Открили сме само 1% от всички химикали – как да открием останалите

Вселената е залята от милиарди химикали – а ние сме идентифицирали само 1% от тях. Учените смятат, че неоткритите химични съединения могат да помогнат за премахването на парниковите газове или да предизвикат медицински пробив, подобно на пеницилина.

Но нека първо да кажем следното: не че химиците не са любопитни. Откакто руският химик Дмитрий Менделеев изобретява периодичната таблица на елементите през 1869 г., учените непрестанно откриват химически съединения, които помагат за определянето на съвременния свят. За създаването на последната шепа елементи е необходим ядрен синтез (изстрелване на атоми един към друг със скоростта на светлината) – елемент 117, тенесин, беше синтезиранпо този начин през 2010 г.

За да се разбере обаче пълният мащаб на химическата вселена, трябва да се разберат и самите химически съединения. Някои от тях се срещат в природата – ето водата, например, се състои от водород и кислород. Други, като найлонът, са открити при лабораторни експерименти и се произвеждат във фабрики.

Елементите се състоят от един вид атоми, а атомите са съставени от още по-дребни частици като електрони и протони. Всички химични съединения се състоят от два или повече атома. Въпреки че е възможно да има неоткрити елементи, това е малко вероятно.

И така, колко химични съединения можем да създадем от 118-те различни вида елементарни блокчета Лего, които познаваме в момента?

Числа

Можем да започнем, като направим всички двуатомни съединения. Те са много на брой: N₂ (азот) и O₂ (кислород) заедно съставляват 99% от нашия въздух. Вероятно ще отнеме на химик около година, за да направи едно съединение, а на теория има 6903 двуатомни съединения. Така че трябва цяло село химици да работят една година само за да направят всяко възможно двуатомно съединение.

Съществуват около 1,6 милиона триатомни съединения като H₂0 (вода) и C0₂ (въглероден диоксид) – което е населението на София и Пловдив, взети заедно. След като достигнем до четири- и петатомни съединения, ще е необходимо всеки жител на Земята да направи по три съединения… И ще трябва да рециклираме всички материали във Вселената няколко пъти.

Но това, разбира се, е опростяване на нещата; структурата на дадено съединение и неговата стабилност могат да го направят по-сложно и трудно за създаване.

Най-голямото съединение, което е създадено досега, е направено през 2009 г. и има почти 3 милиона атома. Все още не сме сигурни какво прави то, но подобни се използват да се защитят лекарства за рак в организма, докато стигнат до правилното място.

В химията има също така има…

Правила

Със сигурност невсички съединения са възможни.

Но правила са малко огъващи се – дори самотните „благородни газове“ като неон, аргон и ксенон и хелий, които обикновено не се свързват с нищо, понякога образуват съединения. Аргоновият хидрид, ArH+, не съществува естествено на Земята, но е открит в космоса. Учените са успели да направят синтетична версия в лаборатория като имитират условията в дълбокия космос. Така че, ако включите екстремните среди в изчисленията си, броят на възможните съединения се увеличава.

Въглеродът обикновено обича да се свързва с един до четири други атома, но много рядко, за кратки периоди от време, е възможно да се свърже и с пет: представете си автобус с максимален капацитет от четирима души. Автобусът е на спирка и хората се качват и слизат; докато хората се движат, за кратко в автобуса може да има повече от четирима души.

Някои химици прекарват цялата си кариера в опити да създадат съединения, които според правилата на химията не би трябвало да съществуват. И понякога успяват.

Друг въпрос, с който учените трябва да се преборят, е дали желаното от тях съединение може да съществува само в космоса или в екстремна среда – например в огромната топлина и налягане, които се откриват в хидротермалните комини, които са като гейзери, но на океанското дъно.

Хидротермален комин в Атлантическия океан.

Как учените търсят нови съединения?

Често отговорът е да се търсят съединения, които са свързани с вече познати такива. Съществуват два основни начина за това: еиният е да се вземе известно съединение и да се промени малко – чрез добавяне, махане или размяна на някои атоми; другият начин е да се вземе известна химична реакция и да се използват нови материали.

Но как бихме могли да търсим наистина нови – т.е. непознати неизвестни – съединения?

Един от начините, по които химиците научават за нови съединения, е да разгледат природата. Пеницилинът е открит по този начин през 1928 г., когато Александър Флеминг забелязва, че плесента в неговите петриеви блюда пречи на растежа на бактериите.

Повече от десетилетие по-късно, през 1939 г., Хауърд Флори открива как да отглежда пеницилин в полезни количества, като пак използва плесен. Чак през 1945 г. обаче Дороти Кроуфут Ходжкин успява да определи химическата структура на пеницилина.

Това е важно, тъй като част от нея съдържа атоми, подредени в квадрат, което е необичайна химическа подредба, за която малцина химици биха предположили, и е трудна за получаване. Разбирането ѝ съответно означава, че знаем как изглежда тя и можем да търсим нейни химически братовчеди. Ако сте алергични към пеницилин и сте имали нужда от алтернативен антибиотик, трябва да благодарите на Ходжкин.

В днешно време е много по-лесно да се определи структурата на нови съединения. Рентгеновата техника, която Кроуфут Ходжкин изобретява по пътя си към определяне структурата на пеницилина, все още се използва в цял свят за изследване на съединения.

Но дори ако химикът открие напълно нова структура, несвързана с нито едно от известните на Земята съединения, той все пак после ще трябва да я създаде – което е най-трудната част. Откритието, че едно химично съединение може да съществува, не ви казва как е структурирано или какви условия са необходими, за да го направите.

За много полезни съединения, като пеницилина, е по-лесно и по-евтино да се „отгледат“ и извлекат от плесени, растения или насекоми. Затова учените, които търсят нова химия, все още често търсят вдъхновение в най-малките кътчета на заобикалящия ни свят.