عزيزي القاريء، اترك ما بيدك الآن، أغلق عليك باب غرفتك واحكم وَصده، أنهي تلك المحادثة مع زميلك وأخفض من ضوء غرفتك، اربِط أحزمة الأمان بالكرسي الذي تجلس عليه أمام الجهاز الخاص بك، ولتستعد للانطلاق في رحلةٍ غريبة ستغوص بك إلى أعماق الذرة، وستطير بك حتى تعرف أسباب الحياة نفسها، وستندهش مما سترى حتى تتسع بؤبؤة عينك ، ولكن قبل تشغيل المحركات والمضي قدمَا في رحلتنا؛ يجب علينا أن نطرح سؤال بسيط حتى نضمن استمتاعك، هل سمعت من قبل عن كيمياء الكم؟
1- الكم، ما هو؟
كلمة «الكم-quantum» في الأساس لاتينية الأصل، وتُستخدم للإشارة إلى عظمة الأشياء، بمعنى «كم هو عظيم!»، وحتى عام (1900م) كانت تستخدم الكلمة طبيًا في مصطلح «كمية محددة-quantum satis» أو «Q.S» والتي تعني إضافة كمية معينة من مادة ما للحصول على غرض علاجي معين دون غيره.
أما فيزيائيًا وكيميائيًا فهي عبارة عن وحدة أو حزمة من شيء معين كالطاقة أو الشحنة أو «كمية العزم الزاوي-angular momentum» أو حتى بعض الدقائق الصغيرة، ولعل أفضل الأمثلة على الأخير هي الفوتونات الضوئية؛ فمن المعروف أن الضوء يظهر على شكل موجات كهرومغناطيسية، أما على «المستوى دون المهجري submicroscopic level»، فإن الضوء يسلك سلوك الجزيئات المادية؛ حيث يُمتص ويَنبعث على هيئة «كمات» من الطاقة فيما يسمى بالفوتونات، وهو الأمر الذي ينطبق على العديد من الموجات الكهرومغناطيسية، كالأشعة السينية وأشعة جاما. فكيمياء الكم هي إسقاط لتلك ميكانيكا الكم ووصفها لتلك الدقائق على الطريقة التي تتصرف بها الجزيئات والذرات في التفاعلات الكيميائية.
2- الكيمياء والكم؛ ما العلاقة؟
أ- الروابط:
الرابطة الكيميائية هي وصف لأي نوع من التداخل بين الذرات أو الجزيئات أو الأيونات أو البلورات وغيرها من المواد الثابتة التي نراها بصورة يومية (بما فيها أجسامنا نفسها)، فعندما تتقارب الذرات من بعضها تقوم إلكترونات وأنوية تلك الذرات بالتفاعل فيما بينها سعيًا منها إلى توزيع نفسها في الفراغ بصورة تجعل الطاقة الكلية لكل منهم أقل ما يمكن ولزيادة الاستقرار؛ فإن كان المجموع الكلي لقوى الترابط بينهم أقل من المجموع الكلي لتلك القوى في حالة الانفراد، فإنها ترتبط فيما بينها.
إن الأفكار التي ساعدت على ترسيخ فكرة الروابط الكيميائية، اكتسبت قوتها مع أوائل القرن العشرين واكتشاف الإلكترونات وسطوع نجم ميكانيكا الكم وشرحها لسلوك تلك الإلكترونات؛ حيث شكلت ميكانيكا الكم لغة استطاع الكيميائيون من خلالها تحقيق فهم كلي وشامل للروابط وفهم ميكانيكية تكونها، وبالرغم من سهولة تعبير الكيميائيين عن تلك الروابط واستخدامهم رموز أقل تعقيدًا من ميكانيكا الكم نفسها، إلا أنهم يحتاجون إلى الأسس لتلك التعبيرات وفهم أعمق لأشكال الروابط والأشكال الهيكلية للجزيئات، وهو ما توفره ميكانيكا الكم.
ب- الكيمياء الضوئية:
التفاعل الضوئي الكيميائي هو تفاعل عادي يمثل الضوء فيه البادئة اللازمة لإثارة المواد المتفاعلة؛ حيث تُمتص تلك المواد الضوء مسببة لنفسها زيادة في الطاقة عن طريق الإثارة الإلكترونية لذراتها؛ مما يُزيد من قابليتها للتفاعل مع مواد أخرى بصورة أفضل قبل إثارتها.
تمثل الكيمياء الضوئية أهمية كبيرة في حياتنا؛ حيث تعتمد عليها عملية البناء الضوئي في النباتات والتي بدورها تعتبر الركيزة الأساسية لكل أشكال الحياة على سطح الأرض؛ حيث تتحول في هذه العملية الطاقة الضوئية الصادرة من الشمس إلى طاقة كيميائية قابلة للتخزين على صورة كربوهيدرات وأكسجين، المادتان اللازمتان لاستمرار الحياة الحيوانية، كما تشكل الكيمياء أهمية بالغة في رؤيتنا للأشياء؛ حيث تقوم الجزيئات المشكّلة لبعض أجزاء العين بتفاعل كيميائي ضوئي يساعد المخ على إدراك ما نراه.
ظلت ميكانيكية تلك التفاعلات مجهولة حتى ظهور ميكانيكا الكم في بدايات القرن العشرين، وخاصة تلك التفسيرات التي أتى بها ألبرت أينشتين عام (1912م) حيث استخدم فكرة «الكم» في تفسير تلك التفاعلات، وذلك عن طريف فرض أن الضوء يتكون من كمات مفردة من الطاقة تسمى (فوتون)، وتُمتص تلك الفوتونات من الإلكترونات بكميات محددة مسببة إثارة لتلك الإلكترونات؛ حيث تنتقل من مستويات الطاقة الأدنى إلى مستويات الطاقة الأعلى والتي تُزيد من طاقة الذرات نفسها وقابليتها على التفاعل، وهو ما كان من الصعب تفسيره بعيدًا عن ميكانيكا الكم.
3- كيمياء الكم ونشأة الحياة على سطح الأرض:
أ- اولًا: الأحماض الأمينية:
لعل أكثر الأسئلة جوهرية في الكيمياء الحيوية وأقدمها هو لماذا احتاجت الحياة إلى عشرين حمضًا أمينيًا لتنشأ ولتدعم الحياة على هذا الكوكب؟ ويشير (بيرند موسمان (Bernd Moosmannالباحث التابع ل (جامعة جوناس بيرج Johannes Gutenberg University ) بألمانيا: «يفصلنا انتقال الكيمياء غير الحية الموجودة بالفضاء الخارجي عن الكيمياء الحيوية الموجودة على سطح الأرض هو تمتع الأحماض الأمينية على كوكبنا بحجم كبير وشحنة كهربية منخفضة؛ مما يساعد على تحفيز التفاعلات اللازمة لبناء الأحماض الأمينية ومن ثم بناء اللبنات الأساسية للحياة»، فقد تشكلت تلك الأحماض الأمينية بالتوازي مع نشأة الأرض منذ ما يقارب ال (4.54 مليار) سنة، لكن يبقى السؤال قائمًا، لماذا قرر التطور أننا بحاجة إلى (20) حمض نووي مع قدرة (13) حمضًا أمينيًا على بدء الحياة؟ وما علاقة الكم بذلك؟
ب- هنا يأتى دور الكم:
من الصعب جدًا التأكد من من المركبات العضوية الأولى التي كانت موجودة في تاريخ الأرض المبكر، والتي كانت اللبنة الأساسية في نشأة الحياة على سطح الأرض، حيث لم تترك لنا حفريات للاستدلال عليها؛ لذلك وضع الباحثون عدة فرضيات معتدمين فيها على الحسابات الكمية وبعض التجارب البيوكيميائية، حيث قرروا أن الأحماض الأمينية الزائدة تلك نشأت كاستجابة للمستويات الزائدة من الأكسجين الموجود على الأرض في تاريخها المبكر، وهو ما يصعب تحديده أيضًا بدون ميكانيكا الكم.
إعداد: Ahmed Fahmy
مراجعة: Amira Esmail
المصادر:
1- Quantum Definition in Physics and Chemistry [Internet]. [cited 2018 Apr 25]. Available from: https://www.thoughtco.com/definition-of-quantum-in-chemistry-605914
2- quantum — Britannica Library [Internet]. [cited 2018 Apr 25]. Available from: https://library.eb.co.uk/levels/adult/article/quantum/62161
3- Nield D. Quantum Chemistry Solves The Question of Why Life Needs So Many Amino Acids [Internet]. [cited 2018 Apr 25]. Available from: https://www.sciencealert.com/quantum-chemistry-solves-question-of-why-life-needs-many-amino-acids
4- photochemical reaction Britannica Library [Internet]. [cited 2018 Apr 25]. Available from: https://library.eb.co.uk/levels/adult/article/photochemical-reaction/110114
5- chemical bonding — Britannica Library [Internet]. [cited 2018 Apr 25]. Available from: https://library.eb.co.uk/levels/adult/article/chemical-bonding/110108
