2011 – Rok chemie

„Opravdu jsou vědeckými milníky ceny a spolky?“

Jako popularizátor vědy to stále chovám v živé paměti: 2005 – Rok fyziky, 2009 – Rok astronomie. Fyzikové si za záminku zvolili sté výročí „zázračného roku“ (annus mirabilis), v němž Albert Einstein zveřejnil tři práce, které od základu změnily fyziku: podal kvantový výklad fotoelektrického jevu a výklad Brownova pohybu mikročástic a formuloval speciální teorii relativity. Každý z těchto výsledků je mimořádný už sám o sobě, jejich triáda v průběhu jediného roku a jediného mozku je neopakovatelná. Hvězdáři, rodní bratři fyziků, si předloni připomněli 400 let od souběhu dvou událostí, které „otřásly nebem“: Galileovo zavedení dalekohledu coby nejvýznamnější událost pozorovací astronomie a vydání prvního ze základních děl astronomie teoretické – Keplerův „pražský“ spis Astronomia nova s prvními dvěma zákony oběhu planet.


Chemie ve spojení se zákony života stane se nejpozoruhodnější a nejdůležitější ze všech věd. (Humphry Davy, anglický chemik, 1800)

Mezinárodní rok chemie 2011 společně vyhlásily UNESCO a Mezinárodní unie čisté a aplikované chemie (IUPAC) s následujícími hlavními cíli: zvýšit u veřejnosti vnímání chemie jako nezbytného prostředku zajišťování lidských potřeb, podnítit u mladé generace zájem o chemickou vědu a o její užitečnost ve škále vědeckých specializací a oslavit a zdůraznit úlohu žen ve vědě.

Jako záminku si chemici vybrali rovněž dvě kulatá výročí. V roce 1911 získala Nobelovu cenu za chemii první žena (Marie Curie, osm let předtím dostala tutéž cenu za fyziku) a vznikla Mezinárodní asociace chemických společností (mimochodem, Česká chemická společnost funguje od roku 1866).

Ne že by šlo o vyloženě okrajová témata, ale přece – oproti událostem celebrovaným druhdy fyziky a astronomy? Copak pro vědu jsou tak důležité ženy (jen proto, že jsou ženy) či založení nějaké organizace (jakkoli mezinárodní)? Cožpak chemici nemají v historii svého milovaného oboru významnější příležitost? Arciže mají, vždyť škála jejich zájmů sahá od chemie uchovávání a vývoje života přes syntézu nových léků či chemii vzniku ozonové díry až třeba – někdy v budoucnosti – po chemii myšlení a tvoření… Ostatně stačí si projít Nobelovy ceny za chemii a nověji i za medicínu.


Foto: Archiv ÚJF AV ČR
Držitelé Nobelovy ceny za fyziku Pierre a Marie Curie ve své laboratoři. Marie Curie získala později Nobelovu cenu také za chemii.

Atom
Někdy kolem roku 1796 analyzoval manchesterský učitel a amatérský přírodovědec John Dalton dva zajímavé plyny – „olejotvorný“ (etylen, CH₂ = CH₂) a „bahenní“ (metan, CH₄). V prvním zjistil váhový poměr uhlíku k vodíku 6 : 1, ve druhém 6 : 2. Skutečnost, že jeden plyn obsahuje přesně dvakrát tolik vodíku než druhý, ho upoutala; jaký asi je vnitřní význam té podivuhodné jednoduchosti vztahů? Začal tedy systematicky studovat i zastoupení prvků v jiných sloučeninách. Pořád nacházel jen poměry malých celých čísel (na rozdíl od homogenních směsí s poměrem složek takřka libovolným). V úporné snaze přijít věci na kloub usoudil, že při slučování prvků nedochází k jakémusi spojitému prolnutí jejich mas, jak se dosud myslelo, nýbrž že spolu musí reagovat jednotlivé „kusy“ prvků. K tomuto závěru Dalton dospěl roku 1802; v ucelené formě jej publikoval o šest let později v knize Nový systém chemické filosofie.

Takže znovu antika, tentokrát s podporou analýz a experimentů: Prvky se skládají z nedělitelných, nezničitelných i nevytvořitelných částic – atomů. Nyní navíc s poznáním, že stejné jsou pouze atomy téhož prvku, atomy prvků různých se liší svou váhou. Hmotnosti atomů různých prvků se k sobě mají v poměru celých čísel a jsou celistvým násobkem hmotnosti atomu nejlehčího prvku – vodíku.

Daltonova jednoduchá (atomová) teorie nabídla klíč k celému dalšímu rozvoji chemie. Klíč, který – žel – odemykal jen některé zámky. Zjevně totiž nefungoval na chemické reakce v plynné fázi. Proč? Dalton coby skalní newtonovský mechanista považoval atomy za nestlačitelná tělíska se stálým objemem v prostoru, takže znásobení počtu atomů při reakci muselo přinést odpovídající znásobení objemu produktu. A teď si vezměme reakci dvou objemů vodíku (2 N atomů) s jedním objemem kyslíku (1 N atomů). Podle Daltona „částice“ vody obsahuje (2 + 1) N atomů, tudíž by měly vzniknout tři objemy vodní páry (vše vždy za stejné teploty a tlaku). Francouzský fyzik Louis Joseph Gay Lussac však našel objemy dva!

Molekula
Tím, kdo Daltonův klíč dopracoval do univerzálně použitelné podoby, se stal italský hrabě, právník a přírodovědec Amedeo Avogadro. Ten uvažoval asi takto: „Vliv počtu částic na objem plynu by platit měl, v tom má Dalton pravdu, ale pozor, jakých částic? Jen atomů? Nemohlo by to náhodou fungovat tak, že sloučením atomů vznikne zase jen jedna částice, pravda, složitější, ale jedna?“

Avogadro vyvodil, že nejmenším kvantem prvků i sloučenin, které může samostatně existovat v plynném stavu, je nový druh částice složené ze dvou či více zreagovaných atomů. Nazval ji termínem francouzských učenců Gassendiho a Descartesa molekula (latinsky malá hmota). Z výše řečeného rovněž vyplývá tvrzení nyní nazývané Avogadrův zákon: „Stejné objemy plynů (tedy i par vysoko nad bodem varu příslušných kapalin) za stejného tlaku a teploty obsahují stejné množství molekul.“

To vše Avogadro poprvé publikoval ve francouzském časopise Journal de Physique v létě roku 1811.

Molekula?
Právě před dvěma sty lety tedy díky Avogadrovi dostali chemici do ruky úhelný kámen svého zájmu – molekulu. Leč odmítali ho přijmout. Jednak tehdy neexistoval způsob, jak existenci molekul experimentálně ověřit, jednak jejich objevitel nebyl dost vědecky známý a průbojný. K posunu došlo až v roce 1860, čtyři roky po Avogadrově smrti, na chemickém kongresu v Karlsruhe. Zasloužil se o něj italský chemik Stanislao Cannizzaro, který v temperamentní přednášce nazvané O chemické filosofii vysvětlil podstatu Avogadrovy hypotézy.

Očitý svědek Mendělejev poté napsal: „[…] byla přijata rezoluce tohoto znění: ,Navrhuje se rozlišovat pojem částice (molekuly) a pojem atomu a považovat za částici (molekulu) takové množství látky, jež vstupuje do reakce a určuje zároveň fyzikální vlastnosti látky obsažené v částicích.‘“

Molekula!
Učení a atomech a molekulách bylo propojeno, avšak stále bez přesvědčivého experimentálního důkazu o jejich existenci! Přitom už v roce 1865 ve Vídni Joseph Loschmidt (rodák od Karlových Varů) pojmy z hustoty kapalin a viskozity plynů teoreticky zkombinoval se zbrusu novou kinetickou teorií plynů a vypočítal množství molekul obsažených v jednom kubickém centimetru plynu; vyšla mu hodnota na řád blízká dnešní (ta činí 2,69 x 1019). Pojem Avogadrova konstanta jako počet molekul v jednom molu látky zavedl v roce 1909 francouzský fyzik Jean Perrin. Ten na jemných suspenzích rostlinného barviva gumiguty a na roztocích koloidního zlata experimentálně potvrdil platnost Einsteinem teoreticky odvozené rovnice Brownova pohybu z roku 1905 a z ní určil Avogadrovu konstantu (dospěl k hodnotě 6,09 x 1023, dnešní, zpřesněná, činí 6,022 x 1023). Poprvé ji jako uzavřený celek zveřejnil na 1. Solvayově kongresu na podzim roku 1911 v Bruselu. Právě jeho tamější přednáška je všeobecně považována za první nezvratný důkaz existence molekul.

Česká společnost chemická ve spolupráci s výzkumnými a vzdělávacími institucemi s chemickým zaměřením a se zástupci chemického průmyslu chystá pro tento rok akce pro všechny, kteří chtějí o chemii vědět víc než jen to, že se (v rukou hamiž-ných podnikatelů či nezodpovědných spotřebitelů) občas stane tématem katastrofických zpráv.

Průběžné informace o akcích, které se v souvislosti s Mezinárodním rokem chemie uskuteční u nás i v zahraničí, najdete na webové adrese http://www.rokchemie.cz/rok-chemie-2011.

FRANTIŠEK HOUDEK