1. A mai kémia megalapozása 1.1. Ókor Thalész (i.e. 600 körül): A babiloni papok azt tanítják, hogy mindennek a víz az alapja 2
1.2. Középkor 3
4
1.3. Kezdő lépések a ma kémiája felé: XVI. század Theophrastus Bombastus von Hohenheim (Paracelsus) (1493-1541): Minden anyag három elemből épül fel: Például ami a fában "... ég, az a Kén, ami füstöl, az a Higany, ami hamuvá lesz, az a Só". Másik fontos eredménye: jatrokémia (orvosi kémia) alapjainak lerakása 1.4. Kezdő lépések a ma kémiája felé: XVI-XVII. század Johann von Helmont (1577-1644): Paracelsus javított kiadása. 5
Amint azt Leonardo da Vinci és Sir Francis Bacon oly meggyőzően kifejtette, tudományos következtetést csak kísérletekből szabad levonni. Ha az emberek korábban is kísérleteztek volna, nem tartotta volna magát oly sokáig Arisztotelész kitalálása a négy elemről. Öt évvel ezelőtt kétszáz font földet mértem egy edénybe, s beleültettem egy öt font súlyú fűzfagallyat. Naponta esővízzel öntöztem, három éven át. Akkor kivettem a fűzfát és megmértem. 164 fontot nyomott. Visszamértem a száraz földet is. Annak súlya változatlan maradt. Mivel én csak esővizet adtam hozzá, nyilvánvaló, hogy a víz alakult át fűzfává. Elégettem a fát levegővé és földdé alakult. Ebből következik, hogy a levegő és a föld is vízből keletkezik. Kísérletem tehát egyértelműen bizonyítja, hogy egyetlen őselem van: a víz oldott anyag nem tűnik el, bár vízszerű lesz, az oldatból változatlanul visszanyerhető a higany desztilláció hatására csupán más formába megy át. 1.5. Kezdő lépések a ma kémiája felé: XVII. század Pierre Gassendi (1592-1655): Démokritosz atomelméletének, mely ateizmust sugallt, Gassendi páter adott, a keresztény ideológia által elfogadható formát: Atomokat Isten teremtette, aki meg is semmisítheti azokat, de amúgy nem keletkezhetnek és nem semmisülhetnek meg. Robert Boyle (1627-1691): Sceptical Chemist 1661-ben jelent meg. 6
Lényeges kijelentései: arisztotelészi négy elemből a való világ sokfélesége nem vezethető le, mert maguk is alkotóelemekre bonthatók, ugyanakkor bizonyos anyagok több mint négy komponensre esnek szét (pl. hevítésre). a kémiai elem fogalmának megsejtése:...certain primitive and simple, or perfectly unmingled bodies; which not being made of any other bodies, or of one another, are the ingredients of which all those called perfectly mixt bodies are immediately compounded, and into which they are ultimately resolved. atomelmélet helyett korpuszkula elméletről beszél alkímiai módszerek elítélése: Én megpróbáltam a kémiát más szempontok szerint művelni, nem úgy, ahogy az eddigi kémikusok tették, hanem ahogy egy tudóshoz illik (de: aranyat ő is akart csinálni!) 1.6. Kezdő lépések a ma kémiája felé: XVII-XVIII. század Flogisztonelmélet: Johann Joachim Becher (1635-1682): égés során zsíros föld (terra pingius) távozik Georg Ernst Stahl (1659-1734): éghető anyagban flogiszton található, mely égéskor távozik 7
jelentőség: tudományos érvelés, amely cáfolható is probléma: flogiszton tömege negatív! 1.7. A kémiai vegyülés törvényei: XVIII-XIX. sz. fordulója Antoine-Laurent Lavoisier (1742-1794): megfogalmazta a tömegmegmaradás törvényét (még jobb puskapor ezáltal, ami miatt a guillotine alatt végezte...). tisztázta az égés fogalmát, ezzel cáfolta a flogisztonelméletet (égés során a levegő egy része (oxigén) vegyül) tisztázta az elem fogalmát: olyan anyag, amely tovább nem bontható alkotórészeire. 33 elemet nevezett meg, sok nevét még ma is használjuk. megállapította víz összetételét azáltal, hogy elemeire (hidrogén és oxigén) bontotta. (Felesége, akit 14 éves volt, amikor feleségül vette, aszisztált neki a tudományban, és angolul is megtanult, hogy lefordíthassa a brittek munkáit.) A francia forradalom alatt korábbi hivatalai miatt lefejezték. Joseph-Louis Lagrange szerint: Csak egy pillanat kellett nekik, hogy levágják a fejet, amely talán száz évek alatt sem terem ismét ( It took them only an instant to cut off that head, and a hundred years may not produce another like it. ) 8
Mihail Vasziljevics Lomonoszov (1711-1765): tömegmegmaradást és flogisztonelmélet cáfolatát ő is. 9
Joseph-Louis Proust (1754-1826) 1799-ben megfogalmazta az állandó súlyviszonyok törvényét: Adott anyagban az alkotórészek súlyaránya állandó John Dalton (1766-1844): 1803-ban megfogalmazta a többszörös súlyviszonyok törvényét: Ha két elemből különböző vegyületek állítható elő, akkor ezekben az adott elem aránya egyszerű egész számmal adható meg atomelmélet Az anyag tovább nem osztható, kicsiny elemi építőkövekből, atomokból áll Elem: azonos atomok összessége, melyet tömegük (is) jellemez Vegyület: alkotó elemek atomjainak összekapcsolódása Kémiai reakció: atomi kapcsolatok átrendeződése Nagy kérdés: mi tartja össze az atomokat? Erre igazán nem tudtak válaszolni, hiszen ez tipikusan kvantumos effektus. Próbálkoztak kis horgocskákkal, ellentétes töltésekkel, az elemek eltérő, egymást vonzó tulajdonságaival, de ezekkel nem lehetett kielégítő elméletet gyártani. Ami viszont ezekből következett: azonos atomok nem kapcsolódhatnak össze. 10
Joseph Louis Gay-Lussac (1778-1850): 1808-ben kimondja: vegyülő gázok (és a termék) térfogataránya egész számokkal adhatók meg. Ez alátámasztotta Dalton elméletét (aki egyébként nem fogadta el ezt az eredményt). Mi volt a fő baj: atomos (elem) gázokkal nem volt magyarázható (Berzelius berzenkedése). Amedeo Avogadro (1776-1856): Felismerte Gay-Lussac megfigyelésének jelentőségét: Avogadro-tétel (1811): adott hőmérsékletű és nyomású gázok azonos térfogata azonos számú molekulát tartalmaznak. Elemek kétatomos molekulákat is képezhetnek 11
James Clerk Maxwell (1831-1879): Maxwell 1875-ös kijelentése az atomokról: foundation stones of the material universe... unbroken and unworn. They continue to this day as they were created perfect in number and measure and weigth. Atomelmélet elfogadottá vált, azonban megválaszolatlan volt a kérdés: mekkorák az atomok? 1.8. Atomok-molekulák jelölése: vegyjelek Jöns Jacob Berzelius (1779-1848): 12
A kémiai jeleknek betűknek kell lenniük, mert ezeket könnyebb leírni, és nem formátlanítják el a nyomtatott könyveket.... Ezért én kémiai jelnek minden elem latin nevének kezdőbetűjét fogom használni. Dalton: Berzelius jelei szörnyűségesek; a vegytan ifjú hallgatói a hébert sem tanulnák meg nehezebben, mint ezeket. Mintha az atomok káoszát látnánk, [amely csak arra szolgál,]... hogy összezavarja a tudóst, elbátortalanítsa a tanulót és elhomályosítsa az atomelmélet szépségét. 1.9. Dalton-féle atomelmélet diszkussziója Dalton atomelmélete egy feltételezés csupán, hiszen az atomok közvetlen észlelése akkoriban lehetetlen volt. Az ilyen kijelentéseket posztulátum-oknak hívjunk. A posztulátumok tehát alapvető kijelentések, melyre elméletet lehet építeni. Amíg az elmélet megmagyarázza az észleléseket, a posztulátumok érvényesek, az elmélet megállja a helyét. Dalton atomelmélete négy posztulátumot tartalmazott. Tegyünk egy próbát XIX. sz.-i gondolkodásmódban! Megmagyarázható-e az atomelmélettel a tömegmegmaradás törvénye (ez nem posztulátum, hiszen konkrét méréseken alapuló tapasztalati törvény!!!): A 4. posztulátum szerint a kémiai reakciókban semmi más nem történik, minthogy az atomok egy bizonyos kapcsolódásból átrendeződnek egy másikba. Azaz, az atomok száma nem változik, amiből a 2. posztulátum alapján következik, hogy a reakció során nem változik a tömeg. Az elmélet tehát működik!!! Mi a helyzet egy másik tapasztalati törvénnyel, az állandó súlyviszonyok törvényével? Tekintsünk egy molekulát, mely egy-egy arányban az A és a B atomokból épül fel. Legyen A kétszer olyan nehéz, mint B. Az alábbi táblázat mutatja: molekulák száma A atomok B atomok száma Tömegarány száma tömege száma tömege 1 1 2 egység 1 1 egység 2/1 2 2 4 egység 2 2 egység 4/2=2/1 10 10 20 egység 10 10 egység 20/10=2/1 500 500 1000 egység 500 500 egység 1000/500=2/1 Vegyük észre, hogy függetlenül attól, hogy hány molekulánk van, az atomok tömegaránya azonos. Az elmélet tehát ismét működik. 1.10. Relatív atomtömegek, a mól fogalma Az 1. posztulátum szerint az atomok kicsinyek. Ez mit jelent? Ebben az időben igen sok vegyület kvantitatív elemzését végezték el. Ezek alapján meg lehetett adni a vegyületekben a különböző elemek relatív tömegét. Például: a vízben a hidrogén és oxigén tömegaránya: 1:8. Jelenti-e azt, hogy az oxigén atomtömege nyolcszorosa hidrogén atomtömegének? Természetesen nem, hiszen tudnunk kellene az atomok számának arányát, tehát ismernünk kell a molekula összetételét (molekula képletét). 13
Ehhez kell az Avogadro-féle törvény. A vegyülő gázok térfogatai alapján (l. fentebb) megállapítható volt, hogy az elemek (itt a hidrogén és az oxigén) kétatomosak: Ez alapján már következik, hogy az oxigén és hidrogén atomjai tömegének aránya 16:1. Abszolút tömegmeghatározás nem lehetséges, hiszen az atomok olyan kicsinyek, hogy a kísérlet méretét nem lehet atomi szintig csökkenteni. Ezért már Dalton tömegegységet vezetett be, a hidrogén atomot véve egységnek. A XX. sz. az egység az oxigén atom tömegének 16-od része volt, ma az SI 1 definíciója szerint az atomi egység a szén 12-es izotópja ( 12 C) tömegének 12-ed része. Neve atomic mass unit (amu). A definíció alapján az atomtömegek nem egész számok, erről majd később lesz szó. A mól fogalma A kémia egyik fontos feladata a reakciók kvantitatív jellemzése, azaz meg akarjuk mondani, hogy egy vegyület előállításához mennyi kell a reaktánsokból és mennyi termék keletkezik. Mivel az abszolút atomtömeget (és abból következően a molekulatömegeket) a XIX. sz.-ban nem ismerték (ma ugyan ismerjük de nagyon pici számok), célszerű olyan egységet választani, amely makroszkópikus mennyiségeket jelent. Definíció: 1 mól (angolul mole, a mértékegység jele mol) annak a rendszernek az anyagmennyisége, mely annyi entitást (atomot, molekulát, iont, stb.) tartalmaz, mint amennyi atomot 0.012 kg tömegű 12-es tömegszámú szén izotóp ( 12 C) tartalmaz. Tehát beszélhetünk 1 mól elektronról, vagy 1 mól SO4 2 ionról is. A koncepció lényege a kémiai reakciók kapcsán: C + O CO 1 atom 1 atom 1 molekula 1 mól 1 mól 1 mól Hány entitás van egy mólban? Mérések: coulometria: elektrolízisen alapuló méréstechnika. Lényegileg a Faraday-állandót kell mérni, mely egy mól elektron töltése. Ezt elosztva az elektron töltésével (elemi töltés) kapjuk az Avogardo-állandót (N A ). Kísérletileg ezüst elektrolízisével lehet elvégezni. Probléma: elemi töltést kell ismerni. röntgendiffrakcióval megmérték a kristályos anyag rácsállandóját, abból az atomok száma kapható. Szilícium kristályt használnak, hiszen modern technológiával rendkívül tiszta kristályok állíthatók elő. tömegspektrometria: itt az atomokat ionizálják, majd térben ezeket tömeg/töltés szerint választják el. Itt is az elemi töltés ismerete szükséges. 1 Systeme International d Unites 14
Az Avogadro szám: N A = 6.02214179(30) 10 23 (IUPAC) Loschmidt-számnak is hívják (ő határozta meg a levegő molekula méretét ). 15