Keerukus Toomas Kaevand

Keerukus... Midagi, mis on: Segadus, ei tähenda alati keerukust raskesti aru saadav kompleksse, raskesti mõistetava ehitusega Segadus, ei tähenda alati keerukust

Alguses oli kõik “lihtne” Maagia Alkeemia Keemia

Neli klassikalist elementi, mille kaudu seletati kõike

Keemilised elemendid Neljas põhielemendist jääb väheks Pannakse tähele, et mõnda ainet, ei ole võimalik enam edasi lagundada

Antiikajast tuntud keemilised elemendid Vask, plii, kuld, hõbe, raud, süsinik, tina, väävel, elavhõbe, tsink, arseen ja antimon

Filosoofiline kivi ja fosfor Esimene keemiliselt avastatud element (Hennig Brand 1669)

Perioodilisuse süsteemi areng Tohuvabohu elementidega. Süstematiseerimata Märgati sarnaseid omadusi ja grupeeriti nende järgi Idee järjestada elemendid aatommasside (tol ajal veel ei teatud aatomeid) järgi ja gruppeerida vastavalt omadustele Humphry Davy elementide tabel 19. sajandi algusest

Perioodilisuse tabel 1869 Dmitri Mendelejev Julius Lothar Meyer 1834-1907 Julius Lothar Meyer 1830 – 11 April 1895 Perioodilisuse tabel 1869

Selgus elementidega Perioodilisuse seadus võimaldas näidata, et osa elemente on veel avastamata Avastamata elementide omaduste ennustamine Mendelejev ennustas Sc, Ga, Tc, Ge olemasolu

Gallium ehk Eka-alumiinium Eka-alumiinium (Ea) Gallium (Ga) Aatommass 68 69.72 Tihedus 6 g/cm3 5.9 g/cm3 Sulamistemperatuur madal 29.78 °C Valents 3 Avastamise meetod Tõenäoliselt spektroskoopia Spektroskoopia Oksiid Ea2O3, tihedus 5.5, lahustuv hapetes ja leelistes Ga2O3, tihedus 5.88, lahustuv hapetes ja leelistes Paul-Émile Lecoq de Boisbaudran 1838 – 1912

Probleemid perioodilisuse süsteemiga Kui palju on keemilisi elemente? Kas element 137 on viimane, mis võib eksisteerida neutraalselt?

Entroopia Segaduse mõõt (juhuslikuse mõõt) Entroopia ei ole süsteemi keerukus

Kõrge ja madal entroopia

Korrastatus Madalam entroopia – korrapärasem süsteem Süsteemil on rohkem omadusi Kõrgem entroopia – vähemkorrapärane süsteem Süsteemil on vähem omadusi

Aine olekud

Tahke aine Kristallne Amorfne

Amorfne tahkis vs vedelik Vedel (tihe gaas)

Pigi – väga viskoosne vedelik (Pigitilga eksperiment Queenslandi Ülikool) Klaas

Kristallid Korrapärase, perioodiliselt korduva ehitusega ained Beeta 2 adrenergilise retseptori ja Ge valgu Kompleks (Nature 477, doi:10.1038/nature10361) NaCl kristall

Kvaasikristallid Mitteperioodiliselt korrapärase struktuuriga kristallitaolised ained Kõige keerukam teadaolev kvaasikristall, koosneb ainult süsiniku aatomitest Nature Materials 14, doi:10.1038/nmat4152 Al-Pd-Mn potentsiaalienergia pind

Kus keemilised protsessid aset leiavad Puhtad ained Hajussüsteemid Lahused Emulsioonid Suspensioonid Aerosoolid

Lahustuvus “Lihtne” nähtus, aga keeruline ennustada Lahustuvuse ennustamiseks ei ole ideaalset teooriat Reeglina sarnane lahustub sarnases

Aine ehitus Keemia mõttes koosneb aine aatomitest, mis on omavahel seotud keemilise sidemega Aatomite omadused määrab elektronkatte ehitus (keemia üldjuhul ei roni aatomi tuuma sisse)

Aatom

Elektroni orbitaalid

Elektroni orbitaali otsene vaatlus vesiniku aatomis Hydrogen Atoms under Magnification: Direct Observation of the Nodal Structure of Stark States Phys. Rev. Lett. 110, 213001 – Published 20 May 2013 http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.110.213001

Keemilised struktuurid Keemiline struktuur: aatomite ja nende vaheliste seoste ruumiline paigutus Struktuuride hierarhia Nanostruktuur Mesostruktuur Makrostruktuur

Struktuuride näiteid Hüperforiin Tetrodotoksiin Paklitakseel Resiniferatoksiin Oktanitrokubaan Karfentanüül Hüperforiin

Meso ja makrostruktuur Mesostruktuur

Ennustamine Ennustatakse Ainete omadusi Reaktsioonie Ainete saamist Mõistlikust Ohutust

Kuidas ennustatakse Modelleerimine ja simuleerimine Molekulaardünaamika Kvantmehaanika Statistilised meetodid QSAR (Quantitative structure–activity relationship) QSPR (Quantitative structure–reactivity relationships) Masinõpe Närvivõrgud Otsustuspuud

Edu, läbi ebaedu – toast to failure Masinõpe Tulemuste saamine läbi vigade õppimise (veel parem, läbi teiste vigade)

Primitiivne keerukus Taandub küsimustele: Kas on võimalik sünteesida ainet N Kas on võimalik puhastada ainet X

Keerukus Süsteemi mittejuhuslik, korratav ja lõplikele reeglitele alluv omaduste kogum