Головний парадокс хімічної освіти

 

Головний парадокс хімічної освіти: поки більшість наук будують будинок знизу вгору, лише хімія змушує вивчати дах (реакції, колір розчинів, осад), не пояснюючи як працює фундамент.

В фізиці можеш побачити, як котиться кулька, в біології побачити клітину в мікроскоп. В хімії ми працюємо з макрорівнем, тоді як причини всього, що відбувається, лежать на субатомному рівні.

Вчителька в школі каже: Натрій активний, бо він у першій групі. Це просто класифікація, це не пояснення.

Натрій активний через специфічну кривизну потенціальної ями та електронну кореляцію. Щоб таке зрозуміти, треба знати диференціальні рівняння. Оскільки школярі їх не знають, хімію перетворюють на книгу рецептів та набір абстрактних правил.

Якщо почати докопувати до основ хімії, то з'ясовується, що цеглинки хімії не кульки-атоми, а хвильові функції. Справжня хімія на фундаментальному рівні це рівняння Шредінгера для багатоелектронних систем.

Ці рівняння неможливо розв'язати точно ні для чого складнішого за Гідроген. Починається територія квантової хімії, де замість реальних об'єктів оперують ймовірностями, інтегралами перекривання та релятивістськими ефектами.

99% людей зупиняються на рівні Макро, 0.1% доходять до Мікро, і лише 0.0001% до квантового фундаменту.

При невеликому заглибленні до цеглинок хімія зникає і перетворюється на чисту фізику та математику.

Щоб зрозуміти, чому Фтор такий електронегативний на рівні цеглинок, не допоможе знати Періодичну таблицю (ту яку росіяни звуть Менделєєва). Треба розуміти принцип Паулі (чому електрони не падають на один рівень). Теорію функціонала щільності DFT (як розрахувати енергію системи). Ефекти екранування та проникнення (як саме s-електрони відчувають ядро краще за p-електрони).

Хімія наука про емерджентні властивості. Мільярди атомів збираються разом і створюють якусь нову якість: колір, плинність, вибуховість, яку майже неможливо передбачити, просто дивлячись на рівняння Шредінгера.

Хіміки користуються укрупненими абстракціями: електронегативність або кислотність. Це робочі інструменти, які дозволяють створювати ліки та нові матеріали, не занурюючись в математичне пекло цеглинок світобудови.

Хімія це як керування автомобілем.

Щоб доїхати з А в Б не обов'язково знати чи можна твою дизельну Теслу переобладнати на ГБО.

Лавуазьє запропонував абстракцію: елемент. Речовина, яку неможливо розкласти на простіші компоненти хімічним шляхом. Це була перша спроба створити алфавіт Всесвіту,

Франкленд та Кекуле придумали абстракцію валентності. Спроба пояснити, чому одні атоми дружать з одними, але ігнорують інших. Хіміки уявили в атомів певну кількість рук/гачків, якими вони чіпляються один за одного. Це чиста абстракція, яка пізніше трансформувалася в поняття хімічного зв’язку.

Авогадро ввів абстракцію числа-гіганта: моль. Це місток між мікросвітом (де діють сили Кулона) та макросвітом (де діють грами та літри).

Кекуле придумав ароматичність. Коли йому наснилася змія, що кусає себе за хвіст, він придумав структуру бензольного кільця. Концепція ароматичності це опис особливої стабільності деяких сполук. На квантовому рівні це звучить апокаліптично: "делокалізація електронів". Для хіміка-органіка це просто магічне коло всередині шестикутника.

Полінг розвинув ідею електронегативності. Це шкала жадібності. Полінг призначив числа від 0.7 до 4.0 різним атомам, щоб передбачити, куди зміститься електронна густина. Це не фізична величина, яку можна виміряти приладом в атомі, а відносна математична модель.

Полінг розвинув ідею гібридизації орбіталей. Натягнув сову на глобус, але користь такого глобуса величезна. В реальності s та p орбіталі це різні математичні функції. Щоб пояснити, чому метан CH4 має форму правильної піраміди, вирішили: А давайте вдамо, що вони змішуються і стають однаковими sp3-орбіталями. Квантові фізики довго сміялися, але модель працює ідеально для прогнозування форми молекул. Дизельна Тесла їде з пункта А в пункт Б після переобладнання на ГБО.

Арреніус, Бренстед, Льюїс довго переробляли ідею кислотності та pH. Міняли абстракцію тричі. Спочатку це було те, що кисле на смак. Потім те, що дає протон H+. Льюїс запропонував найвищий рівень абстракції: кислота це порожня кишеня / акцептор електронної пари. pH придумали математики як логарифмічна абстракція, щоб не писати зайві нулі після коми.

Арреніус придумав енергії активації. Це концепція енергетичного бар’єру. Ми уявляємо реакцію як подорож через гору. Щоб з А отримати Б, треба спочатку штовхнути систему вгору. Ця абстракція дозволяє розуміти, чому папір не загоряється сам по собі на повітрі, хоча це енергетично вигідно.

Коли жодна з класичних формул не може описати реальну молекулу, хіміки кажуть: Це резонанс між кількома структурами. Молекула не перескакує з одного стану в інший. Вона є чимось середнім. Наш мозок не може намалювати це одним малюнком, тому ми малюємо кілька штук і ставимо між ними стрілки.

Періодична таблиця теж гігантська абстракція. Це спроба впорядкувати хаос за допомогою ритму та повторень.

Ентропія Людвіга Больцмана найстрашніша абстракція студентів. Больцман запропонував математичний спосіб виміряти хаос. У хімії ентропія пояснює, чому реакції взагалі відбуваються: всесвіт хоче розсіяти енергію та перемішати частинки. Коли розчиняєш цукор у чаї, ентропія зростає, і саме цей потяг до безладу змушує кристали розпадатися. Звучить науково?

Джозая Віллард Гіббс об’єднав ентальпію (тепло) та ентропію (хаос) в одну магічну величину G = Вільна енергія Гіббса.

G це хімічний потенціал, який показує, чи піде реакція сама по собі. Якщо G < 0, реакція відбудеться. Це як камінь, що котиться з гори. Гіббс видумав спосіб вирахувати, де у хімії низ, а де верх.

Концепція того, що світло це і хвиля, і частка (фотон), дозволила створити спектроскопію. Ми уявляємо, що молекула танцює (вібрує або обертається) лише на певних частотах. Поглинання фотона це перехід з одного поверху енергії на інший.

Ганс Бете та Джон Ван Флек вигадали концепцію кристалічного поля. Коли Марганець чи Хром утворюють складні сполуки, їхні d-орбіталі, які раніше були однаковими, раптом розщеплюються на різні енергетичні рівні. Ця абстракція пояснює, чому розчини солей металів кольорові. Наприклад, чому марганцівка фіолетова, а мідний купорос блакитний. Це просто електрони, що стрибають між розщепленими рівнями. Ларчик відкривався просто!

Гідрофобність та гідрофільність це абстракції любові та ненависті до води. Гідрофобність це не якась особлива сила відштовхування. Це ефект, коли молекули води настільки сильно хочуть бути разом через водневі зв'язки, що буквально виштовхують чужинців (жири, олії) зі свого середовища. На цій абстракції тримається вся біологія клітинних мембран.

Генрі Ейрінг вигадав Перехідний стан та Активований комплекс. Ми не можемо побачити момент, коли старі зв’язки вже розірвалися, а нові ще не виникли. Це триває лише фемтосекунди. Ейрінг придумав абстракцію перехідного стану: такий собі хімічний привид, де атоми застигли в найбільш нестійкій конфігурації. Це дозволяє хімікам малювати графіки енергії та розраховувати швидкість реакцій.

Джордж Уленбек та Семюел Гаудсміт придумали найбільш зубодробильну концепцію: спін електрона. Це одна з найбільш абстрактних речей. Електрон не обертається навколо своєї осі, як дзиґа (це фізично неможливо для точкової частки), але він поводиться так, ніби він обертається. Це "ніби-то" (магнітний момент) дозволяє пояснити, чому в одній комірці може бути лише два електрони і чому існують магніти.

Гіббсу було мало і він вигадав Хімічний потенціал. Тиск, який змушує речовину переміщатися або перетворюватися. Це як рівень води в сполучених посудинах. Речовина завжди прагне перейти з місця, де її хімічний потенціал високий, туди, де він низький. Це пояснює все: від дифузії парфумів у повітрі до того, чому працюють батарейки.

Латимер і Родебуш вигадали водневий зв'язок. Це фейсбук для молекул. Це не повноцінний хімічний зв'язок бо обміну електронами майже немає. Це сильне електростатичне притягання. Без цієї абстракції ми б не зрозуміли, чому вода рідка, а не газ, як H2S. Чому ДНК тримається купи, але легко розстібається для копіювання.

Маллікен і Хунд вигадали метод МО ЛКАО (Молекулярних Орбіталей як Лінійної Комбінації Атомних Орбіталей). Ми вдаємо, що коли атоми зближуються, їхні індивідуальні електронні хмари забувають про свої ядра і зливаються в спільні орбіталі на всю молекулу. Це дозволяє пояснити, чому кисень O2 притягується магнітом (парамагнетизм). Класична валентність цього пояснити не може.

Ступінь окиснення це взагалі інвентарний бухоблік електронів. Ми припускаємо, що всі зв'язки в молекулі іонні, і всі електрони належать сильнішому (більш електронегативному) атому. Це часто не відповідає реальності (зв'язки можуть бути ковалентними), але це інструмент для балансування складних реакцій.

Гульдберг і Вааге придумали хімічна рівновагу. Ідея про те, що реакція ніколи не закінчується. Коли нам здається, що в склянці нічого не відбувається, насправді мільярди молекул перетворюються на продукт, а мільярди інших одночасно розпадаються назад. Рівновага це стан бігу на місці.

Альфред Вернер вигадав координаційне число. Це концепція оточення центрального атома. Вернер припустив, що метали мають головну та побічну валентність. Це дозволило зрозуміти структуру комплексних сполук (гемоглобін у крові), де залізо тримає навколо себе 6 сусідів, хоча його валентність 2 або 3.

Ральф Пірсон вигадав теорію м’яких і жорстких кислот та основ (HSAB). Подібне до подібного. Пірсон розділив частинки на жорсткі (маленькі, міцно тримають електрони) та м’які (великі, легко деформуються). Жорсткі люблять жорстких, м’які м’яких. Це пояснює, чому одні токсини (ртуть) миттєво отруюють організм, вибираючи саме м’які сірчані групи в наших білках.

Інгольд вигадав Мезомерний та індуктивний ефект. Абстракція електронного перетягування канату. Індуктивний ефект: електрони зміщуються по ланцюжку зв'язків. Мезомерний ефект: електрони перестрибують через подвійні зв'язки. Це дозволило органікам передбачити, в яке саме місце молекули вдарить реагент, просто дивлячись на формулу на папері.

Хіміки-шовіністи розділили світ на нуклеофіли та електрофіли:

багатих та бідних на електрони. Любитель ядер має зайві електрони і шукає, кому б їх дати. Електрофіл має дефіцит і шукає, де б їх вкрасти. Вся органічна хімія це історія того, як нуклеофіл атакує електрофіла.

Автопротоліз (самоіонізація) ідея про те, що чисті речовини їдять самі себе. Навіть у абсолютно чистій воді одна молекула H2O завжди забирає протон у іншої, утворюючи H3O+ та OH-. Ця крихітна частка саморуйнування води є основою всього поняття кислотності та pH.

Хіміки це люди, які взяли неймовірно складну математику Всесвіту і переклали її на мову ТікТок та Інстаграм:

* стрілочки (рух електронів).

* кульки та палички (молекули).

* енергетичні ями (стабільність).

Якби вони не придумали ці абстракції, далі б сиділи над рівнянням для одного атома Гелію, намагаючись зрозуміти, куди там летить той Шредінговий електрон.

Кожна з цих абстракцій окремий інструмент у швейцарському ножику. Щоб зрозуміти, як працює фотосинтез, знадобиться:

* фотон / абстракція світла.

* перенос електрона / абстракція ОВР

* координаційне число для магнію в хлорофілі.

* вільна енергія щоб зрозуміти, звідки береться сила будувати глюкозу.

Хімія не вивчення цеглинок, а вивчення правил гри між ними, які ми самі ж і сформулювали, щоб не збожеволіти від складності природи.

https://tinyurl.com/ms7fuwe7