Chemia ciekawostki, które powinieneś poznać

chemia ciekawostki

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 powietrza, 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. Niestety każdorazowo zasługi przypisano komuś innemu – albo przez przeoczenie, albo w wyniku powtórnego, niezależnego odkrycia przez innego badacza, które zostało wcześniej opublikowane. Karl Scheele 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 temu mamy dziś dwie gałęzie chemii: organiczną oraz nieorganiczną.

Nie odkrył, ale…

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.

Gaz rozweselający

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.

Botanik odkrywcą

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 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 pewien 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.

Średnica atomu

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 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 niewiele.

Porządkowanie pierwiastków

Instytucjonalizacja 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.

Układanka Mendelejewa

Niezależnie od okazjonalnych porządków, w drugiej połowie dziewiętnastego wieku w chemii nadal panował mniejszy lub większy chaos. Kres położył mu dopiero ekscentryczny 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 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.

Mimo 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.

Ile jest pierwiastków?

Obecnie 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.

Zabójcze promieniowanie

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.

Pragmatyczny Rutherford szybko zdał sobie sprawę, że jego odkrycie może mieć 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.

Promieniotwórcza pasta do zębów

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 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…

Tekst: Katarzyna Krok, na podstawie książki Bill’a Bryson’a „Krótka historia prawie wszystkiego”.
www.chemicznyswiat.blogspot.com  / Artelis.pl

Spodobało się? UdostępnijShare on Facebook
Facebook
Tweet about this on Twitter
Twitter
Share on LinkedIn
Linkedin
Pin on Pinterest
Pinterest
Share on VK
VK
Email this to someone
email