Zapewne nic w lepszym
stopniu nie ilustruje, jak dziwne i często przypadkowe były początkowe
etapy rozwoju chemii, niż odkrycie dokonane w 1675 roku przez Niemca
Henniga Branda. Był on przekonany, że złoto można uzyskać z ludzkiego
moczu, którego zgromadził 50 wiader. Stosując różne tajemnicze procesy,
zdołał przekształcić mocz najpierw w niezdrową substancję o konsystencji
ciasta, a następnie w przezroczystą, woskową masę. Nie uzyskał
oczywiście złota, lecz zaobserwował dziwną i interesującą właściwość
końcowego produktu. Po pewnym czasie substancja zaczęła się jarzyć, a
wystawiona na działanie powietrze często spontanicznie ulegała
samozapaleniu.
W latach pięćdziesiątych osiemnastego
wieku szwedzki chemik Karl Scheele odkrył sposób masowej produkcji
fosforu bez konieczności wąchania moczu, dzięki czemu Szwecja stała się,
i do dziś pozostaje, czołowym producentem zapałek. Scheele odkrył osiem
pierwiastków – chlor, fluor, mangan, bar, molibden, wolfram, azot i
tlen – lecz w każdym z przypadków zasługi przypisano komuś innemu, albo
przez przeoczenie, albo w wyniku powtórnego, niezależnego odkrycia przez
innego badacza, które zostało wcześniej opublikowane. Odkrył także
wiele związków chemicznych, między innymi amoniak, glicerynę oraz kwas
taninowy; jako pierwszy dostrzegł potencjał komercyjny chloru jako
wybielacza. Scheele miał zadziwiającą skłonność do smakowania wszystkich
substancji, które badał, wliczając takie znane (obecnie) trucizny, jak
rtęć, fluorowodór i cyjanowodór.
Liczni uczeni poszukiwali, a niekiedy
nawet „znajdowali” różne nieistniejące substancje: skażone powietrze,
niepalne kwasy morskie, floksy, popioły, ziemno-wodne wyziewy, a przede
wszystkim flogiston, substancję uważaną za czynnik odpowiedzialny za
spalanie. Gdzieś wśród tego wszystkiego krążył również elan vital,
tajemnicza siła, za sprawą której materia nieożywiona stawała się
źródłem życia. Nikt nie wiedział, gdzie mieściła się owa ulotna,
eteryczna esencja życia, lecz dwie rzeczy wydawały się dość
prawdopodobne: że można ją pobudzić impulsem elektryczności i że ukrywa
się w pewnych określonych substancjach, lecz nie jest obecna w innych,
dzięki czemu mamy dziś dwie gałęzie chemii - organiczną oraz
nieorganiczną.Aby skierować chemię na tory prowadzące ku jej nowoczesnej
formie, potrzebny był ktoś obdarzony wyobraźnią i wizją; osobę tę
zawdzięczamy Francji. Był to Antoine Laurent Lavoisier, współautor
podręcznika Methode de Nomenclsture Chimique, który stał się
biblią jednolitego nazewnictwa pierwiastków chemicznych. Lavoisier nigdy
nie odkrył pierwiastka chemicznego. W czasach, gdy nowe pierwiastki
odkrywał niemal każdy, kto dysponował szklaną zlewką lub kolbą,
palnikiem i jakimś interesującym proszkiem; gdy około dwóch trzecich
pierwiastków oczekiwało na swych odkrywców – Lavoisier nie odkrył ani
jednego.
Z pewnością nie z braku kolb i zlewek.
Posiadał najlepsze i najlepiej wyposażone prywatne laboratorium
chemiczne na świecie, w którym dysponował absurdalną liczbą 13 tysięcy
kolb i zlewek. Zamiast odkrywać pierwiastki Lavoisier analizował
odkrycia innych i wyciągał z nich wnioski. Odrzucił koncepcję flogistonu
i gazów mefitycznych. Zidentyfikował tlen oraz wodór i nadał im
współczesne nazwy. Krótko mówiąc, wprowadził do chemii rygor, jasność i
ścisłość. Wraz ze swoją żoną stwierdził na przykład, wbrew powszechnemu
przekonaniu, że rdzewiejący obiekt nie traci, lecz przybiera na wadze.
Odkrycie to stanowiło dowód, że w jakiś sposób rdzewiejące przedmioty
przyciągają elementarne cząstki z powietrza i że materia może ulegać
przekształceniom, lecz nie można jej unicestwić. Ta rewolucyjna
koncepcja stała się znana jako zasada zachowania masy.
W początkach dziewiętnastego stulecia w
Anglii pojawiła się moda na wdychanie podtlenku azotu, czyli gazu
rozweselającego, po tym, jak odkryto „wysoce przyjemne wrażenia
towarzyszące jego użyciu”. Przez następne półwiecze był to powszechny
wśród młodych ludzi narkotyk. Jedno z towarzystw naukowych, Askesian
Society, przez pewien czas nie zajmowało się niczym innym. Teatry
organizowały „wieczory z gazem rozweselającym”, w trakcie których
ochotnicy mogli odświeżyć swe płuca odpowiednią dawką, aby następnie
bawić widownię komicznymi skutkami odurzenia. Dopiero w 1846 roku
odkryto bardziej praktyczne zastosowanie tego gazu. Bóg jeden wie, ile
dziesiątek tysięcy nieszczęśników niepotrzebnie cierpiało pod nożem
chirurga, ponieważ nikt nie wpadł na oczywisty pomysł użycia podtlenku
azotu jako środka znieczulającego.
Po ogromnych postępach w osiemnastym
wieku, w początkowych dekadach kolejnego stulecia chemia straciła impet.
Częściowo z powodu braku aparatury – na przykład wirówkę, bez której
nie da się przeprowadzić wielu rodzajów eksperymentów, wynaleziono
dopiero w drugiej połowie stulecia. W pewnym stopniu przyczyny zastoju
miały także charakter socjologiczny. Chemia była, ogólnie rzecz biorąc,
nauką ludzi biznesu, którzy zajmowali się węglem, potażem, barwnikami, a
nie dla dżentelmenów, którzy skłaniali się raczej ku geologii, historii
naturalnej i fizyce. Może wydawać się symptomatyczne, że jednego z
największych odkryć dziewiętnastego wieku, dzięki któremu
zidentyfikowano i określono naturę molekuł, dokonał nie chemik, lecz
botanik, szkocki uczony Robert Brown (w 1827 roku Brown stwierdził, że
maleńkie pyłki roślin zawieszone w wodzie pozostają w nieustannym ruchu
niezależnie od tego, jak długo czekał, aby się ustatkowały. Przyczyna
tego wiecznego ruchu – mianowicie działanie niewidocznych molekuł –
bardzo długo pozostawała tajemnicą).
Sprawy miałyby się jeszcze gorzej, gdyby
nie wyjątkowo oryginalny osobnik, hrabia Rumford, który wbrew
wspaniałemu tytułowi przed nazwiskiem, urodził się w 1753 roku w Woburn,
w stanie Massachusetts, jako Benjamin Thomson. W 1799 roku założył w
Londynie Royal Institution, jedno z licznych towarzystw naukowych, które
pojawiały się jak grzyby po deszczu w całej Wielkiej Brytanii na
przełomie osiemnastego i dziewiętnastego stulecia. Przez pewnie czas
była to jedyna poważna instytucja, która popierała nową, rozwijającą się
dziedzinę nauki – chemię, prawie wyłącznie dzięki błyskotliwemu młodemu
człowiekowi o nazwisku Humphry Davy, który wkrótce po założeniu Royal
Institution został zatrudniony na stanowisku profesora chemii i dał się
poznać jako wyjątkowo utalentowany wykładowca i zdolny eksperymentator.
Wkrótce po objęciu swego stanowiska Davy
zaczął seryjnie odkrywać nowe pierwiastki – potas, sód, magnez, wapń,
stront, aluminium. Większość z tych odkryć dokonał dzięki kolejnemu ze
swoich genialnych pomysłów, mianowicie przepuszczenie prądu
elektrycznego przez ciekłe substancje. Zjawisko to jest dzisiaj znane
jako elektroliza. Davy odkrył łącznie tuzin pierwiastków, co stanowiło
jedną piątą całkowitej liczby ówcześnie znanych pierwiastków.W 1808 roku
pewien nieznany kwakier, John Dalton, dokonał odkrycia, które stanowiło
pierwszy wyraźny dowód istnienia atomów, a w 1811 roku Włoch o
wspaniale operowym nazwisku Lorenzo Romano Amadeo Carlo Avogadro, conte
di Quaregna e di Cerreto, sformułował hipotezę, która ostatecznie stała
się bardzo ważnym twierdzeniem w chemii i fizyce. Stwierdził mianowicie,
że dwie jednakowe objętości dowolnych gazów utrzymywane w jednakowej
temperaturze i pod jednakowym ciśnieniem zawierają jednakowe liczby
molekuł. Dwie kwestie są istotne w tej uderzająco prostej hipotezie. Po
pierwsze, stanowiła ona podstawę bardziej dokładnych pomiarów mas oraz
rozmiarów atomów. Wykorzystując prawo Avogadra, uczeni mogli między
innymi stwierdzić, że średnica przeciętnego atomu wynosi około
0,00000008 centymetra, czyli rzeczywiście niewieleInstytucjonalizacja
chemii postępowała na tyle powoli, że informacja o przełomowym odkryciu
Avogadra z 1811 roku stała się powszechnie znana dopiero po pierwszym
międzynarodowym kongresie chemicznym, który odbył się w 1860 roku w
Karlsruhe.Dopóki chemicy pracowali we względnym odosobnieniu, nie
istniały powszechnie przyjęte standardy. Chemicy stosowali oszałamiającą
liczbę rozmaitych symboli oraz skrótów, nierzadko wyłącznie na własny
użytek. Dopiero szwedzki uczony J.J. Berzelius wprowadził pewną miarę
porządku do tego chaosu, gdy zaproponował, aby pierwiastki były
oznaczone symbolami pochodzącymi od pierwszych liter greckich lub
łacińskich nazw. Dlatego symbol żelaza stanowi skrót Fe (od łacińskiego Ferrum), srebra Ag (od łacińskiego argentum).
Dla oznaczenia liczby atomów w cząsteczce stosował zapis w indeksie
górnym. Użycie indeksu dolnego, stało się modne nieco później i chyba
bez szczególnego powodu.Niezależnie od okazjonalnych porządków w
drugiej połowie dziewiętnastego wieku w chemii nadal panował mniejszy
lub większy chaos. Kres położył mu dopiero ekscentryczny (zarówno ze
względu na wygląd, jak i zachowanie) profesor uniwersytetu w Sankt
Petersburgu, Dymitr Iwanowicz Mendelejew, który urodził się w 1834 roku w
Tobolsku, w zachodniej Syberii. Dał się poznać jako kompetentny chemik,
lecz bardziej znany był dzięki swojej dzikiej brodzie, niż dzięki swym
talentom w laboratorium. W 1869 roku, w wieku 35 lat, zaczął swą słynną
zabawę w układanie pierwiastków. W owym czasie wszystkie pierwiastki
były zwykle grupowane na jeden z dwóch sposobów: albo według masy
atomowej (przy użyciu prawa Avogadra), albo według podobieństw
właściwości (na przykład gazy, metale i tak dalej). Odkrycie
Mendelejewa polegało na tym, że połączył on oba te sposoby, tworząc
jedną tabelę dla wszystkich pierwiastków.
Jego idea okazała się błyskotliwa i
zarazem cudownie prosta. Właściwości pierwiastków powtarzają się
okresowo, więc wynalazek Mendelejewa określa się często mianem tablicy
okresowej lub układu okresowego. Mendelejewa zainspirowała podobno gra w
karty znana jako pasjans, w której karty układa się poziomo według
kolorów, a pionowo według wartości. Gdy ułoży się pierwiastki w
poziomych rzędach zwanych okresami i w pionowych kolumnach zwanych
grupami, natychmiast stają się widoczne dwa zestawy podobieństw: wzdłuż
rzędów i wzdłuż kolumn. W szczególności, w kolumnach pojawiają się
pierwiastki o podobnych właściwościach, na przykład miedź znajduje się
nad srebrem, a srebro nad złotem ze względu na ich przynależność do
metali – wszystkie trzy są metalami o podobnych właściwościach
chemicznych i fizycznych; z kolei hel, neon i argon znajdują się w
kolumnie złożonej z gazów (faktycznym wyróżnikiem uporządkowania jest
walencyjna struktura poszczególnych atomów). Wzdłuż poziomych rzędów
pierwiastki układają się według rosnącej liczby protonów w jądrach,
zwanej liczbą atomową.Mino niewątpliwego sukcesu i wagi odkrycia
Mendelejewa wiele kwestii pozostało nieznanych lub niezrozumiałych.
Najbardziej rozpowszechnionym pierwiastkiem we wszechświecie jest wodór,
lecz przez kolejne trzydzieści lat nikt o tym nie wiedział. Hel, drugi
po wodorze pod względem rozpowszechnienia, został odkryty zaledwie rok
przed publikacją Mendelejewa i to nie na Ziemi, lecz na Słońcu, gdzie
wykryto go za pomocą spektroskopu w czasie zaćmienia Słońca – dlatego
nazwano go na cześć greckiego boga Słońca, Heliosa. Na Ziemi hel został
wyizolowany dopiero w 1895 roku. Mimo wszystko dzięki odkryciu
Mendelejewa chemia zyskała solidne podstawy.
Dzisiaj mamy „120 lub coś koło tego”
znanych pierwiastków – 92 w stanie naturalnym plus około dwóch tuzinów
wytworzonych sztucznie. W czasach Mendelejewa znane były tylko 63
pierwiastki, lecz dzięki swemu odkryciu Mendelejew uświadomił sobie, że
nie tworzą one kompletnego układu, gdyż niektóre miejsca w tablicy były
puste. W ten sposób potrafił on nie tylko stwierdzić, gdzie powinny
trafić nieznane jeszcze pierwiastki, lecz także z godną podziwu
dokładnością przewidział niektóre ich właściwości.Nikt nie wie, ile
pierwiastków może istnieć w przyrodzie. Najcięższe wytwarzane sztuczne
jądra pierwiastków przemierzają obecnie tak zwaną wyspę stabilności, dla
której magiczne liczby wynoszą 114 protonów i 184 neutrony. Pewne
teoretyczne przesłanki wydają się wskazywać, że możliwe są jeszcze
cięższe jądra, lecz na razie są to „czyste spekulacje”. Pewne jest tylko
to, że każdy atom znajdzie swoje miejsce w wielkim schemacie
Mendelejewa.
Wiek dziewiętnasty trzymał w zanadrzu
jeszcze jedną zagadkę. Ujawnił ją w pewne niedzielne popołudnie 1896
roku, gdy Henri Becquerel sięgnął do szuflady swego biurka, w której
uprzednio pozostawił kawałek soli uranowej, położony przypadkiem na
zawiniętej w papier płycie fotograficznej. Okazało się, że sól
pozostawiła na płycie ślad, dokładnie tak, jakby płyta została
wystawiona na działanie światła. Sól emitowała jakieś promieniowanie.
Becquerel wykonał dość dziwne
posunięcie: zlecił dalsze szczegółowe badania komuś innemu. Osobą, która
podjęła pracę nad jego odkryciem, była doktorantka, imigrantka z
Polski, Maria Skłodowska-Curie. Pracując wspólnie ze swym świeżo
poślubionym mężem, Pierre’em Curie, odkryła, że pewne rodzaje minerałów
nieustannie wydzielają ogromne ilości energii, nie zmniejszając przy tym
swoich rozmiarów ani nie zmieniając się w żaden wykrywalny sposób. Ani
ona, ani jej mąż nie mogli wiedzieć – nie wiedział tego nikt, dopóki
Einstein nie odkrył (kilka lat później) równoważności masy i energii –
że w minerałach zachodzi bardzo wydajna przemiana masy w energię. Maria
nazwała odkryte zjawisko „promieniotwórczością”. W dalszej pracy
małżonkowie Curie odkryli także dwa nowe pierwiastki – polon, nazwany na
cześć ojczyzny Marii, oraz rad.Tymczasem Ernest Rutherford wraz z
Frederickiem Soddym odkrył, że w niewielkich ilościach niektórych
minerałów kryją się ogromne rezerwy energii i że radioaktywne rozpady
tych atomów mogą być odpowiedzialne za większość wydzielanego przez
Ziemię ciepła. Obaj odkryli również, że atomy radioaktywnych
pierwiastków rozpadają się na atomy innych pierwiastków.
Jak zawsze pragmatyczny Rutherford
szybko zdał sobie sprawę, że jego odkrycie może mieć istotne praktyczne
zastosowania, gdy spostrzegł, że każda próbka radioaktywnego materiału
zawsze potrzebuje tyle samo czasu, aby połowa próbki uległa rozpadowi.
Odkrył w ten sposób tak zwany okres połowicznego zaniku. Stałe,
niezmienne tempo rozpadu pierwiastków promieniotwórczych może zostać
wykorzystane jako pewnego rodzaju zegar. Wiedząc (czyli na ogół
mierząc), jaka część materiału uległa rozpadowi i znając okres
połowicznego zaniku, można obliczyć (przeliczając okresy wstecz w
czasie) wiek próbki. Rutherford zbadał kawałek blendy smolistej,
najbardziej rozpowszechnionej rudy uranu, i stwierdził, że miała 700
milionów lat, znacznie więcej, niż większość ludzi byłaby skłonna
przypisać naszej planecie.
Długi czas sądzono, że coś emanującego
tak niezwykłe ilości energii jak promieniotwórczość musi mieć wyłącznie
dobroczynne właściwości. Przez wiele lat producenci pasty do zębów oraz
środków przeczyszczających faszerowali swoje wyroby radioaktywnym torem.
Jeszcze w latach dwudziestych hotel Glen Springs w rejonie Finger Lakes
koło Nowego Jorku (i bez wątpienia wiele innych) z dumą reklamował
terapeutyczne właściwości swoich „radioaktywnych źródeł mineralnych”.
Dopiero w 1938 zakazano stosowania substancji radioaktywnych w
produktach powszechnego użytku. Dla Marii Skłodowskiej-Curie było już
jednak za późno – zmarła na białaczkę w 1934 roku. Promieniotwórczość
potrafi być tak trwała i tak zgubna w skutkach, że nawet dzisiaj papiery
Marii z lat dziewięćdziesiątych dziewiętnastego wieku – a nawet jej
książka kucharska – są zbyt niebezpieczne. Jej laboratoryjne notesy są
zamknięte w ołowianych skrzyniach, a ich oglądanie jest możliwe
wyłącznie w ubraniu ochronnym.
W tym czasie nauka weszła w nową erę za sprawą fizyków. Rozpoczęła się era atomowa.
Brak komentarzy:
Prześlij komentarz