Când apa dă de greu


Până acum, pe blogul ăsta ai aflat câte puțin despre atom, informații servite cu lingurița: ai aflat în Top Model despre cum a fost descoperită structura atomului și faptul că e compus din protoni și electroni, în Telechimie ai aflat despre cum ne ajută electronii să aflăm o grămadă de lucruri despre Univers și despre una din caracteristicile lor principale, în timp ce în postrea Atoms and You am vorbit despre cum prezența sau absența unui proton din nucleu poate schimba cu totul un element chimic. Dar atomii nu sunt compuși doar din protoni și electroni. În măruntaiele oricărui atom de orice fel mai există o particulă care are o influență la fel mare ca celelalte două.

Aparențe înșelătoare

Nu, nu vezi dublu. Știu că așa pare, dar moleculele astea două nu seamănă între ele. Pe una din ele o cunoști foarte bine: în stânga ai o moleculă de apă (H2O). În partea dreaptă, însă, ai o moleculă de apă grea (formula sa chimică e 2H2O sau D2O). Din punct de vedere molecular ele arată la fel (au un atom de oxigen legat de doi atomi de hidrogen), dar asta numai pentru că diferența dintre aceste două molecule se găsește în interior, în nucleele atomilor care le compun. Mai exact, trebuie să aruncăm un ochi în nucleele atomilor de hidrogen, pentru că acolo o să observăm ceva deosebit: atomii de hidrogen din molecula de apă grea conțin în nucleu un proton (fix ca un atom de hidrogen normal, care se găsește în H2O), DAR mai e ceva acolo, ceva care adaugă un plus de valoare și care face ca atomul respectiv să devină ceva special: un neutron.
Atomi cu greutate

©Our Friend The AtomPrin 1905, Albert Einstein a demonstrat concret și matematic că atomii există. Acest eveniment a dat pe spate întreaga comunitate științifică și a revoluționat total modul în care vedem Universul. Nici nu am cum să supraestimez chestia asta. Apoi, prin 1909, Ernest Rutherford, împreună cu asistenții săi Ernest Marsden și Hans Geiger, avea să descopere că atomul este el însuși compus din niște particule mai mici! El a văzut că structura atomului e următoarea: un nucleu format din niște particule numite protoni (cu sarcina electrică pozitivă), înconjurat de niște particule numite electroni (cu sarcina electrică negativă), motiv pentru care atomul are o sarcină electrică neutră (că + cu – se anulează, nu?).
Un proton în plus sau în minus face mare diferență. Aurul are 79 de protoni, în timp ce mercurul are 80.Totul a fost rozé și frumos în lume în anii imediat următori, iar Rutherford chiar a ajuns să explice întreaga diversitate a elementelor chimice printr-o idee extraordinar de simplă: numărul de protoni din nucleul unui atom dă elementul chimic. Astfel, hidrogenul are un proton în nucleu, heliul are doi protoni, litiul are trei protoni ș.a.m.d. E atât de simplu! Mai încolo, fizicienii și chimiștii învățaseră deja cum să cântărească (nu e o metaforă) fiecare atom al unui element chimic, un lucru demn de admirat.
Dar uite că din momentul ăsta a mai apărut o problemă care i-a neliniștit destul de mult pe oamenii de știință. După ce aceștia au cântărit niște atomi, au observat că masa lor era diferită de ce se așteptau: de exemplu, heliul care are doi protoni trebuia să aibă o masă de două ori mai mare decât atomul de hidrogen, dar se dovedise că de fapt aceasta e de patru ori mai mare! După ce probabil au terminat toată băutura din pub-ul local, Rutherford și ceilalți oameni de știință au început să se gândească serios la problema respectivă. Răspunsul era unanim: habar n-aveau de unde toată anomalia asta. Rutherford bănuia că e musai să mai fie altceva pe lângă protoni, dar ce???
Acest detector a fost folosit James Chadwick (1891-1974) în descoperirea neutronului. Mare cât palma ta, acest aparat extrem de simplu a ajutat la descoperirea unei particule mai mici decât un atom.A durat 12 ani până ca răspunsul să iasă la iveală, iar Rutherford (ajuns între timp directorul laboratorului Cavendish din Cambridge) a aruncat toate resursele de care dispunea în calea problemei. Studenți, colegi cercetători, toți erau angrenați în aflarea răspunsului la problema asta care îi râcâia pe toți. Dar, victorie! În 1932, folosindu-se de un aparat mare cât palma ta, James Chadwick avea să descopere neutronul. Practic, în acest aparat (care era un detector de neutroni) se găsea o sursă radioactivă care emitea niște particule alfa. Acele particule se loveau de o foiță de beriliu (Be, în tabelul periodic), iar din reacțiile nucleare dintre acestea, erau emiși neutroni.
Toți oamenii de știință erau în al nouălea cer. În sfârșit o rezolvaseră și p-asta! Odată cu descoperirea neutronului, omenirea dăduse naștere unui nou domeniu al fizicii: fizica nucleară, adică studiul nucleului atomului și a reacțiilor sale. Astfel, atunci când auzi de reacții nucleare, fuziune nucleară, fisiune nucleară și energie nucleară, este vorba despre niște schimbări și reacții ce se petrec în interiorul atomului, în nucleu.
Stări de nervozitate

După cum îi spune numele, neutronul este neutru din punct de vedere electric (nu ca protonii cu sarcină electrică pozitivă sau ca electronii cu sarcina electrică negativă), deci nu ar trebui să schimbe atomul, nu? Teoretic, un atom de hidrogen, de exemplu, ar putea să țină în el ‘jdemii de neutroni, pentru că nu îi modifică sub nici o formă sarcina electrică. Da, corect! Numai că neutronul, deși neutru electric, are fix aceeași masă ca protonul (electronul e mult mult prea ușor, deci nu îl luăm în calcul), iar asta îi dă o anumită greutate și influență, mai ales dacă apare nepoftit în nucleu. Practic, felul în care neutronul schimbă atomul e că îl face mai greu, mai masiv: cu cât pui mai mulți neutroni într-un atom, cu atât acesta devine mai gras, mai greu și mai instabil. Am pregătit și o glumă proastă pentru momentul ăsta din postare:
Neutronul e atât de gras, încât ultima oară când a căzut pe gânduri, le-a rupt!
[Mulțumesc, o să fiu aici toată săptămâna.]
Cei doi izotopi ai atomului de hidrogen care se găsesc în natură.Atomii care conțin mai mulți neutroni (sau mai puțini) decât în mod normal (“mod normal” – când numărul de neutroni este egal cu numărul de protoni – la hidrogen e excepția) se numesc izotopi. De exemplu, atomul normal de hidrogen se numește protiu (căruia noi îi spunem pur și simplu hidrogen), dar acesta are niște variante, cu unul sau mai mulți neutroni în nucleu: deuteriul este un atom de hidrogen care are un proton și un neutron, tritiul este un atom de hidrogen care are 1 proton și 2 neutroni. Hidrogenul are chiar mai mulți izotopi care merg până la un proton și 6 (șase) neutroni în nucleu. Dintre toți acești izotopi, doar deuteriul și tritiul se găsesc în natură, iar cel mai stabil este deuteriul, restul sunt foarte instabili (în afară de tritiu și deuteriu, toți ceilalți izotopi rezistă o fracțiune de secundă, până să se transforme în altceva).
D2O? Ce-i aia D2O?
Cam ce se întâmplă cu un atom instabil de tritiu. Acesta scuipă un electron și energie, în timp ce unul din cei doi neutroni se transformă în proton. ©Chemistry BoisestateMotivul pentru care un atom devine instabil, dacă are prea mulți neutroni, e fiindcă are mai multă energie decât poate duce, moment în care acesta devine irascibil, nervos și vrea cu tot dinadinsul să redevină stabil. Cum se întâmplă asta? Dacă vorbim de orice izotop al hidrogenului cu 3 sau mai mulți neutroni în nucleu, aceștia pur și simplu scuipă neutroni până ajung să se linișteacă! 4H (adică izotopul de hidrogen cu 3 neutroni) scuipă un neutron ca să devină tritiu (notat cu 3H sau T). Tritiul, însă, e ceva mai complicat: acesta are un neutron în plus de care trebuie să scape. Cum procedează? Prin intermediul radiației ß (beta), unul din neutronii săi se transformă în proton și emite un electron și niște energie. Ce rezultă din asta? Un cu totul alt element! Mai exact un izotop al heliului (3He), cu doi protoni și un neutron.
Și mai multe numere?
Hai să bem!

Un cub de gheață de apă normală (stânga) și un cub de gheață de apă grea (dreapta), scufundate în apă normală. ©Journal of Chemical Education – Vol. 67Și totuși, apa asta grea cum arată? Cum se comportă? O poți bea? Mpăi, firește există niște diferențe între H2O și D2O, dar nu te gândi că-s extraordinare: H2O îngheață la 0°C, în timp ce D2O îngheață la 3,82°C. Printre altele, pH-ul D2O e 7,43, în timp ce pH-ul H2O e 7 (la 25°C). În dreapta poți vedea cum un cub de gheață din H2O plutește dacă este pus în H2O în stare lichidă, în timp ce un cub de gheață din D2O (deci apă grea) se scufundă, dacă îl pui în apă normală. În rest, arată la fel ca apa ușoară (adică apa normală).
Înainte să închei, să nu uit să menționez că mai sunt câteva tipuri de apă:

  • Apa semigrea (HDO), care doar un atom de deuteriu, celălalt fiind protiu (hidrogen normal);
  • Heavy-Oxygen water, care are doi atomi normali de hidrogen, dar atomul de oxigen este un izotop al oxigenului (atomul normal de oxigen e 16O, adică 8 protoni și 8 neutroni, dar apa asta are izotopii 17O sau 18O. Mini-test: ce au în plus 17O și 18O, față de 16O?);
  • Apa supergrea (T2O), care are doi atomi de tritiu, motiv pentru care este radioactivă.

Poți să o bei? Din câte am prins din discuția asta de pe Quora, răspunsul e…mmmmmmpoate? Nu prea s-au făcut teste cu potabilitatea apei grele, și teoretic ai putea să o bei (pentru că nu este radioactivă ca apa supergrea, adică cea cu tritiu), dar nu foarte multă. Din ce studii s-au făcut (pe ouă de arici de mare), se dovedește că apa grea poate defecta diviziunea celulară (mai multe și aici), așa că dacă nu e foarte mare nevoie, eu zic să nu bei.




SURSA: http://alexdoppelganger.com/apa-cu-greutate/