Tag: fosfor

Światło w brzuchu giganta, czyli o fosforze na Enceladusie

Mirosław Dworniczak5 komentarzy

W dawnych czasach Ziemię zamieszkiwali giganci. Pochodzili od bogów, ale w przeciwieństwie do nich byli śmiertelni. Wyglądali dość diabolicznie, byli kudłaci, a zamiast nóg mieli węże. Jednym z nich był Enkelados. W czasie gigantomachii, wielkiej bitwy gigantów z bogami o władanie kosmosem, Enkelados walczył z wielką Ateną. Zabity w walce został rzucony na Ziemię i pogrzebany. I tu źródła podają różne miejsca – Sycylia albo Etna. Tak czy inaczej pod wulkanem.

Fontanna Enkeladosa (fragment), park w Wersalu (Paryż), źródło: Wikimedia, licencja: GNU FDL 1.2

Nic więc dziwnego, że jeden ze stu kilkudziesięciu naturalnych satelitów planety Saturn (jego greckim odpowiednikiem jest Kronos, z którego krwi zrodził się wspomniany gigant), zyskał nazwę Enceladus. Jeśli weźmiemy pod uwagę rozmiary, nie należy on do gigantów, jest szósty pod względem wielkości spośród księżyców Saturna, ma średnicę ok. 500 km. Enceladus to księżyc lodowy. Jego powierzchnia jest usiana kraterami, występują tam też gejzery. Zjawisko to jest znane pod nazwą kriowulkanizmu. Widać, że duch pogrzebanego pod którymś z wulkanów Enkeladosa ujawnia swoją prawdziwą naturę.

Gejzery na Enceladusie, źródło: Wikimedia, licencja: CC BY-SA 2.0

Na temat Enceladusa wiemy stosunkowo dużo, a to dzięki badaniom sondy Cassini-Huygens. Wystrzelona w 1997 roku miała za zadanie eksplorację Saturna, jego pierścieni oraz satelitów. Wyniki naukowe misji były wprost rewelacyjne. Sonda Cassini odkryła w pobliżu południowego bieguna Enceladusa gejzery, z których uwalniały się duże ilości materii. Uczeni analizujący wyniki badań uznali, że jest to potwierdzenie hipotezy mówiącej o tym, że pod lodową powierzchnią tego księżyca znajduje się duży ocean zawierający spore ilości ciekłej słonej wody. W wyrzucanych przez gejzery strugach odkryto gazowy wodór, który może powstawać tam w wyniku aktywności hydrotermalnej. Metody spektrometryczne pozwoliły także na odkrycie węglowodorów oraz dwutlenku węgla. Uznano, że obecność całego szeregu związków, zarówno nieorganicznych, jak też organicznych, może być oznaką istnienia pod lodową pokrywą jakichś prostych form życia. Jak dotąd wykryto jony sodu i potasu, węglany i wodorowęglany. Odczyn roztworu jest lekko alkaliczny. W czerwcu br. w czasopiśmie Nature wielonarodowy zespół autorów opublikował bardzo ciekawy artykuł dotyczący wyników badań wykonanych przez analizator pyłu kosmicznego (Cosmic Dust Analyzer, CDA). Urządzenie to jest tak naprawdę zaawansowanym spektrometrem mas. Uzyskane rezultaty zaskoczyły naukowców. Widma mas pokazały, że ocean Enceladusa jest naprawdę solidnie zasolony, a wśród obecnych tam związków znaleziono, o dziwo, fosforany (głównie sodu). Nie znaleziono natomiast związków fosforu(III), co nie dziwi, ponieważ nie są one trwałe w roztworach alkalicznych.

Zważywszy na to, że już jakiś czas temu znaleziono tam związki azotu, można powiedzieć, że odkrycie fosforu dopełniło zestaw pierwiastków ważnych dla życia. Mamy tam bowiem węgiel, wodór, tlen, azot i fosfor. Warte podkreślenia jest to, że rozpuszczalne związki fosforu zostały po raz pierwszy wykryte w oceanie pozaziemskim. Przypomnę tylko, że fosfor wchodzi w skład bardzo ważnych związków spotykanych w organizmach żywych. Pisałem o tym jakiś czas temu. ATP, DNA, RNA, fosfolipidy… wszystkie one zawierają atomy fosforu.

Podsumujmy: mamy tam „zupkę” złożoną z wielu soli, a do tego takie związki organiczne jak proste aminy (dwumetylo- lub dwuetyloamina) oraz związki karbonylowe (kwas i aldehyd octowy). Prawdopodobnie występują tam też proste związki aromatyczne typu aniliny czy kwasu benzoesowego. Zestaw znajdowanych tam związków organicznych jest zadziwiająco zbliżony do tego, który można wykryć w znajdujących się na Ziemi kominach hydrotermalnych. Zjawiska na Ziemi są w sumie wynikiem ogrzewania skorupy ziemskiej m.in. przez rozpad pierwiastków promieniotwórczych. W przypadku Enceladusa brak takiego źródła energii. Przypuszcza się, że tam źródłem ciepła są tzw. siły pływowe. Właśnie stąd mamy na powierzchni tego księżyca tzw. tygrysie paski, ale też ciepło utrzymujące podlodowy ocean w stanie płynnym.

Działalność hydrotermalna na Enceladusie (wizja artystyczna), źródło: NASA-JPL,
licencja: domena publiczna

Z wyników tych analiz nie można w żadnym wypadku wyciągać wniosków co do istnienia jakichkolwiek pozaziemskich form życia, nawet prymitywnego, na Enceladusie.

Co dalej? NASA pracuje już nad projektem badań tego księżyca. Został on umieszczony na liście tzw. programu Flagship, który zaczął się jeszcze w latach 70. XX w., od projektu Voyager. Misja nr 9 na tej liście, wstępnie nazwana Enceladus Orbilander, jest planowana na koniec lat 30., przy czym próbnik miałby rozpocząć badania gejzerów na początku lat 50., a po półtorarocznym orbitowaniu planowane jest lądowanie na powierzchni.

Jednak od tego dzieli nas co najmniej 20 lat. Może do tego czasu Marcin Czerwiński napisze coś o krwi Enkeladosa (w końcu zrodził się z krwi Kronosa), a Piotr Gąsiorowski umieści gigantów w jakimś drzewie filogenetycznym. A tytułowe światło nawiązuje oczywiście do etymologii słowa „fosfor”, o którym pisałem tutaj.

Literatura dodatkowa

Cosmic Dust Analyzer

Związki organiczne na Enceladusie

Przegląd związków odkrytych na Enceladusie

Jak grawitacja ogrzewa wnętrze tego księżyca

Czy na Enceladusie jest życie?

Fosfor – ciekawy, ważny, niebezpieczny

Mirosław DworniczakLeave a comment

Wszystkie barwy fosforu

Fosfor, który w swojej pracowni uzyskał Hennig Brand, był najmniej trwałą odmianą białą (tak naprawdę jest on lekko żółtawy). Jest to jedna z odmian alotropowych tego pierwiastka. Cóż to takiego ta alotropia? Pisałem o tym w tekście o guzikach żołnierzy Napoleona. W skrócie: alotropia to zjawisko występowania w danym stanie skupienia jakiegoś pierwiastka w różnych odmianach różniących się właściwościami fizycznymi i częściowo chemicznymi. Klasycznym przykładem alotropii jest diament i grafit – dwie odmiany węgla. W przypadku fosforu tych odmian jest znacznie więcej. Jeśli fosfor biały będzie się prażyć bez dostępu tlenu, ale w obecności niewielkiej ilości jodu, przejdzie w fosfor czerwony, znacznie trwalszy. W przeciwieństwie do fosforu białego nie jest toksyczny. Gdy z kolei fosfor czerwony będzie się ogrzewać w wysokiej temperaturze w próżni, otrzymamy odmianę fioletową. Ostatnią odmianą jest fosfor czarny, który można otrzymać z białego, ogrzewając go pod ciśnieniem 12 tys. atm. Jest to jedyna odmiana wykazująca pod wysokim ciśnieniem właściwości metaliczne, pozostałe są niemetalami. Poza fosforem białym, który jest bardziej toksyczny niż cyjanek, pozostałe odmiany nie są trujące.

Alotropowe odmiany fosforu: biały, czerwony (granulki), czerwony (kawałek), fioletowy

Źródło: Wikipedia, licencja: CC BY-SA 3.0

Pierwiastek życia

Fosfor jest jednym z pięciu najważniejszych pierwiastków, które uznaje się za niezbędne do życia ziemskiego. Pozostałe to oczywiście węgiel, wodór, tlen i azot. W organizmie człowieka jest go 700-750 g. Większość (ok. 80%) wchodzi w skład związków nieorganicznych tworzących kości oraz zęby (hydroksyapatyt). Pozostałe sto kilkadziesiąt gramów fosforu jest rozmieszczone praktycznie we wszystkich komórkach ciała. Grupa fosforanowa jest elementem spinającym nukleozydy w łańcuch nukleotydowy – w ten sposób powstają cząsteczki DNA i RNA. Z kolei w cząsteczkach ATP (adenozynotrójfosforanu) jest gromadzona energia zużywana potem w procesach metabolicznych w komórce. Jako ciekawostkę można dodać, że ATP nie gromadzi się w komórkach – jest syntetyzowany i zużywany na bieżąco. W ciągu doby organizm człowieka tworzy (i rozkłada) mniej więcej tyle ATP, ile on sam waży. A skoro już mowa o komórce, to jest ona otoczona błoną komórkową, której bardzo istotnym elementem są fosfolipidy. Są one strukturalnie zbliżone do tłuszczów, a w swojej strukturze mają grupę ortofosforanową(V), taką samą, jaka występuje w DNA, RNA i ATP. Z kolei w komórkach nerwowych mamy też fosfolipid – lecytynę, która stanowi ochronę mechaniczną, ale jest też izolatorem elektrycznym, dzięki czemu impulsy nerwowe mogą być przewodzone bez problemu.

Struktura przestrzenna ATP. Czarny – C, niebieski – N, żółty – P, czerwony – O, biały – H

Źródło: Wikipedia, licencja: domena publiczna

Dwie twarze fosforu

Jak widać, wszystkie organizmy żywe potrzebują związków fosforu. Zauważył to m.in. niemiecki chemik, Justus Liebig. Podsypując roślinom źródła tego pierwiastka, którymi w tamtym czasie były mączka kostna oraz ptasie guano, stwierdził, że rośliny zdecydowanie szybciej się rozwijają. Dziś najczęściej stosuje się nawozy, które zawierają trzy ważne składniki – azot, fosfor i potas (znany nawóz: azofoska). Ale fosfor spotykamy niemal wszędzie – od proszków do prania przez mięso i wędliny aż do serów topionych i coli. To jedna, pożyteczna twarz tego pierwiastka.

Niestety, jest też druga, znacznie bardziej ponura. Pociski zapalające zawierające biały fosfor były stosowane już w czasie II wojny światowej, potem w czasie wojny wietnamskiej oraz w Czeczenii, a ostatnio wojska rosyjskie używały go w trakcie wojny w Ukrainie. Ale to niestety nie wszystko. Już ponad 100 lat temu koncerny chemiczne zaczęły syntetyzować niesamowicie toksyczne związki fosforoorganiczne. Działają one bardzo silnie na układ nerwowy człowieka, dlatego zalicza się je do broni masowego rażenia o działaniu paralityczno-drgawkowym. Zapewne słyszeliście takie nazwy jak sarin, soman czy tabun. To właśnie najstarsze znane bojowe środki trujące zawierające fosfor. Niestety, ich otrzymywanie jest względnie proste, dlatego też interesują się nimi także terroryści. W 1995 roku w tokijskim metrze po ataku sarinem zginęło 12 osób, a ponad 5 tys. było hospitalizowanych. Do tej samej grupy zaliczane są nowiczoki – opracowane w Związku Radzieckim związki o działaniu jeszcze silniejszym niż sarin.

Nastolatek ze strefy Gazy leczony po oparzeniach białym fosforem

Źródło: Wikipedia, licencja: CC BY-SA 2.0

Czy jest życie na Wenus?

Trzy lata temu świat obiegła sensacyjna informacja – naukowcy znaleźli ślady życia na Wenus. Tak naprawdę było to jednak coś podobnego do starego dowcipu o tym, jak to na Placu Czerwonym w Moskwie rozdają samochody. Poszukiwanie życia w kosmosie jest bardzo żmudne. Nie polega na grzebaniu w pyle czy też bieganiu z lupą, aby odkryć jakieś bakterie, rośliny czy zwierzęta. Poszukuje się tzw. biosygnatur, czyli informacji o związkach, które są ściśle związane z organizmami żywymi. Jednym z takich związków jest fosfina (PH3), analog amoniaku. Na Ziemi jest ona produktem ubocznym metabolizmu fosforanów przebiegającego w komórkach bakterii beztlenowych. Wenusjańskie życie zniknęło równie szybko, jak się pojawiło. Okazało się bowiem, że sygnały spektroskopowe, które według odkrywców miały pochodzić od fosfiny, tak naprawdę należą do dwutlenku siarki (SO2) i nie są żadną sensacją, bo tego związku jest na Wenus pod dostatkiem. Wydaje się więc, że na odkrycie życia pozaziemskiego będzie trzeba jeszcze poczekać.

Fosfina (fosforowodór) – PH3 – cząsteczka, która namieszała na Wenus

Źródło: Wikipedia, licencja: domena publiczna

Jak z ludzkiego moczu uzyskać srebro – poradnik wielce praktyczny

Mirosław DworniczakLeave a comment

Przyznam, że chciałbym zobaczyć minę Henniga Branda (czasem zapisywanego jako Brandt), gdy któregoś wieczoru w 1669 roku, wszedłszy do swojej pracowni alchemicznej w Hamburgu, zauważył, że wnętrze retorty, w której prowadził od wielu dni eksperyment, jest wypełnione bladozielonym światłem. Co ciekawe – wylot retorty nie był nawet ciepły. Niesamowite delikatne i zimne światło – coś, czego nikt dotąd nie stworzył.

Obraz „The Alchymist” – autor Joseph Wright of Derby (1771)

Licencja: domena publiczna

Ale może najpierw kilka słów o samym alchemiku. Nie znamy dokładnej daty jego urodzenia (ok. 1630), niewiele wiemy o wykształceniu, data śmierci też jest wątpliwa (ok. 1692 albo 1710). Zachowały się natomiast informacje o tym, że brał udział w wojnie trzydziestoletniej. Uszedł szczęśliwie z życiem, a potem zajął się handlem i leczeniem ludzi. Miał do tego wykształcenie? Otóż nie, ale nie przeszkodziło mu to w nazywaniu siebie doktorem i praktykowaniu medycyny. Zarobione pieniądze przeznaczał przede wszystkim na wyposażenie porządnej pracowni alchemicznej. Przy okazji posiadł umiejętność dmuchania szkła i budowania aparatury szklanej. No cóż, w owych czasach alchemicy musieli sobie radzić sami, sklepów ze sprzętem nie było. Zarobki lekarskie nie były chyba imponujące, dlatego też poszukał sobie innego źródła gotówki, a był to posag naprawdę majętnej żony. Hobby alchemiczne było jednak drogie, pieniądze z posagu dość szybko się zaczęły kończyć. Żona alchemika zdążyła mu urodzić dwójkę dzieci, po czym zmarła. Brand miał szczęście, ponieważ poznał kolejną kobietę, jeszcze bardziej bogatą niż pierwsza. Jej syn z pierwszego małżeństwa został asystentem alchemika. Obaj cierpliwie pracowali – jak na alchemików przystało – nad uzyskaniem kamienia filozoficznego. Nie wiedzieć czemu Brand założył, że można go wydzielić z ludzkiego moczu. Czyżby zaintrygowała go barwa? Jedno jest pewne – surowca nie brakło. Pomocnicy zbierali go z całego miasta i znosili do laboratorium. Zanim jednak Brand zaczynał eksperymenty, pozostawiał naczynia z żółtym płynem na słońcu. Podejrzewam, że zapach w okolicy był… no, raczej niezbyt miły.

Tak czy inaczej po latach doświadczeń zupełnym przypadkiem dokonał swojego największego odkrycia. Dziś procedura zastosowana przez Branda jest znana (ale nie próbujcie robić tego w domu!). W pierwszym etapie zagęszczał duże porcje moczu do uzyskania gęstego ciemnego syropu, następnie oddestylowywał z niego czerwonawy olej. Pozostałość po schłodzeniu rozdzielała się na ciemną gąbczastą substancję oraz mieszaninę soli. Sól była usuwana, a czerwony olej mieszany z czarną gąbką i silnie ogrzewany, a następnie prażony przez 16 godzin. W trakcie tej operacji najpierw wydzielały się białe dymy, następnie krople oleju, a na końcu zestalała się biaława substancja o konsystencji wosku – pierwiastkowy fosfor!

Krótka informacja o chemii tego procesu: w moczu obecnych jest wiele związków fosforu (w większości w postaci fosforanów). Zagęszczanie i prażenie powodują z kolei zwęglanie substancji organicznych, które także są zawarte jako metabolity w moczu. Uzyskany węgiel pierwiastkowy redukuje związki fosforowe do pierwiastkowego fosforu (konkretnie do tzw. fosforu białego). Ot i cała chemiczna tajemnica. Warto dodać, że pierwsza część procesu Branda, czyli „dojrzewanie” świeżego moczu, nie ma żadnego wpływu na wydajność procesu otrzymywania fosforu.

Czym jednak było to fascynujące zimne zielonkawe światło, które tak zachwyciło alchemika? Tu nie ma niczego tajemniczego. Biały fosfor jest najbardziej reaktywną odmianą tego pierwiastka (o innych napiszę w części drugiej). Jeśli zostanie on wystawiony na wilgotne powietrze, ulega bardzo powolnemu utlenieniu do szeregu związków. Reakcjom tym towarzyszy emisja światła widzialnego o charakterystycznej barwie. Dlatego też biały fosfor przechowuje się w wodzie – brak dostępu tlenu powoduje, że utlenianie nie zachodzi.

Nazwa fosfor ma pochodzenie starogreckie – słowo φωσφόρος oznacza dosłownie „niosący światło”. Od nazwy pierwiastka pochodzi pojęcie fosforescencji, ale tu muszę ostrzec, że świecenie, które obserwował Brand, nie było fosforescencją, lecz chemiluminescencją. Pierwsze z nich to zjawisko fizyczne, drugie – chemiczne. Chemiluminescencja to proces, w którym reakcja chemiczna powoduje niejako przy okazji wydzielanie światła. Jeśli widzieliście kiedyś latające nocą świetliki, to byliście właśnie świadkami zjawiska chemiluminescencji.

Tak czy inaczej – Brand oczywiście nie otrzymał kamienia filozoficznego. Nie mógł go otrzymać, bo taki kamień nie istnieje. Ale i tak fosfor przyniósł mu nie tylko sławę alchemiczną, ale też całkiem spory majątek. Procedurę jego otrzymywania sprzedał swojemu przyjacielowi z Drezna, Johannowi Danielowi Krafftowi, za sumę 200 talarów. Nie szukajcie kursu ówczesnego talara w tabelkach, już go od dawna nie ma. Znalazłem w sieci, że jeden talar był wtedy wart ok. 20 gramów czystego srebra. Czyli – łącznie 4 kg srebra. Nie wiem, czy to dobra cena za lata pracy w oparach cuchnących sików.

A w drugiej części napiszę trochę więcej o tym, co dziś wiemy o fosforze. Będzie o alotropii, biochemii, ale też o tym, że fosfor tworzy śmiertelnie niebezpieczne związki.