صخور الكيمياء

نرجو أن نكون قد أقنعنا القارئ بأهمية الكيمياء العضوية، ولكن ليس على حساب الكيمياء غير العضوية. فمن الأحجار الكريمة إلى الحجر الجيري ومن النترات إلى الفوسفات، الكيمياء غير العضوية مُهمة للغاية أيضًا. وإذا كان من الممكن وصفُ الكيمياء العضوية على أنها كيمياء الهيدروكربونات، فإن الكيمياء غيرَ العضوية يُمكن وصفُها على أنها كيمياء كلِّ شيءٍ آخر — وتعبير «كل شيء آخر» يشملُ الكثير جدًّا. في الواقع، موادُّ عديدة من التي ذكرناها هي بالفعل موادُّ غير عضوية مثل المعادن وأشباه الموصِّلات والأملاح والكثير من الأحماض والقواعد. على أن اهتمامنا الثقافي بالمركبات العضوية، الذي ينبع من غَزارة الموادِّ العضوية الأولية وتوفُّرها في شكل النفط أو الفحم، قادنا إلى عقلية عضوية. وهذه العقلية التي تستحوذ عليها هذه الفكرة الواحدة قد أفضَت إلى اعتمادية مؤسِفة على مصدرٍ محدود، غير أنه، بإلقاء نظرةٍ إلى الوراء على العناصر الموجودة في القشرة الأرضية، نجد أنَّ الأوكسجين والهيدروجين أكثرُ وفرةً من الكربون (فالأوكسجين يُمثل وحش الجودزيلا في الرسم البياني، والكربون يُمثل الفأر الخارق)؛ ومن ثَم قد يكون هناك بعضُ البدائل. فنجد في الوقت الحاليِّ أن خلايا الوقود التي تستخدم الهيدروجين والأوكسجين تُستخدَم في تشغيل المكوك الفضائي، ولديها القدرةُ على تشغيل السيارات وكذلك أجهزة الدي في دي. ومن السارِّ أن نعرف أنه حتى بالرغم من صعوبة الوصول إلى المثالية، يحمل المستقبل بدائلَ للبترول الخام. وسنُلقي هنا نظرةً على بعض الموضوعات التي تُمثل حاليًّا الإطار الخاص للكيمياء العضوية، وهي المركبات التناسقية الترابط المتراكِبة للفلزَّات الانتقالية، وكيمياء المجموعات النموذجية، والكيمياء الإشعاعية.

شكل ٢-١: الفلزات الانتقالية التي تُوجَد في الجزء الذي يتوسط الجدول الدوري.

شكل ٢-٢: أيون فلز في المنتصف مُحاط به ستة أيونات أو جزيئات مصاحبة/ملتحمة.

وكما أشرنا في مناقشتنا للكيمياء الضوئية — وكما نُواجه في الحياة اليومية لدى استخدامنا للمواد بداية من معجون الأسنان المبيض وحتى الأكواب الملونة باللون الوردي — يتفاعل الضوء مع المواد الكيميائية، وسواءٌ أكانت هذه التفاعلات تفاعلاتٍ مُلمعات أو مُعتمات، فجميعها تحدث على مستوى الجزيئات. وفيما يتعلق بمتراكبات التناسق غير العضوية، يعتمد لون الضوء الذي يتفاعل مع الجزيء على طبيعة الليجندات، ومدى كونها في وضع محكم أو غير محكم في التحامها بأيون الفلز. ونتيجة لحدوث امتزاج معقد للمؤثرات، بما في ذلك التجاذب الإلكتروني وقوى الجذب البينجزيئية والأنتروبيا، ينجذب النشادر بشدة نحو أيون الحديد. وعندما أُضيف النشادر إلى محلول الحديد، أحاطت جزيئات النشادر بأيون الفلز حيث حلت محلَّ بعض جزيئات الماء وأيونات الخلات وغيرت لون المركب في هذه الأثناء. وعندما أضفنا فوق الأكسيد، غيرنا حالة أكسدة الحديد ومدى إحكام الليجند حول الفلز. وعليه، غيرت إعادة الترتيب تلك الطريقة التي تفاعل بها الضوء مع المركَّب، أو بكلمات أخرى، غيرت اللون.

ويُمكن للجزيئات العضوية الأكبرِ أن تُكوِّن معقَّدات مع الأيونات الفلزية أيضًا؛ فمنظف الرادياتير يتكون من عامل متراكِب قابلٍ للذوبان في الماء مثل المركَّب العضوي حامض الأوكساليك، الذي يُكوِّن قفصًا قابلًا للذوبان في الماء حول أيونات الفلز ثم يرفعها من جدران المبرد. أما المعادن التي تُوجَد مترسِّبة على جدران المبرد مثل الكالسيوم، فإنها كانت مذابة في ماء المبرد في وقتٍ ما، ونحن عادةً لا نُفكر في الكالسيوم على أنه فلز، لكنه كذلك، فالكالسيوم يقع في الجانب الأيسر من الجدول الدوري مما يجعله فلزًّا، ويُمكنه أن يُكوِّن مُعقدات تناسقية كما تفعل أيونات الفلزات الانتقالية، وعندما يكون الكالسيوم متراكبًا مع حامض الأوكساليك، يُصبح الكالسيوم قابلًا للذوبان في الماء.

وجزيئات المتراكبات العضوية التي تدفع الأيونات الفلزية إلى داخل المحلول تُعرف باسم «عوامل ربط مخلبية». ولعل أهم الروابط المخلبية العضوية هي تلك التي تحدث في أجسادنا، فمُعظم أيونات الفلزات الضئيلة الضرورية للحياة ترتبط بجزيئات البروتين بطريقة أو بأخرى، ويُمكن اعتبار البروتين عامل ربط مخلبيًّا. ويُعَد الهيموجلوبين في أحد أوجُهِه شكلًا مخلبيًّا للحديد، فبدون متراكِب تناسقِ الهيموجلوبين والحديد، لا يُمكن نقلُ الأوكسجين في دمائنا. ولأن البروتين الموجود في الهيموجلوبين يتجمَّع حول أيون الحديد؛ فهو يكون جيبًا جيدًا لغاز الأوكسجين، عندئذٍ يحمل الهيموجلوبين المنقول في الدم هذا الأوكسجين إلى الخلايا التي تحتاجها.

شكل ٢-٣: العناصر النموذجية.

وتكون هذه العناصر في باقات متنوعة، تحوي فلزاتٍ ولافلزات، وأيضًا بعض الغازات والسوائل والمواد الصلبة في درجة حرارة الغرفة والضغط العادي. ويُوجَد ضمن المجموعة النموذجية عائلات عديدة جديرة بالاعتبار من العناصر، كلٌّ فيما يختص به في فرع من فروع الكيمياء.

ويُوجَد كلٌّ من الصوديوم والبوتاسيوم في كل مكان في المعادن واليابسة، وفي مسطحات المياه الطبيعية أيضًا، وقد أدى وجودهما في مياه المحيطات إلى اندماجهما في الكائنات الحية التي نشأت هناك. وفي هذه الأيام، يرتبط الاعتناء بالصحة بتركيزات أيونات الصوديوم العالية في الجسم، لكن التأكيد هنا هو على «التركيز». فالأمر الذي يتسبب في حدوث مشكلة هو في المقام الأول غياب الماء وليس وفرة الصوديوم. فقد اتجهنا في ثقافتنا إلى إضافة الصوديوم والابتعاد عن الماء، وهو ما يُعَد مزيجًا يُضعِف أحد أركان الآخر، فهو رفضٌ مؤسف لأبسط فَهم للمحلول الملحي (إذ يتكون من ماء وملح) كي نُخِل بالتوازن بهذه الطريقة.

ونجد في العناصر النموذجية الخانةَ التي تحوي الكربون والنيتروجين والأوكسجين والفوسفور والكبريت، وهي العناصر التي تكون أساس الحياة إلى جانب الهيدروجين. ولكننا أطلقنا في الفصل السابق على كيمياء مركبات الكربون والهيدروجين، أو الهيدروكربونات، «الكيمياء العضوية»، وذكرنا أننا سوف نتناول الكيمياء العضوية والكيمياء غير العضوية كموضوعات منفصلة. فهل يُسمَح لنا الآن أن نمسَح هذه الأسطر وأن نضمَّ عناصرَ الكيمياء العضوية إلى عناصر الكيمياء غير العضوية؟ لن يُسمَح لنا فحسب، بل إنه يجب علينا أيضًا، فليس الكيميائي هو الذي مسحَ الأسطر، بل الطبيعة نفسُها؛ ففي عالمنا المتكافل والمتعايش، لا يُوجَد فصلٌ مطلَق بين الحيوان والأرض، غير أننا قد نسعى إلى فرض أحدهما من أجل التيسير على الكيميائي. ولا يُوجَد مكان أثبت فيه هذا التكافل وجوده بطريقة لافتة للنظر أكثر من ذلك الذي في دورات الكيمياء العضوية والكيمياء غير العضوية، حيث تتناوب الحياة استخدامَ عناصرَ مثل الكربون والنيتروجين، اللذَين يعودان إلى الأرض ثم إلى الهواء، ثم يُعاد استخدامهما مرةً أخرى لكي يُعزِّزا وجود الحياة.

وفي أقصى اليمين من الجدول الدوري تقع الغازات النبيلة — التي هي الهليوم والنيون والأرجون والكربتون والزينون والرادون. وتكون هذه العناصر كما أشرنا من قبل غايةً في الخمول، ولهذا السبب، نُقدِّم لأطفالنا بالونات مليئة بالهليوم دون أن نقلق بشأن الانفجارات (ولا يجب أن نُعطي هذه البالونات للرضع، ليس بسبب الهليوم ولكن بسبب المادة المصنوع منها البالونُ نفسُه). ويشتهر الرادون باعتباره مصدرًا للتعرض الإشعاعي المكثَّف؛ لأنه غاز نبيل — فهو خامل وغاز في الوقت ذاته — ويُمكِنه أن يتخلل التربة وينفذ إلى المنازل السيِّئة التهوية. ومع أن الرادون خامل كيميائيًّا، فإنه يُمكنه أن يتحمل التحلل الإشعاعي، وإذا استنشق فإن الجسيمات النافذة يُمكنها أن تُدمِّر أنسجة الرئتَين.

ويقع الرادون في الجهة السفلى من الجدول الدوري، شأنه في ذلك شأن العناصر المشعَّة كافة تقريبًا. وللأسف، تستحضر كلمة «إشعاعي» للذهن صور القنابل والأمراض والكوارث والدمار، ولكن على المستوى السلمي، يُمكننا أن نُقِر بأن النشاط الإشعاعي أمدَّنا بالأشعة السينية، وتقنيات التصوير العالية وعلاجات فعالة وغير جراحية للأمراض، لكن على مستوى المشاعر، فإننا تأقلمنا على أن نتفاعل سلبيًّا مع الأشياء المرتبطة بالنشاط الإشعاعي كافة. غير أن الخطر الناجم عن المواد الكيميائية هو نسبي دائمًا — فالكثير من الأسبرين يُمكن أن يكون مميتًا مثلما يكون الكثير من الماء مميتًا إذا كنت لا تُجيد العوم — وكذا الحال مع المواد الكيميائية الإشعاعية. ومع أنه ينبغي أن يُعامَل النشاط الإشعاعي والعناصر المنتِجة له بحرص شديد، فإنه إذا استخدم بطريقة مناسبة يُمكن التحكُّم فيه والسيطرة عليه.

وتخضع الكيمياء الإشعاعية أو كيمياء العناصر المشعة للسيطرة عن طريق النوع نفسِه من الكيمياء التناسقية التي تخضع لها العناصر الانتقالية، وأحد المخاوف التي تُساورنا بشأن عدم الانتشار النووي هي أن كيمياء اليورانيوم والبلوتنيوم هي بالفعل كيمياء غير عضوية صريحة، فمُعظم العناصر المشعَّة تُوجَد في مجموعة يُطلَق عليها «العناصر الأرضية النادرة» (التي تقع في هذَين الصفَّين المنفصلَين أسفل الجدول الدوري)، مع أنه تُوجَد عناصرُ ذات نظائرَ مشعَّة منتشرة في كلِّ أنحاء الجدول الدوري. وكما لاحظنا من قبل، النظائر هي ذرات لعناصر لا تختلف إلا في عدد النيترونات، فلها العدد نفسُه من البروتونات، ولكنها تختلف في عدد النيترونات. وتمتلك بعض النظائر عددًا غيرَ مستقرٍّ من البروتونات والنيترونات. وتتناثر هذه النظائر جزيئيًّا في محاولة للوصول إلى حالة الاستقرار؛ إذ تُطلق بعضَ الجسيمات وقدرًا كبيرًا من الطاقة أثناء ذلك.

وثَمة استخدامٌ آخرُ للأشعة المنطلقة من العناصر المشعة، الذي قد يكون أكثرَ إثارة للجدل من أجهزة الكشف عن الدخان، وهو استخدام الأشعة لقتل البكتيريا في الطعام. تعمل هذه الطريقة جيدًا، فهي تعمل على إطالة فترة تخزين العديد من الأطعمة، غير أن الكثيرين يرفضون استخدام طعام عُرض للإشعاع، ربما خوفًا من التلوث.

ولا ينبغي أن تنتابنا المخاوفُ بشأن التلوث؛ فالأغذية المعرَّضة للإشعاع لا تتعرض للمصدر الإشعاعي مباشرة، لكنَّ ثمة أفكارًا أخرى مُثيرة لرفض هذه الأطعمة، بعضها معنيٌّ بأن الإشعاع قد يُسبِّب حدوث تفاعلاتٍ في الطعام نفسِه مما قد يكون مركَّبات عادةً ما لا تكون موجودةً في الطعام. والبعض يقولون إننا ينبغي أن نقلق بشأن أي شيء يقتل فعليًّا كلَّ البكتيريا الموجودة في الطعام. لماذا؟ ذلك لأن البكتريا لا تُعَد أساسًا شيئًا سيِّئًا، فهي جزءٌ من النظام الكبير. فالطبيعة هي حافظٌ جيد للحياة، بما فيها حياة البكتيريا، فلا يُوجَد تحيُّز خاص لحياة الإنسان. من ثَم إذا تمكَّنا من تدمير بعض البكتيريا، مما قد يُسبب وجود فجوة ما، وقد ينشأ نوع جديد من البكتريا لسدِّ هذه الفجوة، ولا يُمكِننا أن نتنبأ بما إذا كان هذا النوع الجديد من البكتيريا ضارًّا بالإنسان أو غيرَ ضار. ويعدُّ هذا التعديل ممكنًا من جانب الطبيعة؛ لأن الأنظمة الطبيعية غيرُ جامدة، بمعنى أنها قابلة للتغيير. ونحن نميل إلى أن نُفكر في عالمنا في ضوء الاستمرارية والبقاء؛ لأنه عادةً ما يحدث التغيير ببطء شديد. غير أن الأنظمة الحيوية تستجيب للضغوط، كما هو الحال مع التفاعلات الكيميائية التي تنشأ عنها الأنظمةُ الحيوية. ونتناول في موضوعنا التالي المزيد من المناقشات حول الجزيئات الكيميائية الحيوية.