Je možné usporiadať niečo podľa atómovej váhy a pritom neveriť v existenciu atómov? Nuž, nielenže je to možné, ale pre Mendelejeva to bolo dokonca celkom prirodzené. Pre nás to prirodzené nie je, pretože my už odmalička vieme, že svet sa skladá z atómov. Vieme to, lebo nám to povedali. Síce nám to povedali len ako rozprávku, ale veď tým sme verili.
Väčšina rozprávok sa začínala formulkou „kde bolo, tam bolo", neskôr sa však vyskytli aj také, ktoré sa začínali slovami „už starí Gréci". Rozprávka o tom, z čoho sa skladá svet, bola jednou z nich. Zvláštne na tejto rozprávke bolo, že mala dva rôzne začiatky. Podľa jedného z nich sa všetka hmota skladala z nejakých základných prvkov či elementov (najčastejšie to boli oheň, voda, zem a vzduch), podľa druhého sa hmota skladala z maličkých šutríkov, ktorým sa hovorilo atómy.
Dnes, keď sa na prvých hodinách chémie naučíme, že každému chemickému prvku zodpovedá jeden typ atómu, nám tie dva začiatky nepripadajú nijako dramaticky odlišné. Ale ony odlišné boli a rozpor medzi nimi sa stal jedným z kľúčových rozporov v celých dejinách chémie. Tieto dve predstavy totiž viedli chemikov 19. storočia k dvom zásadne odlišným predpovediam, týkajúcim sa procesov, v ktorých vznikajú z nejakých látok látky iné.
.voda a elementy
Ak sa hmota skladá z elementov, potom rôzne látky vznikajú rôznym zmiešavaním týchto elementov. Zmiešavanie sa pritom môže diať vo všelijakých pomeroch a tieto pomery môžu byť v podstate ľubovoľné. K určitému množstvu zeme môžeme pridať ľubovoľné množstvá vody a dostaneme tým rôzne husté formy blata.
Ale ak sa látky skladajú z atómov a nové látky vznikajú spájaním týchto atómov do väčších celkov (ktorým dnes hovoríme molekuly), potom dostávame celkom iný obraz. Ak sa napríklad spája jeden atóm prvej látky s jedným atómom druhej látky, potom sa všetky atómy pospájajú bezo zvyšku do dvojíc, tvoriacich novú látku len vtedy, ak ich je rovnako veľa. Ak je atómov jednej z pôvodných látok viac, nová látka vznikne len z tých, ktoré si nájdu partnera – nespárované atómy zostanú vo forme pôvodnej látky.
A ako je to v tomto našom svete? V prvom rade si musíme povedať, že chemici koncom 18. storočia presvedčivo ukázali, že oheň, voda, zem ani vzduch nie sú fundamentálne elementy. Nie sú, pretože sa skladajú z nejakých iných vecí. Antoine Lavoisier napríklad zistil, že ak sa dostane vodík (získaný v reakcii kyseliny sírovej so železom) do kontaktu s kyslíkom (získaného pomocou slnečného svetla pôsobiaceho na látku, ktorej dnes hovoríme oxid ortuťnatý), tak z nich vzniká voda.
Tým, samozrejme, nevyvrátil celú koncepciu elementov, ale ukázal, že základným elementom nemôže byť voda. Keď už majú existovať nejaké základné prvky, tak by sa na túto úlohu hodili skôr vodík a kyslík, z ktorých sa voda skladá. Lenže neskladajú sa aj vodík a kyslík z niečoho ďalšieho? Nuž, nech sa Lavoisier a iní chemici snažili, koľko chceli, nepodarilo sa im rozložiť vodík ani kyslík na nič elementárnejšie. Podobnú vlastnosť (nerozložiteľnosť) preukazovali aj mnohé ďalšie látky a Lavoisier navrhol nazývať všetky takéto látky elementami. Tak vznikol prvý moderný zoznam prvkov, z ktorých väčšina sa dnes nachádza v Mendelejevovej tabuľke.
Nerozložiteľnosť prvkov však nemala u Lavoisiera nič spoločné s nedeliteľnosťou atómov. Išlo o nerozložiteľnosť chemickými prostriedkami a Lavoisier nielenže s pojmom atóm vôbec nepracoval, ale v existenciu atómov vôbec neveril. Napriek tomu urobil niečo, čím atómy do chémie vpustil.
.voda a atómy
To, čím Lavoisier otvoril cestu atómom, boli presné merania. Od tohto Francúza sme sa totiž nedozvedeli len kvalitatívny výsledok, že z vodíka a kyslíka vzniká voda, ale aj kvantitatívny výsledok, že približne 20 gramov vody vzniklo z 30 litrov vodíka a 15 až 18 litrov kyslíka. A práve v týchto (a podobných) číslach uvideli iní ľudia jasný prejav existencie atómov.
Asi najvýznamnejším propagátorom atómov sa stal na začiatku 19. storočia John Dalton. Bol presvečený o ich existencii a Lavoisierov pokus intepretoval tak, že voda vznikla spojením vždy jedného atómu vodíka s jedným atómom kyslíka. Nuž a vďaka Lavoisierovým číslam mohol vypočítať, koľkokrát je atóm kyslíka ťažší ako atóm vodíka. Z vyššie uvedených údajov o množstvách jednotlivých plynov totiž zistil, že použitý kyslík vážil asi osemkrát viac ako použitý vodík. A keďže atómov jedného aj druhého plynu malo byť rovnako veľa, vyšlo mu, že atóm kyslíka je osemkrát ťažší ako atóm vodíka (v skutočnosti mu vzhľadom na rôzne nepresnosti vyšlo, že je len sedemkrát ťažší, ale to je pre nás nepodstatný detail).
Dalton však nezostal len pri vodíku a kyslíku. Na základe váženia látok, vstupujúcich do rôznych chemických reakcií, dokázal podobným spôsobom vypočítať pomery váh mnohých ďalších atómov. Čísla, určujúce koľkokrát sú jednotlivé atómy ťažšie ako atóm vodíka, nazval ich atómovými váhami.
Atómové váhy sa stali dôležitou číselnou charakteristikou Lavoisierových prvkov, pretože v nich bola zakódovaná dôležitá informácia o tom, v akých množstvách tieto prvky vchádzajú do jednotlivých chemických reakcií. Tieto čísla vnášali v mnohých prípadoch do chémie prekvapujúci poriadok a stali sa tak významným argumentom v prospech existencie atómov. Lenže v mnohých iných prípadoch vnášali atómové váhy do chémie bordel, a preto zostávali mnohí chemici v otázke existencie atómov veľmi skeptickí.
Hlavným dôvodom spomínaného bordelu bolo to, že niektoré atómové váhy vypočítal Dalton zle. Nesprávne atómové váhy boli dôsledkom chyby, ktorej sa Dalton dopustil, keď predpokladal, že voda vzniká spojením jedného atómu vodíka s jedným atómom kyslíka. Inými slovami, keď prepokladal, že chemický vzorec vody je HO.
Ako mohol spraviť takú chybu? Veď predsa všetci vieme, že chemický vzorec vody je H2O. No dobre, my to vieme, ale odkiaľ to mal vedieť chudák Dalton? Je jedným z paradoxov dejín chémie, že to mal (mohol) vedieť presne z toho Lavoisierovho pokusu, ktorý stál pri koreni jeho úvah. Ak by svoju pozornosť nezameral na váhy, ale na objemy plynov zúčastnených na reakcii, mohol sa stať najslávnejším chemikom všetkých čias.
To, čo neurobil Dalton, urobilo niekoľko jeho súčasníkov – napríklad Joseph-Louis Gay-Lussac alebo Amedeo Avogadro. Nesústredili sa na váhy vodíka a kyslíka, ale na ich objemy. Zarazilo ich, že tieto objemy sú v pomere 2:1 a keď našli podobné celočíselné pomery aj v chemických reakciách iných plynov, dospeli k záveru, že počet atómov plynu nesúvisí priamo s váhou, ale s objemom plynu. Dvojnásobný objem vodíka obsahoval podľa nich dvojnásobný počet atómov a voda vznikala spojením nie jedného, ale dvoch atómov vodíka s jedným atómom kyslíka. Jej chemický vzorec teda bol H2O. Z toho vyplývalo, okrem iného, že jeden atóm kyslíka je osemkrát ťažší ako nie jeden, ale dva atómy vodíka – atómová váha kyslíka tak razom stúpla z chybnej hodnoty 8 na správnu hodnotu 16.
Gay-Lussacove a Avogadrove myšlienky sa však príliš neuchytili, a tak Daltonov omyl zanešváril chémiu na ďalších 50 rokov. Všetko sa vyjasnilo až na prvom chemickom medzinárodnom kongrese, ktorý sa konal v roku 1860 v nemeckom Karlsruhe. Avogadrove myšlienky sa konečne dostali do všeobecného povedomia chemikov, Daltonova chyba bola odstránená a atómové váhy konečne správne určené. Ale ani to nestačilo na všeobecné prijatie atómovej hypotézy.
.voda a vodka
Na kongrese v Karlsruhe sa zúčastnili aj dvaja mladí chemici zo Sankt Peterburgu – Mendelejev a Borodin (ten druhý sa stal neskôr známy skôr ako hudobný skladateľ). Mendelejev hneď pochopil význam správneho určenia atómových váh, ktorý mu o desať rokov neskôr otvoril cestu k periodickej tabuľke. Na atómy však – spolu s mnohými ďalšími chemikmi – neuveril.
Jeho nedôvera nebola prejavom nejakej provinciálnej zadubenosti. Naopak, bol to prejav kritického prístupu k experimentálnym faktom. Okrem procesov, svedčiacich v prospech atómov, totiž existovalo aj veľa takých, ktoré svedčili skôr v prospech (neatomárnych) elementov, ktoré sa môžu miešať v ľubovoľných pomeroch. Mendelejev sa podrobne zaoberal takýmito procesmi a venoval im napríklad aj svoju dizertačnú prácu O zlúčeninách alkoholu s vodou. Preto zostal v otázke atómov ostražitý a atómovú váhu chápal nie ako váhu skutočných atómov, ale len ako užitočnú číselnú charakteristiku Lavoisierových chemických prvkov.
Práve vďaka usporiadaniu podľa tejto číselnej charakteristiky odhalil svoju periodickú tabuľku. Nepovažoval ju však za tabuľku atómov, ale za tabuľku prvkov. Mal na to dobré dôvody. Aj keď neskôr vysvitlo, že atómy naozaj existujú, že usporiadanie podľa ich váh nie je práve najvhodnejším usporiadaním, a ani tá periodickosť nebola zase až taká periodická. Ale o tom bude reč až v ďalších článkoch tejto série.
Väčšina rozprávok sa začínala formulkou „kde bolo, tam bolo", neskôr sa však vyskytli aj také, ktoré sa začínali slovami „už starí Gréci". Rozprávka o tom, z čoho sa skladá svet, bola jednou z nich. Zvláštne na tejto rozprávke bolo, že mala dva rôzne začiatky. Podľa jedného z nich sa všetka hmota skladala z nejakých základných prvkov či elementov (najčastejšie to boli oheň, voda, zem a vzduch), podľa druhého sa hmota skladala z maličkých šutríkov, ktorým sa hovorilo atómy.
Dnes, keď sa na prvých hodinách chémie naučíme, že každému chemickému prvku zodpovedá jeden typ atómu, nám tie dva začiatky nepripadajú nijako dramaticky odlišné. Ale ony odlišné boli a rozpor medzi nimi sa stal jedným z kľúčových rozporov v celých dejinách chémie. Tieto dve predstavy totiž viedli chemikov 19. storočia k dvom zásadne odlišným predpovediam, týkajúcim sa procesov, v ktorých vznikajú z nejakých látok látky iné.
.voda a elementy
Ak sa hmota skladá z elementov, potom rôzne látky vznikajú rôznym zmiešavaním týchto elementov. Zmiešavanie sa pritom môže diať vo všelijakých pomeroch a tieto pomery môžu byť v podstate ľubovoľné. K určitému množstvu zeme môžeme pridať ľubovoľné množstvá vody a dostaneme tým rôzne husté formy blata.
Ale ak sa látky skladajú z atómov a nové látky vznikajú spájaním týchto atómov do väčších celkov (ktorým dnes hovoríme molekuly), potom dostávame celkom iný obraz. Ak sa napríklad spája jeden atóm prvej látky s jedným atómom druhej látky, potom sa všetky atómy pospájajú bezo zvyšku do dvojíc, tvoriacich novú látku len vtedy, ak ich je rovnako veľa. Ak je atómov jednej z pôvodných látok viac, nová látka vznikne len z tých, ktoré si nájdu partnera – nespárované atómy zostanú vo forme pôvodnej látky.
A ako je to v tomto našom svete? V prvom rade si musíme povedať, že chemici koncom 18. storočia presvedčivo ukázali, že oheň, voda, zem ani vzduch nie sú fundamentálne elementy. Nie sú, pretože sa skladajú z nejakých iných vecí. Antoine Lavoisier napríklad zistil, že ak sa dostane vodík (získaný v reakcii kyseliny sírovej so železom) do kontaktu s kyslíkom (získaného pomocou slnečného svetla pôsobiaceho na látku, ktorej dnes hovoríme oxid ortuťnatý), tak z nich vzniká voda.
Tým, samozrejme, nevyvrátil celú koncepciu elementov, ale ukázal, že základným elementom nemôže byť voda. Keď už majú existovať nejaké základné prvky, tak by sa na túto úlohu hodili skôr vodík a kyslík, z ktorých sa voda skladá. Lenže neskladajú sa aj vodík a kyslík z niečoho ďalšieho? Nuž, nech sa Lavoisier a iní chemici snažili, koľko chceli, nepodarilo sa im rozložiť vodík ani kyslík na nič elementárnejšie. Podobnú vlastnosť (nerozložiteľnosť) preukazovali aj mnohé ďalšie látky a Lavoisier navrhol nazývať všetky takéto látky elementami. Tak vznikol prvý moderný zoznam prvkov, z ktorých väčšina sa dnes nachádza v Mendelejevovej tabuľke.
Nerozložiteľnosť prvkov však nemala u Lavoisiera nič spoločné s nedeliteľnosťou atómov. Išlo o nerozložiteľnosť chemickými prostriedkami a Lavoisier nielenže s pojmom atóm vôbec nepracoval, ale v existenciu atómov vôbec neveril. Napriek tomu urobil niečo, čím atómy do chémie vpustil.
.voda a atómy
To, čím Lavoisier otvoril cestu atómom, boli presné merania. Od tohto Francúza sme sa totiž nedozvedeli len kvalitatívny výsledok, že z vodíka a kyslíka vzniká voda, ale aj kvantitatívny výsledok, že približne 20 gramov vody vzniklo z 30 litrov vodíka a 15 až 18 litrov kyslíka. A práve v týchto (a podobných) číslach uvideli iní ľudia jasný prejav existencie atómov.
Asi najvýznamnejším propagátorom atómov sa stal na začiatku 19. storočia John Dalton. Bol presvečený o ich existencii a Lavoisierov pokus intepretoval tak, že voda vznikla spojením vždy jedného atómu vodíka s jedným atómom kyslíka. Nuž a vďaka Lavoisierovým číslam mohol vypočítať, koľkokrát je atóm kyslíka ťažší ako atóm vodíka. Z vyššie uvedených údajov o množstvách jednotlivých plynov totiž zistil, že použitý kyslík vážil asi osemkrát viac ako použitý vodík. A keďže atómov jedného aj druhého plynu malo byť rovnako veľa, vyšlo mu, že atóm kyslíka je osemkrát ťažší ako atóm vodíka (v skutočnosti mu vzhľadom na rôzne nepresnosti vyšlo, že je len sedemkrát ťažší, ale to je pre nás nepodstatný detail).
Dalton však nezostal len pri vodíku a kyslíku. Na základe váženia látok, vstupujúcich do rôznych chemických reakcií, dokázal podobným spôsobom vypočítať pomery váh mnohých ďalších atómov. Čísla, určujúce koľkokrát sú jednotlivé atómy ťažšie ako atóm vodíka, nazval ich atómovými váhami.
Atómové váhy sa stali dôležitou číselnou charakteristikou Lavoisierových prvkov, pretože v nich bola zakódovaná dôležitá informácia o tom, v akých množstvách tieto prvky vchádzajú do jednotlivých chemických reakcií. Tieto čísla vnášali v mnohých prípadoch do chémie prekvapujúci poriadok a stali sa tak významným argumentom v prospech existencie atómov. Lenže v mnohých iných prípadoch vnášali atómové váhy do chémie bordel, a preto zostávali mnohí chemici v otázke existencie atómov veľmi skeptickí.
Hlavným dôvodom spomínaného bordelu bolo to, že niektoré atómové váhy vypočítal Dalton zle. Nesprávne atómové váhy boli dôsledkom chyby, ktorej sa Dalton dopustil, keď predpokladal, že voda vzniká spojením jedného atómu vodíka s jedným atómom kyslíka. Inými slovami, keď prepokladal, že chemický vzorec vody je HO.
Ako mohol spraviť takú chybu? Veď predsa všetci vieme, že chemický vzorec vody je H2O. No dobre, my to vieme, ale odkiaľ to mal vedieť chudák Dalton? Je jedným z paradoxov dejín chémie, že to mal (mohol) vedieť presne z toho Lavoisierovho pokusu, ktorý stál pri koreni jeho úvah. Ak by svoju pozornosť nezameral na váhy, ale na objemy plynov zúčastnených na reakcii, mohol sa stať najslávnejším chemikom všetkých čias.
To, čo neurobil Dalton, urobilo niekoľko jeho súčasníkov – napríklad Joseph-Louis Gay-Lussac alebo Amedeo Avogadro. Nesústredili sa na váhy vodíka a kyslíka, ale na ich objemy. Zarazilo ich, že tieto objemy sú v pomere 2:1 a keď našli podobné celočíselné pomery aj v chemických reakciách iných plynov, dospeli k záveru, že počet atómov plynu nesúvisí priamo s váhou, ale s objemom plynu. Dvojnásobný objem vodíka obsahoval podľa nich dvojnásobný počet atómov a voda vznikala spojením nie jedného, ale dvoch atómov vodíka s jedným atómom kyslíka. Jej chemický vzorec teda bol H2O. Z toho vyplývalo, okrem iného, že jeden atóm kyslíka je osemkrát ťažší ako nie jeden, ale dva atómy vodíka – atómová váha kyslíka tak razom stúpla z chybnej hodnoty 8 na správnu hodnotu 16.
Gay-Lussacove a Avogadrove myšlienky sa však príliš neuchytili, a tak Daltonov omyl zanešváril chémiu na ďalších 50 rokov. Všetko sa vyjasnilo až na prvom chemickom medzinárodnom kongrese, ktorý sa konal v roku 1860 v nemeckom Karlsruhe. Avogadrove myšlienky sa konečne dostali do všeobecného povedomia chemikov, Daltonova chyba bola odstránená a atómové váhy konečne správne určené. Ale ani to nestačilo na všeobecné prijatie atómovej hypotézy.
.voda a vodka
Na kongrese v Karlsruhe sa zúčastnili aj dvaja mladí chemici zo Sankt Peterburgu – Mendelejev a Borodin (ten druhý sa stal neskôr známy skôr ako hudobný skladateľ). Mendelejev hneď pochopil význam správneho určenia atómových váh, ktorý mu o desať rokov neskôr otvoril cestu k periodickej tabuľke. Na atómy však – spolu s mnohými ďalšími chemikmi – neuveril.
Jeho nedôvera nebola prejavom nejakej provinciálnej zadubenosti. Naopak, bol to prejav kritického prístupu k experimentálnym faktom. Okrem procesov, svedčiacich v prospech atómov, totiž existovalo aj veľa takých, ktoré svedčili skôr v prospech (neatomárnych) elementov, ktoré sa môžu miešať v ľubovoľných pomeroch. Mendelejev sa podrobne zaoberal takýmito procesmi a venoval im napríklad aj svoju dizertačnú prácu O zlúčeninách alkoholu s vodou. Preto zostal v otázke atómov ostražitý a atómovú váhu chápal nie ako váhu skutočných atómov, ale len ako užitočnú číselnú charakteristiku Lavoisierových chemických prvkov.
Práve vďaka usporiadaniu podľa tejto číselnej charakteristiky odhalil svoju periodickú tabuľku. Nepovažoval ju však za tabuľku atómov, ale za tabuľku prvkov. Mal na to dobré dôvody. Aj keď neskôr vysvitlo, že atómy naozaj existujú, že usporiadanie podľa ich váh nie je práve najvhodnejším usporiadaním, a ani tá periodickosť nebola zase až taká periodická. Ale o tom bude reč až v ďalších článkoch tejto série.
Ak ste našli chybu, napíšte na web@tyzden.sk.