky človeka a tak ďalej. To sú všetko také predmety, že jedna i druhá strana sa nedá prekryť s druhou, nie sú teda totožné. Ale ak cez stred položíme zrkadlo jedna strana je v odraze totožná s druhou stranou. Napodiv sa táto vlastnosť vyskytuje aj v chémii, niektoré kryštálové usporiadania majú túto vlastnosť. 

Ide o tetraedrálne usporiadanie (pravidlený štvorsten). V organickej chémii sa to vyskytuje pomerne často, pretože uhlík je štvorväzbový. Môžeme si to predstaviť tak, že v strede štvorstena je práve ten uhlík a na každom zo štyroch vrcholov je nejaký atóm viazaný na uhlík. Lepšie vidieť, ako čítať. Tak prikladám ilustráciu.



Lenže keď mám molekulu, ktorá z tých štyroch naviazaných atómov má rovnaké dva, tri alebo aj všetky štyri atómy, tak nepotrebujem zrkadlo, boli by to totožné molekuly a teda, keby som ich rôzne pootáčal, tak by som našiel takú polohu, v ktorj by sa obe molekuly mohli prekryť.

Takže táto vlastnosť platí, len pre také molekuly, ktoré obsahujú atóm uhlíka a na ňom sú štyri rôzne atómy, ako je to na obrázku hore. Takéto molekuly, ktoré nevieme prekryť, ale v zrkadle je odraz jednej druhou, sú opticky aktívne, to znamená, že všetky fyzikálno-chemické vlastnosti sú rovnaké, až na optickú otáčavosť. V súvislosti s opickou otáčavosťou možno spomenúť Biota, ktorý ju objavil začiatkom 19. storočia a ešte L. Pasteura, ktorý dosiahol významné pokroky. Optická otáčavosť je schopnosť roztoku látky otáčať rovinu polarizovaného svetla. To je možne využiť v analýze látky, táto metóda sa volá polarimetria. Ale o tom nechcem písať.

Povedal som, že tieto molekuly majú rovnaké fyzikálno-chemické vlastnosti, avšak to neznamená, že aj biologické. Práve v biologických aktivitách sa molekuly s inou kongiruáciou (enantioméry) prejavujú rôzne. To je preto, lebo zväčša biologicky aktívne látky interferujú s receptorom špecificky, takže receptor je ako kľúčová zámaka a biologicky aktívna látka musí doň presne zapadnúť. Čiže ak ja mám síce na prvý pohľad rovnaké molekuly, musím sa pozrieť, či náhodou to nie sú dve navzájom enantiomérne látky.

Keď sú to dva enantioméry, tak môžu nastať tri situácie. Jedna aj druhá molekula je aktívna, to je v poriadku. Ale opačný extrém je, že jedna molekula je aktívna a jej enantiomér je toxický. Iste je jasné, že ak sa syntetizuje také liečivo, nemôže sa tak podávať, bolo by to nepríjemné. V takom príapde je potrebné nájsť enantioselektívnu syntézu, t.j. vzniká len želaný enantiomér, alebo treba enantioméry separovať. Tento prípad toxického enantioméru je dobre známy každému farmaceutovi ako talidomidova aféra. Talidomid bol v Európe používaný ako sedatívum pre tehotné ženy, dokonca to nebolo tak dávno. Účinný bol ale iba jeden enantiomér, ten druhý mal teratogénne vlastnosti, to znamená, že cievy plody sa nemohli dobre vyvíjať, preto nenarástli koncové časti tela - ruky, nohy. Veľmi nepríjemné. Je tu ešte jedna nepríjemnosť, jednotlivé enantioméry  sa navzájom premieňajú. Takže nestačí podať čistý netoxický enantiomér, lebo z neho v tele vzniklne aj ten toxický.



A posledný prípad je, že jeden enatiomér je aktívny a druhý nemá žiaden účinok. Nedávno je na trhu ibuprofén, ako čistý enantiomér. Prečo sa čistí od druhého neučinného enantioméru, keď tento nemá negatívny účinok? Je to preto, že namiesto zmesi 50/50 400 mg užijete čistého len 200 mg a máte rovnaký účinok. Čiže tá výhoda je asi taká, že menej zaťažujete pečeň.

Dnešný príspevok bude o prírodných organických halogénderivátoch.

Čo sú to organické halogénderiváty? Chémia štvorväzbováho uhlíka je z nejakých historických dôvodov nazývaná organická chémia. Hlavou príčinou bolo to, že v 18. storočí sa už látky rozdeľovali na anorganické (získané z neživej prírody) a organické, ktorý mali pôvod v živých organizmoch. Práve organickým látkam bola prisudzovaná "vis vitalis", čiže životná sila. Toto sa zmenilo, keď v roku 1828 F. Woehler pripravil organickú močovinu z anorganickej soli - kyanatanu amónneho. Dnes nie je rozdiel medzi podtypmi chémie, chémia je len jedna, pretože funguje na rovnakých princípoch. Avšak delenie chémie sa zachovalo. Ten dôvod je celkom jednoduchý, chémia je široká veda. A neexistuje odborník na celú chémiu, preto sa vyčeňujú podoblasti chémie, ako anorganická, všeobecná, organická, koordinačná. Má to aj systematický zmysel, pretože organické látky sa líšia od anorganických vo svojich vlastnostiach.

Aby som sa vrátil k pôvodnej otázke, halogénderiváty sú organické látky, ktoré majú naviazaný halogén. Halogén je fluór, chlór, bróm a jód.

Čím sú špecifické halogénderiváty? Až do roku 1968 bolo známych len 30 prírodných halogénderivátov. Vtedy sa predpokladalo, že ostatné halogénderiváty, ako chloroform, halogénované fenoly sú produktom priemyselného znečistenia. Dnes, po 50 rokoch, je situácia odlišná, je známych 3000 halogénorganových prírodných látok a predpokladá sa, že ďalšie tisícky ešte neboli objavené.

Niektoré halogénderiváty vznikajú v prírode vo veľkých množstvách. Lesné požiare, sopky, morské riasy vyprodukujú ročne 5 miliónov ton chlórmetánu, zatiaľčo primyselná výroba vytvorí len 26 000 ton. Ďalší príklad je o okiwanskom červovi, ktorý na ploche kilometer štvorcový uvoľní denne 45 kg halogénovaných fenolov, tieto boli skôr považované za znečisteniny, ktoré nemôžu pochádzať z prírodných zdrojov, pretože sú toxické.

Otázka prečo orgnaizmy produkujú toxické halogénované látky? Zrejme pre sebaochranu ako prírodné pesticídy, antibiotiká, odstrašujúce látky. Zaujímavé je, že aj ľudský organizmus produkujú takéto látky ako súčesť obrany pred infekciami. Deje sa to pomocou enzýmu, zvaného peroxidáza, ktorý katalyzuje halogenačné reakcie v baktériach a hubách, a týmto spôsobom môže zničiť choroboplodné zárodky.

Dobrý deň, začnem obrázkom.

Videli ste už takýto úkaz? Viete ho vysvetliť? Dovolím si tipnúť, že ako prvé by ste hádali, že kvapalina nie je voda alebo tuhá látka v jednom z obrázkov nie je ľad. Nie je to také jednoduché vysvetlenie, pretože v skutočnosti ide o vodu v dvoch skupenstvách – v pevnom a v kvapalnom.

Na začiatok by bolo pekné zopakovať si zo strednej školy, že voda má najvyššiu hustotu okolo 4°C. Nad aj pod touto teplotou hustota klesá. Ľad však v akejkoľvek teplote pod nulou má podstatne menšiu hustotu ako voda nad 0°C, to znamená, že ľad pláva na hladine vody, presne ako je na obrázku vľavo. K tomuto ohromnému objavu sme nepotrebovali žiadne výpočty, stačí len pozorovanie potokov a jazierok v zime. (Zdá sa mi, že voda je v tejto vlastnosti unikátna, ale nevylučujem, že existuje ešte nejaká výnimka. Väčšina látok so zahrievaním zväčšuje svoj objem, a teda znižuje sa hustota na celom intervale teplôt.)

Vodu tvorí atóm kyslíka a dva atómy vodíka. Akú majú hmotnosť tieto atómy? Základná jednotka SI pre hmotnosť je kilogram, avšak pre také malé entity ako atómy by bolo mimoriadne nepraktické používať túto jednotku, preto sa zaviedla jednotka s názvom atómová hmotnostná jednotka (amu) a určilo sa, že uhlík C-12 bude mať práve 12 amu. Teraz si pozriete periodickú tabuľku chemických prvkov a nájdete tam čosi takéto: 
  
Tá šestka znamená protónové číslo, čiže koľko má daný atóm protónov v jadre. Protóny sú kladne nabité a ak je atóm v elektroneutrálnom stave, tak má aj rovnaký počet záporne nabitých elektrónov (ktoré sa pre hmotnosť atómu zanedbávajú). A to číslo dole 12,011, by malo byť tá atómová hmotnostná jednotka, lenže ja som ju uviedol na rovných 12. V čom je teda problém?

Ide o to, že chemický prvok charakterizuje počet protónov, lenže v jadre atómu sa nachádzajú aj neutróny, ktoré sú elektricky nenabité a majú približne rovnakú hmotnosť ako protóny. Také prvky, ktoré majú iný počet neutrónov sa nazývajú izotopy. Tak napríklad ten meď sa v prírode vyskytuje vo forme dvoch izotopov, a to je Cu-63 so zastúpením 69,15% a hmotnosťou 62,9296 amu; a Cu-65 so zastúpením 30,85% a hmotnosťou 64,9278 amu (okrem toho existuje ešte 27 syntetických izotopov medi, sú nestabilné – rádioaktívne s polčasom rozpadu okolo sekúnd až minút, to je dôvod, prečo sa nevyskytujú v prírode, lebo po vzniku ihneď zaniknú). Keď vypočítate priemernú hmotnosť získate číslo 63,546 amu, ktoré sa uvádza v periodickej tabuľke. Musím poznamenať, že žiaden atóm medi však neváži 63,546 amu. Keby ste chceli vážiť jeden atóm medi, tak na 69% nameriate 63 amu a na 30% 65 amu. Podobne je to aj s uhlíkom, preto tam nie je rovná dvanástka, ale 12,011.

Pozrime sa teraz na vodík v keďže voda nás zaujíma. Vodík, chudák, má najmenej možných izotopov. V prírode sa vyskytuje ako jediný protón (nazývaný prótium), vyskytujúci sa v prírode v zastúpení 99,97%. Je to úplne bežný vodík, s ktorým prichádzame do kontaktu. Môžem povedať, že zvyšok zaberá v prírode deutérium, ktorý má v jadre jeden protón a jeden neutrón. Sme práve pri pointe, bežná voda je zložená z dvoch vodíkov, ktorý každý váži 1 amu. Ale ak by sa pripravila voda z dvoch deutérií, ktoré každé váži 2 amu, tak celkom logicky voda bude obsahovať rovnaké typy molekúl, ibaže tie deutérované budú ťažšie, aj pripravený ľad z takejto vody bude ťažší v porovnaní s normálnou vodou. Preto takýto ľad klesá ku dnu.

Voda pripravená z deutérií má aj príznačný názov, volá sa ťažká voda, je ju možné pripraviť elektrolýzou a inými metódami, kde sa využíva nižšia reaktivita ťažkej vody oproti vody bežnej. Deutérovaná voda má využitie v jadrových reaktoroch a v H-1 NMR spektroskopii, kde sa používa ako rozpúšťadlo pre vzorky, keďže deutérium nemá signál v H-1 NMR.

Pre úplnosť dodám, že okrem prótia a deutéria existuje aj trítium, ktoré má dva neutróny a jeden protón. Je však rádioaktívne s polčasom rozpadu len niečo vyše 12 rokov. V prírode sa nachádza len v stopových množstvách. Navyše boli syntetizované aj ďalšie izotopy vodíka, ich polčas je taký krátky, že prakticky ani neexistujú.