elgavrilis's blog

Ακόμα και άτομα που δεν έχουν σπουδάσει ποτέ φυσική γνωρίζουν ότι τα υγρά πιέζουν προς τα κάτω τον πυθμένα των δοχείων που τα συγκρατούν και πλάγια στα τοιχώματα. Πολλοί, ωστόσο, δεν έχουν υποψιαστεί ποτέ ότι τα υγρά πιέζουν επίσης και προς τα πάνω. Ένα συνηθισμένο ποτήρι λάμπας θα το αποκαλύψει εύκολα αυτό. Κόψτε από ένα κομμάτι χοντρό χαρτόνι έναν δίσκο αρκετά μεγάλο ώστε να καλύψει την κορυφή του ποτηριού. Καλύψτε την κορυφή του ποτηριού με αυτόν και στη συνέχεια βυθίστε το ποτήρι σε ένα βάζο με νερό, όπως φαίνεται στο Σχήμα:

Σχήμα: Ένας απλός τρόπος επίδειξης ότι τα υγρά πιέζουν ανοδικά

Για να μην γλιστρήσει ο δίσκος όταν βυθιστεί η λάμπα, δέστε ένα κομμάτι κλωστή πάνω του και κρατήστε τον όπως φαίνεται ή απλώς πιέστε το προς τα κάτω με το δάχτυλό σας. Αφού βυθίσετε το ποτήρι αρκετά βαθιά, μπορείτε να αφήσετε το νήμα, ή το δάχτυλό σας, να φύγει. Ο δίσκος θα παραμείνει εκεί που είναι, διατηρούμενος στη θέση του από το νερό που τον πιέζει. Αν θέλετε, μπορείτε ακόμη και να μετρήσετε την τιμή αυτής της ανοδικής πίεσης. Ρίξτε προσεκτικά λίγο νερό στο ποτήρι. Μόλις η στάθμη του νερού στο ποτήρι φτάσει σε αυτήν του νερού στο βάζο, ο δίσκος γλιστράει επειδή η πίεση που ασκεί το νερό στον δίσκο από κάτω αντισταθμίζεται από την πίεση που ασκεί σε αυτόν από πάνω η στήλη νερού στο ποτήρι, το ύψος της οποίας είναι ίσο με το βάθος στο οποίο έχει βυθιστεί το ποτήρι. Αυτός είναι ο νόμος που αφορά την πίεση που ασκεί ένα υγρό σε οποιοδήποτε βυθισμένο σώμα. Αυτό, παρεμπιπτόντως, έχει ως αποτέλεσμα την «απώλεια» βάρους στα υγρά, για την οποία μιλάει η περίφημη αρχή του Αρχιμήδη. Με τη βοήθεια αρκετών λυχνιών-ποτηριών διαφορετικών σχημάτων αλλά με κορυφές ίδιου μεγέθους, μπορείτε να ελέγξετε έναν άλλο νόμο που αφορά τα υγρά: ότι η πίεση που ασκεί ένα υγρό στον πυθμένα του δοχείου που το περιέχει εξαρτάται μόνο από το μέγεθος του πυθμένα και το ύψος της «στήλης» του υγρού. Δεν εξαρτάται καθόλου από το σχήμα του δοχείου. Αυτός είναι ο τρόπος για να ελέγξετε αυτόν τον νόμο.

Σχήμα: Η πίεση που το υγρό ασκεί στον πυθμένα του δοχείου, εξαρτάται μόνο από την επιφάνεια της βάσης και το ύψος του υγρού. Το σχήμα δείχνει πως αυτό μπορεί να ελεγχθεί.

Πάρτε διαφορετικά ποτήρια και βυθίστε τα στο ίδιο βάθος. Για να βεβαιωθείτε ότι δεν υπάρχουν λάθη, κολλήστε πρώτα λωρίδες χαρτιού στα ποτήρια σε ίσα ύψη από τον πυθμένα. Ο δίσκος από χαρτόνι που χρησιμοποιήσατε στο πρώτο πείραμα θα γλιστράει κάθε φορά που ρίχνετε νερό στο ίδιο επίπεδο (Εικ. 54). Συνεπώς, η πίεση που ασκείται από στήλες νερού διαφορετικών σχημάτων είναι η ίδια, εφόσον ο πυθμένας και το ύψος είναι τα ίδια. Σημειώστε ότι το ύψος, και όχι το μήκος, είναι σημαντικό, επειδή μια μακριά αλλά κεκλιμένη στήλη ασκεί ακριβώς την ίδια πίεση στον πυθμένα με μια μικρότερη αλλά κάθετη στήλη, τόσο υψηλή όσο η κεκλιμένη. ένα, φυσικά, με την προϋπόθεση ότι το κάτω μέρος του καθενός είναι το ίδιο.

Σημειώσαμε νωρίτερα ότι οποιοδήποτε υγρό θα πάρει το φυσικό του σφαιρικό σχήμα όταν η βαρύτητα παύει να δρα πάνω του. Αρκεί να θυμηθούμε κάτι που είδαμε προηγουμένως, ότι ένα σώμα που πέφτει δεν καταγράφει βάρος σε ζυγαριά, και να λάβουμε υπ’ όψιν την αμελητέα ατμοσφαιρική αντίσταση στην αρχή της πτώσης. Οι σταγόνες βροχής επιταχύνονται μόνο όταν αρχίζουν να πέφτουν. Μέχρι το δεύτερο μισό του πρώτου δευτερολέπτου η πτώση γίνεται ήδη ομοιόμορφη (ομαλή) και το βάρος της σταγόνας αντισταθμίζεται από την ατμοσφαιρική αντίσταση, η οποία αυξάνεται μαζί με την ταχύτητα της σταγόνας που πέφτει), Διαπιστώνουμε έτσι ότι τα τμήματα του υγρού (σταγόνες) που πέφτουν θα πρέπει επίσης να παίρνουν σφαιρικό (η σχεδόν σφαιρικό) σχήμα.

Αυτό είναι πραγματικά έτσι. Οι σταγόνες βροχής που πέφτουν έχουν πράγματι στρογγυλό σχήμα. Τα σκάγια δεν είναι τίποτα άλλο παρά στερεοποιημένες σταγόνες λιωμένου μολύβδου που κατά τη διαδικασία κατασκευής τους ρίχνονται από μεγάλο ύψος σε ένα λουτρό κρύου νερού όπου στερεοποιούνται σε σχήμα απολύτως ίσων σφαιρών. Τα σκάγια ονομάζονται επίσης σκάγια “πύργου” επειδή κατά την κατασκευή τους ρίχνονται από την κορυφή ενός ψηλού “πύργου για σκάγια”. Ένας τέτοιος φαίνεται στην εικόνα.

Αυτοί οι πύργοι είναι μεταλλικές κατασκευές ύψους 45 μέτρων. Στην κορυφή έχουν ένα εργαστήριο έκχυσης σφηνακίων με λέβητες για την τήξη του μολύβδου, και στο ζεστό νερό. Τα έτοιμα σφηνάκια στη συνέχεια διαβαθμίζονται και υποβάλλονται σε επεξεργασία. Η σταγόνα λιωμένου μολύβδου στερεοποιείται σε σφαίρες καθώς πέφτουν. Το λουτρό νερού χρειάζεται απλώς για να μαλακώσει την πρόσκρουση και για να αποτρέψει την απώλεια του σφαιρικού σχήματος του σκάφους, Σκάγια με διάμετρο μεγαλύτερη από 6 mm, τα λεγόμενο σκάγια από κονσέρβα, κατασκευάζονταν διαφορετικά, κόβοντας κομμάτια σύρματος, τα οποία στη συνέχεια τυλίγονταν σε μπάλες.

Οι Shot Towers

Ένας Shot tower είναι ένας πύργος σχεδιασμένος για την παραγωγή σφαιρών βολής (σκάγια) μικρής διαμέτρου με ελεύθερη πτώση λιωμένου μολύβδου, ο οποίος στη συνέχεια συγκεντρώνεται σε μια λεκάνη νερού. Το σκάγι χρησιμοποιείται κυρίως για βλήματα σε κυνηγετικά όπλα και για έρμα, για θωράκιση από ραδιενεργές ακτινοβολίες και άλλες εφαρμογές για τις οποίες είναι χρήσιμες οι μικρές μπάλες μολύβδου.

Η διαδικασία παραγωγής σφαιριδίων μολύβδου

Σε έναν shot tower, ο μόλυβδος θερμαίνεται μέχρι να λιώσει και στη συνέχεια ρίχνεται μέσα από ένα χάλκινο κόσκινο ψηλά στον πύργο. Ο υγρός μόλυβδος σχηματίζει μικροσκοπικές σφαιρικές σφαίρες λόγω επιφανειακής τάσης και στερεοποιείται καθώς πέφτει. Οι μερικώς ψυχόμενες σφαίρες πιάνονται στο δάπεδο του πύργου σε μια λεκάνη γεμάτη με νερό.[1] Οι σφαίρες που τώρα είναι πλήρως ψυχρές ελέγχονται για στρογγυλότητα και ταξινομούνται κατά μέγεθος. Όσες είναι “εκτός στρογγυλότητας” ξανατήκονται. Χρησιμοποιείται ένα ελαφρώς κεκλιμένο τραπέζι για τον έλεγχο της στρογγυλότητας.[2] Για την κατασκευή μεγαλύτερων μεγεθών βολών, χρησιμοποιείται ένα χάλκινο κόσκινο με μεγαλύτερες τρύπες.

Το μέγιστο μέγεθος περιοριζόταν από το ύψος του πύργου, επειδή τα μεγαλύτερα σκάγια πρέπει να πέσουν για περισσότερο χρόνο μέχρι να στερεοποιηθούν. Ένας shot tower με ύψος πτώσης 40 μέτρων μπορεί να παράγει σκάγια έως Num 6 (ονομαστική διάμετρο 2,4 mm), ενώ για ύψος πτώσης 80 μέτρων μπορεί να παράγει σκάγια  Num #2 (ονομαστική διάμετρο 3,8 mm). Η στίλβωση των σφαιριδίων με μικρή ποσότητα γραφίτη είναι απαραίτητη για λίπανση και για την πρόληψη της οξείδωσης.

Ιστορικό της εφεύρεσης

Η διαδικασία εφευρέθηκε από τον William Watts από το Μπρίστολ της Αγγλίας και κατοχυρώθηκε με δίπλωμα ευρεσιτεχνίας το 1782. Την ίδια χρονιά, ο Watts επέκτεινε το σπίτι του στο Ρέντκλιφ για να κατασκευάσει τον πρώτο πύργο βολής.[5] Η χρήση πύργων βολής αντικατέστησε τις προηγούμενες τεχνικές χύτευσης βλημάτων σε καλούπια, κάτι που ήταν ακριβό, ή στάλαξης λιωμένου μολύβδου σε βαρέλια νερού, που παρήγαγαν ανεπαρκώς σφαιρικές σφαίρες. Τα μεγάλα βλήματα που δεν μπορούσαν να κατασκευαστούν από τον πύργο βολής κατασκευάζονταν με την ανατροπή κομματιών κομμένου φύλλου μολύβδου σε ένα βαρέλι μέχρι να γίνουν στρογγυλά.

Σχήμα: Σκάγια όπλου από κράμα μολύβδου που πιστεύεται, ότι λόγω της έλλειψης σημαδιών χύτευσης, ότι κατασκευάστηκαν σε shot tower.

Η μέθοδος του «wind tower», η οποία χρησιμοποιούσε μια ριπή κρύου αέρα για να μειώσει δραματικά την απαραίτητη πτώση και κατοχυρώθηκε με δίπλωμα ευρεσιτεχνίας το 1848 από την εταιρεία T.O LeRoy της Νέας Υόρκης, σήμαινε ότι οι ψηλοί πύργοι για βλήματα κατέστησαν περιττοί, αλλά πολλοί εξακολουθούσαν να κατασκευάζονται μέχρι τα τέλη της δεκαετίας του 1880, και δύο σωζόμενα παραδείγματα χρονολογούνται από το 1916 και το 1969. Από τη δεκαετία του 1960, η μέθοδος Bliemeister έχει χρησιμοποιηθεί για την κατασκευή μικρότερων μεγεθών βλημάτων, και τα μεγαλύτερα μεγέθη κατασκευάζονται με τη διαδικασία ψυχρής σφράγισης, τροφοδοτώντας βαθμονομημένα κομμάτια σύρματος σε ημισφαιρικές μήτρες και σφραγίζοντάς τα σε σφαίρες.

“Με τη βοήθεια των νέων ιδεών της φυσικής, οι χημικοί έχουν συνδυάσει ένα τεράστιο σύνολο δεδομένων σε ένα ενιαίο σύστημα. Πολλές από τις θεμελιώδεις προόδους τους έχουν γρήγορα γίνει μέρος της τεχνολογίας”.

Το μισό αιώνα που μόλις συμπληρώνουμε έχει δει την εξέλιξη της χημείας από ένα τεράστιο αλλά σε μεγάλο βαθμό άμορφο σώμα εμπειρικής γνώσης σε μια συντονισμένη επιστήμη. Αυτός ο μετασχηματισμός προέκυψε κυρίως από την ανάπτυξη της ατομικής φυσικής. Μετά την ανακάλυψη του ηλεκτρονίου και του ατομικού πυρήνα, οι φυσικοί σημείωσαν ραγδαία πρόοδο στην απόκτηση μιας λεπτομερούς κατανόησης της ηλεκτρονικής δομής των ατόμων και των απλών μορίων, με αποκορύφωμα την ανακάλυψη της κβαντομηχανικής.

Οι νέες ιδέες για τα ηλεκτρόνια και τους ατομικούς πυρήνες εισήχθησαν σύντομα στη χημεία, οδηγώντας στη διατύπωση μιας ισχυρής δομικής θεωρίας η οποία έχει συγχωνεύσει το μεγαλύτερο μέρος της μεγάλης μάζας των χημικών δεδομένων σε ένα ενοποιημένο σύστημα. Ταυτόχρονα, έχουν γίνει μεγάλα βήματα προόδου μέσω της εφαρμογής νέων φυσικών τεχνικών σε χημικά προβλήματα, αλλά και μέσω της συνεχούς αποτελεσματικής χρήσης των τεχνικών της ίδιας της χημείας

Η χημεία είναι μια νέα επιστήμη. Η χημική επανάσταση έλαβε χώρα μόλις πριν από λίγο περισσότερο από 150 χρόνια, όταν ο Antoine Laurent Lavoisier εξήγησε για πρώτη φορά με σαφήνεια τον ρόλο του οξυγόνου στην καύση και τη φύση των στοιχειωδών και σύνθετων ουσιών. Πριν από τον Lavoisier, οι χημικές διεργασίες πραγματοποιούνταν σύμφωνα με συνταγές και οι χημικές αντιδράσεις ανακαλύπτονταν μόνο με τυχαίες δοκιμές. Η νέα του προσέγγιση οδήγησε στη γρήγορη συλλογή μεγάλου όγκου πληροφοριών σχετικά με τις ανόργανες και οργανικές ουσίες. Το 1828, ο Friedrich Wöhler πέτυχε την πρώτη σύνθεση μιας οργανικής ουσίας ζωικής προέλευσης (ουρίας) από ανόργανα υλικά και στις επόμενες δεκαετίες συντέθηκαν πολλές χιλιάδες νέες ουσίες και διερευνήθηκαν οι ιδιότητές τους. Το 1852, ο Sir Edward Frankland διατύπωσε τη θεωρία του σθένους και το 1858, ο Friedrich August Kekulé αντιλήφθηκε ότι ο άνθρακας έχει τέσσερα σθένη. Αυτή η γνώση έδωσε μεγάλη ώθηση στην οργανική χημεία. Η ανακάλυψη της οπτικής ενεργότητας από τον Louis Pasteur (η ιδιότητα που κατέχει το τρυγικό οξύ και πολλές άλλες ουσίες, της περιστροφής του επιπέδου πόλωσης του πολωμένου φωτός) και η εξήγησή της μέσω της θεωρίας του τετραεδρικού ατόμου άνθρακα από τους Jacob van’t Hoff και Joseph LeBel ολοκλήρωσε αποτελεσματικά την κλασική δομική θεωρία της οργανικής χημείας. Καθοδηγούμενος από αυτή τη θεωρία και χρησιμοποιώντας πολλές ειδικές τεχνικές ανάλυσης και σύνθεσης, ο οργανικός χημικός διερεύνησε στη συνέχεια μεγάλο αριθμό φυσικών ουσιών και νέων ουσιών που παρασκευάστηκαν στο εργαστήριο. Πολλές από αυτές βρέθηκαν πολύτιμες ως χρωστικές, ως φάρμακα, σε τρόφιμα και για ειδικούς βιομηχανικούς σκοπούς, και αναπτύχθηκε μια τεράστια οργανική χημική βιομηχανία, βασισμένη σε μεγάλο βαθμό στην πίσσα άνθρακα.

Σχήμα: Αναπαράσταση του ομοιοπολικού χημικού δεσμού. Στα αριστερά, δύο άτομα υδρογόνου το καθένα με ένα ηλεκτρόνιο, που παριστάνεται με τη μέση τιμή της κίνησής του γύρω απ’ τον πυρήνα. Στα δεξιά είναι το μόριο του Υδρογόνου (Η2) στο οποίο δύο πυρήνες διαμοιράζονται δύο ηλεκτρόνια.

Κατά τη διάρκεια του πρώτου μισού του 20ου αιώνα, η οργανική χημεία έχει προχωρήσει σε μια επέκταση αυτού του δρόμου. Η θεωρία της δομής των οργανικών μορίων έχει γίνει πιο ακριβής και πιο χρήσιμη μέσω της ενσωμάτωσης σε αυτήν της θεωρίας του συντονισμού και της ηλεκτρονικής θεωρίας σθένους γενικά, καθώς και πληροφορίες σχετικά με τις αποστάσεις μεταξύ ατόμων, τις γωνίες δεσμών και άλλα χαρακτηριστικά της μοριακής δομής που προσδιορίζονται με φασματοσκοπική ανάλυση ή με περίθλαση ακτίνων Χ ή ηλεκτρονίων. Πολλές νέες συνθετικές διαδικασίες και αναλυτικές μέθοδοι έχουν ανακαλυφθεί. Μία από τις πιο πολύτιμες νέες μεθόδους είναι η χρωματογραφική τεχνική για τον διαχωρισμό καθαρών συστατικών από μείγματα ουσιών, η οποία εφευρέθηκε από τον Michael Tswett το 1906. Στη βιομηχανική χημεία έχουμε δει μια σημαντική μετατόπιση: το πετρέλαιο έχει σε μεγάλο βαθμό αντικαταστήσει την πίσσα άνθρακα ως πρώτη ύλη για την παρασκευή οργανικών ενώσεων.

Σχήμα: Η κρυσταλλική δομή του πάγου, βασίζεται στη γεωμετρία του μορίου του νερού. Το μόριο στην κορυφή του σχήματος, διακρίνεται με τα άτομα που περιέχει, και τις αποστάσεις μεταξύ τους στις σωστές αναλογίες. Τα άτομα στο κάτω τμήμα του σχήματος, έχουν μειωθεί σε μέγεθος για να αποδοθεί σχηματικά η δομή του κρυστάλλου.

Μια άλλη εντυπωσιακή πτυχή της οργανικής χημείας στον αιώνα μας είναι ο ρόλος που διαδραματίζουν οι ειδικοί καταλύτες, τόσο στο εργαστήριο όσο και στις βιομηχανικές εγκαταστάσεις. Αυτή η εξέλιξη του 20ού αιώνα, η οποία σημείωσε την πρώτη της επιτυχία στην παραγωγή καταλυτών για τη μετατροπή του ατμοσφαιρικού αζώτου σε αμμωνία και νιτρικό οξύ, έχει αποκτήσει τεράστια σημασία, ειδικά στην κατασκευή πολύτιμων προϊόντων από πετρέλαιο. Μεγάλη πρόοδος έχει προκύψει επίσης από την επέκταση του πεδίου της αποτελεσματικής προσπάθειας του οργανικού χημικού ώστε να συμπεριλάβει γιγάντια μόρια – μόρια που περιέχουν χιλιάδες ή εκατομμύρια άτομα. Τον 19ο αιώνα, ο οργανικός χημικός μπορούσε να εργαστεί με σιγουριά και αποτελεσματικότητα μόνο με σχετικά απλές ουσίες. Στη συνέχεια, κατά τις πρώτες δεκαετίες του 20ού αιώνα, σημείωσε αποτελεσματική πρόοδο στην ανάλυση της δομής και των ιδιοτήτων μακρομοριακών φυσικών υλικών όπως το βαμβάκι, το καουτσούκ και το ξύλο. Οπλισμένος με τις γνώσεις που απέκτησε με αυτόν τον τρόπο, προσπάθησε να συνθέσει νέες ίνες, νέα ελαστομερή, νέα πλαστικά, και πέτυχε όχι μόνο να αποκτήσει ικανοποιητικά υποκατάστατα για πολλά φυσικά υλικά, αλλά και να κατασκευάσει πολλά υλικά με πολύ ανώτερες ιδιότητες.

Σχήμα: Ο ΠΕΡΙΟΔΙΚΟΣ ΠΙΝΑΚΑΣ των χημικών στοιχείων έχει συμπληρωθεί και διευρυνθεί τα τελευταία χρόνια. Τέσσερα στοιχεία έχουν προστεθεί στον προηγούμενο πίνακα: τεχνήτιο (Tc), προμύθιο (Pm), αστατίνη (At) και φράνκιο (Fr). Ο πίνακας έχει επίσης επεκταθεί πέρα ​​από το ουράνιο (U) με ποσειδώνιο (Np), πλουτώνιο (Pu), αμερίκιο (Am), εύριο (Cm), βερκήλιο (Bk) και καλιφόρνιο (Cf). Ο ατομικός αριθμός κάθε στοιχείου βρίσκεται κάτω από το σύμβολο.

Στην ανόργανη χημεία υπήρξε μια περίοδος αδράνειας στο πρώτο μισό του μισού αιώνα μας, και στη συνέχεια ήρθε μια αναγέννηση. Τις τελευταίες δύο δεκαετίες ολοκληρώθηκε ο περιοδικός πίνακας μέχρι τον ατομικό αριθμό 98, με την προσθήκη του τεχνητίου (43), του προμηθίου (61), του αστατίνης (85), του φραγκίου (87), του ποσειδώνιου (93), του πλουτωνίου (94), του αμερικίου (95), του κιουρίου (96), του βερκελίου (97) και του καλιφορνίου (98). Οι φασματοσκοπικές μελέτες και οι μελέτες περίθλασης της δομής των μορίων και των κρυστάλλων έχουν παράσχει μια διεισδυτική εικόνα της φύσης των αλληλεπιδράσεων μεταξύ ατόμων και μορίων. Αυτό έχει συνδυαστεί με την κβαντομηχανική για να δώσει μια ευρεία και ισχυρή ηλεκτρονική θεωρία του σθένους και του χημικού συνδυασμού, επιτρέποντας τη συσχέτιση της δομής και των ιδιοτήτων των ανόργανων ουσιών καθώς και των οργανικών ουσιών. Η θεωρία του συντονισμού των μορίων, με τη σύνδεση μεταξύ δύο ή περισσότερων δομών δεσμού σθένους έχει βρει πολύτιμες εφαρμογές τόσο στην ανόργανη όσο και στην οργανική χημεία.

Σχήμα: Μοριακή δομή ενός υδρογονάνθρακα, του Ισοβουτανίου. Είναι μια απ’ τις πολλές τέτοιες δομές με τις οποίες ασχολούνται οι οργανικοί χημικοί. Στο δεξιό μέρος του σχήματος, τα άτομα και οι μεταξύ τους αποστάσεις στο μόριο φαίνονται σε σωστή αναλογία. Στο αριστερό μέρος του σχήματος, ένα διάγραμμα δείχνει τη σκελετική γεωμετρία του μορίου.

Τα τελευταία χρόνια, η πρακτική ανόργανη χημεία αναπτύχθηκε ραγδαία. Έχουν δημιουργηθεί πολλές νέες και σημαντικές ενώσεις φθορίου και πυριτίου (φθοράνθρακες, πυρίτια). Η παραγωγή πλουτωνίου και η ελεγχόμενη απελευθέρωση ατομικής ενέργειας συνοδεύτηκαν από εκτεταμένες χημικές μελέτες του ουρανίου και των υπερουρανίων στοιχείων, των μετάλλων σπανίων γαιών και των στοιχείων που σχηματίζονται ως προϊόντα σχάσης.

Σχήμα: Το αμινοξύ Αλανίνη, ένα από τα 20 αμινοξέα που συγκροτούν τις πρωτεΐνες.  Όπως και όλα τα άλλα αμινοξέα εκτός από ένα, η αλανίνη έχει 2 στερεοισομερή με σχέση ειδώλου προς αντικείμενο. Η d-Αλανίνη (αριστερά) και η L-Αλανίνη (δεξιά). Αξιοπερίεργο ότι μόνο L αμινοξέα βρίσκονται στις πρωτεΐνες.

Η Χημική θερμοδυναμική – η μελέτη των χημικών επιδράσεων της ενέργειας και της θερμοκρασίας είναι ουσιαστικά μια εξέλιξη του 20ού αιώνα. Είναι αλήθεια ότι ο πρώτος και ο δεύτερος νόμος της θερμοδυναμικής, που ασχολούνται με τη μεταφορά θερμότητας και την εντροπία, είχαν διατυπωθεί το 1851, και ότι ο Josiah Willard Gibbs είχε δημοσιεύσει την αριστουργηματική σειρά εργασιών του σχετικά με την εφαρμογή της θερμοδυναμικής σε χημικά φαινόμενα την περίοδο μεταξύ 1873 και 1878. Αλλά ο αντίκτυπος αυτού του έργου στη χημεία δεν έγινε αισθητός παρά μετά το 1900. Στις αρχές του αιώνα, ο Walter Nernst ανακάλυψε τον τρίτο νόμο της θερμοδυναμικής, που σχετίζεται με τη συμπεριφορά των ουσιών σε χαμηλές θερμοκρασίες, και πολλοί χημικοί, μεταξύ των οποίων αξίζει ιδιαίτερη μνεία ο Gilbert Newton Lewis, εργάστηκαν για να συλλέξουν θερμοδυναμικά δεδομένα και να τα συνδυάσουν σε ένα πρακτικό σύστημα.

Η κβαντική στατιστική μηχανική έχει δείξει πώς η γνώση των διατομικών αποστάσεων και των σταθερών δύναμης που λαμβάνονται από σπετροσκοπικές μελέτες και μελέτες περίθλασης μπορεί να χρησιμοποιηθεί στην εφαρμογή της χημικής θερμοδυναμικής σε πρακτικά προβλήματα

Στο σχεδιασμό βιομηχανικών εγκαταστάσεων, ο σύγχρονος χημικός, ειδικά ο χημικός πετρελαίου, μπορεί να βασίζεται σε θερμοδυναμικές πληροφορίες που λαμβάνονται μέσω υπολογισμών από τις διατομικές αποστάσεις στα μόρια.

Πληροφορίες σχετικά με τις θερμοδυναμικές ιδιότητες των ουσιών, ειδικά την απόλυτη εντροπία, για την εφαρμογή του τρίτου νόμου, συχνά λαμβάνονται μόνο μέσω μετρήσεων που πραγματοποιούνται σε πολύ χαμηλές θερμοκρασίες. Στις αρχές του τρέχοντος αιώνα, ο Kamerlingh Ónnes, επεκτείνοντας το πρωτοποριακό έργο του Sir James Dewar, πέτυχε θερμοκρασίες ελαφρώς κάτω από 1 βαθμό Κέλβιν με την εξάτμιση υγρού ηλίου. Για κάποιο χρονικό διάστημα φαινόταν αδύνατο να επιτευχθεί μια πιο κοντινή προσέγγιση στο απόλυτο μηδέν. Στη συνέχεια, ο William F. Giauque πρότεινε το 1924 και αργότερα εφάρμοσε μια νέα μέθοδο – την ψύξη με απομαγνήτιση. Με αυτήν την τεχνική, αυτός και άλλοι ερευνητές κατάφεραν να φτάσουν σε θερμοκρασίες έως και 0,01 βαθμούς Κελσίου.

Έτσι, η χημική θερμοδυναμική έχει αναπτυχθεί ραγδαία σε σημείο όπου είναι δυνατή η κατασκευή πινάκων των θερμοδυναμικών συναρτήσεων των χημικών ουσιών. Με τη βοήθεια αυτών των πινάκων, μπορεί να γίνει μια αξιόπιστη πρόβλεψη για το αν οποιαδήποτε χημική αντίδραση που περιλαμβάνει αυτές τις ουσίες μπορεί να πραγματοποιηθεί ή είναι θερμοδυναμικά αδύνατη. Αυτή η πρόβλεψη, ωστόσο, δεν ικανοποιεί τον χημικό. Θέλει επίσης να μάθει αν η αντίδραση θα προχωρήσει αρκετά γρήγορα ώστε να παρέχει μια ικανοποιητική απόδοση του προϊόντος στον διαθέσιμο χρόνο. Η μελέτη της ταχύτητας των χημικών αντιδράσεων είναι ένας άλλος σημαντικός κλάδος της φυσικοχημείας. Σε αυτόν τον τομέα έχει σημειωθεί κάποια πρόοδος, αλλά ο στόχος της διατύπωσης μιας πλήρους θεωρίας της κινητικής των αντιδράσεων, ανάλογης με το πλέον ουσιαστικά ολοκληρωμένο σύστημα της χημικής θερμοδυναμικής, φαίνεται να βρίσκεται πολύ μπροστά.

Τι θα φέρουν τα επόμενα 50 χρόνια; Πόση μεγαλύτερη κατανόηση και γνώση των χημικών ουσιών από ό,τι έχουμε τώρα θα έχει ο χημικός του έτους 2000; Μπορούμε να ελπίζουμε ότι θα έχει αποκτήσει τόσο διεισδυτική γνώση των δυνάμεων μεταξύ ατόμων και μορίων που θα του επιτρέψει να προβλέψει τον ρυθμό οποιασδήποτε χημικής αντίδρασης με λογική αξιοπιστία. Για να το κάνει αυτό, θα πρέπει να ανακαλύψει πώς λειτουργούν οι καταλύτες στην επιτάχυνση των χημικών αντιδράσεων. Προς το παρόν, κανείς δεν γνωρίζει γιατί ένας συγκεκριμένος καταλύτης είναι αποτελεσματικός για μια συγκεκριμένη αντίδραση. Η παρασκευή καταλυτών είναι ουσιαστικά μια εμπειρική τέχνη. Ίσως στον επόμενο μισό αιώνα οι χημικοί θα καταφέρουν να παρασκευάσουν καταλύτες κατά παραγγελία. Επιπλέον, ο χημικός του μέλλοντος μπορεί κάλλιστα να είναι σε θέση να χρησιμοποιήσει νέα βοηθήματα για να προκαλέσει την πραγματοποίηση επιθυμητών χημικών αντιδράσεων. Ένα από αυτά τα βοηθήματα θα μπορούσε να είναι οι ακτίνες υψηλής ενέργειας – σωματίδια άλφα, ηλεκτρόνια, ποζιτρόνια, ακτίνες γάμμα – που διατίθενται από το σωρό ουρανίου.

Καθώς αναπτύσσονται νέα υλικά ικανά να αντέχουν σε πολύ υψηλές θερμοκρασίες και πιέσεις, μπορούν να συμβούν νέες χημικές αντιδράσεις. Και η ανάπτυξη μιας καλύτερης κατανόησης της σχέσης μεταξύ της μοριακής δομής και των χημικών και φυσικών ιδιοτήτων των ουσιών θα πρέπει να επιτρέψει προβλέψεις να γίνουν εκτιμήσεις σχετικά με τους τύπους νέων ουσιών που πρέπει να συντεθούν για διάφορους ειδικούς σκοπούς.

Η πρόσφατη επιτυχημένη ανάπτυξη πολύτιμων νέων ενώσεων πυριτίου και φθορίου υποδηλώνει ότι και άλλα στοιχεία μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε πρόσθετες χρήσεις. Η χημεία πολύ μεγάλων ανόργανων μορίων έχει παραμεληθεί. Μπορούμε να προσβλέπουμε ιδιαίτερα στην πρόοδο στη μελέτη και χρήση ενώσεων στοιχείων που έχουν ισχυρή τάση να υπάρχουν σε μεγάλα μόρια, κυρίως φώσφορο, βανάδιο, μολυβδαίνιο, βολφράμιο και ταντάλιο.

Τα μέταλλα αποτελούν μια μεγάλη κατηγορία ουσιών που αξίζει πιο εμπεριστατωμένης μελέτης από τους χημικούς. Τα οργανικά και τα συνηθισμένα ανόργανα υλικά έχουν διερευνηθεί επιμελώς χρόνο με το χρόνο, αλλά τα μέταλλα και τα κράματά τους, συμπεριλαμβανομένων των μεσομεταλλικών ενώσεων, έχουν παραμεληθεί. Το επόμενο μισό του αιώνα θα πρέπει να δει την ανάπτυξη μιας στέρεης θεωρίας της δομικής χημείας των μεταλλικών ουσιών. Η μεταλλογραφία θα γίνει έτσι επιστήμη και η απλή σύνθεση νέων κραμάτων με ειδικές ιδιότητες και πολύτιμες χρήσεις θα καταστεί δυνατή

Στην οργανική χημεία υπάρχει ένας τομέας με εξίσου ευρύ περιθώριο προόδου: η διερεύνηση της δομής των φυσιολογικά ενεργών ουσιών, ιδιαίτερα των βιταμινών και των φαρμάκων, και η σύνθεση νέων. Αυτό το έργο έχει παρεμποδιστεί από την έλλειψη μιας θεωρίας για τη μοριακή δομική βάση της φυσιολογικής δραστηριότητας. Το επόμενο μισό αιώνα θα πρέπει να γίνει μάρτυρας της ανάπτυξης μιας τέτοιας θεωρίας. Αυτό θα περιλαμβάνει επίσης την επίλυση του προβλήματος της δομής των πρωτεϊνών, των νουκλεϊκών οξέων και άλλων μακρομοριακών συστατικών των ζωντανών οργανισμών, συμπεριλαμβανομένων των ενζύμων και τελικά των γονιδίων. Όταν ο μηχανισμός δράσης των φαρμάκων έχει διευκρινιστεί, θα είναι δυνατό για τους χημικούς να συμβάλουν όλο και περισσότερο στο πρόβλημα της καλής υγείας και του ελέγχου των σωματικών και ψυχικών ασθενειών. Αντί να συνθέτουν τυχαία μεγάλο αριθμό ουσιών, ο χημικός θα είναι σε θέση να σχεδιάσει τη μοριακή δομή της πιο πιθανής ουσίας για κάθε χρήση και να τη συνθέσει για δοκιμή.

Οι χημικές ιδιότητες της ύλης έχουν μελετηθεί εδώ και αιώνες, ωστόσο η χημεία, όπως την σκεφτόμαστε σήμερα, είναι μια όχι και τόσο νέα, πλην όμως ταχέως μεταβαλλόμενη επιστήμη. Η πρώτη χημεία του είδους που θεωρούμε σημαντική σήμερα ξεκίνησε πριν από περίπου δύο αιώνες με το έργο του Lavoisier, το οποίο κατέδειξε τον ρόλο του οξυγόνου στην καύση. Οι σημαντικές πρόοδοι από τότε εξαρτήθηκαν όλες από ποσοτική συλλογιστική. Κατά κάποιο τρόπο, ο Lavoisier και οι χημικοί της εποχής του ήταν οι δικαιούχοι των πρώτων ακριβών επιστημονικών οργάνων. Αλλά ακόμη και για έναν αιώνα μετά τον Lavoisier, το έργο των χημικών συνίστατο κυρίως στην ανάλυση και σύνθεση εκατοντάδων μικρών ανόργανων και οργανικών μορίων. Είναι αμφίβολο αν κάποιος από τους χημικούς του δέκατου ένατου αιώνα θα μπορούσε καν να φανταστεί ότι μέχρι τη δεκαετία του 1970 μερικές από τις σημαντικές συνεισφορές των χημικών θα ήταν η ανάπτυξη του τρανζίστορ, των πλαστικών και των θαυματουργών φαρμάκων· ότι οι χημικοί θα δημιουργούσαν μια κρίση με τα χημικά φυτοφάρμακα και στη συνέχεια θα επινόησαν νέα και ασφαλέστερα· ή ότι θα ασχολούνταν με περιβαλλοντικά ζητήματα παραγωγής ενέργειας, αντισύλληψης και παραγωγής τροφίμων, ή ότι θα ηγούνταν των ερευνών που έχουν οδηγήσει σε μια λεπτομερή κατανόηση των δομών των γιγάντιων βιοπολυμερών και του τρόπου λειτουργίας τους.

Κάθε επιστήμη κυριαρχείται από μερικούς σπουδαίους άνδρες και γυναίκες που έχουν κάνει σημαντικές συνεισφορές σε αυτήν την επιστήμη, έχουν δώσει προοπτική στις προσπάθειες επέκτασης των δυνατοτήτων της και έχουν γράψει με σαφήνεια και διορατικότητα στη φύση του κλάδου τους

Δύο τέτοιοι άνδρες, ο Linus Pauling και ο George Wald, έγραψαν τα δύο πρώτα άρθρα σε αυτή τη σειρά αναγνωσμάτων. Τότε αρχές του 1950, ο καθένας ανεξάρτητα έκανε ένα βήμα πίσω από το πειραματικό του έργο για αρκετό καιρό ώστε να εξετάσει την κατάσταση του τομέα του. Και οι δύο παρέχουν μια εξαιρετική ιστορική προοπτική και μια επισκόπηση του περιεχομένου των επιστημονικών κλάδων τους, όπως φαινόταν το 1950 (Pauling) και το 1954 (Wald). Τα άρθρα αυτών των δύο επιστημόνων έχουν επιλεγεί όχι μόνο λόγω της λαμπρότητας του έργου τους και του εύρους της κατανόησής τους για τους κλάδους τους, αλλά και επειδή αντιπροσωπεύουν, μεταξύ τους, το πλήρες φάσμα του τομέα της χημείας όπως το βλέπουμε σήμερα. Οι πρώτες συνεισφορές του Pauling αφορούσαν κυρίως τον τομέα της κβαντομηχανικής. Το πρώιμο έργο του σχετικά με τη φύση του χημικού δεσμού παρείχε τη βάση για μεγάλο μέρος της κατανόησής μας για τις ιδιότητες της ύλης. Πιο πρόσφατα, έχει κάνει σημαντικές συνεισφορές στη βιολογία, τον κλάδο του George Wald. Ο Wald έχει διευκρινίσει τον μοριακό μηχανισμό της όρασης και έχει γράψει εκτενώς στον τομέα της βιοχημείας.

Καθένας πρότεινε, στα άρθρα που αναδημοσιεύονται τώρα σε αυτή τη σειρά ανάγνωσης, τομείς στους οποίους θα μπορούσε να σημειωθεί ταχεία πρόοδος στο μέλλον. Επειδή σήμερα είμαστε κομμάτι αυτού του μέλλοντος, είναι συναρπαστικό να κοιτάξουμε πίσω στην οπτική γωνία αυτών των κορυφαίων επιστημόνων.

Στο βιβλίο «Χημεία», ο Linus Pauling εντοπίζει συνοπτικά την προέλευση της χημείας από το πρωτοποριακό έργο του Lavoisier μέχρι τα μέσα του 20ού αιώνα. Μια σύγκριση του υλικού που περιγράφεται σε αυτό το άρθρο του 1950 με μέρος του περιεχομένου των άρθρων σε άλλα άρθρα του βιβλίου ανάγνωσης είναι ενδιαφέρουσα. Για παράδειγμα, μια σύγκριση του περιοδικού πίνακα που χρησιμοποίησε ο Pauling στο άρθρο του με αυτόν που χρησιμοποίησε ο Frieden στο άρθρο «Τα Χημικά Στοιχεία της Ζωής», διηγείται πως ένα από τα στοιχεία το αργόν είχε αποκτήσει ένα νέο σύμβολο, Ar, αντί για A, και ότι είχαν ανακαλυφθεί πέντε επιπλέον στοιχεία. Ο Pauling αναφέρει τη σημασία των καταλυτών στο χημικό εργαστήριο και στη χημική βιομηχανία. Τα άρθρα των Faller, Haensel και Burwell, και Phillips, δείχνουν ότι τότε στα μέσα της 10ετίας του 70, όχι μόνο είχε σημειωθεί μεγάλη πρόοδος στην κατανόηση του μηχανισμού της κατάλυσης από απλές μεταλλικές επιφάνειες, αλλά ότι ο μηχανισμός με τον οποίο λειτουργεί ο πιο περίπλοκος από όλους τους καταλύτες, τα ένζυμα, είχε προσδιοριστεί για ένα ένζυμο – τη λυσοζύμη. Ο Pauling επισημαίνει ότι οι βάσεις της θερμοδυναμικής ολοκληρώθηκαν ουσιαστικά στις αρχές αυτού του αιώνα. Τα άρθρα των Hubbert και Summers, αριθμοί, καταδεικνύουν μια νέα ώθηση για τη θερμοδυναμική ειδικότερα και την επιστήμη γενικότερα – την εφαρμογή της επιστημονικής γνώσης στην επίλυση κρίσιμων περιβαλλοντικών προβλημάτων, και συγκεκριμένα, των ενεργειακών μας πόρων.

Το 1950, είχε συντεθεί ένας μεγάλος αριθμός πολυμερών με σημαντική πρακτική χρήση και ήταν διαθέσιμη η κατανόηση των δομών των απλών βιοπολυμερών. Ένα άρθρο του Merrifield, καταδεικνύει ότι τότε οι χημικοί μπορούν να συνθέσουν όχι μόνο βακελίτη, αλλά και ένα από τα πιο σύνθετα πολυμερή στη Γη, μια πρωτεΐνη. Σήμερα κατανοούμε όχι μόνο τη δομή του μεθανίου αλλά και τη γεωμετρία του γενετικού υλικού, του DNA. Η κατανόησή μας για την ηλεκτρονική δομή των μορίων έχει εμβαθύνει αισθητά με την έλευση των υπολογιστών υψηλής ταχύτητας, οι οποίοι έχουν επιτρέψει ακριβείς υπολογισμούς μεγαλύτερων μορίων. Τα κομψά και ενημερωτικά διαγράμματα στο άρθρο του Wahl μαρτυρούν τη δύναμη αυτών των νέων μεθόδων. Στο άρθρο του, ο Pauling αναφέρει την ανάπτυξη νέων αναλυτικών μεθόδων όπως η χρωματογραφία. Η Ενότητα σχετικά με τις ενόργανες μεθόδους ανάλυσης, παρέχει μια σειρά από κομψά παραδείγματα για το πώς διάφορες αναλυτικές τεχνικές – κρυσταλλογραφία ακτίνων Χ, φασματοσκοπία υπέρυθρης ακτινοβολίας, αεριοχρωματογραφία και φασματομετρία μάζας – έχουν αναπτυχθεί ή επεκταθεί για να αποδώσουν τις πιο λεπτομερείς πληροφορίες που είναι διαθέσιμες για τη μοριακή δομή.

Ο Pauling έκανε μια σειρά από προβλέψεις το 1950 σχετικά με το πού θα μπορούσε να βρίσκεται η χημεία το έτος 2000. Βρισκόμαστε τώρα στα μισά αυτού του χρονικού διαστήματος. Είναι ενδιαφέρον, επομένως, να δούμε πόσο μακριά έχουμε σήμερα φτάσει στην επίτευξη των στόχων που ήλπιζε τότε ο Pauling.

Η πρώτη πρόβλεψη ήταν ότι θα μπορούσαμε να προσδιορίσουμε τον ρυθμό οποιασδήποτε χημικής αντίδρασης από μια θεμελιώδη κατανόηση των δυνάμεων μεταξύ των ατόμων. Γενικά, αυτός ο στόχος δεν είχε επιτευχθεί ακόμη στα μέσα του 70. Αν και στο άρθρο του Phillips, δείχνει ότι τουλάχιστον για ένα ένζυμο, έχουμε μια λεπτομερή κατανόηση του πώς αυτός ο συγκεκριμένος καταλύτης, η λυσοζύμη, δρα για να διασπάσει έναν ομοιοπολικό δεσμό, αυτή η κατανόηση δεν είχε τότε επιτρέψει ακόμη τον υπολογισμό του ρυθμού κατάλυσης. Μελέτες που βρίσκονταν σε εξέλιξη με χρήση μοριακών δεσμών ήλπιζαν ότι σύντομα θα παρέχουν τις απαραίτητες πληροφορίες υποβάθρου για να καταστούν δυνατές οι προβλέψεις των ρυθμών αντίδρασης για πολύ απλά συστήματα. Ούτε ήταν δυνατόν μέχρι τότε να συντεθούν καταλύτες κατά παραγγελία. Οι Haensel και Burwell επισημαίνουν σε ένα άρθρο ότι υπάρχουν αμέτρητες αντιδράσεις για τις οποίες δεν υπήρχαν διαθέσιμοι καταλύτες.

Ο Pauling προέβλεψε ότι ένας μεγάλος αριθμός ανόργανων πολυμερών θα συντίθετο κατά τη διάρκεια του δεύτερου μισού του 20ου αιώνα. Η πρόβλεψη ότι η δομή των πρωτεϊνών και των νουκλεϊκών οξέων θα καθοριζόταν έχει επίσης πραγματοποιηθεί. Ήταν λογικό να υποθέτει κάποιος ότι η δομή των γονιδίων θα είναι γνωστή πριν περάσει το τελευταίο τέταρτο του αιώνα. Αυτές στάθηκαν μια σειρά πραγματικά αξιοσημείωτων προβλέψεων από έναν πραγματικά αξιοσημείωτο επιστήμονα.

Ο George Wald έγραψε το βιβλίο «Η Προέλευση της Ζωής» το 1954, μόλις τέσσερα χρόνια αφότου ο Pauling έγραψε το άρθρο του. Βιολόγος στο Χάρβαρντ, ο Wald έχει γοητευτεί από τις χημικές πτυχές της βιολογίας και έχει αφιερώσει μεγάλο μέρος των προσπαθειών του στη διαλεύκανση του μοριακού μηχανισμού της όρασης. Η ευελιξία που απαιτείται για την επίλυση ενός τόσο σύνθετου προβλήματος καταδεικνύεται από το εξαιρετικό έργο του Wald, μέρος του οποίου περιγράφεται στο άρθρο «Μοριακά Ισομερή στην Όραση», των Hubbard και Kropf. Οι μελέτες του Wald απαιτούσαν γνώση της μοριακής φασματοσκοπίας και της μοριακής δομής, καθώς και της φυσιολογίας του ματιού. Έτσι, ο Γουόλντ εργάστηκε εκεί όπου η χημεία και η βιολογία ενώνονται, και οι ιδέες και τα ενδιαφέροντά του είναι αντιπροσωπευτικά αυτής της διεπαφής.

Στο άρθρο του πριν από είκοσι χρόνια, ο Wald ενδιαφερόταν περισσότερο για τη χημική εξέλιξη των οργανικών μορίων από τα οποία δομείται η ζωή. Εκείνη την εποχή, οι πρωτοταγείς δομές των υδατανθράκων, των λιπών, των πρωτεϊνών και των νουκλεϊκών οξέων ήταν γνωστές. Δεν αναφέρονται πληροφορίες αλληλουχίας ούτε μορφές δευτεροταγών δομών στο άρθρο του Wald, αλλά η άλφα έλικα ήταν μια πρόσφατη ανακάλυψη (βλ. άρθρο «Πρωτεΐνες», του P. Doty), και οι αλληλουχίες των δύο αλυσίδων ινσουλίνης είχαν μόλις προσδιοριστεί από τον Sanger και τους συναδέλφους του (βλ. «Το Μόριο Ινσουλίνης» του E. O. P. Thompson, Scientific American). Η οπτική γωνία του Wald ήταν ευρύτερη: πώς δημιουργήθηκαν τα στοιχειώδη μόρια της ζωής;

Ο Ρώσος βιοχημικός A. I. Oparin δημοσίευσε το βιβλίο «Η Προέλευση της Ζωής» το 1936. Ήταν από τις πρώτες αναφορές για μια περίοδο χημικής εξέλιξης στην ιστορία της Γης. Πιο κοντά στην εποχή του άρθρου του Wald, η πρώτη εργαστηριακή επίδειξη της δυνατότητας αυθόρμητης δημιουργίας των οργανικών μορίων της ζωής έγινε από τον S. L. Miller, ο οποίος έδειξε ότι ένα μείγμα υδρατμών (H₂O), μεθανίου (CH₄), αμμωνίας (NH₃) και υδρογόνου (H₂), όταν κυκλοφορούσε μέσα από έναν ηλεκτρικό σπινθήρα, είχε ως αποτέλεσμα τον σχηματισμό γλυκίνης και αλανίνης, δύο αμινοξέων. Τώρα, σχεδόν όλα τα αμινοξέα έχουν σχηματιστεί, μέσω μικρών τροποποιήσεων αυτού του πειράματος, από τις χημικές ουσίες που πιστεύεται ότι υπήρχαν στην πρώιμη ατμόσφαιρα της Γης (βλ. άρθρο των Eglinton και Calvin, «Χημικά Απολιθώματα», για άλλες τρέχουσες έρευνες χημικής εξέλιξης).

Ο Wald συζητά την πιθανότητα απίθανων γεγονότων σε σχέση με τον σχηματισμό οργανικών μορίων και παρέχει στον αναγνώστη μια κομψή εισαγωγή στη βάση του δεύτερου νόμου της θερμοδυναμικής (ο οποίος είναι ένα σημαντικό θέμα στο άρθρο «Πάγος», του L. K. Runnels). Ο Wald υποστηρίζει ότι με αρκετό χρόνο απίθανα γεγονότα μπορούν να γίνουν πιθανά και ότι θα συμβούν διαδικασίες όπως η χημική εξέλιξη. Συζητά τον ανταγωνισμό μεταξύ των δυνάμεων που συσσωματώνουν τα μόρια σε μεγαλύτερες δομές και των δυνάμεων διαταραχής, αναφερόμενος στη συνεχή κίνηση των μορίων και επομένως στη δυναμική των εξελικτικών διαδικασιών (βλέπε άρθρο των B. J. Alder και T. E. Wainwright, «Μοριακές Κινήσεις»).

Ο Wald σημειώνει ότι η δομή είναι εξίσου σημαντική με τη σύνθεση και ότι η γνώση της τρισδιάστατης δομής μπορεί να προσφέρει γνώσεις σχετικά με την προέλευση της ζωής. Είναι ενδιαφέρον να δούμε πώς άλλοι συγγραφείς σε αυτό το βιβλίο έχουν διερευνήσει αυτές τις ιδέες (βλ. άρθρο του R. E. Dickerson, «Η Δομή και η Ιστορία μιας Αρχαίας Πρωτεΐνης», και άρθρο του D. C. Phillips, «Η Τρισδιάστατη Δομή ενός Μορίου Ενζύμου»). Ο Wald χρησιμοποιεί τα ινίδια κολλαγόνου ως παράδειγμα του πώς οι δομές μπορούν να προκύψουν από τις δυνάμεις της «ενσωμάτωσης» ή της αυθόρμητης συσσωμάτωσης (βλ. άρθρο του P. Doty, «Πρωτεΐνες», στο οποίο συζητείται η δομή του κολλαγόνου). Αναφέρεται επίσης σε υδρόφοβες αλληλεπιδράσεις σε μια συζήτηση για τη συσσωμάτωση λεκιθινών και κεφαλινών σε σχήματα μυελίνης (τέτοιες αλληλεπιδράσεις περιγράφονται πληρέστερα στο άρθρο του C. F. Fox, “Η Δομή των Κυτταρικών Μεμβρανών”).

Το τελευταίο μέρος του άρθρου του Wald περιέχει μια αξιοσημείωτη συζήτηση για τις ενεργειακές απαιτήσεις της ζωής. Ο Wald είναι πεπεισμένος ότι η ζωή προήλθε ως μια διαδικασία ζύμωσης που χρησιμοποιούσε την ενέργεια που ήταν αποθηκευμένη στα οργανικά μόρια που σχηματίστηκαν από τη χημική εξέλιξη. Πριν από την εξάντληση αυτών των οργανικών μορίων, η φωτοσύνθεση εξελίχθηκε και τα κύτταρα έγιναν ανεξάρτητα από τα αποθηκευμένα οργανικά μόρια για την ενέργειά τους. Αντίθετα, συνέθεσαν τα δικά τους οργανικά μόρια χρησιμοποιώντας την ενέργεια του ηλιακού φωτός και του διοξειδίου του άνθρακα, CO₂, στην ατμόσφαιρα. Η φωτοσύνθεση παρήγαγε μοριακό οξυγόνο, O₂, στην ατμόσφαιρα, και τελικά η αναπνοή εξελίχθηκε ως μια πολύ πιο αποτελεσματική διαδικασία για την παραγωγή ενέργειας (βλ. άρθρο των P. Cloud και A. Gibor, “Ο Κύκλος του Οξυγόνου”).

Ο μοριακός μηχανισμός παραγωγής και μεταφοράς ενέργειας στο ζωντανό κύτταρο παραμένει ένα από τα συναρπαστικά θέματα μελέτης στη σύγχρονη χημεία (όπως δείχνουν οι Cloud και Gibor στο “Ο Κύκλος του Οξυγόνου” και όπως δείχνει ο R. E. Dickerson στο “Η Δομή και η Ιστορία μιας Αρχαίας Πρωτεΐνης”). Ο μηχανισμός της όρασης μελετάται εκτενώς. Η κυτταρική μεμβράνη έχει γίνει το επίκεντρο μεγάλου μέρους του τρέχοντος ενδιαφέροντος στη νευροβιολογία (βλ. άρθρο του C. F. Fox, “Η Δομή των Κυτταρικών Μεμβρανών”).

Έτσι, όπως ο Linus Pauling, ο George Wald μπόρεσε, πριν από είκοσι χρόνια, να δώσει μια προοπτική της επιστήμης που ήταν αξιοσημείωτα ακριβής στην πρόβλεψη των σημερινών ενδιαφερόντων.