9 Flashcards
Lavoisierova revoluce v chemii – průkopník Lomonosov
Michail Vasiljevič Lomonosov (1711–1765) v letech 1748-1758 a Antoine Laurent Lavoisier (1743–1794) v letech 1760-1789 formulovali a používali v chemii zákon zachování hmotnosti
Dnešní formulace: „Hmotnost uzavřené (izolované) soustavy
je konstantní a nezávisí na změnách, které v této soustavě probíhají.“ nebo „Hmotnost všech látek do reakce vstupujících je rovna hmotnosti všech reakčních produktů.“ (ve smyslu dnešní tzv. „teorie směsí“ platí tedy bilance hmotnosti složek a směsi jako celek, ale jen poslední lze označit jako zákon „zachování“).
V období 1748-1760 naznačil Lomonosov dokonce i zákon zachování energie (o který se Lavoisier ještě nezajímal) Karl Friedrich Mohr (1806-1879) – 1837, Julius Robert Mayer (1814-1878) – 1842, James Prescott Joule (1818-1889) – 1843, Hermann Helmholtz (1821-1894) – 1845-1847.
Lavoisierova revoluce v chemii
Před r. 1780 věřilo ještě mnoho vědců na možnost přeměny (transmutaci) vody na zemi (viz van Helmontův experiment s vrbou!) a jeden z argumentů byl, že i po několikanásobné destilaci obsahuje voda pevné látky, které lze vypařováním vody získat. Boylův argument byl, že částice ohně pronikají stěnou nádoby a spojením s vodou dávají zemi. Lavoisier použil alchymistickou destilační nádobu, tzv. „pelikán“ k mnohonásobné destilaci a dokázal přesným vážením, že pevný zbytek ve vodě pochází vždy pouze z nádoby samotné.
-> Lavoisier od začátku pevně věřil v zákon zachování hmotnosti
(jednalo se mimochodem opravdu o víru, protože zákon zachování hmotnosti je axiom, jehož platnost nelze dokázat a vyplývá v podstatě pouze z faktu, že se osvědčil jako pracovní hypotéza, tj. jako „brýle, přes kterou vidíme svět“, tzn. důsledky vyvozené z této hypotézy jakožto předpokladu se ukázaly dosud vždy jako správné; lze tedy říci, že – stejně jako první a druhá věta termodynamiky – ani bilance hmotnosti nikdy neselhala a proto v ni tak pevně věříme).
Čím se Lavoasier zabýval ?
studoval právo a přírodní vědy (především matematiku, astronomii, botaniku, mineralogii, meteorologii, anatomii a chemii).
Před r. 1765 se zúčastnil přípravy geologické mapy Francie (spolu se svým učitelem Jean-Etienne Guettardem, 1715–1786), zabýval se sádrou a sádrovcem (ztráta molekulární vody při procesu přípravy sádra ze sádrovce a rekombinace hemihydrátu s vodou při tuhnutí sádry, tj. vzniku sádrovce) a problémem veřejného osvětlení.
V r. 1772 se začal zabývat procesem hoření experimenty s diamanty (spolu s kolegy z Académie des Sciences): při zahřátí na vzduchu ztrácejí diamanty na váze (při silném zahřátí fokusovací čočkou shoří a zmizí), ale bez vzduchu zůstanou neporušené. Analyzoval plyn, který vznikl při hoření a dokázal, že se jedná o stejný jako při hoření uhlí (tj. CO2), čímž zároveň dokázal, že diamant je uhlík.
Experimenty hoření fosforu a síry -> přibývání hmotnosti produktů.
Domníval se, že vzduch se nějakým způsobem podílí na kalcinaci, protože oxidy pění při redukci. Proto zahřál PbO s dřevěným uhlím v uzavřené skleněné nádobě fokusovací čočkou. Vznikající plyn zachytil v pneumatické vaně a identifikoval ho jako Blackův „fixní vzduch“ (tj. van Helmontův „lesní plyn“, tedy CO2). -> teorie hoření
Lavoisier pak zopakoval Boyleovy pokusy kalcinace cínu a olova v uzavřených nádobách, ale na rozdíl od Boyla nezapomněl na přesné vážení při každém kroku. Tím zjistil jednoznačně, že pouze část vzduchu je během kalcinace „absorbována“ kovem.
V říjnu 1774 ho navštívil Priestley, který mu sdělil výsledky svého pokusu s oxidem rtuťnatým (HgO), který lze redukovat i bez uhlí, jak zjistil již před Priestleyem Pierre Bayen (1725–1798) .
Lavoisier opakoval tento pokus, jednak bez uhlí, ale pak také s uhlím; zjistil, že v prvním případě vzniká „zvlášť dýchatelný vzduch“ (kyslík), zatímco ve druhém vzniká „fixní vzduch“ (CO2).
Lavoisier poté kalcinoval v uzavřené nádobě (se vzduchem) kovovou rtuť na HgO tak dlouho, jak probíhala reakce. Zbytek nazval „mefitický vzduch“ (dusík). Při opětném prudkém ohřátí došlo k redukci na
kov a uvolnilo se přesně tolik „zvlášť dýchatelného vzduchu“, kolik bylo předtím spotřebováno při kalcinaci (oxidaci).
Tím Lavoisier nejdřív dokázal, že vzduch je směs dvou hlavních složek, následně pak, že „zvlášť dýchatelný vzduch“ (tedy dnešní kyslík) je spotřebován i při hoření uhlíku, fosforu a síry (tj. nekovů) a že Blackův „fixní vzduch“ je složen z uhlíku a „zvlášť dýchatelného vzduchu“.
Dále zjistil, že produkty hoření C, S a P, pokud jsou rozpuštěny ve vodě, jsou kyselé a že „zvlášť dýchatelný vzduch“ je součástí kyseliny dusičné.
Jeho (nesprávný) závěr: „zvlášť dýchatelný vzduch“ je nezbytná součást kyselin. Proto ho v r. 1779 přejmenoval na „kyslík“ („principe oxygène“). Pro něho tedy kyseliny byly složeny ze dvou částí: z kyslíku a z „radikálu“.
Na základě těchto výsledků (včetně nesprávné teorie kyselin) pak od r. 1783 veřejně útočil proti flogistonové teorii.
Problém však byl, odkud se bere „hořlavý vzduch“ (vodík) při reakci kovu s kyselinou? Pro mnoho kolegů-flogistoniků byl totiž právě vodík flogiston!
Lavoisierova první teorie hoření (1772):
nárůst hmotnosti při hoření (kalcinace) způsoben „fixací vzduchu“; při redukci se tento vzduch opět uvolní (kniha „Opuscules Physiques et Chymiques“, 1774).
-> věděl, že 1/5 až 1/6 atmosférického vzduchu je absorbována fosforem během hoření a že plyn, který vzniká při redukci klejtu (oxidu olovnatého PbO) s uhlím je Blackův „fixní vzduch“.
->tehdy však ještě nevěděl, který plyn se absorbuje při kalcinaci, jestli vzduch jako celek nebo nějaká jeho část, např. „fixní vzduch“ (CO2).
Dokázal zapálit diamant
Interpretace syntézy vody
Priestleyova interpretace: (flogiston + voda) + (voda – flogiston) +voda
Lavoisierova interpretace: „vodotvorný princip“ + „kyselinotvorný princip“-> voda
Dnešní interpretace: vodík + kyslík -> voda
Lavoisier opakoval tento pokus (syntézu vody) a navíc provedl i rozložení (= analýzu) vody v horké měděné trubce. Tím dokázal jednoznačně, že voda není prvek, ale sloučenina, a sice sloučenina kyslíku a „hořlavého
vzduchu“, který proto přejmenoval na „vodík“ („principe hydrogène“). Lavoisier mohl nyní vysvětlit vznik vodíku při reakci kovu s kyselinou takto:
První krok: kov + voda = kov + (vodík + kyslík) oxid + vodík Druhý krok: oxid + kyselina sůl.
Pozn.: Lavoisier považoval oxidy nekovů za kyseliny; z dnešního hlediska jsou to jejich produkty s vodou, a vodík, který vzniká reakcí kovů, pochází (z kyseliny) nikoliv z vody. Lavoisier však vodík nepovažoval za nutnou součást kyseHlinC
Traité Élémentaire de Chimie“ (1789)
V 80 letech 18. Stol před tim, než vyšla učebnice Traite…získal Lavoisierův systém obecné uznání ve Francii. Nejdůležitější francouzští vědci se pak podíleli na vypracování nové chemické terminologie („Méthode de Nomenclature Chimique“, 1787). Šlo o snahu o nahrazení starých názvů chemických látek racionální terminologií podle vzoru tzv. „binomické nomenklatury“ rostlin a zvířat švédského botanika Carl von Linné (1707–1778, „Systema naturae“, 1735), např. „kyselina sírová“ místo „vitriol“. Spolutvůrci tohoto nového „binomického“ chemického názvosloví byli (vedle Lavoisiera):
Další postavy revoluce v chemii a metodě De nomenclature chimique
Méthode de Nomenclature Chimique“, 1787). Šlo o snahu o nahrazení starých názvů chemických látek racionální terminologií podle vzoru tzv. „binomické nomenklatury“ rostlin a zvířat švédského botanika Carl von Linné (1707–1778, „Systema naturae“, 1735), např. „kyselina sírová“ místo „vitriol“. Spolutvůrci tohoto nového „binomického“ chemického názvosloví byli (vedle Lavoisiera):
Claude-Louis Berthollet (1748–1822) Antoine-François de Fourcroy (1755–1809) Louis-Bertrand Guyton de Morveau (1737–1816)
V této práci Lavoisier ještě nepoužívá slovo prvek („élement“) ale mluví o „látkách nerozložených“ („substances non-décomposées“), čímž měl však (na rozdíl od Boyla) na mysli v podstatě „látky zatím nerozložené“.
La révolution chimique – Lavoisier“ (1890).
Lavoisier si byl tedy vědom významu své práce. Vzhledem k událostem po r. 1789 – včetně osobního osudu Lavoisiera – bylo jasné, že toto pojetí se zapíše do dějin. Zapečetil ho Marcellin Berthelot (1827– 1907), významný chemik a ještě významnější historik chemie (mj. překládal všechna dochovaná díla helénistické alchymie do francouzštiny) ve své knize „
To vedlo ke koncepci „vědeckých revolucí“ vůbec, jedné z nejvíce diskutovaných koncepcí v dějinách vědy, která měla ve filozofii vědy 20. století centrální význam Thomas Samuel Kuhn (1922–1996):
„The Structure of Scientific Revolutions“ (1962). (nejvíce diskutovaná kniha ve filozofii vědy 20. století).
Thomas Samuel Kuhn (1922–1996):
The Structure of Scientific Revolutions“ (1962):
Centrální teze této knihy je, že v každém období vědy vládne určité vědecké „paradigma“, které je zdánlivě schopno vysvětlit všechno.
V tomto období tzv. „normální vědy“ spočívá práce vědců pouze v pilném a pečlivém sbírání faktů k podpoře vládnoucího paradigmatu
a v tzv. „řešení problémů“ (= inženýrská práce v rámci paradigmatu). Nevysvětlitelné jevy jsou v této fázi zpravidla buď ignorovány jako „nevědecké“ nebo vysvětleny pomocí dodatečných menších úprav rámcové teorie. Pouze když přijde opravdový velikán vědy, který má odvahu se zabývat „těmi malými nevyřešenými problémy“, může se stát, že vznikne nové paradigma (tzv. „změna paradigmatu“), a tím
se najednou všechno jeví pod jiným světlem, i když nové paradigma
je zpočátku méně vypracované do detailů a může být zpočátku v praxi dokonce horší než předchozí. Kuhnovy hlavní příklady jsou Koperníkův heliocentrický systém, Lavoisierova oxidační teorie, Einsteinova teorie relativity a kvantová mechanika.
koncepci kumulativní fáze a kulminační fáze vědy.
Jiní autoři (např. W. Strube) používají v podobném smyslu koncepci
Kuhnovy provokativní teze
jsou stále „módní“, ale nezůstaly bez kritiky.
Např. Clifford Ambrose Truesdell (1919–2000), jeden z nejvýznamnějších vědců a historiků věd 20. století, tvůrce moderní mechaniky kontinua a nelineární ireverzibilní (tzv. „racionální“) termodynamiky, dokázal, že výsledky matematické fyziky 18. a 19. století (Euler, Lagrange …) nikdy neztratily svou platnost a platí dnes stejně jako tehdy, bez ohledu na změny paradigmat!
interakce nebo analogie mezi vědou a uměním jsou možné,
Koperník (renesance) – kruhové dráhy planet – kruhová okna!
• Kepler (předzvěst baroka) – eliptické dráhy planet – eliptická okna!
Lavoisier: Traité élémentaire de chimie (1789)
Ve své tabulce prvků uvádí vedle 2 „nevážitelných prvků“ (světlo, teplo)
31 zatím nerozložených látek.
• 2 „imponderabilia“ / „nevážitelné prvky“ – světlo, teplo
• 3plynné prvky–O,N,H
• 6 nekovů – C, S, P (pevné) … Cl, F, B (jako radikály odpovídajících
kyselin)
• 17kovů–Au,Ag,Cu,Fe,Pb,Sn,Hg,As,Sb,Zn,Bi,Mn,Co,Ni,Pt,
Mo, W
• 5 jednoduchých „zemin“, tj. tehdy ještě nerozložené oxidy, CaO,
MgO, BaO, SiO2, Al2O3
Mimo tabulku uvádí pak ještě sodu Na2CO3 a potaš K2CO3 (o kterých věděl, že prvky nejsou, ale zřejmě tušil, že obsahují něco, co je odlišné od ostatních prvků).
Prezentoval seznam prvků
Jan Kepler (1571–1630):
Astronom, kolem r. 1600 u dvora Rudolfa II. v Praze, kde na základě přesných záznamů Tychona Braheho o oběžné dráze Marsu dokázal odvodit tzv. Keplerovy zákony, které vycházejí z poznatku, že dráhy planet obecně nejsou kruhovité, ale eliptické; v Praze napsal malý spis „Strena seu De nive sexangula“ / „Novoroční dárek čili o hexagonálním sněhu“, který vyšel v tisku ve Frankfurtu r. 1611 – jedná se o první a průkopnickou práci v oblasti krystalografie. Kepler v ní vysvětluje hexagonální tvar sněhových vloček nejhutnějším uspořádáním kulovitých částic v rovině (2D). Dále zkoumá analogický trojrozměrný problém a dochází k výsledku, že nejhutnější 3D uspořádání stejně velkých koulí má hutnost 74 % (tj. objemovou frakci koulí 0,74). Tato tzv. „Keplerova domněnka“ z r. 1611 byla dokázána až v r. 1998 britským matematikem Thomasem Halesem. . Do této doby platila věta „Každý fyzik ví a každý matematik věří, že nejhutnější uspořádání má hutnost 74 %“. (Ale zde nebyl podán důkaz, ten až později)
Jan Kepler (1571–1630): „Strena seu De nive sexangula“
(1611): vysvětlení hexagonálního tvaru sněhových vloček (krystalů) nejhutnějším 2D uspořádáním stejně velkých koulí, resp. kruhů v rovině, čímž vzniká hexagonální symetrie; „Keplerova domněnka“, že nejhutnější 3D uspořádání stejně velkých koulí má hutnost 74 %.
Robert Hooke (1635–1703): Micrographia (1665)
první učebnice mikroskopie, první vyobrazení rostlinných buněk (korek) a krystalů, jejichž nápadně pravidelné tvary popisuje (stejně jako Kepler) pomocí modelu stejně velkých koulí.
