A szerzõ a sajátos kémiai szemléletmód bemutatására törekszik, miközben számos példával illusztrálja a tudomány és ezen belül a kémia hasznosságát és fontosságát. Teszi ezt annak reményében, hogy a kémikusi gondolkozás általánossá tehetõ, és a kémiai ismeretek széles körû elfogadtatásával, illetve tudatossá tételével egészségesebb életmód kialakítása és a betegségek hatásos megelõzése érhetõ el.
 

Napjaink egyik nagy ellentmondása, hogy információáradatban élünk, de a szükséges információk alig, vagy egyáltalán nem érnek célba, netán csak tévesen és esetleg eleve megtévesztõ szándékkal jutnak el az érdekeltekhez, a megcélzottakhoz. Ennek oka a természettudományos ismeretek háttérbe szorulása, illetve a közvéleményben sajnálatosan tapasztalható értékvesztése, valamint az eredetét illetõen nem igazán érthetõ tudományellenes hangulat újjáéledése. Egyszerûen felfoghatatlan, hogy miért hangozhatnak el „a médiá”-ban (a szerkesztõ vagy más felelõs személy magyarázata vagy észrevétele nélkül) olyan kijelentések, mint pl. „a természettudósok még azt sem tudják, mi az elektron”, vagy egy „csodaszer”-nek azért nincs mellékhatása, mert nem gyógyszer... Miért kezd pejoratívvá válni a kemikália fogalma?

Minél (el)hihetetlenebbek az áltudományos eredmények, azaz minél inkább szemben állanak a már közkinccsé vált ismeretekkel, annál szenzációsabbak, annál nagyobb „érdeklõdésre tarthatnak számot”, annál több haszonnal kecsegtetnek (l. pl. „pívíz”, deutériumban elszegényített víz stb.).

Annak érdekében, hogy ez ne így legyen, a valóban tudományos (elismert és elfogadott) ismeretek fáradhatatlan közlésével (akár ismétlésével, akár új tárgyalásmódokkal) ki kell szorítanunk a nyilvánvalóan hibás, vagy legalábbis kétségbe vonható nézeteket, véleményeket és az ezekkel visszaélõket, a haszonlesõket.

A következõkben a kémiai szemléletmód felvázolására és alkalmazása fontosságának, illetve társadalmi hasznosságának bemutatására törekszünk, éspedig a Földön az egyik legnagyobb mennyiségben (2·1018 tonna = 2·1023 dkg1) elõforduló anyag, „a víz” példáján [1]. (E sajátos szemléletmód bemutatására bizonyára számos más példát is találhatnánk, de talán a legismertebb, a „legmindennapibb” anyagok egyike, a víz a legalkalmasabb erre, vagyis hogy ki-ki önmaga meggyõzõdjék a kérdés jogosságának felvetésérõl és megkísérelje elõbb saját ismeretei alapján megfogalmazni a választ, mielõtt végigolvasná ezt az eszmefuttatást!)

Adott esetekben azt értik-e a víz fogalmán általában, ami valójában, vagy csak a körülményekbõl adódik, milyen vízrõl lehet, illetve van szó? Lehetnek-e egyáltalán egyértelmûek a vízzel kapcsolatos fogalmaink?

A vizet is, mint az anyagokat általában, fizikai és kémiai tulajdonságaikkal jellemezzük. A kémiai azonosság legkisebb hordozója ugyan az atom vagy a molekula (esetünkben a H2O, mint elemi egység), de tudhatjuk-e, hogy pl. minimálisan hány vízmolekula alkot önálló fázist (szobahõmérsékleten és atmoszferikus nyomáson), cseppfolyós vizet, amit már felismerhetünk tulajdonságairól?

Tiszta víznek tekinthetjük-e a levegõvel érintkezõ (pl. szén-dioxiddal oldási egyensúlyban lévõ), vagyis a leghétköznapibb vizet? Mindenki tetten érheti, megtapasztalhatja, hogy állás közben az ivóvíz élvezeti értéke, frissítõ hatása csökken, holott pl. a hõmérséklete esetleg nem is emelkedik, csupán a hidrokarbonátok átalakulása és a karbonátok „észlelhetetlenül” kis mennyiségû kicsapódása következik be.

Többnyire nem tudatosul senkiben, a mindennapi emberben pedig bizonyára nem: mikor lehet „a víz” ivóvíz, vagy mitõl lesz „gyógyvíz”, mikor használjuk oldószerként, vagy csak pl. hõhordozóközegként, mikor nyersanyag (kemikália), vagy „csak” ligandum, vagy éppen redoxi rendszerként befolyásolja környezetét (pl. korróziót elõsegítõ közegként) stb.?

Ilyen, nemcsak köznapi, hanem tudományos vonatkozásban is érdekes, sõt fontos kérdésekre keressük, illetve törekszünk – a teljesség igénye nélkül – megadni a választ.

A felvetett kérdéskör megválaszolásához induljunk ki az anyagmennyiség mértékegységébõl, a mol fogalmából!

Az anyagmennyiség egysége a mol, amely az Avogadro-állandónak megfelelõ számú molekulát jelenti. Eszerint bármely anyag 1 molja = 6·10²³ molekulát tartalmaz. (A különbözõ molekulákból összetevõdõ keverékek egy molja is ugyanennyi darab molekulát jelent, de hogy ezek milyen arányban vannak adott esetekben jelen, azt a moltörttel fejezhetjük ki. A moltört definícióegyenlete: X_i  = n_i / S n_i , ahol i az i-edik anyagot, n pedig az anyagmennyiséget jelöli.) Az Avogadro-állandó (-szám) szinte beláthatatlan nagyságát a következõ példával szemléltethetjük.

Mintegy két éve az egyik hetilapban figyelemfelkeltõ címként ezt olvashattuk: „30 milliárd még vízmolekulából is sok.”

Vizsgáljuk meg e kijelentés helytállóságát, illetve ennek viszonylagosságát!

1 mol, vagyis szobahõmérsékleten kb. 18 cm³ víz tartalmaz 6·10²³ számú molekulát. Egy vizespohár térfogata azért 2 dl = 200 ml, mert ez már szomjat oltó mennyiségû lehet. Ebben (200/18)·6·10²³ = 6,7·10²⁴ db vízmolekula „fér el”. A vitatott sokaságú vízmolekulák száma ezzel 30·10⁹/6,7·10²⁴ = 4,5·10^–15 arányban van.

A ma élõ emberek számát vegyük 6 milliárdnak! Egyetlen ember aránya ehhez 1/6·10⁹=1,7·10^–10. A két számarány összevetésébõl viszont az adódik (1,7·10^–10/4,5·10^–15=3,8·10⁴), hogy egyetlen ember 38 ezerszer nagyobb arányban van a ma élõ összes emberhez mérten, mint a vitatott sokaságú vízmolekula a vizes pohárban elférõkkel szemben. (Ki-ki eldöntheti, hogy soknak számít-e, jelent-e valamit az emberiségen belül, illetve, hogy szomjának oltásához elegendõ-e egy pohár víz.)*

A vízmolekulák talán egyik legérdekesebb sajátsága, hogy korlátozott mértékben ugyan, de spontán disszociálnak, azaz egy vízmolekulából egy hidrogén- és egy hidroxidion képzõdik, miközben a proton egy vízmolekulával egyesül, vagyis komplex molekulaiont hoz létre: „a vízmolekula protonálódik”. 1 liter tiszta vízben, szobahõmérsékleten kb. 1·10^–7 mol hidrogén- és ugyanennyi hidroxidion van, s hogy ne kelljen ilyen kis számokkal dolgozni, bevezették a pH fogalmát, amely a hidrogénion-koncentráció negatív logaritmusa, azaz „a víz” pH-ja = 7.
 

H2O = H+ + OH–   (vagy 2 H2O = H3O+ + OH–),

(1)

ugyanis a vízben a protonhoz – e szóból ered a protolízis kifejezés –, vagyis a hidrogénionhoz – amint már utaltunk rá – vízmolekulák koordinálódnak (kötõdnek). Ezért a proton vízben soha sem „csupaszon” fordul elõ, hanem hidroxónium (H₃O⁺)-ionként, illetve újabb 3 vízmolekula felvételével, egy közel tetraéderes felépítésû és H₉O₄⁺ képlettel felírható, ún. belsõszférás komplex molekulaiont alkot. Ehhez további 3·3 vízmolekula kötõdik a külsõ szférában, vagyis a vízben többé-kevésbé állandó összetételû molekuláris egységek (13 vízmolekula és 1 proton) vannak, amelyekhez azután még lazábban újabb és újabb vízmolekulák koordinálódnak. Következésképpen a vízben dinamikusan megújuló, belsõ rend van, ezért a cseppfolyós víznek is, nem csak a jégnek, sajátos szerkezete van. (Ez a szerkezet azonban nagy mértékben függ a hõmérséklettõl és a nyomástól.)

Ha az ionizált víz (kémiai) koncentrációjából (=1·10^–7 mol/dm3) kiszámítjuk, hogy egy-egy hidrogénionra hány diszszociálatlan vízmolekula jut, akkor az eredménybõl kitûnik, hogy az arány hozzávetõlegesen 10¹⁶/10²³, tehát minden egyes hidrogénionra 10 millió db vízmolekula jut, amibõl egyértelmû az is, hogy ez a szerkezet mennyire laza, mennyire esetleges. Ez a megállapítás egyben azt is jelenti, hogy minden 10^–7 mol/dm³-nél nagyobb koncentrációban jelenlévõ bármely anyag a vizet mint közeget olyan mértékben „átalakítja”, hogy az többé már nem tekinthetõ igazán víznek!

Általában is kijelenthetjük: ha bármilyen kis koncentrációban idegen molekulák vagy ionok jutnak a vízbe, vagy vannak benne, akkor annak következményei lesznek. A mindennapi életben a vizes oldatok kémiai koncentrációja általában 0,1–1,0 mol/dm³, s ez egyben azt is jelenti, hogy ezekben a vizes oldatokban már alig van szabad, vagyis idegen anyaghoz nem koordinálódott vízmolekula. (Tehát az ilyen anyagi rendszerek közel sem tekinthetõk víznek. Egy érdekesnek tûnõ példa: a szakzsargon pórusvízrõl beszél a betonban, holott az valójában telített kalcium-hidroxid-oldat, amelynek koncentrációja szobahõmérsékleten 0,17%-os [2].)

A természetben elõforduló nehéz (deutérium = D) és könnyû (H) hidrogén aránya jó közelítéssel 1:5000 [3]. Ez azt jelenti, hogy – egyenletes eloszlást feltételezve – minden ötezredik vízmolekula HDO felépítésû. Természetesen van némi valószínûsége annak, hogy a természetes vízben nehézvíz (D₂O)-molekulák is elõfordulnak, amely nehézvíznek az atomreaktorok kifejlesztésének kezdeti szakaszában nagy jelentõsége volt.

Könnyen belátható, hogy napjaink egyik sokat vitatott problémájának, az ún. deutériumban elszegényített víznek, nincs és nem is lehet jelentõs hatása a rák megelõzésében. („A víz”-ben a vázolt koncentrációviszonyok miatt az egyes anyagfajták mennyiségi és minõségi arányainak megváltoztatása rendkívüli technikai felkészültséget kíván meg, és ezért természetesen nagyon költséges, ugyanis nagy energiafelhasználással jár!)

Évtizedekkel korábban az analitikai kémiában az anyagok „idegenanyag”-tartalmát (így pl. szennyezéseit is) gammában (g), azaz 10–6 g-ban fejezték ki. Ennek korszerûbb „változata” a ppm (parts per million), amely már mennyiségi viszonyt is jelent, tükrözve azt, hogy a kémiában a minõség és a mennyiség mellett az arány is fontos (l. pl. gyógyszeradagolás).

Egy anyag „elfogadható” tisztasága az alkalmazásától függ. Az atomreaktorok hûtõvizének azért kell pl. rendkívülien nagy tisztaságúnak lennie, hogy az esetlegesen benne még elõforduló szennyezésekbõl csak minimális (azaz megengedhetõ, vagyis a környezetre még veszélytelen) mennyiségben képzõdhessenek radioaktív atommagok.

A fémiparban például az alumínium tisztaságát a kilences számjegyek számával szokás megadni (vagyis minél több kilencessel adhatjuk meg a százalékos összetételt, annál tisztább). Az 1. táblázatban közölt adatok szerint változik „az alumíniumfém” oldássebessége 20%-os sósav-oldatban [4], amely adatokból kitûnik, mennyire fontos a tisztaság kritériuma.
 

Ma már többnyire csak hírbõl, vagy jó esetben a kereskedelemben forgalmazott palackokból ismerhetjük a természetes „forrásvizek” értékét, frissítõ hatását. Különösen a nagyvárosok ellátásában jelent nagy feladatot és felelõsséget az állandóan jó minõségû és fogyasztható ivóvíz elõállítása. Ritkaságszámba megy ugyanis, amikor nem nagyüzemi méretben kezelt, majd vizsgálatokkal ellenõrzött víz jut a fogyasztóhoz. Ennek során a rétegvizek nagy vas- és mangán-, vagy egyéb nem kívánt anyag, pl. arzéntartalmát csökkentik, ill. a felszíni vizek, íz- és szagrontó anyagait fizikai, kémiai és biológiai módszerrel, vagyis „tisztítással”, derítéssel eltávolítják.

Érthetõ tehát, hogy az emberiség legféltettebb természeti kincseinek egyike az „édesvíz” (amely az összes víznek csak kb. 2%-a!) és ezen belül természetesen az ivóvíz. Világszerte nagy figyelmet is fordítanak rá és ismert módon szabványban rögzítik összetételét, fizikai és kémiai jellemzõit, illetve azok határértékeit [5]. (Már csupán terjedelmi okból sem térhetünk ki az ivóvíz fizikai, kémiai biológiai, „élvezeti” stb. értékeire, csupán utalunk a víz „sokösszetevõs” mibenlétére.) Az idézett szabványból mégis érdemes itt kiemelni „az egyedi kutas vízellátás esetén a ,tûrhetõ’ kategóriára vonatkozó enyhébb (felsõ) határértékeket”, adott anyagokra vonatkozóan (2. táblázat).
 

Fontos hangsúlyozni itt is, hogy az ivóvízzel (bármennyire is kritikus lehet az összetétele) naponta bizonyára kevesebb káros anyag juthat szervezetünkbe, mint általában az élelemmel vagy a levegõvel, amely utóbbival – sajnos nem jelentéktelen mennyiségben – a dohányosok által „termelt”, saját magukra és a környezetükre egyaránt veszélyes „egészségkárosító” égéstermékek is bejuthatnak. (A tüdõ nagy belsõ felülete miatt még fokozottabb a behatolás intenzitása!)

Az egészséges életmódra nevelésben és a betegségek megelõzésében óriási jelentõsége lenne a molekuláris biológia ismereteknek és ezáltal a kémiai szemléletmód elterjesztésének.

A 3. táblázatban a folyóvizek, a 4. táblázatban pedig a („normalizált”) tengervíz és a folyóvizek („világátlag”) összetételét közöljük [6a és b]. Az adatokból kitûnik, hogy a szóban forgó vizek tehát különbözõ anyagok (mérhetõ koncentrációjú) oldatai, és ezért pl. egyes tengervizek számos kemikália (pl. NaCl, azaz „konyhasó”) forrásai lehetnek.
 

* Megjegyzés: A vas (Fe), a szilícium (Si) és az alumínium (Al) nem egyértelmûen megadható anyagfajtaként van jelen, ezért ezen elemeknek csak az összes anyagmennyisége közölhetô egzaktul.
Az ionerôsség ("koncentrációféleség"-ként) az ionok töltését is figyelembe veszi, ugyanis minél nagyobb elektromos töltése van egy ionnak, annál inkább eltér (nagyobb) az oldat ionerôsségben kifejezett koncentrációja a kémiai koncentrációjának bruttó értékétôl. (Az ionerôsség definícióegyenlete: l = 1/2 S c_i S Z_i², ahol c az egyes ionok kémiai koncentrációja, Z pedig a töltésszáma.)
A p_CO2 az adott vízben a kalcium-karbonát telítési koncentrációjának megfelelô szen-dioxid-gáz nyomása standard nyomásegységben (0,1 MPa) kifejezve, amelynek itt a negatív elôjellel vett tízes alapú logaritmusának számértéke szerepel.
 

* Megjegyzések: L.: 3. táblázat
** E biológiailag aktív anyagfajták helyileg és idôben változó mennyiségûek.
 

A városiasodás felgyorsulásával, a közlekedési eszközök tömeges elterjedésével, a fosszilis tüzelõanyagok használatának rendkívüli felfokozódásával nemcsak az ún. üvegházhatás jelent veszélyt az emberiség számára, hanem fõként az energiahordozók forrásának a végleges el- vagy kiapadása is. Az emberiség jövõjéért aggódók figyelme egyre inkább a hidrogéngázra mint másodlagos energiahordozóra irányul.

Mivel a Föld felszínének kb. kétharmadát tengervíz borítja, ezért kézenfekvõ, hogy amennyiben pl. a fotokatalitikus, fotoelektrolitikus vízbontást nagyüzemi méretben sikerül megvalósítani, akkor ennek nyersanyaga, vagyis a tengervíz kimeríthetetlen mennyiségben állna rendelkezésre. Következésképpen a tengerek vize kettõs értelemben is nyersanyag.

Az elektrolitikusvízbontás. Az elektrokémiai reakciók sajátos vonása, hogy az összetett kémiai anyagátalakulás térben elkülönülve, két térrészben megy végbe, amelyben az elektronnak mint reaktánsnak fõszerepe van.

A kémiai és az elektrokémiai reakciók különbözõségének bemutatására vegyük példának a vas kémiai oldódását, illetve elektrokémiai oxidációját („oldódását”), vagy más néven korrózióját! A vas kémiai oldódása savakban a bruttó kémiai reakciót kifejezõ (2) egyenlettel írható fel:
 

Fe(fém) + 2 H+(akv) = Fe++(akv) + H2(gáz),

(2)

ahol akv : vízben oldott.

Valójában ez is két részfolyamatból tevõdik össze, éspedig a vas oxidációjából (2a) és a hidrogénion redukciójából (2b):
 

Fe = Fe++ + 2e–	(2a)
2H+ + 2e– = H2	(2b)

 (A részfolyamat kifejezéssel arra utalunk, hogy ezek mindegyike még további lépésekre bontható, de ezek részletezése itt nem szükséges). Ez utóbbi egyenletekbõl kitûnik az elektronok közvetlen részvétele mind az anódos (2a), mind a katódos (2b) folyamatban. A kémiai oldódás során azonban e két részfolyamat a fém azonos pontjain (közvetlenül egymás mellett) zajlik. Szemben az elektrokémiai mechanizmussal bekövetkezõ átalakulással, amely térbelileg elkülönülve, a fém anódos és a fém katódos helyein megy végbe. Különbséget kell tennünk azonban a mikro- és a makrocellás mechanizmusú elektrokémiai átalakulás között. A fémek korróziója általában mikrocellás mechanizmussal következik be, éspedig a fém felületén egymástól néhány tizedtõl néhány száz nm távolságig elhelyezkedõ, kémiai és fizikai (többnyire energetikai) különbségekbõl eredõen kialakuló anódos és katódos helyeken, amikor az elektronok a fémen belül jutnak el („belsõ körben”) az anódos helyekrõl a katódosakra, a hidrogénion és általában az ionok pedig a vízzel, mint közeggel együtt, elektrolitként zárják a „külsõ áramkör”-t. E mikrogalvánelemekben haszontalan anyagátalakulás és energiadisszipáció következik be. A szerkezeti anyagok korróziója akkor válik veszélyessé, ha az a makrocellákban úgy következik be, hogy a makroanód(ok) összes felülete lényegesen kisebb, mint a katód(ok)é. Könnyen belátható, hogy ilyen lehet pl. a hajókon fellépõ vízvonal-korrózió, vagy a vasbeton-épületek acélbetétjeinek kloridionok által gerjesztett korróziója.

A kémiai és elektromos energia hasznos átalakításakor (elektrolíziskor) vagy átalakulásakor (galvánelemben) makroméretû (önálló) anódon és katódon térbelileg is jól elkülönülten, de a külsõ körben fémes vezetõvel összekötve és a belsõ körben többnyire „indifferens elektrolittal” zárva mehet végbe a bruttó elektrokémiai reakció, ami által vagy értékesebb anyagot állítunk elõ, vagy elektromos áramot termelünk. Az elõbbi történik a víz elektrolitikus bontásakor, amikor („olcsó”, vagyis az energia-felhasználási minimum idõszakában) elektromos áram felhasználásával hidrogén- és oxigéngázt állítunk elõ. A csaknem reverzibilisen mûködõ ún. tüzelõanyag(pl. durranógáz)-cellákat csúcsidõszakban áramtermelésre, völgyidõszakban pedig vízbontásra lehet felhasználni.

Az elektromosságnak, majd elemi egységének, az elektronnak (sokak munkájának eredményeként bekövetkezett) felfedezésével (pl.: A. Volta (1745–1827), M. Faraday (1791–1867) és J. J. Thomson (1856–1940)) kezdõdött el az emberiség szó szerint is fényes korszaka. Hol tartana az emberiség az elektromosság – és ezen belül az elektron – alkalmazása nélkül? Jóllehet valójában nem tudjuk, mi is az elektron, csak azt, hogy az elektromosság hordozója, s hogy mi mindenre lehet felhasználni és azt, hogy a kémiai átalakulások meghatározó résztvevõje.

A mikroelektronikai eszközök tömeges elterjedése jelzi, milyen mértékben gyorsult fel a szilárdtestfizika és -kémia tudományos eredményeinek hasznosítása (a társadalom csak látszólag nem értékeli ezeket, hiszen az ilyen eszközök gyártói és forgalmazói óriási jövedelmekre tesznek szert, miközben a tudomány tengõdik!), és mindezek nyomán diadalútját járhatja a molekuláris biológia.

E tudományágak gyors fejlõdésével lehetõvé vált, hogy atomi, illetve molekuláris szinten érjük tetten, tanulmányozhassuk pl. a „micro”- vagy (ma már) „nanochip”-ekben, vagy akár a sejtekben molekuláris szinten lezajló folyamatokat, ezért az exponált példa nyomán ott tartunk, hogy adott esetben valóban sok lehet a 30 milliárd vízmolekula is.

IRODALOM
[1] Schiller R.: Rendszertelen bevezetés a fizikai kémiába a hidrogén ürügyén, Mûszaki Könyvkiadó, Budapest, 1987, 149. lap
[2] D'Ans * Lax: Taschenbuch für Chemiker und Physiker, Springer, Berlin, 1967, Dritte aufl. Band I, S. 1-259
[3] Römpp: Vegyészeti lexikon, Mûszaki Könyvkiadó, Budapest, 1960, 1. kötet, 428. oldal
[4] Heinz Ebert : Elektrokémia , Röviden és tömören, Mûszaki Könyvkiadó, Budapest, 1974, 87. lap
[5] Ivóvíz. Minôsítés fizikai és kémiai vizsgálat alapján (Magyar Köztársaság, Országos Szabvány) MSZ 450/1 - 1989
[6] Butler, J. N.: Carbon Dioxide Equilibria and Their Applications, Lewis Publishers, Chelsea, Michigan (USA), 1991, a) p. 108, b) p. 119

1998. évi cikkpályázatunk dicséretes írása.