elgavrilis's blog

Το πρώτο μέρος του 20^ου αιώνα προκάλεσε αλλαγές οι οποίες έφεραν επανάσταση στον τρόπο με τον οποίο θεωρούμε τη φυσική πραγματικότητα, ειδικά στη σφαίρα του ατόμου. Πριν απ’ αυτό, πριν δηλαδή το ξέσπασμα της κβαντικής επανάστασης, όλες οι περιγραφές της συμπεριφοράς της ύλης ήταν ντετερμινιστικές – μια ορισμένη υπάρχουσα ομάδα συνθηκών καθόριζε πλήρως τη μελλοντική συμπεριφορά. Η κβαντομηχανική το άλλαξε αυτό! Αυτή η νέα θεωρία πρότεινε ότι για τα υποατομικά σωματίδια – ηλεκτρόνια, νετρόνια και πρωτόνια – το παρόν ΔΕΝ καθορίζει πλήρως το μέλλον. Για παράδειγμα αν ρίξουμε ένα ηλεκτρόνιο σε μία διαδρομή και υπολογίσουμε που προσγειώνεται, ένα δεύτερο ηλεκτρόνιο που θα ριχτεί ακολουθώντας την ίδια διαδρομή και υπό τις ίδιες συνθήκες, πιθανότατα θα προσγειωθεί σε διαφορετικό μέρος!

Η κβαντομηχανική θεωρία αναπτύχτηκε από διάφορους ασυνήθιστα προικισμένους επιστήμονες όπως οι Albert Einstein, Niels Bohr, Louis de Broglie, Max Plank, Werner Heisemberg, Paul Dirac και Erwin Schrondinger. Αυτοί οι επιστήμονες δεν ένοιωθαν ιδιαίτερα άνετα με τη θεωρία τους. Ο Bohr είπε: “Όποιος δεν εκπλήσσεται από την κβαντομηχανική θεωρία δεν την έχει καταλάβει”. Ο Schrondinger έγραψε: “Δεν μου αρέσει, και λυπάμαι που είχα κάποια σχέση με αυτήν”. Ο Albert Einstein ήταν δύσπιστος για την ίδια τη θεωρία που ο ίδιος βοήθησε να δημιουργηθεί, δηλώνοντας: “Ο Θεός δεν παίζει ζάρια με το σύμπαν”. Στην πραγματικότητα ο Einstein προσπαθούσε να απορρίψει την Κβαντομηχανική – χωρίς επιτυχία – μέχρι το τέλος της ζωής του. Ωστόσο, η κβαντομηχανική κατάφερε να εξηγήσει θεμελιώδεις παρατηρήσεις, συμπεριλαμβανομένης της ίδιας της σταθερότητας των ατόμων, η οποία δεν μπορούσε να γίνει κατανοητή μέσα στο πλαίσιο της κλασσικής φυσικής. Σήμερα η κβαντομηχανική αποτελεί το θεμέλιο της Χημείας – εξηγώντας δια παράδειγμα τον περιοδικό πίνακα και τη συμπεριφορά των στοιχείων στους χημικούς δεσμούς – καθώς επίσης παρέχοντας την πρακτική βάση για τα Laser, τους υπολογιστές και αναρίθμητες άλλες εφαρμογές.

Στην καθημερινή ζωή η έννοια του μικρού είναι κάτι σχετικό. Κάτι είναι μικρό σε σύγκριση με κάτι άλλο. Ένα αυτοκίνητο είναι μικρότερο από ένα σπίτι, και ένας άνθρωπος είναι μικρότερος από ένα αυτοκίνητο. Αλλά η μικρότητα έχει όρια. Για παράδειγμα, ένα σπίτι δεν μπορεί να είναι μικρότερο από τα τούβλα με τα οποία φτιάχνεται. Τα άτομα και τα σωματίδια που τα απαρτίζουν. Όπως είναι γνωστό τα ηλεκτρόνια είναι αφάνταστα μικρά – έχουν μάζα 9,1 x 10^-28 g, μικρότερη δηλαδή από το ένα τρισεκατομμυριοστό του τρισεκατομμυριοστού του γραμμαρίου – και διαστάσεις (μέγεθος) τόσο μικρές που δεν μπορούν να μετρηθούν. Ένας μοναδικός κόκκος σκόνης περιέχει περισσότερα ηλεκτρόνια από τον αριθμό ατόμων που έχουν υπάρξει στη Γη μέχρι σήμερα. Τα ηλεκτρόνια είναι μικρά με την απόλυτη σημασία της λέξης. Ανήκουν στα πιο μικρά σωματίδια που απαρτίζουν την ύλη. Κι’ επιπλέον τα ηλεκτρόνια ενός ατόμου καθορίζουν πολλές από τις Χημικές και φυσικές του ιδιότητες. Για να γίνουν κατανοητές αυτές οι ιδιότητες πρέπει να προσπαθήσει κάποιος να κατανοήσει τη φύση των ηλεκτρονίων.

Η απόλυτη μικρότητα των ηλεκτρονίων, καθιστά πρόκληση την κατανόησή τους μέσω της παρατήρησης. Ας εξετάσουμε τις διαφορές στην παρατήρηση ανάμεσα σε ένα μπαλάκι του τένις και σε ένα ηλεκτρόνιο. Μπορούμε να υπολογίζουμε τη θέση μιας μπάλας του τένις παρατηρώντας το φως που πέφτει πάνω στη μπάλα, ανακλάται και εισέρχεται στο μάτι μας. Το μπαλάκι του τένις είναι πολύ μεγάλο σε σχέση με τη διαταραχή που προκαλείται από το φως, οπότε στη ουσία δεν επηρεάζεται από την παρατήρηση. Αντίθετα, αν φανταστούμε ότι παρατηρούμε τη θέση ενός ηλεκτρονίου, τότε η αλληλεπίδραση του φωτός με το ηλεκτρόνιο, στην πραγματικότητα αλλάζει τη θέση του, το οποίο είναι αυτό που κυρίως προσπαθούμε να μετρήσουμε.

Η ανικανότητα παρατήρησης των ηλεκτρονίων χωρίς αυτά να διαταραχθούν έχει σημαντικές επιπλοκές. Σημαίνει ότι όταν παρατηρούμε ένα ηλεκτρόνιο, αυτό συμπεριφέρεται διαφορετικά απ’ ότι όταν δεν το παρατηρούμε. Η πράξη της παρατήρησης μεταβάλλει αυτό που ένα ηλεκτρόνιο πράττει. Σημαίνει ότι οι γνώσεις μας σχετικά με τη συμπεριφορά του ηλεκτρονίου έχουν όρια. Σημαίνει ότι ο απόλυτα μικρός κόσμος του ηλεκτρονίου (ο μικρόκοσμος) είναι διαφορετικός από τον μεγάλο κόσμο (μακρόκοσμο) στον οποίο είμαστε συνηθισμένοι. Επομένως πρέπει βλέπουμε (να “θεωρούμε”) τα υποατομικά σωματίδια με διαφορετικό τρόπο απ’ ότι τον καθημερινό μακροσκοπικό κόσμο.

Τα ηλεκτρόνια – τα υποατομικά σωματίδια γενικότερα – έχουν μια κυματική φύση, με ένα σχετιζόμενο μήκος κύματος που υπολογίζεται μέσω της σχέσης De Broglie  λ = h/p = h/mv. Η κυματική και η σωματιδιακή φύση της ύλης είναι συμπληρωματικές, το οποίο σημαίνει ότι όσα περισσότερα γνωρίζουμε για το ένα, τόσο λιγότερα γνωρίζουμε για το άλλο. Ο κυματο-σωματιδιακός δυϊσμός των ηλεκτρονίων ποσοτικοποιείται με την αρχή της αβεβαιότητας του Heisenberg  (Δx. Δp ≥ h/4π), η οποία δηλώνει ότι υπάρχει ένα όριο στο πόσο καλά μπορούμε να γνωρίζουμε τη θέση ενός ηλεκτρονίου (που σχετίζεται με τη σωματιδιακή φύση) και την ταχύτητα επί τη μάζα ενός ηλεκτρονίου (που σχετίζεται με την κυματική φύση. Με όσο μεγαλύτερη ακρίβεια υπολογίζεται το ένα, τόσο πιο αβέβαιο είναι το άλλο. Το να μη μπορούμε να γνωρίζουμε ταυτόχρονα τη θέση και την ταχύτητα ενός ηλεκτρονίου, οδηγεί σε απροσδιοριστία την ανικανότητα πρόβλεψης της τροχιάς του. Συνεπώς η συμπεριφορά των ηλεκτρονίων περιγράφεται διαφορετικά από τη συμπεριφορά των σωματιδίων της καθημερινής ζωής. Η τροχιά που συνήθως σχετίζουμε με τα μακροσκοπικά αντικείμενα αντικαθίσταται, στην περίπτωση των ηλεκτρονίων, με στατιστικές περιγραφές που δείχνουν, όχι τη διαδρομή ενός ηλεκτρονίου, αλλά την περιοχή όπου είναι πιθανότερο να βρίσκεται.

Κατά τον δέκατο έβδομο αιώνα έγιναν σημαντικές πρόοδοι με τη μελέτη του φαινομένου της καύσης και τη διατύπωση της θεωρίας του “φλογιστού” από τον Georg Ernst Stahl (1660-1734). Κατά τη θεωρία αυτή, η καύση ενός σώματος είναι απώλεια φλογιστού από το σώμα. Οι εργασίες του Antoine Laurent Lavoisier (1743-1794) έδειξαν ότι, αντίθετα με τη θεωρία του φλογιστού, η καύση είναι ένωση με οξυγόνο, στοιχείο που είχε τότε πρόσφατα ανακαλυφθεί ταυτόχρονα από τους Karl Wilhelm Scheele (1742-1786) και Joseph Priestley (1733-1804). Σήμερα η έννοια του φλογιστού δεν μας φαίνεται και τόσο παράλογη αφού με τον όρο “καύση” εννοούμε την απώλεια ηλεκτρονίων και βλέπουμε το οξυγόνο απλά σαν μια “καταβόθρα ηλεκτρονίων” (electron sink). Ακόμα σήμερα μιλάμε για “καύση” ουσιών σε μια ατμόσφαιρα χλωρίου ή φθορίου. Όμως οι εργασίες του Lavoisier ήταν βέβαια σημαντικές γιατί έδωσαν μια πολύ μεγαλύτερη κατανόηση του φαινομένου της καύσης, με το να συνδέσουν το φαινόμενο αυτό με ένα συγκεκριμένο χημικό στοιχείο και όχι σε μια γενική αρχή όπως ήταν η έννοια του φλογιστού. Επίσης οι εργασίες του Lavoisier έβαλαν σε σωστή πειραματική βάση την αρχή της διατήρησης της ύλης.

O δέκατος ένατος (19^ος) αιώνας είναι γεμάτος από ανακαλύψεις στην περιοχή της Χημείας, και είναι ο αιώνας κατά τον οποίον η επιστήμη αυτή αναγνωρίστηκε σαν ένας αυτοτελής κλάδος της γνώσης. Είναι σημαντικό ότι ο Γερμανός φιλόσοφος Immanuel Kant (1724-1804) δεν περιέλαβε τη Χημεία σε έναν δικό του κατάλογο των φυσικών επιστημών. Ο λόγος γι’ αυτό ήταν όπως εξηγεί ο ίδιος, ότι η Χημεία δεν ήταν αρκετά μαθηματικοποιημένη (Russell, 1948). Κατά τον 18^o αιώνα είδαν το φως ο νόμος των απλών αναλογιών του Joseph Louis Proust (1754-1826) καθώς και η ατομική θεωρία του John Dalton (1766-1844).

Είναι σημαντικό ότι προτού διατυπωθεί η έννοια του γραμμομορίου (mole), ήταν γνωστή η έννοια του γαμμοϊσοδυνάμου. Ο προσδιορισμός του μοριακού βάρους (και από αυτό του χημικού τύπου) μιας ένωσης δεν ήταν δυνατόν να γίνει με τις γνώσεις της εποχής. Έτσι οι επιστήμονες της εποχής είχαν διατυπώσει 19 διαφορετικούς τύπους για το οξικό οξύ και μόνο (Henry Leicester 1970 -Συνοπτική Ιστορία της Χημείας). Η αλλαγή ήρθε με την εφαρμογή της αρχής του Amedeo Avogadro (1776-1856), σύμφωνα με την οποία ίσοι όγκοι αερίων υπό την ίδια πίεση και θερμοκρασία περιέχουν τον ίδιο αριθμό μορίων. Ο Avogadro είχε διατυπώσει την αρχή του ήδη από το 1811, χωρίς καμιά απήχηση στο επιστημονικό κοινό της εποχής του. Όμως στο πρώτο διεθνές συνέδριο Χημείας στην πόλη Carlsruhe της Γερμανίας το 1860, ο Stanislao Cannizzaro (1826-1910) εξήγησε πως, με την εφαρμογή της αρχής του Avogadro, μπορεί να προσδιοριστεί το μοριακό βάρος μιας ουσίας εάν αυτή βρίσκεται στην αέρια κατάσταση. Μπορεί να πει κανείς ότι, για τον λόγο αυτόν, το έτος 1860 αποτελεί το ορόσημο της αρχής της σύγχρονης περιόδου της Χημείας.

Πρέπει επίσης να αναφερθεί ότι, κατά τον 19^ο αιώνα, μπήκαν οι βάσεις της μελέτης των ενεργειακών μεταβολών κατά την πραγματοποίηση των χημικών αντιδράσεων, με τις μνημειώδεις συμβολές στον τομέα αυτόν των Nicholas Carnot (1796-1832), R.J. Clausius (1822-1889), Julius Robert Meyer (1814-1878), James Prescott Joule (1818-1889) και Joshiah Willard Gibbs (1839-1903). Ο N. Carnot διετύπωσε την αρχή (κύκλος Carnot) που αργότερα διαμορφώθηκε στο δεύτερο νόμο της θερμοδυναμικής, με τη σχέση της μέγιστης δυνατής απόδοσης, e (efficiency) μιας ατμομηχανής και της (απόλυτης) θερμοκρασίας του περιβάλλοντος της μηχανής Τ₁  και αυτής του λέβητα Τ₂.

e = (Τ₂ – Τ₁)/Τ₂  

Από την παραπάνω εξίσωση βλέπουμε ότι είναι αδύνατον μια ατμομηχανή να μετατρέψει σε έργο όλη τη θερμική μεταβολή του συστήματος, εκτός εάν η θερμοκρασία του περιβάλλοντος είναι αυτή του απολύτου μηδενός, πράγμα που είναι ανέφικτό.

Την ίδια εποχή διατυπώθηκε η έννοια του σθένους των χημικών στοιχείων, έννοια της οποίας η ανάγκη για την ύπαρξη είχε ήδη υποδηλωθεί μισό αιώνα πριν με την ύπαρξη του νόμου των απλών αναλογιών. Το 1852 ο Άγγλος χημικός Edward Frankland (1825-1899) έκανε την υπόδειξη ότι η θετική ή η αρνητική “δύναμη” των ατόμων, για την οποία δύναμη είχε μιλήσει ο Jons Jacob Berzelious (1779-1848) ήταν διαφορετική για διάφορα είδη στοιχείων. Ο Frankland χρησιμοποίησε τη λατινική λέξη valence, που σημαίνει “αυτό που είναι ισχυρό” (από το ρήμα valere, που σημαίνει “υγιαίνω, ισχύω”) για να ονομάσει τη σχετική δύναμη των στοιχείων για ένωση με άλλα στοιχεία. Σαν πρότυπο στοιχείο επελέγη το υδρογόνο, το σθένος (valence) του οποίου χρησίμευε για τον ορισμό της μονάδας του σθένους. Έτσι, στο χλώριο αποδόθηκε επίσης σθένος ίσο με ένα, ενώ στο οξυγόνο ίσο με δύο και στο αργίλιο ίσο με τρία (από τις ενώσεις HCl, H₂O και AlCl₃).

Το επόμενο βήμα για την διασαφήνιση της έννοιας του σθένους έγινε από τους Αμερικανούς Gilbert Newton Lewis (1875-1946), Irving Langmuir (1881-1957), και από το Γερμανό Walther Kossel (1888-1956). Οι ερευνητές αυτοί, παράλληλα και ανεξάρτητα, πρότειναν (το 1913 ο Langmuir και το 1916 οι Lewis και Kossel) την “ηλεκτρονιακή θεωρία του σθένους”. Σύμφωνα με τη θεωρία αυτή τα άτομα έχουν την τάση να χάνουν ή να προσλαμβάνουν ηλεκτρόνια έτσι ώστε να διατηρούν μία “οκτάδα” ηλεκτρονίων στην εξωτερική τους στοιβάδα. Τα στοιχεία που χάνουν ηλεκτρόνια είναι τα μεταλλικά, ενώ αυτά που προσλαμβάνουν ηλεκτρόνια είναι αμέταλλα. Τα άτομα που στη βασική τους κατάσταση έχουν οκτώ ηλεκτρόνια στην εξωτερική τους στοιβάδα (καθώς και το ήλιο που έχει δύο ηλεκτρόνια) ανήκουν στα ευγενή στοιχεία (ευγενή αέρια).

Η πρόοδος της Χημείας κατά τους 19^ο και τον 20^ο αιώνες, ήταν και εξακολουθεί να είναι πάρα πολύ ταχεία. Με την έννοια των μεγάλων οροσήμων, πρέπει να αναφερθούν: η ανακάλυψη της στερεοϊσομέρειας από τον Louis Pasteur (1822-1895), η εφαρμογή μεθόδων κινητικής ανάλυσης σε χημικές αντιδράσεις από τον L. F. Wilhelmy (1812-1864), η διατύπωση της έννοιας της χημικής ισορροπίας από τους Pierre Eugene Berthelot (1827-1907) και Leon Pean Saint-Gilies (1832-1863), τους Cato Maximilian Guldberg (1836-1902) και Peter Waage (1833-1900), καθώς και οι μελέτες του Jacobus Henricus Van’t Hoff (1852-1911) του Josiah Willard Gibbs (1839-1903) του Svante August Arrhenius (1859-1927), του Friedrich Wilhelm Ostwald (1853-1932), και του Henri Le Chatelier (1850-1936) μελέτες που δημιούργησαν την επιστήμη της Φυσικοχημείας. Το όνομα επίσης που πρέπει να αναφερθεί από τους επιστήμονες του 19^ου αιώνα είναι αυτό του Emil Herman Fischer (1852-1919). Οι εργασίες του Emil Fischer πάνω στη δομή των σακχάρων, καθώς και στη δομή των πουρινών, άνοιξαν το δρόμο για την ανάπτυξη της Βιοχημείας στον εικοστό αιώνα.

Μια ανακάλυψη κλειδί έγινε από τους Hans Buchner και Edward Buchner το 1897 σχεδόν τυχαία. Οι Buchner ενδιαφέρονταν να παρασκευάσουν εκχυλίσματα ζύμης ελεύθερα κυττάρων για πιθανές θεραπευτικές χρήσεις. Αυτά τα εκχυλίσματα έπρεπε να συντηρηθούν χωρίς την προσθήκη αντισηπτικών όπως η φαινόλη, και έτσι αποφάσισαν να προσθέσουν σακχαρόζη, ένα κοινό συντηρητικό στην καθημερινή χημική πρακτική. Το αποτέλεσμα ήταν μια έκπληξη: Η σακχαρόζη μετά από γρήγορη ζύμωση μετατράπηκε σε αλκοόλη από το εκχύλισμα της ζύμης. Η σημασία της ανακάλυψης ήταν κεφαλαιώδης. Οι Buchner κατέδειξαν για πρώτη φορά ότι η ζύμωση είναι δυνατόν να λάβει χώρα έξω από ζωντανά κύτταρα. Η κυρίαρχη ιδέα εκείνης της εποχής που είχε επιβεβαιωθεί και από τον Pasteur το 1860, ήθελε τη ζύμωση αναπόσπαστα συνδεδεμένη με ζωντανά κύτταρα. Η τυχαία ανακάλυψη των Buchner κατέρριψε αυτό το βιταλιστικό δόγμα και άνοιξε την πόρτα στη σύγχρονη Βιοχημεία. Ο μεταβολισμός έγινε Χημεία!

Επομένως η Βιοχημεία σαν μια ανεξάρτητη επιστήμη, μπορεί να πει κανείς ότι άρχισε με τις εργασίες των Hans & Edward Buchner (1860-1917) πάνω στην αλκοολική ζύμωση από λειοτριβημένα και διηθημένα κύτταρα της ζυθοζύμης. Το σύστημα αυτό, το οποίο δεν περιείχε πλέον ακέραια κύτταρα του μύκητα της αλκοολικής ζύμωσης, μπορούσε παρ’ όλα αυτά να επιτελέσει τη ζύμωση αυτή. Η ανακάλυψη αυτή έδειξε ότι οι χημικές διεργασίες που επιτελούνται μέσα στα ζωντανά κύτταρα, μπορούν να πραγματοποιηθούν και χωρίς αυτά, και κατά συνέπεια δεν είναι απαραίτητη η επίκληση μιας ιδιαίτερης “ζωτικής δύναμης” (vis vitalis) για την κατανόηση των χημικών μεταβολών που είναι συνδεδεμένες με το φαινόμενο της ζωής.

Το σύστημα των λειοτριβημένων και διηθημένων κυττάρων ζυμομύκητα, χρησιμοποιήθηκε το 1905 από τους Arthur Hardner (1865-1940) και William John Young (1878-1942) στη μελέτη της ενσωμάτωσης φωσφορικού οξέος σε οργανικές ενώσεις και οδήγησε στην ανακάλυψη της 1,6 διφωσφορικής φρουκτόζης, μιας ένωσης που ονομάστηκε εστέρας των Harden – Young.

1. Ένα ρυθμιστικό διάλυμα περιέχει μίγμα ενός ασθενούς οξέος με συγκέντρωση 0,01 Μ  και του μετά νατρίου άλατος του οξέος με συγκέντρωση 0,001 Μ. Το pH αυτού του διαλύματος είναι κατά προσέγγιση: 

Α) pK^‘_a+ 2    B) pK^‘_a -1    C) pK^‘_a+ 1    D)pK^‘_a -2   E) pK^‘_a

(Απ: B).

2. Ένας ασθενής πάσχει από κλινικό διαβήτη, είναι αρρύθμιστος και εισάγεται στο νοσοκομείο. Τα συμπτώματα που έχει είναι δίψα, συχνουρία, απώλεια βάρους, υπέρπνοια και κούραση. Η ανάλυση αίματος επίπεδα γλυκόζης πάνω απ’ το φυσιολογικό, και κάτω του φυσιολογικού τα επίπεδα pH και μερικής πίεσης διοξειδίου άνθρακα P_CO2. Με ποια από τις ακόλουθες διατυπώσεις θα μπορούσαμε να αποδώσουμε την κατάσταση του ασθενούς:

Α) Αναπνευστική οξέωση με αντιρροπούμενη μεταβολική αλκάλωση

Β) Αναπνευστική αλκάλωση με αντιρροπούμενη μεταβολική οξέωση

C) Μεταβολική οξέωση με αντιρροπούμενη αναπνευστική αλκάλωση

D) Μεταβολική οξέωση με αντιρροπούμενη αναπνευστική οξέωση

E) Μεταβολική αλκάλωση με αντιρροπούμενη αναπνευστική οξέωση

(Απ: C).

3. Ένας ασθενής είναι αρρύθμιστος και πάσχει από κλινικό διαβήτη. Στα ούρα του ανιχνεύονται γλυκόζη και ακετοξικό οξύ, και παρουσιάζει ρηχή – αβαθή αναπνοή. Η ανάλυση αίματος δείχνει τιμές [HCO₃^–]=16 mM και P_CO2 = 30 mmHg

Ένα δείγμα ούρων του ασθενούς περιέχει συνολικά 30 mmol ακετοξικού οξέος (pK^‘_a=4,8) – ακετοξικού ανιόντος. Το pH των ούρων του είναι 4,8. Υποθέτοντας ότι το Na⁺ εκκρίνεται ως αντισταθμιστικό ιόν με ισοδύναμη ποσότητα συζυγούς βάσης, πόσο Na⁺ εκκρίνεται μαζί με αυτό το κέτο-οξύ;

A) 20 mmol   B) 25 mmol   C) 15 mmol   D) 10 mmol   E) 5 mmol

(Απ: C).

4. Ένας ασθενής είναι αρρύθμιστος και πάσχει από κλινικό διαβήτη και εισάγεται στο νοσοκομείο. Στα ούρα του ανιχνεύονται γλυκόζη και ακετοξικό οξύ, και παρουσιάζει ρηχή και αβαθή αναπνοή. Η ανάλυση αίματος δείχνει τιμές [HCO₃^–]=16 mM και P_CO2 = 30 mmHg.

Το pH του αίματος του ασθενούς αναμένεται να έχει τιμή:

A) 7,40   B) 7,90   C) 4,85   D) 7,15   E) 7,35

(Απ: E).

5. Ένας ασθενής είναι αρρύθμιστος και πάσχει από κλινικό διαβήτη και εισάγεται στο νοσοκομείο. Στα ούρα του ανιχνεύονται γλυκόζη και ακετοξικό οξύ, και παρουσιάζει ρηχή και αβαθή αναπνοή. Η ανάλυση αίματος δείχνει τιμές [HCO₃^–]=16 mM και P_CO2 = 30 mmHg.

Μετά από χορήγηση ινσουλίνης, το pH του αίματος επιστρέφει στη φυσιολογική τιμή (7,4) και η [HCO₃^–] αυξάνεται σε 21 mM. Η [CO₂] στο πλάσμα του αίματος θα είναι:

A) 35,0 mM   B) 12,5 mM   C) 1,05 mM   D) 0,03 mM   E) 0,95 mM

(Απ: C).

6. Ένας ασθενής είναι αρρύθμιστος και πάσχει από κλινικό διαβήτη και εισάγεται στο νοσοκομείο. Στα ούρα του ανιχνεύονται γλυκόζη και ακετοξικό οξύ, και παρουσιάζει ρηχή και αβαθή αναπνοή. Η ανάλυση αίματος δείχνει τιμές [HCO₃^–]=16 mM και P_CO2 = 30 mmHg.

Ποια από τις ακόλουθες διατυπώσεις χαρακτηρίζει καλύτερα την κατάσταση του ασθενούς;

Α) Μη αντιρροπούμενη μεταβολική αλκάλωση  B) Αναπνευστική οξέωση η οποία μερικώς αντιρροπείται από μεταβολική αλκάλωση  C) Μεταβολική αλκάλωση η οποία μερικώς αντιρροπείται από αναπνευστική οξέωση  D) Μεταβολική οξέωση η οποία μερικώς αντιρροπείται από αναπνευστική αλκάλωση  E) Αναπνευστική αλκάλωση η οποία μερικώς αντιρροπείται από μεταβολική οξέωση

(Απ: D).

7. Ένα διάλυμα γαλακτικού οξέος CH₃CH(OH)COOH έχει pH = 2,4. Πόσο υδροξείδιο του νατρίου (NaOH) απαιτείται για να ογκομετρηθούν 100 ml του διαλύματος έως το τελικό σημείο;

A) 100 ml 0,1 M   B) 2,4 mEq   C) 100 Eq   D) 0,1 mmol   E) 100 mEq

(Απ: A).

8. Ένας φοιτητής Ιατρικής έχει υπερβολικό άγχος το βράδυ της παραμονής των εξετάσεων βιοχημείας, με αποτέλεσμα να κάνει ανεξέλεγκτη υπέρπνοια. Εάν η εξέταση αναβληθεί για 3 μέρες και ο φοιτητής συνεχίσει την υπέρπνοια, πως θα ανταποκριθεί το σώμα του στην κατάσταση αυτή;

A) Οι νεφροί θα αυξήσουν την έκκριση των Η⁺ και την επαναπορρόφηση των HCO₃^–   Β) Πραγματοποιείται αντιρροπούμενη μεταβολική αλκάλωση.    C) Πραγματοποιείται αντιρροπούμενη αναπνευστική οξέωση.    D) Οι νεφροί μειώνουν την έκκριση Η⁺ και την επαναπορρόφηση των HCO₃^–     E) η [HCO₃^–] στο πλάσμα αίματος αυξάνει.

(Απ: D).

Οι βάσεις της Χημείας ουσιαστικά μπήκαν από τους προσωκρατικούς ή Ίωνες φιλοσόφους. Αυτοί ήταν οι πρώτοι που προσπάθησαν να βρουν  ένα αντικειμενικό “πρότυπο” για να εξηγήσουν τον αισθητό κόσμο. Η απάντησή τους ήταν ότι ο κόσμος αποτελείται από νερό (Θαλής ο Μιλήσιος), αέρα (Αναξιμένης), γη (Αναξίμανδρος) και φωτιά (Ηράκλειτος). Μπορούμε να δούμε στις εξηγήσεις αυτές τα σημερινά υποκατάστατα: τις τρεις καταστάσεις της ύλης (αέρια, υγρή, στερεή) και την έννοια της ενέργειας (φωτιά) (Asimov 1965). Αργότερα γεννήθηκε η ανάγκη για μια πέμπτη ουσία ή “πεμπτουσία” (quinta essentia), εξ’ ου και η σημερινή σχετική έκφραση. Η πεμπτουσία μεταμορφώθηκε αργότερα στην έννοια του αιθέρα, η οποία έπαιξε τόσο μεγάλο ρόλο στην ανάπτυξη της επιστημονικής σκέψης. Δεν πρέπει να αγνοήσουμε την κοσμοθεωρία του Πυθαγόρα, ο οποίος πίστευε ότι τα πάντα, σε τελευταία ανάλυση, μπορούν να να αχθούν σε αριθμητικές σχέσεις. Ο Αριστοτέλης γράφει σχετικά: Οι Πυθαγόριοι … τα των αριθμών στοιχεία των όντων στοιχεία πάντων υπέβαλλον είναι και τον όλον ουρανόν αρμονίαν είναι και αριθμόν” (Αριστοτέλης 1968 b). Η έννοια των αριθμητικών σχέσεων σαν το πιο βασικό στοιχείο του κόσμου βρίσκεται πολύ κοντά στην κβαντική θεωρία.

Ο φιλόσοφος του 50υ αιώνα π. Χ . Λεύκιππος διετύπωσε την άποψη ότι κάθε μεταβολή έχει μια φυσική αιτία, δημιουργώντας το σύγχρονο επιστημονικό πνεύμα (Asimov 1990). Ο Λεύκιππος και ο μαθητής του Δημόκριτος (460-370 π.Χ.) διατύπωσαν τη θεωρία ότι όλη η ύλη αποτελείται από αδιαίρετα σωματίδια, τας ατόμους. Ένα απόσπασμα από τα γραπτά των “ατομικών” φιλοσόφων μας δίνεται από τον Simplicious: “Ταύτας τας ατόμους εν απείρω τω κενώ κεχωρισμένας αλλήλων και διαφερούσας σχήμασί τε και μεγεθεσι και θέσει και φέρεσθαι εν τω κενώ και επικαταλαμβανούσας αλλήλας συγκρούεσθαι, και τας μεν αποπάλλεσθαι, όπη αν τύχωσιν τας δε περιπλέκεσθαι αλλήλαις κατά την των σχημάτων και μεγεθών και θέσεων και τάξεων συμμετρίαν και σημμένειν και ούτως την των συνθέτων γένεσιν αποτελείσθαι” (Kirk & Raven 1966). Η ατομική θεωρία έγινε περισσότερο γνωστή από το στωϊκό φiλόσοφο Επίκουρο (342-270 π. Χ.), ο οποίος ενσωμάτωσε τις ιδέες αυτές στο διδακτικό του ποίημα De rerum natura. Το (εκτεταμένο) αυτό έργο είχε μεγάλη επίδραση στα ρεύματα των νέων ιδεών που εξαπλώθηκαν στην Ευρώπη κατά την Αναγέννηση και συνέβαλλε πολύ στην εδραίωση του επιστημονικού τρόπου σκέψης.

Κατά το Μεσαίωνα τα έργα των Ελλήνων φιλοσόφων μελετήθηκαν πολύ από τους Άραβες και πολλά από αυτά μεταφράστηκαν στα Αραβικά. Οι Άραβες μετέτρεψαν το, αιγυπτιακής προέλευσης, όνομα της επιστήμης της Χημείας στο όνομα Αλχημεία, βάζοντας απλά το πρόθεμα “αλ” που στα αραβικά είναι το σχετικό άρθρο πριν το όνομα αυτό. Έτσι σε ολόκληρο το Μεσαίωνα οι γνώσεις της Χημείας που υπήρχαν είχαν την προσωνυμία της Αλχημείας. Ένας από τους σπουδαιότερους Άραβες αλχημιστές ήταν ο Jiabir ibn-Hayyan (760-815 μ.Χ.), περισσότερο γνωστός με το όνομα Geber. Ο Geber περιέγραψε το χλωριούχο αμμώνιο καθώς και τον τρόπο παρασκευής του μολύβδου (Asimov 1965). Ένας άλλος Άραβας διάσημος αλχημιστής ήταν ο Al-Razi (850-925 μ.Χ.) ο οποίος περιέγραψε τον ιατρικό γύψο (“plaster of Paris”, CaSO₄.2H₂O), καθώς και το μέταλλο αντιμόνιο.

Ο Γερμανός αλχημιστής Adreas Libau (1540-1616) περιέγραψε την παρασκευή του υδροχλωρικού οξέος, του τετραχλωριούχου κασιτέρου, του θειϊκού αμμωνίου και του βασιλικού νερού (aqua regia), που είναι ένα μίγμα νιτρικού και υδροχλωρικού οξέος (1/3) και που πήρε το όνομά του από την ικανότητά του να διαλυτοποιεί τον χρυσό. Ο Libau έκαμε ακόμα την υπόδειξη ότι θα πρέπει να είναι δυνατόν να ταυτοποιηθεί μια χημική ουσία από το σχήμα των κρυστάλλων που θα σχηματιστούν όταν ένα διάλυμα της ουσίας εξατμιστεί. Ο επίσης Γερμανός αλχημιστής Johann Rudolf Glauber (1604-1668) περιέγραψε την παρασκευή του θειϊκού νατρίου και το χρησιμοποίησε σαν καθαρτικό, ονομάζοντάς το “θαυμάσιο άλας” (sal mirabile). Το θειικό νάτριο λέγεται “άλας του Glauber” ακόμα και σήμερα.

Η διαφορά της νοοτροπίας που έφερε το νέο επιστημονικό πνεύμα φαίνεται πολύ καλά στην αντιπαράθεση ενός κειμένου αλχημείας της εποχής και ενός κειμένου του Robert Boyle (Jensen & Ferren 1971): Αλχημιστής: “Θα ξε4χωρίσετε τη γη από τη φωτιά, το αιθέριο από το συμπαγές, μαλακά και με μεγάλη τέχνη. Ανεβαίνει από την γη στον ουρανό και μετά κατεβαίνει πάλι στη γη και παίρνει δύναμη από αυτά που είναι πάνω και από αυτά που είναι κάτω. Αυτή είναι η δύναμη όλων των δυνάμεων, γιατί θα νικήσει κάθε αιθέριο πράγμα και θα διαπεράσει κάθε στερεό”. Robert Boyle: “Τα στοιχεία είναι τα ουσιαστικά όρια της χημικής ανάλυσης, ή είναι ουσίες που δεν μπορούν να αποσυντεθούν με κανένα μέχρι τώρα γνωστό τρόπο”. Ο αλχημιστής φυσικά αναφερόταν στα παραδοσιακά τέσσερα στοιχεία των Ιώνων φιλοσόφων.

Με τον 17^ο αιώνα ήλθαν μαζί και η άνθιση του ορθολογισμού και η εδραίωση των φυσικών επιστημών πάνω σε μια βάση αυστηρής μεθοδολογίας. Διανοητές όπως ο Rene Descartes (1596-1650), ο Benedictus Spinoza (1632-1677) και ο Gottfried Wilhelm Leibniz (1646-1716) προσπάθησαν να στηρίξουν τη φιλοσοφία και την επιστήμη πάνω στον καθαρό λόγο και μόνο σ’ αυτόν. Ο σκεπτόμενος άνθρωπος βρέθηκε αντιμέτωπος με τον Θεό και τον Κόσμο, και προσπάθησε να καταλάβει και τα δύο, όχι με την αποδοχή μιας αποκεκαλυμμένης αλήθειας, αλλά με την ανάλυση της πραγματικότητας διαμέσου της νόησης. Ο Descartes διεκήρυξε ότι η γνώση πρέπει να μπει πάνω σε μια τελείως καινούρια βάση. Αυτό που πρέπει να αναζητηθεί είναι η λογική βεβαιότητα. Πρέπει λοιπόν κανείς ν’ αρχίσει απ’ την καθολική αμφιβολία και να προχωρήσει από εκεί και πέρα (De omnibus dubitandum est – Όλα πρέπει να αμφισβητούνται). Είναι χαρακτηριστικός ο τίτλος του πιο σημαντικού βιβλίου του Descartes: “Πραγματεία περί της μεθόδου με την οποία θα μπορέσουμε να καθοδηγήσουμε σωστά το λόγο μας και να αναζητήσουμε την αλήθεια μέσα στις επιστήμες” (Discurs de la methode pour bien conduir sa raison et checher la verite dans les sciences). Μέσα στο ίδιο πνεύμα είναι και η φιλοσοφία του Benedictus Spinoza. Ο λόγος (ο ορθός λόγος, δηλαδή αυτό που σήμερα ονομάζουμε Λογική), διεκήρυξε ο Spinoza, είναι καθαρός και αλάνθαστος (Clara ratio infallibilis). Και ακόμα: “Όπως το φως δείχνει τον εαυτό του και το σκοτάδι, έτσι και η αλήθεια είναι ένας γνώμονας του εαυτού της και του ψεύδους” (Sane sicut lux seipsam et tenebras manifestat, sic veritas norma sui et falsi est). Ο Leibniz οραματίστηκε μια καθολική λογιστική επιστήμη μια “mathesis universalis” με την οποίαν, μας λέει ο Bertrand Russell, “θα μπορούσαμε να εφαρμόσουμε την Λογική στην Μεταφυσική και στην Ηθική, με τρόπο παρόμοιο με αυτόν που χρησιμοποιούμε στη Γεωμετρία και στην Ανάλυση γενικά. Εάν υπήρχαν διαφωνίες, δεν θα υπήρχε κανένας λόγος για λογομαχίες μεταξύ δύο φιλοσόφων, ακριβώς όπως δεν υπάρχει κανένας λόγος για λογομαχίες ανάμεσα σε δύο λογιστές. Γιατί θα ήταν αρκετό να πάρουν μολύβι και χαρτί και να πουν (με έναν φίλο για μάρτυρα αν το επιθυμούσαν): “Ας υπολογίσουμε το συμπέρασμα” (Rusell 1948). Οι ορθολογιστές φιλόσοφοι δεν ξεχώριζαν τη φιλοσοφία από τις φυσικές επιστήμες και τα ενδιαφέροντά τους ήταν πάντα πλατιά. Ο Descartes διετύπωσε την Αναλυτική Γεωμετρία και ακόμα διάφορες κοσμολογικές και βιολογικές θεωρίες. Ο Spinoza ήταν αυθεντία σε θέματα Οπτικής και ο Leibniz ήταν (παράλληλα με τον Newton) ο δημιουργός του απειροστικού λογισμού. Η άνθιση της φιλοσοφίας και των φυσικών επιστημών ήταν βέβαια ένα τμήμα από ένα καθολικότερο πολιτιστικό φαινόμενο. Μια παρόμοια άνθιση παρουσιάστηκε και στις Καλές Τέχνες (Ζωγραφική, Μουσική, Αρχιτεκτονική) οι οποίες κατά το 17^ο και 18^ο αιώνα γνώρισαν μια  χωρίς προηγούμενο και χωρίς επόμενο ακμή, καθώς και στα γράμματα στα οποία η μελέτη της κλασσικής (ελληνικής και λατινικής) φιλολογίας ονομάστηκε “ουμανισμός” (ανθρωπισμός) και “διαφωτισμός” για να δείξει την πίστη που είχε δημιουργηθεί αναφορικά με τις ικανότητες και τον κώδικα ηθικών αξιών του ίδιου το ανθρώπου.

Η σύγχρονη Χημεία άρχισε με τον Robert Boyle (1627-1691). Ο Boyle ήταν ένα από τα ιδρυτικά μέλη της Βρετανικής Εταιρείας Επιστημών (Royal Society of London for Improving Natural Knowledge, 1660) και  ήταν ο πρώτος που διατύπωσε τον ορισμό του χημικού στοιχείου με τη σημερινή του μορφή. Μελέτησε τη σχέση ανάμεσα στην πίεση και τον όγκο του αέρα και βρήκε ότι το γινόμενο των δύο είναι σταθερό:

P . V = σταθερό 

Η σχέση αυτή ονομάστηκε νόμος των Boyle – Marriotte, διότι διατυπώθηκε επίσης ανεξάρτητα από τον Γάλλο ιερωμένο E. Marriotte (1620-1684). Η σχέση αυτή είναι ιστορικά ο πρώτος ποσοτικός νόμος της Χημείας με τη σύγχρονή της μορφή. Από το νόμο αυτό γεννήθηκε η έννοια του γραμμομορίου (mole), η έννοια των διαμοριακών ελκτικών δυνάμεων, η έννοια της απόλυτης θερμοκρασίας, και η γενική σταθερά R των αερίων. Από το νόμο αυτό γεννήθηκε επίσης η κινητική θεωρία της ύλης. Ορθά ο R. Boyle έχει ονομαστεί “ο πατέρας της Χημείας”. Αργότερα ο J. Charles (1746-1823), βρήκε ότι διάφορα αέρια εμφανίζουν την ίδια αύξηση του όγκου τους όταν, υπό σταθερή πίεση, υποστούν την ίδια αύξηση στη θερμοκρασία. Η σχέση αυτή διατυπώθηκε από τον Gay-Lyssac (1778-1850) ως εξής:

V = V₀ (1 + a.t)

όπου V είναι ο όγκος του αερίου σε μια δεδομένη θερμοκρασία, V₀ είναι ο όγκος του ίδιου αερίου σε μια διαφορετική θερμοκρασία αναφοράς, t είναι η διαφορά ανάμεσα στις δύο θερμοκρασίες και a είναι μια σταθερά αναλογίας. Η αριθμητική τιμή του a βρέθηκε ότι, για πολύ μικρές πιέσεις του αερίου είναι για όλα τα αέρια, ίση με (1/273,15) ⁰C. Αντικαθιστώντας το a με 1/273,15 η εξίσωση λαμβάνει τη μορφή:

V = V₀ (1 + t/273,15)

όπου V₀ είναι ο όγκος του αερίου στους θ ⁰C.

Από την παραπάνω εξίσωση βλέπουμε ότι ο όγκος κάθε αερίου πρέπει να είναι ίσος με μηδέν στους -273,15 ⁰C. Στην πραγματικότητα, το αέριο θα υγροποιηθεί προτού επιτευχθεί η θερμοκρασία αυτή των -273,15 ⁰C. Εξ άλλου η θερμοκρασία των -273,15 ⁰C (η θερμοκρασία του απολύτου μηδενός) δεν είναι δυνατόν να επιτευχθεί σύμφωνα με τον 3^ο νόμο της θερμοδυναμικής.

Η εξίσωσηV = V₀ (1 + t/273,15)   μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να διατυπωθεί μια καινούργια κλίμακα θερμοκρασίας, στην οποία το μηδέν βρίσκεται 273,15 ⁰C κάτω απ’ το μηδέν της εκατονταβάθμιας κλίμακας.

T = 273,15 + θ ⁰C

όπου Τ είναι η θερμοκρασία στην απόλυτη κλίμακα (κλίμακα Kelvin), και το θ είναι οι  ⁰C στην εκατονταβάθμια κλίμακα. Ο νόμος των Boyle – Marriote – Charles μπορεί τώρα να διατυπωθεί ως εξής:

P . V = k . T    όπου k μία σταθερά

Ο προσδιορισμός της σταθεράς στην εξίσωση, μπορεί να γίνει για ένα mole οποιουδήποτε αερίου με τη βοήθεια της αρχής του Avogadro.  O Amadeo Avogadro (1776-1856) διετύπωσε την υπόθεση ότι ίσοι όγκοι αερίων, στις ίδιες συνθήκες πίεσης και θερμοκρασίας, περιέχουν τον ίδιο αριθμό μορίων. Είναι προφανές ότι η σταθερά στην εξίσωση (P.V=k.T) θα είναι μια σταθερά που θα ισχύει για όλα τα αέρια, άρα μια “γενική σταθερά των αερίων (universal gas constant) εάν κάθε φορά αναφερόμαστε σε μια ποσότητα αερίου που περιέχει τον ίδιο αριθμό μορίων.

Ονομάζουμε mole (γραμμομόριο) μιας ένωσης την ποσότητα της ένωσης η οποία περιέχει Ν = 6,02 x 10²³ σωματίδια – όσα περιέχονται σε 12 g ¹²C. H ποσότητα αυτή έχει μάζα ίση με το μοριακό της βάρος (Μ_r=σχετική μοριακή μάζα=m_μορίου/u) όπου u = (1/12)(m ¹²C). Έχει βρεθεί ότι το 1 mole μιας ουσίας, σε αέρια κατάσταση στους μηδέν βαθμούς Κελσίου (0 ^oC) καταλαμβάνει όγκο 22,4 L (λίτρα). Ο αριθμός των σωματιδίων (άτομα, μόρια, ιόντα) που περιέχονται σε 1 mole ουσίας, έχει προσδιοριστεί με μια σειρά από μεθόδους, όπως η μελέτη της ταχείας κίνησης μικρών σωματιδίων (κίνηση Brown), το φορτίο των άλφα ακτίνων του ραδίου, το φορτίο ενός σταγονιδίου λαδιού (πείραμα Millican), η τιμή της σταθεράς Faraday, και τέλος, η πυκνότητα των κρυστάλλων και η περίθλαση ακτίνων Χ σε αυτούς (Daniels & Alberty 1955). Ο αριθμός αυτός είναι 6,02 x 10²³ σωματίδια/mole (αριθμός Avogadro). Η εξίσωση P.V=k.T μπορεί να γραφεί ως εξής:

P . V = n . R . T

όπου n είναι ο αριθμός των mole του αερίου που εξετάζουμε. Η σταθερά R ονομάζεται γενική σταθερά των αερίων και έχει διαστάσεις ενέργειας ανά βαθμό θερμοκρασίας και ανά mole oys;iaw. Η αριθμητική τιμή του R είναι 1,9872 cal/(mole. ^oK), ή 0,082057 L.Atm/(mole. ^oK), ή 82,057 cm³.Atm/(mole. ^oK), ή 8,3144 J/(mole. ^oK).

Η εξίσωση PV=nRT ονομάζεται και εξίσωση ιδανικών (ή τελείων) αερίων. Αυτό γιατί η εξίσωση αυτή μπορεί να παραχθεί με την ανάλυση ενός απλού προτύπου, που δέχεται ότι τα μόρια του αερίου έχουν σημειακό μέγεθος και ότι οι συγκρούσεις μεταξύ τους και με τα τοιχώματα του δοχείου που τα περιέχει, είναι ελαστικές. Έτσι ονομάζουμε ιδανικό ένα αέριο όταν αυτό υπακούει στην καταστατική εξίσωση των ιδανικών αερίων PV=nRT. Στην αντίθετη περίπτωση, το αέριο ονομάζεται πραγματικό και αποκλίνει από την ιδανική συμπεριφορά.