Lavoisier este cel căruia îi putem atribui aducerea chimiei în zona științei prin meticulozitatea cu care realiza măsurători cât mai precise. Lucrările lui au condus la abandonarea alchimiei bazate pe teoria elementelor lui Aristotel și au condus către ideea ”chimiei atomice”. Avem de-a face cu mai multe elemente care sunt alcătuite din atomi diferiți. O bucată de aur, de exemplu, poate fi divizată în bucăți din ce în ce mai mici, până la momentul în care ajungem la nivelul unui atom de aur, moment în care diviziunea nu mai poate continua. Același lucru se întâmplă în cazul oricărui element chimic. Acceptarea acestei idei profunde a avut consecințe remarcabile.
Joseph Proust și legea proporțiilor definite
Joseph Proust a trăit și a obținut rezultate extraordinare în vremea lui Lavoisier. Era epoca marilor descoperiri chimice, un suflu nou străbătea lumea științei. Desigur, Lavoisier a luminat drumul cu farul puternic al măsurătorilor precise. Erau și alții care mergeau pe aceeași cale. Proust ar fi doar un exemplu în acest sens. A avut contribuții fundamentale atât în chimia organică cât și în cea anorganică dar, în ceea ce privește subiectul nostru – drumul către tabelul lui Mendeleev – cea mai importă descoperire a sa a fost ceea ce se numește ”legea proporțiilor definite”, care a fost prezentată în 1794.
Am găsit un text foarte frumos și vă rog să îmi îngăduiți să citez pe larg din ”Natura – Revistă pentru răspândirea științei”, ediția din 15 decembrie 1935.
”Spirit pătrunzător și experimentator abil, Proust a fost unul dintre creatorii analizei pe cale umedă. Cu ajutorul ei a putut stabili prin date riguroase legea proporțiilor definite, de care numele său este strâns legat. Cunoscută încă de la primul pas pe care-l face cineva în domeniul chimiei, ea se regăsește în orice care elementară de chimie și sună astfel: «Două corpuri simple pentru a forma același tip de compus se combină totdeauna în greutăți care se află în același raport.» Altă formulare a acestei legi este următoarea: «În orice combinație elementele sunt unite în proporție de greutate, totdeauna aceeași.» Această lege stă la temelia chimiei.
Așa apa este formată prin combinarea unei părți, în greutate, de hidrogen cu opt părți în greutate de oxigen.
Un gram de hidrogen, arzând într-un prisos de oxigen, consumă numai opt grame de din acest corp – nici mai mult, nici mai puțin – pentru a forma nouă grame de apă. Dacă hidrogenul se găsește în prisos, două trei grame de hidrogen ard în opt grame de oxigen, după ardere, rămânând două grame de hidrogen necombinat.
Tot așa 200 grame de mercur se unesc cu 16 grame de oxigen pentru a forma 216 grame de oxid roșu de mercur sau, simplificând termenii proporției, 25 grame de mercur se unesc cu două grame de oxigen pentru a forma 27 grame de oxid roșu de mercur.”
Deși legea proporțiilor definite ni se pare astăzi a fi ceva de domeniul evidentului, descoperirea lui Proust nu a fost acceptată imediat. A existat o faimoasă controversă între el și un alt mare chimist francez, Claude Louis Berthollet. Pentru a ilustra evoluția gândirii chimice cred că merită să îi acordăm un pic de atenție.
Citez din nou din revista Natura: ”Cearta dintre Berthollet și Proust a fost o adevărată răscruce pentru chimie, interesând toate cercurile științifice ale vremii, prin opoziția celor două concepții, reprezentate prin autoritatea de necontestat a celor doi învățați.
Berthollet căuta legile după care se conduc reacțiile chimice. Pentru a înțelege mai bine aceste discuții ne sunt de folos explicațiile pe care ni le dă cu multă competență chimistul german Ostwald, renumit istoriograf al chimiei și filosof prețuit.
«Era vorba să se știe dacă alcătuirea combinațiunilor chimice este totdeauna aceeași. După Berthollet constituția unui corp compus putea să varieze în anumite cazuri. De ce? Fiindcă dânsul socotea că aceasta este o proprietate generală a combinațiilor chimice. Și experiența și teoria îl condusese pe Berthollet la acest fel de a vedea. Problema fundamentală a lui Berthollet era cea a afinității chimice. […] Contrar lui Berthollet, Proust nu era influențat de nici o teorie. El analizase cu mijloacele sale sale substanțele naturale și artificiale având proprietăți determinate și nu a găsit vreo diferență de compoziție, după locul de origine sau după modulul de preparare a acestor substanțe. Dacă lua diferite probe caracterizate prin aceleași caracteristici fizice, analiza îi dădea totdeauna aceleași elemente, în aceleași proporții.»”
Pe scurt, Berthollet credea că elementele chimice se pot combina în orice proporții, totul depinzând numai de condițiile fizice în care au loc reacțiile chimice. Proust ajunsese la cu totul alte concluzii.
”Interpretând experiența primi prisma teoriei, și prea orbit de ideile sale, Berthollet respingea evidența faptelor. […] Berthollet credea că în numeroasele sulfuri de fier variază [atunci] când sulful, când fierul, pe rând, pe când în realitate avem mai multe sulfuri de fier. […Berthollet credea] că, cu cât una dintre substanțe va fi în mai mare cantitate, cu atât se va combina mai mult. Așa, după Berthollet, dacă un corp A [intră] într-o combinație chimică mai mult decât B, atunci combinația de la sfârșit va conține mai mult A decât B. […] Interpretând experiența prin prisma teoriei și prea mult orbit de ideile sale, Berthollet respingea respingea evidența faptelor.”
În schimb, ”Proust a făcut analize urmate de studii serioase și a altor elemente ca: nichelul, stibiul, cuprul, aurul, argintul, mercurul și chiar asupra unor substanțe organice. Numai în urma rezultatului analizelor sale exacte, Proust a putut spune hotărât: «Ori unde ai găsi un corp compus și oricum ar fi el produs el are întotdeauna aceiași compoziție cantitativă și calitativă.»”
Disputa a fost tranșată, după mulți ani, desigur, în favoarea lui Proust. ”Așa se petrece totdeauna în știință. Întâi se fac cercetări exacte și numai în urmă se trag încheierile potrivite cu realitatea. Pentru chimist sunt hotărâtoare observarea și experiența exactă.”
Legea proporțiilor definite poate fi văzută ca o consecință naturală a teoriei atomice a lui Democrit. De la această idee a plecat englezul Dalton.
Dalton și masa atomică
John Dalton a avut contribuții formidabile atât în chimie, cât și în fizică. Era un susținător aprig al teoriei atomice. Pentru el, atunci când două elemente se combină, pentru a forma un anumit compus chimic, acesta din urmă va fi alcătuit din câte un atom din fiecare element. Dacă se formează mai mulți compuși chimici, atunci cel mai simplu dintre ei vor fi alcătuiți din câte un atom din fiecare element, apoi din doi atomi ai unui element și un atom al celuilalt element și așa mai departe.
Ideile de mai sus au fost sistematizate de către Dalton sub forma a patru ipoteze, după cum urmează.
Ipoteza 1: Toată materia este compusă din atomi, ceea ce ar explica conservarea masei în cazul reacțiilor chimice și legea proporțiilor definite. Pentru Dalton particulele atomice sunt ”solide, masive, dure, impenetrabile și mobile”.
Ipoteza 2: Toți atomii unui element dat au aceeași masă și aceleași proprietăți.
Ipoteza 3: Compușii chimic sunt asocieri a cel puțin două tipuri diferite de atomi.
Ipoteza 4: O reacție chimică este rezultatul rearanjării atomilor. Aceștia nu pot fi creați sau distruși.
Înarmat cu aceste ipoteze, Dalton a purces la următorul pas, unul foarte important pentru tema noastră. A încercat să determine masele atomilor fiecărui element cunoscut în vremea sa. Procedeul nu era unul foarte complicat. Dalton a observat că atunci când hidrogenul este ars în oxigen se consumă 5,5 grame de oxigen pentru fiecare gram de hidrogen. Aceste valori sunt greșite, proporția adevărată este de opt la unu, dar asta are mai puțină importanță. Important este ceea ce a urmat. Dalton, plecând de la ipotezele de mai sus, a ajuns la concluzia că atomul de oxigen este de 5,5 ori mai greu decât cel de hidrogen. Dincolo de măsurarea imprecisă a maselor intrate în reacție mai avem o eroare comisă de Dalton. Plecând de la principiul simplității el considera că apa este formată din combinarea unui atom de hidrogen cu unul de oxigen. Astăzi, până și copii de școală elementară știu că moleculele de apă sunt formate din doi atomi de hidrogen și unul de oxigen. Dar nici această greșeală nu a fost catastrofală. Importantă a fost concluzia la care a ajuns și pe care am enunțat-o mai devreme. Desigur, Dalton habar nu avea cât cântărește un atom, dar a propus ca unitate de măsură pentru masa atomică masa (necunoscută pe atunci) a atomului de hidrogen.
Reprezentarea schematică a compoziției apei și amoniacului desenată de către John Dalton. Din variantele prezentate el avea să instiste asupra celei în care apa ar fi fost alcătuită dintr-un atom de oxigen și unul de hidrogen.)
Dalton a mers mai departe și a căutat să determine și masele altor atomi. Într-o lucrare publicată în 1803, Dalton a indicat următoarele mase atomice: azotul are masa 4,2, carbonul are masa 4,3, oxigenul are masa 5,5 iar sulful are masa 14,4. Sper să nu vă plictisesc spunând din nouă că toate aceste valori sunt greșite. Dalton era victima atât a erorilor de măsurare, cât și a necunoașterii formulei chimice corecte a compușilor chimici analizați. Aceste greșeli, care astăzi sunt evidente pentru aproape oricine, nu diminuează cu nimic valoarea ideilor lui Dalton. Ele au construit un fundament solid pentru teoria atomică și au deschis calea către o altă direcție de cercetare și experimentare: determinarea maselor atomilor.
Formule pentru compușii chimici
Terenul era acum bine pregătit pentru acceptarea teoriei atomice. Trebuia mers mai departe cu ea. În 1808, francezul Joseph Louis Gay-Lussac publică o lucrare remarcabilă în care arăta că, deși elementele se combină în anumite proporții bine definite ale greutății lor pentru formarea compușilor chimici, gazele se combină şi în proporţii definite ale volume lor. De exemplu, două volume de hidrogen care intră în reacție cu un volum de oxigen dau două volume de vapori de apă. Trebuie să vă spun că Dalton nu a acceptat această constatare, deoarece credea că ea vine în contradicție cu teoria atomică propusă de el.
Explicația rezultatelor lui Gay-Lussac acea să fie dată trei ani mai târziu, în 1811, de către italianul Amedeo Avogadro. El a emis o ipoteză îndrăzneață: volume egale de gaze aflate la aceeași temperatură și presiune conțin același număr de particule, numite de el molecule. De fapt terminologia lui Avogadro era un pic mai complicată și oarecum greu de acceptat de către chimiștii vremii. Astfel el vorbea de ”moleculă integrală” pentru particulele care alcătuiesc un compus, ”moleculă constituentă” pentru particulele unui element gazos și ”moleculă elementară” (sau „jumătate de moleculă”) pentru atomul unui anumit element gazos. Mulți chimiști, alături de Dalton, erau convinși că particulele fundamentale ale elementelor gazoase nu pot conține de mai mult decât un singur atom.
Conform lui Avogadro, legea lui Gay-Lussac putea fi explicată astfel: de exemplu, în cazul apei, s-a constatat că doi litri de hidrogen se combină totdeauna cu un litru de hidrogen pentru a forma pentru a se obține doi litri de vapori de apă. Având în vedere ipoteza lansată de Avogardro, asta ar duce la concluzia că apa conține de două ori mai mulți atomi de hidrogen decât de oxigen. S-ar putea pune următoarea întrebare: având în vedere faptul că în aceleași condiții de temperatură și presiune volume identice de gaz conțin același număr de molecule, de ce prin combinarea unui litru de oxigen cu doi litri de hidrogen rezultă doi litri de vapori de apă, și nu un singur litru? Întrebarea este justificată, numai dacă (așa cum făcea Dalton) nu ținem seama de faptul că particulele (moleculele) care formează oxigenul și hidrogenul în forme gazoase sunt alcătuite, la rândul lor, din câte doi atomi (sau, în exprimarea lui Avogadro, ”molecule elementare”). Astfel, practic, numărul de atomi pe litru se dublează, pentru fiecare dintre cele două gaze care intră în reacție pentru a forma moleculele de apă. Așa cum remarca Steven Wienberg, în cartea ”Descoperirea particulelor subatomice”
”Ipoteza lui Avogadro a fost una extraordinară și a dus la o mai bună înțelegere a compoziției compușilor chimici adoptând ipoteza lui Avogadro, s-au putut obţine formule chimice pentru diverși compuși gazoşi, la fel cum am stabilit că molecula de apă este alcătuită din doi atomi de hidrogen și una de oxigen. Apoi, din rapoartele greutăţilor elementelor şi compuşilor care participă la diverse reacţii, s-au putut determina greutăţile atomice (în raport, de pildă, cu hidrogenul), exact cum a făcut Dalton. Verificarea e că din toate reacţiile trebuie să rezulte pentru un element dat aceeaşi greutate atomică. Dacă ipoteza lui Avogadro ar fi greşită, ea ar conduce la formule chimice greşite pentru diverşi compuşi, şi deci la greutăţi atomice contradictorii din reacţii diferite.”
De altfel Avogadro a determinat el însuși masa atomică pentru câteva elemente chimice, obținând valori destul de apropiate de cele acceptate în zilele noastre. Rezultatele lui au fost preluate de alți chimiști, în special de suedezul Jakob Berzelius. Acesta a publicat în anii 1814, 1818 și 1886 tabele care conțineau valori foarte bune pentru masele atomice ale multor elemente chimice cunoscute în vremea sa. Dar despre el și despre rezultatele sale vom vorbi în numărul viitor. Acum ne îndreptăm către un…
Intermezzo
În tabelul elementelor chimice, publicat în 1789 de către Lavoisier în ”Traité élémentaire de chimie”, apăreau atât elemente chimice reale cât și diferiți compuși chimici, cum ar fi bicarbonații de sodiu și potasiu. La acea vreme el nu avea la dispoziție metode pentru a descompune acești compuși în elementele chimice din care sunt alcătuiți. Lavoisier era conștient de această problemă și nota că unele dintre elementele chimice listate în tabelul său ”s-ar putea dovedi că sunt compuși alcătuiți din substanțe simple, probabil metalice, oxidate până la un anumit grad”. La începutul anilor 1800 chimiștii au început să folosească o nouă metodă pentru descompunerea compușilor chimici.
Înaintea anilor 1800 chimiștii studiau foarte rar influența electricității asupra sarcinilor electrice. Era firesc să fie așa, nu se cunoștea decât electricitatea statică. Ea a fost folosită, printre alții, de către Priestley (cel care i-a sugerat lui Lavoisier să demareze experimentele cu oxidul roșu de mercur) pentru declanșarea reacției dintre oxigen și hidrogen cu ajutorul unor descărcări electrice.
Cotitura s-a produs în 1870, atunci când italianul Luigi Galvani a descoperit că mușchii piciorului unei broaște disecate se contractă atunci când intră în contact cu o pensetă construită din două metale diferite. Fenomenul a fost pus de către Galvani pe seama unei ”electricități animale”. Compatriotul său, Alessandro Volta, demonstrează că pentru producerea electricității nu este nevoie de nici o parte a vreunui animal. Este suficient să folosești discuri din metale diferite, separate de o bucată de hârtie înmuiată în saramură. Astfel s-a construit prima pilă electrică. Pila lui Volta a intrat rapid în laboratoarele chimiștilor, care au descoperit că ea poate fi folosită pentru a descompune lichidele (cum ar fi apa și soluțiile), prin fenomenul care avea să poarte numele de electroliză.
Dar despre felul în care curentul electric a revoluționat chimia vă voi povesti în numărul viitor al revistei noastre.
Primul episod al serialului nostru îl găsiți aici.
Al doilea episod al serialului nostru îl găsiți aici.
Al patrulea episod al serialului nostru îl găsiți aici.
Al cincilea episod al serialului îl găsiți aici.
Al șaselea episod al serialului îl găsiți aici.
