Όταν στέκεστε στον ανοιχτό αέρα, βυθίζεστε σε ένα αέριο που αποτελείται από τέσσερα πέμπτα άζωτο (N2) και ένα πέμπτο οξυγόνο (O2). Η εικόνα δείχνει τα μόρια που υπάρχουν στον καθαρό, (χωρίς ρύπανση) αέρα. Όπως σε κάθε αέριο, τα μόρια κινούνται συνεχώς χαοτικά (μάλιστα, η λέξη «αέριο» gas προέρχεται από την ίδια ελληνική ρίζα με τη λέξη «χάος»). Τα μόρια κινούνται ραγδαία – άτακτα στο διάστημα με ταχύτητες συγκρίσιμες με αυτήν του ήχου (περίπου 1120 χιλιόμετρα την ώρα), συγκρούονται μεταξύ τους και εκτρέπονται προς άλλες κατευθύνσεις μέχρι να συγκρουστούν ξανά σε κλάσμα του δευτερολέπτου αργότερα. Την αδιάκοπη πρόσκρουση αυτής της καταιγίδας μορίων στην επιφάνεια ενός δοχείου -συμπεριλαμβανομένου του δοχείου σας- βιώνει το δέρμα μας ως μια σχεδόν σταθερή πίεση 1 Atm = 1,013 x 105 N/m2 (περίπου 14 λίβρες ανά τετραγωνική ίντσα – 14 lb/in2) στο επίπεδο της θάλασσας. Σε μια ήσυχη, ζεστή καλοκαιρινή μέρα ή σε ένα ήσυχο δωμάτιο όπως αυτό που μπορεί να είστε τώρα, βρίσκεστε στην πραγματικότητα στο κέντρο μιας αόρατης, ανεπαίσθητης καταιγίδας μορίων. Όταν φυσάει ο άνεμος, τα μόρια ρέουν κυρίως προς μία κατεύθυνση και χτυπούν εκείνη την πλευρά του προσώπου σας. Μερικές φορές αυτή η αόρατη ροή μορίων μπορεί να είναι αρκετά ισχυρή ώστε να ρίξει δέντρα και να καταστρέψει κτίρια.
Εικόνα: Μια εικαστική ιστορία της ατμόσφαιρας. Σημειώστε τη μείωση του διοξειδίου του άνθρακα με τον σχηματισμό ιζηματογενών αποθέσεων και τη συσχέτιση μεταξύ των αλλαγών στη σύνθεση και των βιολογικών και γεωλογικών αλλαγών.
Δεν είναι καθόλου σαφές από πού προήλθε η ατμόσφαιρά μας ή πώς άλλαξε, αν και μια εικασία για την αλλαγή της φαίνεται στο διπλανό γράφημα. Υπάρχει γενική συμφωνία ότι μια πρώιμη ατμόσφαιρα σχηματίστηκε ως αποβολή αερίων από τα πετρώματα και τους πλανητικούς σχηματισμούς που συσσωματώθηκαν για να σχηματίσουν τον αρχικά πρωτόγονο πλανήτη μας. Ένα παρόμοιο είδος αποβολής αερίων συμβαίνει σήμερα στα ηφαίστεια, και εικάζεται ότι τα αέρια που απελευθερώνουν – κυρίως υδρατμοί, υδρογόνο, υδροχλώριο, μονοξείδιο του άνθρακα, διοξείδιο του άνθρακα, άζωτο και μόρια που περιέχουν θείο – ήταν άφθονα στην πρώτη ατμόσφαιρα. Από αυτά, μόνο το άζωτο είναι άφθονο στην τρέχουσα ατμόσφαιρά μας. Ως εκ τούτου, υπάρχει ένα ερώτημα σχετικά με το πού πήγαν τα υπόλοιπα και από πού προήλθαν άλλα αέρια. Ορισμένες απαντήσεις – οι οποίες είναι λίγο περισσότερο από σοφές (αλλά ίσως ψευδείς) εικασίες – περιγράφονται εδώ και στην επόμενη ενότητα. Μια ουσία μπορεί να εξεταστεί αμέσως: Τα μόρια υδρογόνου, όντας πολύ ελαφριά και κινούμενα πολύ γρήγορα, διέφυγαν από την βαρυτική έλξη του πλανήτη και εξαφανίστηκαν στο διάστημα, όπως θα έκαναν σύντομα και σήμερα όλα τα νεοσχηματισμένα μόρια Η2 .
(1) ΑΡΓΟΝ (ARGON) Ar
Αν και το αργό δεν είναι το πιο άφθονο αέριο στην ατμόσφαιρα, είναι εύστοχο να ξεκινήσουμε με αυτό το απλούστερο είδος ουσίας: μια ουσία που υπάρχει μόνο ως ελεύθερα άτομα. Το αργό (δηλ αυτό που αργεί.. – «το μη αντιδρόν») είναι το τρίτο πιο άφθονο συστατικό του ξηρού αέρα και κάθε αναπνοή που παίρνετε περιέχει περίπου 1 τοις εκατό περίπου αργό. Επειδή το αργό είναι .. μη αντιδρόν, υπάρχει στον αέρα ως άτομα και δεν σχηματίζει σταθερές ενώσεις.
Το αργό προέρχεται από κάτω από την επιφάνεια της γης. Ένα άτομο αργού σχηματίζεται όταν ο πυρήνας ενός ατόμου καλίου στα ορυκτά της γης συλλαμβάνει ένα από τα ηλεκτρόνια που το περιβάλλουν και ως εκ τούτου «μετασχηματίζεται σε αργό». Σε αντίθεση με το κάλιο, τα νεοσχηματισμένα άτομα αργού δεν μπορούν να ενωθούν με τα γύρω περιβάλλοντα άτομα και διαρρέουν από το έδαφος ως αέριο. Αυτή η διαδικασία συνεχίζεται και καθώς το κάλιο εξαντλείται και τα πετρώματα αποσυντίθενται, η συγκέντρωση του αργού αυξάνεται αργά.
Το αργό συλλέγεται από την ατμόσφαιρα, η οποία είναι η μοναδική και μόλις επαρκής πηγή για μας. Ένα μέρος λαμβάνεται από την «απόσταξη υγρού αέρα». Ένα μέρος συσσωρεύεται επίσης στο άζωτο που χρησιμοποιείται για την παρασκευή αμμωνίας. Επειδή, το άζωτο αντιδρά με το υδρογόνο στη διαδικασία παραγωγής αμμωνίας, ενώ το αργό δεν αντιδρά.
Μεγάλες ποσότητες αργού χρησιμοποιούνται στη χαλυβουργία για να αραιώνουν το οξυγόνο που διοχετεύεται μέσω του τετηγμένου μετάλλου για την καύση των ακαθαρσιών. Ένα μέρος χρησιμοποιείται σε λαμπτήρες πυρακτώσεως, όπου βοηθά στην απαγωγή της θερμότητας μακριά από το νήμα βολφραμίου χωρίς να αντιδρά με αυτό. Ένα μέρος του αργού χρησιμοποιείται σε λαμπτήρες φθορισμού, οι οποίοι είναι γυάλινοι σωλήνες γεμάτοι με ένα μείγμα αργού και ατμών υδραργύρου. Το αργό διευκολύνει την εκκίνηση των λαμπτήρων και βοηθά στη ρύθμιση του ρεύματος που διέρχεται από αυτούς. Με έναν μηχανισμό παρόμοιο με αυτόν που προκαλεί την κόκκινη ακτινοβολία του νέον (ο οποίος περιγράφεται παρακάτω), το αργό συμπληρώνει επίσης την ακτινοβολία που παρέχεται από τον «φθορισμό» των φωσφοριζουσών ενώσεων (που περιλαμβάνουν βολφραμικό μαγνήσιο, πυριτικό ψευδάργυρο, βορικό κάδμιο και φωσφορικό κάδμιο) που επικαλύπτουν την εσωτερική πλευρά του σωλήνα. Αυτοί οι φωσφορίζοντες εκπέμπουν ορατό φως όταν φωτίζονται με το ιώδες και υπεριώδες φως που εκπέμπεται από ενεργειακά διεγερμένα άτομα υδραργύρου.
Το αργό είναι ένα από τα ευγενή αέρια, μια ομάδα αερίων στοιχείων που περιλαμβάνει το ήλιο (που ανιχνεύθηκε για πρώτη φορά στον ήλιο και τώρα συλλέγεται από πετρελαιοπηγές), το νέον («το νέο»), το κρυπτό («το κρυμμένο») και το ξένον («το ξένος»). Όλα υπάρχουν ως ελεύθερα άτομα σε μικρές ποσότητες στην ατμόσφαιρα. Η ομάδα περιλαμβάνει επίσης το ραδιενεργό αέριο ραδόνιο, το οποίο εκπέμπεται από το έδαφος ως προϊόν πυρηνικής αποσύνθεσης μέσα στον φλοιό της γης. Σήμερα, πολλοί άνθρωποι ανησυχούν ότι το ραδόνιο που εκπέμπεται από κάτω από κτίρια ή από δομικά υλικά με βάση τα ορυκτά μπορεί να συλλεχθεί σε ποσότητες που απειλούν την υγεία σε θερμικά μονωμένες και επομένως σφραγισμένες κατασκευές.
Εικόνα: Μια ηλεκτρική εκκένωση μέσω Αργού και Νέου διεγείρει τα άτομα σε καταστάσεις υψηλής ενέργειας. Αυτά κατόπιν αποδιεγείρονται αποβάλλοντας την αποδοθείσα ενέργεια ως φως.
Το νέον είναι γνωστό ως αέριο που γεμίζει διαφημιστικές πινακίδες, καθώς εκπέμπει μια έντονη κόκκινη λάμψη όταν διέρχεται ηλεκτρικό ρεύμα. “Αρωματισμένο” με λίγους ατμούς υδραργύρου, το αργόν δίνει μια μπλε εκκένωση. Κίτρινα και πράσινα χρώματα φωτός λαμβάνονται χρησιμοποιώντας νέον και αργόν, αντίστοιχα, σε χρωματιστούς γυάλινους σωλήνες. Οι ενδεικτικές λυχνίες νέον περιέχουν ένα μείγμα αργού και νέον.
Η προέλευση των χρωμάτων είναι η εξής: Το ηλεκτρικό ρεύμα στον σωλήνα που περιέχει το αέριο είναι μια καταιγίδα ηλεκτρονίων. Αυτά τα ηλεκτρόνια συγκρούονται με άτομα αερίου και τα διεγείρουν σε καταστάσεις αυξημένης ενέργειας στις οποίες τα δικά τους ηλεκτρόνια αναδιατάσσονται ελαφρώς. Ένα διεγερμένο άτομο απορρίπτει αυτή την επιπλέον ενέργεια σχεδόν αμέσως καθώς τα ηλεκτρόνιά του καταρρέουν πίσω σε μια διάταξη χαμηλότερης ενέργειας και η αποβαλλόμενη ενέργεια ακτινοβολείται μακριά ως φως. Όσο μεγαλύτερη είναι η ποσότητα ενέργειας που πρέπει να χαθεί, τόσο μικρότερο είναι το «μήκος κύματος» του φωτός. Οι μεταβάσεις χαμηλής ενέργειας έχουν ως αποτέλεσμα κόκκινο φως, ενδιάμεσο σε κίτρινο και υψηλό σε μπλε. Οι μεταβάσεις πολύ υψηλής ενέργειας δημιουργούν αόρατο, βλαβερό, υπεριώδες φως.
Η χημική αδράνεια του αργού και των άλλων ευγενών αερίων οφείλεται στην ηλεκτρονική τους δομή (σχεδόν όλες οι εξηγήσεις στη χημεία μπορούν να εντοπιστούν στα ηλεκτρόνια και στις διατάξεις τους γύρω από τους πυρήνες). Σε κάθε περίπτωση, οι στιβάδες των ηλεκτρονίων που περιβάλλουν τον πυρήνα είναι γεμάτες και δεν μπορούν να δεχτούν άλλα ηλεκτρόνια. Επειδή τα άτομα ευγενών αερίων δεν δέχονται εύκολα ηλεκτρόνια (ή τα χάνουν επίσης πολύ δύσκολα), σπάνια σχηματίζουν δεσμούς. Πράγματι, μέχρι τη δεκαετία του 1960 πιστευόταν ευρέως ότι τα ευγενή αέρια δεν σχημάτιζαν καθόλου ενώσεις. Τότε ονομάζονταν αδρανή αέρια. Ωστόσο, οι χημικοί έπρεπε να αποφύγουν μια βιαστική υποχώρηση όταν σχηματίστηκαν οι πρώτες ενώσεις ευγενών αερίων (με το εξαιρετικά δραστικό αέριο φθόριο). Τώρα είναι γνωστές αρκετές δεκάδες ενώσεις κρυπτόν και ξένου, οι περισσότερες από τις οποίες περιέχουν οξυγόνο ή φθόριο. Ήλιο, νέον και αργόν, ωστόσο, εξακολουθούν να είναι χημικώς ευγενή.
(2) OXYGEN Ο2
Το οξυγόνο αντιπροσωπεύει περίπου το 20% του όγκου της ατμόσφαιρας. Είναι το πιο άφθονο στοιχείο στον φλοιό της γης, αντιπροσωπεύοντας σχεδόν το ήμισυ της συνολικής μάζας της και υπάρχει εκεί σε συνδυασμό με άλλα στοιχεία με τη μορφή νερού, πυριτικών αλάτων και οξειδίων. Είναι επίσης άφθονο στη σελήνη, αλλά όχι σε ελεύθερη κατάσταση. Εκεί, το οξυγόνο παγιδεύεται σε ενώσεις στα σεληνιακά πετρώματα. Όταν τα ταξίδια στο διάστημα γίνουν πιο συνηθισμένα, μπορεί να βρούμε οικονομικό να εξορύσσουμε την σεληνιακή επιφάνεια για το οξυγόνο της. Εδώ στη Γη εξορύσσουμε μέταλλα και απορρίπτουμε το οξυγόνο από τα μεταλλεύματά τους.
Αν και το οξυγόνο είναι άφθονο στην ατμόσφαιρα και λαμβάνεται βιομηχανικά από αυτήν την πλούσια πηγή με απόσταξη υγρού αέρα, είναι σχετικά αργοπορημένο ως προς την έλευσή του στην περιοχή. Η ατμόσφαιρα της νεοσχηματισμένης γης δεν περιείχε οξυγόνο. Ένα μέρος του έφτασε όταν τα μόρια νερού που είχαν αποβληθεί από τα πετρώματα διασπάστηκαν από την έντονη ακτινοβολία του ήλιου και τα απελευθερωμένα άτομα οξυγόνου ενώθηκαν σε ζεύγη. Το μεγαλύτερο μέρος του οξυγόνου μας έφτασε όταν εξελίχθηκαν τα πρώτα φωτοσυνθετικά κύτταρα – τα «προκαρυωτικά» που γνωρίζουμε ως μπλε-πράσινα βακτήρια (κυανοβακτήρια). Αυτές οι μονοκύτταρες, χωρίς πυρήνα μορφές ζωής απέκτησαν υδρογόνο από το νερό (απορρίπτοντας το οξυγόνο) και άνθρακα και οξυγόνο από το διοξείδιο του άνθρακα, κατά τη διαδικασία της κατασκευής των δικών τους υδατανθράκων. Έτσι, το οξυγόνο που τώρα εκτιμούμε τόσο πολύ, που είναι απαραίτητο για τις περισσότερες μορφές ζωής και που πρέπει να μεταφέρεται κάθε φορά που εξερευνούμε εξωγήινα περιβάλλοντα, ήταν αρχικά ένα απόβλητο – ένας ρύπος σε μια ατμόσφαιρα που ευνοούσε μια διαφορετική μορφή ζωής. Αυτή η μεγάλη ρύπανση άφησε το αποτύπωμά της στη γη, για την απότομη αύξηση του οξυγόνου που συνόδευσε την εμφάνιση της φωτοσύνθεσης *οξείδωσε τον σίδηρο που διαλύθηκε στις θάλασσες. Η γη σκούριασε και τα μεγάλα κοιτάσματα κόκκινου σιδηρομεταλλεύματος καταγράφουν την γεωλογική αυτή εποχή.
Το ίδιο το οξυγόνο είναι ένα άοσμο, άχρωμο, άγευστο αέριο που συμπυκνώνεται σε ένα απαλό μπλε υγρό. Η αλλαγή χρώματος συμβαίνει όταν ζεύγη μορίων συνεργάζονται στην απορρόφηση του φωτός – ένα φαινόμενο που είναι δυνατό μόνο όταν τα μόρια βρίσκονται κοντά αναμεταξύ τους, όπως σε ένα υγρό. Το Οξυγόνο έχει επίσης την ασυνήθιστη ιδιότητα να είναι μαγνητικό. Αυτό φαίνεται πιο καθαρά από την ικανότητα ενός μαγνήτη να έλκει το υγρό οξυγόνο, αλλά και το αέριο είναι επίσης μαγνητικό. Μια εφαρμογή αυτής της ιδιότητας είναι η μέτρηση των συγκεντρώσεων οξυγόνου σε τεχνητές ατμόσφαιρες, όπως σε θερμοκοιτίδες για πρόωρα βρέφη: Ο μαγνητισμός του αερίου παρακολουθείται και στη συνέχεια αποτυπώνεται παρέχοντας τη συγκέντρωση των μορίων οξυγόνου.
Εικόνα: Το χρώμα αυτών των χοίρων Yorkshire-Landrace οφείλεται σε μόρια αιμοσφαιρίνης στα οποία έχουν προσκολληθεί μόρια οξυγόνου συνδεόμενα με τα άτομα σιδήρου που περιέχουν. Οι «λευκοί» άνθρωποι είναι ροζ για τον ίδιο λόγο.
Το οξυγόνο είναι εξαιρετικά δραστικό. Όταν τα μόριά του διασπώνται (ίσως από έντονη θερμότητα), τα απελευθερωμένα άτομα μπορούν να σχηματίσουν ισχυρούς δεσμούς με άτομα άλλων στοιχείων. Η ισχύς αυτών των δεσμών οφείλεται στο μικρό μέγεθος του ατόμου οξυγόνου: Ο κεντρικός πυρήνας μπορεί να ασκήσει ισχυρή δύναμη σε γειτονικά ηλεκτρόνια, συμπεριλαμβανομένων εκείνων άλλων ατόμων, επειδή μπορεί να τα πλησιάσει πολύ κοντά. Επειδή είναι εξαιρετικά δραστικό, το οξυγόνο υπάρχει στην ατμόσφαιρα ως διατομικά μόρια, τα οποία αποτελούνται από δύο άτομα συνδεδεμένα μεταξύ τους.
Τεράστιες ποσότητες αερίου οξυγόνου χρησιμοποιούνται στην χαλυβουργία, όπου χρειάζεται περίπου 1 τόνος οξυγόνου για την παρασκευή 1 τόνου μετάλλου. Διοχετεύεται μέσω του ακάθαρτου λιωμένου σιδήρου, συνδυάζεται με τις υπάρχουσες ακαθαρσίες (ιδιαίτερα τον άνθρακα) και παρασύρει τις περισσότερες από αυτές ως αέριο. Το οξυγόνο είναι καλύτερο για τον σκοπό αυτό από τον αέρα, ο οποίος είναι κυρίως άζωτο (3) και ο οποίος παρασύρει υπερβολική θερμότητα όταν διοχετεύεται μέσω του λιωμένου μετάλλου.
Εικόνα: Το οξυγόνο συμπυκνώνεται σε θερμοκρασία — 183°C σε ένα απαλό μπλε μαγνητικό υγρό. Το χρώμα προκύπτει από την αλληλεπίδραση γειτονικών μορίων και απουσιάζει από το αέριο.
(3) ΑΖΩΤΟ – (NITROGEN) N2
Το άζωτο είναι το πιο άφθονο αέριο στην ατμόσφαιρα, αντιπροσωπεύοντας το 78% του όγκου της, έτσι ώστε πάνω από τα τρία τέταρτα κάθε αναπνοής που εισπνέουμε είναι άζωτο. Αυτή η αφθονία αζώτου πιθανότατα αποβλήθηκε από τα πετρώματα, όπως ακριβώς και τα άλλα αέρια της πρώιμης ατμόσφαιρας. Ωστόσο, τα μόρια αζώτου είναι πολύ βαριά και πολύ αργά για να έχουν διαφύγει από τη γη, και είναι πολύ αδρανή για να έχουν συνδυαστεί με άλλες ουσίες σε τόσο μεγάλο βαθμό όσο αυτά του οξυγόνου. Έτσι, αυτό που ήταν άφθονο παρέμεινε άφθονο.
Όπως το οξυγόνο, το άζωτο σχηματίζει διατομικά μόρια. Ωστόσο, τα άτομα στο μόριο N2 συνδέονται μεταξύ τους με έναν τριπλό δεσμό: N^N. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα ένα από τα πιο ισχυρά γνωστά μόρια, ένα που μπορεί να επιβιώσει από συγκρούσεις με άλλα μόρια, οι οποίες, για το διπλά δεσμό οξυγόνου, θα είχαν οδηγήσει σε αντίδραση. Η σχετική έλλειψη αντιδραστικότητας του αζώτου του επιτρέπει να δρα ως αραιωτικό για το επικίνδυνο οξυγόνο του αέρα. Χωρίς το ατμοσφαιρικό άζωτο, μια σπίθα θα είχε πυροδοτήσει εδώ και πολύ καιρό όλη τη βλάστηση της γης. Η αδράνεια του αζώτου δεν πρέπει, ωστόσο, να συγχέεται με του αργού. Η αδράνεια του αργού μπορεί να αποδοθεί στο ότι τα μεμονωμένα άτομα του δεν έχουν την τάση να συνδυάζονται με άλλα. Η αδράνεια του αζώτου είναι ιδιότητα του μορίου, όχι των ατόμων, και οφείλεται στο ότι τα άτομά του έχουν σχηματίσει τρεις ισχυρούς δεσμούς μεταξύ τους. Μόλις διασπαστούν αυτοί οι δεσμοί, το άζωτο είναι ιδιαίτερα αντιδραστικό και σχηματίζει πολυάριθμες ενώσεις, όπως θα δείτε.
Πολλά από τα μόρια στα ζωντανά κύτταρα, ιδιαίτερα οι πρωτεΐνες *, περιέχουν άτομα αζώτου. Επομένως, το άζωτο είναι απαραίτητο για την ανάπτυξη των φυτών και των καλλιεργειών. Η ενσωμάτωσή του στη ζωή, πρώτα στα φυτά και στη συνέχεια στα ζώα, ξεκινά με τη μετατροπή του σε οξείδια του αζώτου (11, 12) από κεραυνούς που δημιουργούνται στον αέρα και από την ηλιακή ακτινοβολία που επενεργεί στα ανώτερα στρώματα της ατμόσφαιρας. Αυτές οι πιο δραστικές ενώσεις στη συνέχεια ξεπλένονται στο έδαφος από τη βροχή.
Μια σημαντική οδός για την διακίνηση του αζώτου από την ατμόσφαιρα στο έδαφος είναι η καθήλωση (δέσμευση) του αζώτου, η ενσωμάτωση του ατμοσφαιρικού αζώτου σε ενώσεις, οι οποίες μπορεί να είναι φυσικές ή τεχνητές κατασκευασμένες από τη βιομηχανία. Η βιολογική δέσμευση αζώτου προκαλείται μόνο από ορισμένους προκαρυωτικούς οργανισμούς, συμπεριλαμβανομένων των βακτηρίων, ιδιαίτερα των κυανοβακτηρίων (μπλε-πράσινα φύκια) και των ακτινομυκήτων (διακλαδιζόμενοι, πολυκύτταροι οργανισμοί που μοιάζουν με μούχλα). Μερικά από αυτά τα βακτήρια (ιδιαίτερα τα Azotobacter και Clostridium) μπορούν να υπάρχουν και να λειτουργούν μεμονωμένα. Αλλά τα πιο σημαντικά (Rhizobium) σχηματίζουν συμβιωτικές ενώσεις με ανώτερα φυτά, ιδιαίτερα με τα ψυχανθή (τριφύλλι, όσπρια όπως μπιζέλια και φασόλια, μηδική, ακακία), των οποίων τις ρίζες αποικίζουν. Σε όλες τις περιπτώσεις, ο παράγοντας που είναι υπεύθυνος για τη δέσμευση είναι το ενζυμικό σύστημα νιτρογενάσης, το οποίο αποτελείται από δύο πρωτεϊνικά μόρια. Ένα από αυτά τα μόρια βασίζεται σε 2 άτομα μολυβδαινίου, 32 άτομα σιδήρου και μεταξύ 25 και 30 ατόμων θείου (καθώς και σε μια εκτεταμένη δομή ατόμων άνθρακα). Η άλλη πρωτεΐνη βασίζεται στον σίδηρο. (Είναι απογοητευτικό να σκεφτόμαστε ότι αυτό το κρίσιμο ενζυμικό σύστημα, το οποίο βρίσκεται ψηλά στην τροφική αλυσίδα, απαιτεί τις ιδιότητες του μολυβδαινίου, ενός στοιχείου που εμφανίζεται μόνο σε λίγα άτομα ανά εκατομμύριο.) Οι βιομηχανικοί χημικοί ενδιαφέρονται έντονα για τον τρόπο δράσης της νιτρογενάσης, διότι αν μπορούσε να την μιμηθεί, τότε ο κόσμος θα είχε ένα έτοιμο μέσο για την καθήλωση του αζώτου της ατμόσφαιρας και την αναδιανομή του ως λίπασμα – ή, πιο κομψά, για τη γενετική τροποποίηση της νιτρογενάσης σε μια καλλιέργεια που θα παρήγαγε το δικό της λίπασμα καθώς αυτή αναπτύσσεται.
Εικόνα: Οζίδια Rhizobium leguminosarum στη ρίζα του μπιζελιού, Pisum sativum (μεγεθυμένα 1,5 φορές).
Τα κυανοβακτήρια, τα οποία λαμβάνουν την ενέργειά τους από το ηλιακό φως, τον άνθρακα από το διοξείδιο του άνθρακα και το άζωτο απευθείας από την ατμόσφαιρα, πιστεύεται ότι είναι οι πρώτοι μικροοργανισμοί που αποίκισαν τη γη. Αυτή η υπόθεση υποστηρίζεται από την παρατήρηση ότι ήταν τα πρώτα που επανεγκαταστάθηκαν μετά από μια έκρηξη του ηφαιστείου στο Κρακατόα το 1883, η οποία κατέστρεψε ολοσχερώς κάθε ζωή σε μια εκτεταμένη γύρω περιοχή. Πράγματι, ορισμένα πρωτοποριακά φύκια, συγκεκριμένα τα κόκκινα κυανοβακτήρια που εμφανίζονται σε τεράστιες αποικίες στην Ερυθρά Θάλασσα, έχουν πάρει το όνομά τους από τους οικισμούς τους.
Η βιολογική δέσμευση αζώτου είναι πολύ αργή και πολύ τοπική για να υποστηρίξει το βάρος της παραγωγής που επιβάλλουμε σήμερα στη γη, και επιπλέον άζωτο πρέπει να συλλεχθεί από τον αέρα σε τεράστιες ποσότητες και να εφαρμοστεί ως λίπασμα. Αυτό γίνεται με την απομάκρυνση ατόμων αζώτου και την επιτροπή τους να συνδυαστούν με υδρογόνο για να σχηματίσουν αμμωνία (7), η οποία μπορεί να απορροφηθεί από το έδαφος ή να μετατραπεί σε άλλα λιπάσματα. Το άζωτο που χάνεται από την ατμόσφαιρα, φυσικά και με άλλο τρόπο, αναπληρώνεται από την αποσύνθεση της βλάστησης και της σάρκας, διότι όταν τα πρωτεϊνικά μόρια αποσυντίθενται, τα άτομα αζώτου απελευθερώνονται ως μόρια αμμωνίας, τα οποία με τον καιρό αποικοδομούνται σε μοριακό αέριο άζωτο.
(4) ΔΙΟΞΕΙΔΙΟ ΤΟΥ ΑΝΘΡΑΚΑ – CARBON DIOXIDE CO2
Το διοξείδιο του άνθρακα είναι το αέριο που εκπνέουμε, καθώς είναι ένα τελικό προϊόν της κατανάλωσης των οργανικών ενώσεων που καταναλώνουμε ως τροφή. Όταν μια οργανική ένωση καίγεται (και εδώ συμπεριλαμβάνω αυτή την εξαιρετικά εξελιγμένη αργή καύση στα ζωντανά κύτταρα που ονομάζουμε «μεταβολισμό»), κάθε άτομο άνθρακα αποκόπτεται από το μόριό της από δύο άτομα οξυγόνου και απομακρύνεται ως διοξείδιο του άνθρακα. (Εάν δεν παρέχεται επαρκές οξυγόνο, ο άνθρακας αποσπάται ως μονοξείδιο του άνθρακα, CO.) Σε μια φλόγα, η διάσπαση του μορίου και ο σχηματισμός ισχυρών δεσμών άνθρακα-οξυγόνου συνοδεύεται από την απελευθέρωση ενέργειας ως θερμότητα. Το διοξείδιο του άνθρακα είναι το τέλος του δρόμου για τον συνδυασμό άνθρακα με οξυγόνο και ο σχηματισμός του αντιστοιχεί στη μέγιστη απελευθέρωση ενέργειας: το διοξείδιο του άνθρακα είναι ένας νεκρός χείμαρρος άνθρακα. Αλλά δεν είναι αδρανές, καθώς τα πράσινα φυτά, τα κυανοπράσινα φύκη και ορισμένα (φωτοσυνθετικά) βακτήρια χρησιμοποιούν την ενέργεια του ηλιακού φωτός για να απορροφήσουν διοξείδιο του άνθρακα από την ατμόσφαιρα, να το συνδυάσει με υδρογόνο που λαμβάνεται από το νερό και να δημιουργήσει τους υδατάνθρακές, διαδικασία που είναι γνωστή ως φωτοσύνθεση. Αυτή η διαδικασία και η διάλυση του διοξειδίου του άνθρακα στους ωκεανούς διατηρούν την ισορροπία του διοξειδίου του άνθρακα στην ατμόσφαιρα (ή έτσι ελπίζουμε).
Σε έναν μυ ή έναν εγκέφαλο, η ενέργεια που απελευθερώνεται όταν σχηματίζεται διοξείδιο του άνθρακα μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να σηκώσει ένα βάρος (μυϊκό έργο) ή να παράγει μια ιδέα (διανοητική εργασία). Το διοξείδιο του άνθρακα είναι επίσης το τελικό προϊόν της μερικής κατανάλωσης υδατανθράκων κατά τη ζύμωση, μια ατελής μορφή αναπνοής που σχηματίζει αλκοόλη (αιθανόλη) ως ένα άλλο κύριο προϊόν. Ως εκ τούτου, το διοξείδιο του άνθρακα είναι το αέριο στην κορυφή της μπύρας και οι φυσαλίδες στη σαμπάνια, καθώς βγαίνει από το διάλυμα όταν ανοίγει το μπουκάλι και απελευθερώνεται η πίεση. Το διοξείδιο του άνθρακα στο νερό είναι συνηθισμένο ως σόδα ή seltzer, και με πρόσθετες αρωματικές ύλες, ως ποτά διαφόρων ειδών. Στο νερό σχηματίζει το πολύ ασθενές οξύ ανθρακικό οξύ, το οποίο προκαλεί μούδιασμα στη γλώσσα, είναι ενισχυτικό γεύσης και δρα ως ήπιο βακτηριοκτόνο. Λέγεται επίσης ότι το ανθρακικό οξύ προωθεί τη ροή από το στομάχι στο έντερο, γεγονός που ίσως εξηγεί την ταχεία μεθυστική επίδραση της σαμπάνιας.
Εικόνα: Μεγάλο μέρος του αρχικού διοξειδίου του άνθρακα του πλανήτη έχει παγιδευτεί ως ανθρακικό πέτρωμα, τα συμπιεσμένα υπολείμματα οστρακοειδών. Τα κελύφη χρωματίζονται από τις ακαθαρσίες, ιδιαίτερα τα ιόντα σιδήρου, που έχουν ενσωματώσει.
Το διοξείδιο του άνθρακα είναι το τέταρτο πιο άφθονο συστατικό της ξηρής ατμόσφαιρας και το πιο άφθονο αέριο στις ατμόσφαιρες του Άρη και της Αφροδίτης. Μια μεγάλη ποσότητα διοξειδίου του άνθρακα απομακρύνθηκε από την πρώιμη ατμόσφαιρα καθώς σχηματίστηκαν οι ωκεανοί έπεφταν από τον ουρανό, καθώς το αέριο διαλύθηκε σε αυτούς. Τώρα το μεγαλύτερο μέρος του διοξειδίου του άνθρακα του πρώιμου πλανήτη βρίσκεται κάτω από τα πόδια μας, με τη μορφή ανθρακικού πετρώματος – κιμωλίας και ασβεστόλιθου. Δεν σημειώθηκε παρόμοια καθίζηση νερού στην καυτή επιφάνεια της Αφροδίτης, και αυτή στον Άρη (αν υπήρχε) ήταν ανεπαρκής, επομένως σε αυτούς τους πλανήτες το διοξείδιο του άνθρακα παραμένει στην ατμόσφαιρα. Έχει υπολογιστεί ότι η μάζα του ανθρακικού πετρώματος στη Γη, συν την ποσότητα διοξειδίου του άνθρακα στην ατμόσφαιρα και διαλυμένου στους ωκεανούς, είναι περίπου η ίδια με τη μάζα διοξειδίου του άνθρακα που τώρα κρέμεται στους ουρανούς της Αφροδίτης. Αν η Γη ήταν μόνο 10 εκατομμύρια χιλιόμετρα πιο κοντά στον ήλιο από τα σημερινά 140 εκατομμύρια χιλιόμετρα, η θερμοκρασία της επιφάνειάς της θα ήταν πολύ υψηλή για να σχηματιστούν οι ωκεανοί, και η Γη θα είχε εξελιχθεί σε έναν πλανήτη όπως η Αφροδίτη. Το διοξείδιο του άνθρακα στην ατμόσφαιρα δρα εν μέρει για να παγιδεύσει την υπέρυθρη ακτινοβολία που εκπέμπεται από τη θερμή επιφάνεια της Γης. Επειδή το διοξείδιο του άνθρακα είναι διαφανές στο ορατό φως του ήλιου, αυτό το φως μπορεί να διεισδύσει μέσω της ατμόσφαιρας στην επιφάνεια της Γης. Καθώς η επιφάνεια θερμαίνεται, εκπέμπει υπέρυθρη ακτινοβολία που δεν μπορεί να διαφύγει πίσω στο διάστημα επειδή τα μόρια διοξειδίου του άνθρακα την απορροφούν. Αυτή η παγιδευμένη ενέργεια θερμαίνει την ατμόσφαιρα σε μια διαδικασία γνωστή ως φαινόμενο του θερμοκηπίου. Σε ένα πραγματικό θερμοκήπιο, η συσσώρευση θερμότητας οφείλεται περισσότερο στο γυαλί που εμποδίζει την ανάμειξη του θερμού εσωτερικού αέρα με τον κρύο εξωτερικό αέρα μέσω μεταφοράς παρά στην απορρόφηση της υπέρυθρης ακτινοβολίας. Αυτό το κάπως διαφορετικό φαινόμενο σε ένα πραγματικό θερμοκήπιο επιβεβαιώθηκε μόλις πρόσφατα, αφότου ο όρος «φαινόμενο του θερμοκηπίου» χρησιμοποιήθηκε ήδη από τους κλιματολόγους και τους αστρονόμους.
Το διοξείδιο του άνθρακα χρησιμοποιείται ως διογκωτικό μέσο στην αρτοποιία. Οι τυπικές σκόνες ψησίματος αποτελούνται από όξινο ανθρακικό νάτριο (NaHCO3), ένα οξύ (ή, συνήθως, δύο οξέα, όπως το τρυγικό οξύ και το όξινο άλας, θειικό νάτριο αργιλίου) και άμυλο, το οποίο δρα ως πληρωτικό και βοηθά στον διαχωρισμό των σωματιδίων οξέος και όξινου ανθρακικού και τα εμποδίζει να αντιδράσουν πρόωρα. Αλλά ακόμη και ένα τόσο συνηθισμένο προϊόν όπως το μπέικιν πάουντερ έχει μια τεχνολογία ελκυστικότητας, επειδή πρέπει να παρέχει δύο ξεχωριστές εκρήξεις δράσης – δηλαδή, απελευθέρωσης διοξειδίου του άνθρακα. Η πρώτη συμβαίνει σε θερμοκρασία δωματίου ως αποτέλεσμα της δράσης του υγραμένου τρυγικού οξέος και παράγει πολλές μικροσκοπικές κοιλότητες στο κουρκούτι. Η δεύτερη έκρηξη δραστηριότητας οφείλεται στη δράση του άλατος αργιλίου και συμβαίνει σε υψηλή θερμοκρασία. Αυτή η δεύτερη ροή διοξειδίου του άνθρακα διογκώνει τις κοιλότητες για να δώσει την επιθυμητή τελική ελαφριά υφή.
Το διοξείδιο του άνθρακα που χρησιμοποιείται στην αρτοποιία συνήθως σχηματίζεται από τη δράση της μαγιάς σε ζάχαρη ή άλλα μικρά μόρια υδατανθράκων. Τέτοια σωματίδια μαγιάς υπάρχουν στον αέρα, αλλά για να επιτευχθούν πιο ομοιόμορφα χαρακτηριστικά στο ψήσιμο, ένα συγκεκριμένο στέλεχος, το Saccharomyces cerevisiae, κανονικά καλλιεργείται σε αραιή μελάσα και στη συνέχεια χρησιμοποιείται.
(5) ΟΖΟΝ – (OZONE) O3
Το όζον υπάρχει στην ανώτερη ατμόσφαιρα στο στρώμα του όζοντος, μια ζώνη πάχους περίπου 20 χιλιομέτρων που βρίσκεται στο κέντρο μεταξύ 25 και 35 χιλιομέτρων πάνω από την επιφάνεια της γης. Αν όλο αυτό συλλεχθεί και συμπιεστεί στην ατμοσφαιρική πίεση που είναι χαρακτηριστική της επιφάνειας της γης, θα σχηματίσει ένα στρώμα πάχους περίπου 3 χιλιοστών. Το όζον σχηματίζεται όταν η «υπεριώδης ακτινοβολία» του ήλιου απορροφάται από μόρια που περιέχουν οξυγόνο: Άτομα οξυγόνου εκδιώκονται από αυτά τα μόρια και στη συνέχεια συνδέονται με μόρια 02 στα οποία προσπίπτουν. Μόλις σχηματιστεί, το μόριο του όζοντος απορροφά περισσότερη υπεριώδη ακτινοβολία σε διαφορετικό μήκος κύματος και διασπάται. Και οι δύο διαδικασίες, ο σχηματισμός του όζοντος και η αποσύνθεση του όζοντος, απορροφούν ακτινοβολία και επομένως βοηθούν στην προστασία των ζωντανών οργανισμών στην επιφάνεια από κάτω. Η απορρόφηση της υπεριώδους ακτινοβολίας από το αέριο είναι τόσο αποτελεσματική που σε μήκη κύματος κοντά στα 250 νανόμετρα, στην υπεριώδη ακτινοβολία, μόνο 1 μέρος στα 1030 της προσπίπτουσας ηλιακής ακτινοβολίας διαπερνά τη στιβάδα του όζοντος. Ένα ον με μάτια που μπορούν να δουν μόνο σε φως 250 νανομέτρων θα έβλεπε τον ουρανό κατάμαυρο το μεσημέρι.
Το όζον είναι ένα μπλε, έντονο αέριο (όζων είναι η ελληνική λέξη για αυτό που «μυρίζει») που συμπυκνώνεται σε ένα μελανό μπλε-μαύρο εκρηκτικό υγρό. Η μυρωδιά του μπορεί να ανιχνευθεί κοντά σε ηλεκτρικό εξοπλισμό και μετά από κεραυνό, καθώς σχηματίζεται επίσης από ηλεκτρική εκκένωση μέσω οξυγόνου. Επειδή το όζον θα μπορούσε να συναντηθεί σε καμπίνες αεροπλάνων σε εμπορικές πτήσεις σε υψόμετρα περίπου… 15 χιλιόμετρα και θα προκαλούσε βήχα και πόνο στο στήθος, ο εισερχόμενος αέρας διέρχεται από φίλτρα που «αποσυνθέτουν καταλυτικά το όζον σε συνηθισμένο οξυγόνο». Το ατμοσφαιρικό όζον προσβάλλει τους διπλούς δεσμούς άνθρακα-άνθρακα στο καουτσούκ και συμβάλλει στη διάβρωσή του.
