EKSPERIMENTS ĶĪMIJĀ

 

Akadēmiķa, habilitētā doktora un profesora Jura Zaķa skatījumā

 

Vissenākie ir ķīmiķu (no arābu al-kīmiyā, grieķu chēmia, chēmeia – metālu sakausēšanas māka) eksperimenti (mēģinājumi) ar vielām, tās sajaucot un (parasti) karsējot. Vienkāršoti izsakoties ķīmiķis eksperimentē ar vielām (objekti), kuras noved kontaktā vienu ar otru (ārējie apstākļi), sajaucot, saberžot, izkausējot, izšķīdinot (akcija).un vērojot, kā tās „uzvedas” (reakcija).

Eksperimenta mērķis ir iegūt (sintezēt, izdalīt) vajadzīgo vielu (piemēram, zeltu, citu praktiski izmantojamu materiālu).

Eksperimenta rezultāti:  

–        iegūts vēlamais materiāls,

–        iegūts jauns nozīmīgs materiāls,

–        noskaidrots vai vismaz precizēts turpmāko mēģinājumu virziens.

Pirmo parasti sauc par pozitīvu rezultātu, otro par daļēji pozitīvu, bet trešo par negatīvu. Uzskatot eksperimentu par nezināmā izziņas metodi, jebkurš tā rezultāts faktiski ir nozīmīgs un tāpēc uzskatāms par pozitīvu.

 

Nemainīgos ārējos apstākļos, vielām paliekot savstarpējā kontaktā var iestāties līdzsvars starp jaunu vielu veidošanos un to atgriešanos iepriekšējā stāvoklī (atgriezeniska reakcija). Reakcija ir neatgriezeniska tad, jo kāda no jaunajām vielām (reakcijas produkts) izdalās no sajaukuma, t. i. fiziski nodalās no pārējām (piem., izkrīt nogulsnēs, iztvaiko vai notiek citāda segregācija).

 

Ķīmijā ir ieviests īpašs eksperimenta norises pieraksta veids, ko visai bieži sauc par reakcijas vienādojumu. Piemēram, tas, ka vielu A sajaucot ar vielu B veidojas savienojums AB, tiek pierakstīts šādi:

A+B→AB  (piemēram, Na+Cl→NaCl).

Vienādojuma kreisajā pusē (attiecībā pret bultu) uzrādīti izejvielu veidojošo atomu tipi un relatīvie t. s. atomārie daudzumu. No matemātikas aizgūtā plus zīme norāda uz šo vielu fizisko kontaktu („sajaukumu”), līdzīgi kā matemātikā pieņemot, ka summa nav atkarīga no saskaitāmo (sajaukšanas) „kārtības”. Līdzīgi tiek veidots labās puses pieraksts.

Bulta norāda uz procesa (reakcijas) norisi tikai vienā virzienā. To varētu saukt par laika bultu, kas procesu virza no iesākuma akcijas (reakcijas vienādojuma kreisā puse) uz beigām (reakcijas gala produkti vienādojuma labajā pusē). Ar to ķīmisko reakciju vienādojumi atšķiras no matemātiskajiem vienādojumiem, kuros abas puses „nolīdzina” ar vienādojuma = zīmi. Atšķirībā no ķīmiskās reakcijas vienādojuma, kurā vienādoti tiek tikai atomārie sastāvi, matemātiskais vienādojums ne tikia „vienādo” abu pušu kvantitātes, bet arī to pastāvēšanu vienlaicīgumu. Matemātikā vienādojuma abas puses ir vienlaicīgas, kā dēļ tajos atsevišķus locekļus var, piemēram, pārnest no vienas puses uz otru, ko nevar darīt ķīmisko reakciju vienādojumos. Matemātiskajiem vienādojumiem tuvi ir atgriezenisko ķīmisko reakciju vienādojumi, kuros abas puses parasti savienojam ar divām pretēji vērstām bultām, kuras principā varam aizstāt ar matemātisko vienlīdzības zīmi. Tas tā arī tiek darīts darbīgo masu likumā, ko izmantojam atgriezenisko reakciju līdzsvara koeficienta aprēķināšanai pēc reakcijā iesaistīto produktu masu attiecībām.

 

Ķīmijas mācību grāmatā aprakstītās reakcijas, ja nav norādes uz to norises īpašajiem apstākļiem, notiek t. i. normālajos apstākļos. Par normālajiem sauc apstākļus, kādi valda ķīmijas laboratorijas telpā. To galvenie parametri ir normāla (istabas) temperatūra un normāls gaisa (laboratorijas atmosfēras) spiediens.

Zemākās temperatūrās reakcija kļūst lēnāka līdz beidzot pavisam apstājas (‘iesalst”). Pietiekoši augstās temperatūrās reakcijas rezultātā izveidojušies savienojumi var disociēt, t. i. to molekulas sadalīties daļās vai pat atomos.

Par spiediena lomu ķīmiķi parasti nerunā, jo reti kad eksperimentē pie ļoti zemiem vai ļoti augstiem gaisa (vai citas gāzes, kurā notiek eksperiments, atmosfērā) spiedieniem. Viszemākais jeb nulles spiediens ir vakuumā. Tur eksperimentējot ne tikia ir grūti organizēt akciju izejvielu iespējamās iztvaikošanas dēļ, bet arī grūti novērst reakcijas produktu iztvaikošanu (izklīšanu tukšumā).

Spiediena palielināšana jebkurā gadījumā nozīmē starp atomiem un molekulām esošās brīvās telpas piespiedu samazināšana. Palielinot atmosfēras gaisa spiedienu, gaisā esošo gāzu molekulas sablīvējas, pie ļoti lieliem spiedieniem sasniedzot tādu stāvokli, ka tiek traucēta reakcijas norise telpas, kur tai notikt, trūkuma dēļ. Viegli saprast, ka reakcija notiek tad, ja tajā iesaistītie atomi var mainīt savas pozīcijas, pārvietojoties no agrākajām vietām uz jaunām. Bet, lai kaut kas varētu pārvietoties, ir jābūt tukšai telpai (vietai), uz kuru pārvietoties.

Aplūkosim šādu piemēru. Ķīmiķis ir sintezējis šaujampulveri un konstatē, ka uzsildot tajā notiek reakcijas ar milzīgu ātrumu, ko saucam par sprādzienu. Šī sprādziena rezultātā veidojas vielas, kas normālajos apstākļos vēlas ieņemt daudz lielāku tilpumu. Sprādzienam notiekot telpā ar normālu spiedienu, šie produkti vairākkārt palielina tajā esošo spiedienu, kas parasti noved pie šīs telpas sienu izārdīšanas, kas šaujamierocī noved pie lodes izšaušanas no stobra. Uzdosim mūsu ķīmiķim ieslēgt šaujampulveri kapsulā ar ļoti biezām (izturīgām) metāla sienām, tik biezām, ka sprādziena reakcijas produkti nespēs tās saārdīt un izkļūt no kapsulas. Ar automašīnas aizdedzes svecei līdzīgu ierīci aizdedzināsim šaujampulveri.

Kas notiks kapsulā? Vai notiks tāda pati pulvera uzsprāgšanas reakcija, kāda tā bija laboratorijas gaisā vai patronā, no kuras, izšaujot lodi, reakcijas produkti varēja izplūst atmosfērā izmantojot tajā esošo brīvo tilpumu starp gaisa molekulām normālā spiediena apstākļos? Padomājiet! Vai neiestāsies līdzsvars starp sprādziena reakciju un lielā spiediena dēļ radušos nepieciešamību vismaz daļai produktu atgriezties sākotnējā stāvoklī?

Ja piemērs ar šaujampulveri nešķiet pietiekoši uzskatāms un pārliecinošs, iesaku izdarīt citu eksperimentu. Ir zināms, ka dažādām vielām šķīstot vienai otrā šķīduma tilpums var būt kā lielāks, tā arī mazāks par izejvielu kopējo tilpumu pirms izšķīšanas. (Ja neticiet, pārbaudiet šķīdinot, piemēram, ūdenī cukuru, sāli spirtu vai ko citu!). Sameklējiet to pāri, kuru šķīšanā tilpums palielinās. Iepildiet to traukā līdz malām un trauku blīvi noslēdziet. Pavērojiet, vai šķīšana notiks tāpat, kā tā notika nenoslēgtā traukā? Ja nu tā notiks, tad jums draud briesmas, ka trauks, lielā spiediena dēļ, var uzsprāgt. Ja nu trauks būs pietiekoši izturīgs, šķīšana vienkārši nenotiks.

Variet arī normālajos apstākļos izgatavot šķīdumu, to ieliet cilindrā un ar virzuli spēcīgi saspiest. Ja cilindrs būs caurspīdīgs, jūs pamanīsiet, ka izšķīdusī viela izdalīsies no šķidruma nogulšņu veidā tā ļaujot vielu aizņemtajam tilpumam samazināties.

 

Piezīmes.

1. Ķīmisko reakciju vienādojumos lietotajiem vielu atomārā sastāva apzīmējumiem (piem., NaCl) ir īpaša jēga. Ķīmijas vēsturē atrodams apraksts par it kā notikušu strīdu starp Daltonu un Bertolē. Daltons apgalvoja, ka vārāmās sāls (NaCl) sastāvs nav atkarīgs no tā, kurās sāls raktuvēs tā iegūta. Bertolē teica, ka no dažādām vietām nākusī vārāmā sāls tomēr ir, kaut nedaudz, atšķirīga. Mūsdienu ķīmija uzskata, ka pieraksts NaCl izsaka pilnīgu neatkarību no „izcelsmes” vai citāda veida vēstures (atomiem nav vēstures!). Tāpat mēs uztveram pierakstu H2O (ūdens molekula), kaut arī daudz ir dzirdēts par lietus, sniega un ledus kušanas, magnetizētā u. c. „veida” ūdeņu atšķirībām.

Vai te nav līdzība ar daudzumiem un skaitļiem matemātikā? Skaits (daudzums), ko apzīmējam ar skaitli 4, taču „nezina”, kā cēlies: 2+2=4, 7 3=4, 1+1+1+1=4 vai citā veidā! Vai tā ir vai nav ar skolēnu skaitu klasē?

2. Vielu ātrāka vai lēnāka sajaukšanās (piem., difūzijas dēļ) normālajos apstākļos ir dabisks, t. i. pats no sevis notiekošs process. Tas nozīmē, ka no pasaules izveidošanās līdz mūsdienām visām ķīmiskajām reakcijām bija laiks izbeigties minētā neatgriezeniskuma vai līdzsvara iestāšanās dēļ. Tam pašam vajadzēja notikt arī visā Visumā, tajā iestājoties tam, ko varētu nosaukt par „Visuma ķīmisko nāvi”, t. i . kaut ko līdzīgu „Visuma siltuma nāvei” (par to atrodamas ziņas apcerējumos par zinātņu vēsturi). Kāpēc tas nav noticis? Kur ķīmiķi ņem vielas, kas vēl nav „izreaģējušas” un gaida, kad ķīmiķi tām dos šo iespēju (akcija)? Kas notiks, kad šo vielu krājumi izbeigsies?