Błędne ścieżki prowadzą do celu - część 1
Przykładem jest teoria flogistonu, panująca bez mała sto lat, której obalenie doprowadziło do przełomu w chemii. Nie znaczy to jednak wcale, że badacze spoczęli na laurach, wręcz przeciwnie, dopiero od tej chwili nauka ta zaczęła szybko się rozwijać. Aby jednak zrozumieć zawiłe ścieżki poznania, należy cofnąć się w czasie o dwa i pół tysiąca lat, a właściwie jeszcze dalej, wprost w głębiny prehistorii.
Żywioł
Nasza ewolucja przyspieszyła, gdy praludzie zaczęli używać ognia. Najpierw był to tylko ogień przypadkowo pojawiający się w przyrodzie w wyniku uderzeń pioruna, ale można było za jego pomocą odstraszyć drapieżniki i upiec mięso. Około 200–300 tysięcy lat temu nauczono się rozniecać i podtrzymywać ogień, aby nie być zależnym od kaprysów przyrody. Mimo opanowania tego żywiołu, nadal przypisywano mu nadprzyrodzoną moc jako darowi bogów, co widać w micie o Prometeuszu. Od ognia zaczęła się nie tylko praktyczna chemia (wypalanie ceramiki, produkcja szkła i wytop metali z rud), ale i cywilizacja (1).
uderzeniem pioruna. Fot: stock.adobe.com
Minęły tysiące lat, ludzie, względnie bezpieczni i syci, mogli oddać się rozważaniom nad zagadkami otaczającego ich świata, w tym i budowy materii. W starożytnej Grecji pojawiły się dwie teorie. Jedna z nich zakładała kres podzielności substancji, a najmniejsze jej porcje stanowiły atomy (z gr. atomos = niepodzielny). Demokryt (IV wiek p.n.e), twierdził, że istnieje wiele rodzajów tych cząstek (tyle, ile jest znanych substancji), które różnią się od siebie kształtem i wielkością, a łączą za pomocą haczyków i oczek. Nie śmiej się z tych przypuszczeń, atomy zobaczyliśmy na zdjęciach z mikroskopu elektronowego zaledwie kilkadziesiąt lat temu. Filozofowie rozumowali na podstawie ówczesnego stanu wiedzy i dostępnych środków technicznych, jest więc pewne, że i nasi potomkowie nieraz uśmiechną się z politowaniem, czytając o tym, co obecnie sądzimy o otaczającym świecie. Sedno poglądów starożytnych atomistów wyraża zdanie: Realnie istnieje tylko próżnia i atomy, wszystko inne jest złudzeniem. Po głębszym zastanowieniu widać, że brzmi ono sensownie.
Już od VII wieku p.n.e. doszukiwano się podstawowego składnika budującego całą materię. Filozofowie nie byli zgodni: woda, powietrze, ziemia czy też ogień? W V wieku p.n.e. Empedokles pogodził wszystkich: materia składa się nie z jednego, ale aż z czterech elementów, zaś ich mieszaniny tworzą wszystko, co nas otacza. Taką też teorię rozwinął Arystoteles, jeden z największych starożytnych filozofów. Właściwości substancji zależne były od cech charakterystycznych owych pierwiastków (żywiołów): ogień był gorący i suchy, woda – zimna i wilgotna, powietrze – gorące i wilgotne, a ziemia – zimna i sucha. Zmieniając ich właściwości, można było przekształcać jeden żywioł w drugi.
Stwierdzenie to zgadzało się z obserwacjami. Dla przykładu: ogrzewając zimną i wilgotną wodę, otrzymywano parę (gorące i wilgotne powietrze) oraz osad na dnie naczynia (zimną i suchą ziemię). Brakujących wodzie cech (gorąca i suchości) dostarczał użyty do podgrzania ogień. Kluczowe zatem (już wtedy, 2500 lat temu) okazało się doświadczenie – o ile atomów nie można było obserwować, o tyle przemiany substancji widział każdy, a teoria czterech żywiołów przekonująco je tłumaczyła. Podobnie jak w przypadku pierwszych atomistów, nie śmiej się i z tych poglądów starożytnych. Powietrze, wodę i ziemię można uważać za modele trzech stanów skupienia, a ogień za energię, która jest niezbędna do ich wzajemnych przemian. Jeżeli w ten sposób spojrzeć na teorię czterech żywiołów, przyznasz, że nie prezentuje się ona tak naiwnie, jak na pierwszy rzut oka mogłoby się wydawać (2).
i Arystoteles (z prawej) na fragmentach fresku Rafaela Santi „Szkoła ateńska”
(1511, Watykan)
Dzięki autorytetowi Arystotelesa pierwiastki perypatetyczne (z gr. peripatetikos = przechadzający się, nazwa pochodzi od zwyczajów filozofa, który podczas spacerów zwykł dyskutować z uczniami) zadomowiły się w świecie nauki na ponad dwa tysiące lat (3).
(O naturze wszechrzeczy) rzymskiego poety Lukrecjusza (I wiek p.n.e.)
Łączy i rozdziela
Mistrzowie sztuki alchemicznej wyciągnęli logiczne wnioski z teorii żywiołów: przemiany (transmutacje) substancji są możliwe, w tym i pospolitych metali w złoto, wystarczy tylko znaleźć proporcję, w której elementy są ze sobą zmieszane. W tym dziele (a raczej Wielkim Dziele, jak nazywano transmutację w złoto) miał pomagać Kamień Filozoficzny – tajemnicza substancja, która nie tylko zamieniała pospolite metale w szlachetny kruszec, ale i dawała nieśmiertelność. Alchemicy w ciągu wieków otrzymali i przebadali mnóstwo związków chemicznych oraz udoskonalili technikę laboratoryjną, bez której nowoczesna chemia nie mogłaby istnieć. Odkryli też kilka pierwiastków: antymon, arsen, bizmut, cynk i fosfor.
Mimo usilnych starań sukces nie nadchodził, modyfikowano więc teorię. Takie podejście było racjonalne, obecnie również zmienia się założenia teoretyczne, gdy wyniki eksperymentów się z nimi nie zgadzają. Wpływy arabskie spowodowały, że metale zaczęto uważać za złożone z trzech zasad: siarki nadającej palność, rtęci – nośnika metalicznego połysku i topliwości oraz soli odpowiedzialnej za twardość. Oczywiście nie były to pierwiastki w dzisiejszym tego słowa znaczeniu ani nawet rzeczywiste substancje, a jedynie symbole własności metalu.
W pracy alchemików niezbędny był ogień, który łączył substancje podobne, a rozdzielał te o cechach odrębnych (stąd więc np. jego zastosowanie do oczyszczania metali szlachetnych). Piec stał się sercem każdej alchemicznej pracowni, a i dziś ogrzewanie to główny sposób „zmuszenia” związków chemicznych do reakcji (4). Coraz częściej też alchemię nazywano sztuką spagiryczną, od greckich słów spao (rozdzielam) i ageiro (łączę). Można zatem nazwać ją sztuką rozdzielania (analizy) i łączenia (syntezy), zupełnie jak współczesną chemię. Alchemia była nie tylko sztuką wyrobu złota, lecz przede wszystkim nowoczesną – oczywiście w swoich czasach – nauką, a jej adepci uważali, że jedynie eksperyment stanowi
ostateczną weryfikację teorii.
obraz flamandzkiego malarza Dawida Teniersa Młodszego, ok. 1650)
Niedoszła rewolucja
Przez cały okres alchemicznych eksperymentów i dociekań funkcjonowała chemia praktyczna: wytop metali, produkcja szkła i ceramiki, wyrób medykamentów i barwników. Była ona jednak domeną rzemieślników, którzy nie zawracali sobie głowy rozważaniami teoretycznymi. Od połowy XVI wieku rozpoczyna się zmierzch alchemii. Coraz więcej jej adeptów porzucało nieprzynoszące efektów prace na rzecz rozwijania już istniejących technologii, co okazywało się intratnym finansowo zajęciem.
Jedną z intensywnie badanych substancji była saletra potasowa (azotan potasu KNO3), stosowana jako składnik czarnego prochu i konserwant do mięsa. Podczas jej prażenia obserwowano wydzielanie „ducha”, czyli – jak powiedzielibyśmy dzisiaj – gazu. Owo „powietrze” (inna używana nazwa gazów) miało właściwości podtrzymywania palenia i oddychania. Najsławniejszy polski alchemik, Michał Sędziwój, pisał (1604): Człowiek jest stworzony z ziemi, żyje z powietrza. W powietrzu jest bowiem ukryty pokarm życia. Jak łatwo się domyślić, tajemniczym gazem był tlen. W roku 1674 angielski lekarz John Mayow również opisał niezbędny do oddychania i spalania składnik powietrza, który można było także otrzymać z saletry potasowej. Wydawałoby się, że wyjaśnienie tajemnic spalania jest na wyciągnięcie ręki, a chemicy (alchemia wtedy traktowana była już z przymrużeniem oka) zaczną odkrywać rzeczywiste pierwiastki. Historia potoczyła się jednak inaczej.
Fluid ognia
Dzięki geniuszowi Isaaca Newtona w końcu XVII wieku dokonano wielkiego przełomu w fizyce (optyka, zasady dynamiki, prawo powszechnego ciążenia). W tym też czasie pojawiła się teoria wyjaśniająca szeroki zakres zjawisk chemicznych. Wszystko to za sprawą znanego od tysiącleci spalania drewna. Jak wiadomo, pozostałość (popiół) waży znacznie mniej niż paliwo, wywnioskowano zatem, że spalana substancja musi tracić pewien składnik. Nazwano go flogistonem (z gr. phlogistos = palny) i uważano za element każdego ciała palnego (to w ten czynnik przekształciła się wspomniana wyżej alchemiczna siarka). Podczas spalania miał on przechodzić do powietrza, a gdy uszedł cały – ogień gasł. Oczywiście, gdy spalanie odbywało się w zamkniętej przestrzeni, ograniczona ilość powietrza nie mogła wchłonąć całego flogistonu i ogień również gasł. Spalanie pokarmów było z kolei źródłem wewnętrznego ciepła u ludzi i zwierząt, a flogiston wydzielał się wraz z oddechem. Oczywiście nie gromadził się on na stałe w atmosferze (inaczej po pewnym czasie spalanie i oddychanie nie byłoby możliwe), lecz był stamtąd usuwany przez rośliny, które używały flogistonu do budowy swoich tkanek. Czy coś ci przypomina ten obieg fluidu ognia (jak inaczej go nazywano)? Proces spalania sprowadzał się więc do przechodzenia flogistonu z jednej substancji do drugiej.
a ostateczny kształt teorii nadał Georg Ernst Stahl (z prawej) w roku 1703
Początkową wersję teorii opisał Johann Joachim Becher, a ostateczną postać przedstawił niemiecki lekarz i chemik Georg Ernst Stahl, który rozszerzył zakres jej stosowania także na substancje nieorganiczne (5). Przykładowo: metal ogrzewany na powietrzu wydziela flogiston i zamienia się w niepalną ziemię (jak wtedy określano tlenki metali, nazwa pochodzi od podobieństwa do znajdowanych w ziemi rud metali) lub inaczej wapno (od wapna stosowanego do zaprawy murarskiej) (6). Gdy zaś ogrzewano ziemię, np. rudę metalu, z zawierającym dużo flogistonu węglem, czynnik ten z węgla przechodził do ziemi metalu, ponownie przywracając jego pierwotną postać, czyli czysty metal (ten proces nazwano redukcją, czyli powrotem do stanu początkowego) (7). Stahl uważał, że np. rdzewienie żelaza to także spalanie, tylko bardzo powolne, stąd brak efektów cieplnych i świetlnych obserwowanych podczas gwałtownego przebiegu procesu. Uczony ustalił również, ile flogistonu zawarte jest w metalach: złoto nie miało go wcale i dlatego nie ulegało zmianom podczas ogrzewania, miedź niewiele i powoli pokrywała się patyną, a żelazo dużo i z tego powodu łatwo rdzewiało. Takie uporządkowanie metali przekształciło się w obecny szereg ich aktywności.
– według flogistyków z metalu uchodzi flogiston
Teoria flogistonowa została obalona po prawie stuleciu, ale można się w niej, podobnie jak w przypadku teorii czterech żywiołów, doszukać racjonalnych elementów. Wzorem uczniów Arystotelesa, udaj się więc na wakacyjny spacer i pomyśl o problemach, które trapiły chemików trzy wieki temu.
Krzysztof Orliński
