SVETOZOR

Internetový magazín prinášajúci odborné články s prevažne trvalou alebo dlhodobou platnosťou

Atom

Historický vývoj názorov a poznatkov o atómoch


Autor: doc. RNDr. ThDr. František Schacherl

S pojmom atóm sa po prvý raz stretávame v indickej filozofii, a to v brahmanskej sústave zvanej Vaišéšika. Pôvodcom tohto názoru bol filozof Kanáda. Indický atomizmus si predstavuje atómy ako body na rozdiel od gréckeho atomizmu. Ten si predstavuje atómy ako telieska určitých, hoci aj nepatrných rozmerov. Tento rozdiel znázorňuje obrázok 1.

Stavba hmoty

Obrázok 1. Rôzne predstavy o stavbe hmoty: a – spojitá hmota, b – bodové atómy, c- atómy ako častice hmoty.


Dnešným poznatkom o atómoch sa najviac približuje grécky atomizmus, pretože v súčasnosti pripisujeme atómom určité rozmery. Či mali indické myšlienky o atómoch vplyv na grécky a rímsky atomizmus, nie je možné presne povedať. Pôvodcovia atomistickej náuky v gréckej filozofii Leukippos z Milétu a Démokritos z Abdér, ktorí žili v piatom storočí pred naším letopočtom. Z rímskych filozofov atomizmus hlása vo svojom básnickom diele De rerum natura (O povahe vecí) epikurejský filozof Lucretius z prvého storočia pred naším letopočtom. Čo viedlo oných filozofov k atomistickej náuke? Boli to hlavne dve otázky, na ktoré naráža filozofia, keď sa zaoberá prírodou:     1. Čo je zmena v prírode?
    2. Zostáva pri prírodných zmenách niečo stáleho, nemenného a čo to je?
Zmena a stálosť v prírode sa zdajú byť v rozpore. Aby ho odstránili, niektorí filozofi popierali jedno z oboch. Niektorí úplne popierali zmenu, iní zas popierali stálosť. Tak filozofi Parmenides a Zenón z Eley popierali zmenu, prehlasujúc ju len za zdanie. Iónski filozofi zas naopak, obzvlášť Heraklit z Efezu, popierali, že by bolo v prírode čokoľvek stáleho a razili heslo: „Panta rhei, uden menei“ - „všetko plynie, nič nezostáva“. Atomisti sa pokúsili riešiť zdanlivý rozpor zmeny a stálosti v prírode z atomistického pojatia. Stále sú podľa nich v prírode nedeliteľné, nezničiteľné a nezmeniteľné atómy. Zmena je daná pohybom atómov v priestore a tým, že sa atómy zoskupujú a preskupujú do rôznych útvarov.

Celé dianie v prírode by teda spočívalo v mechanickom pohybe atómov v priestore. Podľa toho sú základné zložky gréckeho atomizmu tri: priestor, atómy a pohyb.

Grécky atomizmus

Obrázok 2. Základné prvky gréckeho atomizmu: 1. priestor, 2. atóm, 3. pohyb.


Obrázok schematicky znázorňuje tieto predstavy. Veľký kruh znázorňuje priestor. Malé krúžky znázorňujú atómy a šípky označujú smer a rýchlosť, ktorou sa atómy v priestore pohybujú. Grécky a rímsky atomizmus teda vedie k dvom od seba odlišným predstavám: k predstave hmoty, ktorá sa skladá z veľmi malých, od seba oddelených a ďalej nedeliteľných častíc - atómov, a k predstave prázdneho priestoru, v ktorom sa častice pohybujú. Priestor sám o sebe je prázdny. Hmota je to, čo priestor vypĺňa.

Grécky a rímsky filozofovia si predstavovali, že atómy majú rôznu veľkosť a rôzne tvary. Mysleli, že možno majú aj nejaké háčiky, ktorými sa vzájomne zachycujú a k sebe pútajú. V prázdnom priestore padajú rôznou rýchlosťou, narážajú na seba a a tak sa dostávajú do vírivého pohybu.

Atomizmus gréckych a rímskych filozofov zostal iba špekuláciou, nepodoprenou skúsenosťou. Tým sa v podstate líši od dnešných poznatkov o atóme, ktoré sú založené na pozorovaní. Rozdiel tkvie čiastočne aj v hospodárskej sústave starých Grékov a Rimanov, v otrokárskej sústave. V tejto sústave nebola núdza o pracovné sily a preto chýbala jedná z hlavných vzprúh modernej prírodnej a technickej vedy, t. j. snaha drahú pracovnú silu najatých robotníkov nahradiť strojom. To je jedna z príčin, prečo pokusná prírodná veda vôbec zostala u starých Grékov a Rimanov v plienkach a prečo sa teda i atomistická náuka obmedzila iba na filozofickú špekuláciu.

Sľubné počiatky učinila pokusná prírodná veda len v Alexandrii. Tieto počiatky však boli v zárodku udusené vzmáhajúcim sa kresťanstvom, obzvlášť jeho odklonom od prírody k nadzmyslovému svetu.

Scholastická kresťanská filozofia (scholastika) opierala sa okrem článkov viery o autoritu gréckeho filozofa Aristotela. Ten bol odporcom mechanického atomizmu. Učil, že hmota nie je rospojitá, ale spojitá a že vypĺňa celý vesmír. Vplyvom jeho učenia v stredoveku takmer úplne zanikli atomistické predstavy.

Jedine filozofi a arabský prírodovedci si zachovali atomistické predstavy, príbuzné skôr indickému atomizmu než gréckemu.

Až na počiatku novoveku sa opäť objavuje atomistická náuka. Novodobý atomizmus už nie je čisto špekulatívnej povahy, akým bol anticky atomizmus, ale sa opiera o vtedy sa prebúdzajúce prírodné vedy. Hlavným obnoviteľom Demokratovho atomizmu bol Galileo Galilei a po ňom anglický fyzik Boyle.

Prvý kto v novej dobe zdôvodnene použil atomistických predstáv, bol ruský učenec Michail Vasilievič Lomonosov, ktorý už v polovici osemnásteho storočia vykladal teplo ako pohyb najmenších častíc, z ktorých sa skladajú telesá. Lomonosovové názory však zostali nepovšimnuté.

Preto sa ako zakladateľ moderného atomizmu uvádza až anglický fizyk a chemik John Dalton, ktorý v roku 1808 v knihe, s nadpisom A new system of chemical philosophy (Nová sústava chemickej filozofie), atomisticky vysvetlil stálych a množných váhových pomerov.

Aby sa obidva menované zákony lepšie pochopili, napíšem niečo o prvkoch. Starí grécky filozofi prišli svojimi úvahami na hlbokú myšlienku, že celý svet je vybudovaný z tej istej pralátky. Táles (Thales) sa okolo roku 600 pred naším letopočtom domnieval, že touto pralátkou je voda, takže všetka látky, ktoré okolo seba vidíme, sú zložené z vody. Anaximenes okolo roku 550 pred naším letopočtom považoval pralátku za vzduch a Heraklit okolo roku 500 oheň. Konečne až Empedokles okolo roku 450 pred naším letopočtom vyslovil domnienku, že všetky látky sú zložené zo štyroch prvkov. Tri prvky prevzal od predošlých filozofov, teda vodu, vzduch a oheň, a pridal k ním štvrtý prvok, zem. Aristoteles prebral Empedoklesovú náuku o štyroch prvkoch a pridal piatý prvok, ktorý nazval quinta essentia, čiže piaty prvok. Tým bol éter, čo je nebeská látka, nepremenná a nezničiteľná; z nej je zložený svet stálic. Aristotelov názov sa udržal v zmenenom znení „kvintesencia“ v jazykoch kultúrnych jazykov dodnes a znamená podstatu vecí. Arabi považovali za prvky ortuť, síru, zem, vodu a soľ.

Tieto „filozofické“ prvky predstavovali skôr isté vlastnosti látok, než nejakú ich chemickú podstatu. Tak napríklad zem predstavovala tuhé skupenstvo, voda kvapalné skupenstvo, vzduch plynné skupenstvo, ortuť kovové vlastnosti a síra horľavosť.

Oproti tomu dnešné chemické prvky, ako ich definoval anglický prírodovedec Robert Boyle v roku 1661, sú látky jednoduché, nedajú sa rozložiť na látky jednoduchšie a všetky ostatné látky sa z nich skladajú. Čistým látkam (nie zmesiam), ktoré sa dajú rozložiť na niekoľko prvkov, hovorí sa chemické zlúčeniny.

Ak sa v skúmavke zahrieva napríklad červený prášok kysličníka ortutnatého, rozloží sa na ortuť a kyslík. Ortuť sa usadzuje na chladnejších stenách skúmavky v podobe striebrolesklého zrkadielka a plynný kyslík, pretože je o niečo ťažší než vzduch, hromadí sa v skúmavke. Jeho prítomnosť sa dokáže, ak sa do skúmavky ponorí tlejúca trieska. Tá sa totiž v kyslíku vznieti a horí jasným plameňom. Ortuť a kyslík, vzniknuté rozkladom kysličníka ortutnatého, nie je možné chemickým spôsobom rozložiť na látky jednoduchšie. Preto sa považujú za prvky.

Ak vravíme, že prvky nie je možné ďalej rozložiť chemickým spôsobom, netvrdíme tým, že by nie je možné prvky rozložiť vôbec. Je možné rozkladať aj prvky, ale sú k tomu potrebné zásahy z mohutnejším účinkom, než akého dosahujú bežné chemické metódy.

Ak použijeme Baylovú definíciu prvku na prvky starých filozofov a alchymistov, je vidieť, že niektoré z nich chemickými prvkami síce sú, iné však nie sú. Ortuť a síra sú prvky, ale voda a soľ sú chemické zlúčeniny. O vode to po prvý raz dokázal Angličan Cavendish a po ňom francúzsky chemik Lavoisier v roku 1783. Viedli vodnú paru žeravou železnou trubicou alebo cez rozžeravené železné piliny. Vodná para sa rozložila na kyslík a vodík. Kyslík sa viazal na železo a zostal horľavý plyn, vodík. A filozofický prvok oheň nedá sa zaradiť ani medzi prvky, a ani medzi chemické zlúčeniny. Je to fyzikálny a chemický jav: dojem ohňa budí horiaci plyn, ktorý môže mať aj rôzne chemické zloženie.

Z pojmu prvok John Dalton vyvodil atomistický zákon stálych a množných hmotnostných pomerov. Čo je zákon stálych hmotnostných pomerov? Francúzsky chemik Proust zistil, že percentuálny obsah jednotlivých prvkov v tej istej látke je vždy ten istý, nech už bola pripravená akýmkoľvek spôsobom. Tak v jedovatom plyne, nazývanom kysličník uhoľnatý, ktorý vzniká, keď sa uhlie alebo drevo spaľuje za nedokonalého prístupu vzduchu, je vždy 42,9% hmotnostných percent uhlíka a 57,1% váhových percent kyslíku. Vedľa kysličníka uhoľnatého je známy plyn, ktorý je tiež zložený z kyslíka a uhlíka, ale má úplne iné vlastnosti. Je to kysličník uhličitý. Zatiaľ čo kysličník uhličitý je prudko jedovatý, kysličník uhličitý je v menších dávkach ľudskému zdraviu neškodný; používame ho v rôznych šumivých nápojoch. Tvorí sa v prírode všade tam, kde sa uhlie, drevo alebo iné ústrojné látky spaľujú pri plnom prístupu vzduchu. Tiež vzniká, keď sa okysličujú ústrojné látky v životnom pochode a preto ho vydychujú živočíchy aj rastliny. V sopečných oblastiach hojne vyviera priamo zo zeme v plynnom skupenstve alebo vo vodnom roztoku – v kyselkách.

Tento kysličník uhličitý je tiež zložený z kyslíku a uhlíku, ako kysličník uhoľnatý, ale obidva prvky sú tu v inom váhovom pomere. Kysličník uhličitý je zložený z 27,3 hmotnostných percent uhlíka a z 72,7 hmotnostných percent kyslíku. Hmotnostný pomer medzi množstvom kyslíka a vodíka je veličina pre kysličník uhličitý a uhoľnatý typická a stála. Ním sa tieto zlúčeniny za všetkých okolností vyznačujú od seba odlišujú.

Podobná skúsenosť platí o všetkých chemických zlúčeninách. Preto sa stal ten hmotnostný pomer v rukách chemikov jedným z najdôležitejších prostriedkov, ako nejakú látku určiť. Tento spôsob určovania dostal názov kvantitatívna chemická analýza (kvantitatívny chemický rozbor) a je jednou zo základných metód používaných v chémii.

Francúzsky chemik Proust vyjadroval zloženie látok v percentách. To je však neprehľadný spôsob, ako porovnávať medzi sebou niekoľko látok. Preto Proustovi unikla zákonitosť, ktorá vládne medzi stavbou látok zložených z rovnakých prvkov, ale v rôznom množstve. Na ňu prišiel Dalton, ktorý vzťahoval hmotnostné množstvo jednotlivých prvkov v zlúčenine na dané množstvo jedného z prvkov. Ten prvok zvolil ľubovoľne, ale vždy tak, aby bol obsiahnutý vo všetkých študovaných zlúčeninách. Tak sa mu podarilo objaviť zákon, ktorý vraví: ak prvky spolu tvoria viac zlúčenín, sú hmotnostné množstvá jedného z nich v týchto zlúčeninách, vztiahnuté na rovnaké váhové množstvo druhého prvku, navzájom v pomere malých celých čísel. Tak napríklad v kysličníku uhoľnatom pripadajú na 3 gramy uhlíku 4 gramy kyslíku; v kysličníku uhličitom pripadá na 3 gramy uhlíka 8 gramov kyslíka; to je dva kráť toľko. Je teda váhové množstvo kyslíku v kysličníku uhoľnatom a v kysličníku uhličitom v pomere 1:2.

Dalton vysvetlil obidve zákonitosti, zákon stálych pomerov a zákon množstvových hmotnostných pomerov z týchto predpokladov:
    1. Hmota sa skladá z atómov,
    2. atómy sú nedeliteľné,
    3. všetky atómy toho istého prvku sú rovnaké,
    4. atómy rôznych prvkov sa rôznia vlastnosťami, najmä hmotnosťou, takže je toľko druhov atómov, koľko je prvkov.
    5. Dva alebo viac atómov sa zlučuje do molekuly. (Dalton hovoril o atómoch zlúčenín, názov molekula je neskorší.)

Z týchto predpokladov plynie, že tá istá látka je podľa hmotnosti vždy rovnako zložená. Napríklad kysličník uhoľnatý je zložený tak, že váhový pomer uhlíka a kyslíka je vždy 3:4. To Dalton vysvetľuje takto: atómy uhlíka majú inú váhu než atómy kyslíka. Ak je atóm kyslíka o 1/3 ťažší než atóm uhlíka, vyplýva z toho, že váha jedného atómu uhlíka k váhe jedného atómu kyslíka sa má ako 3:4. Každá molekula kysličníka uhoľnatého sa skladá z jedného atómu uhlíka a z jedného atómu kyslíka. Preto v nej platí ten istý váhový pomer uhlíka ku kyslíku, aký platí medzi váhou jedného atómu uhlíka a kyslíka, to je 3:4. Pretože sa predpokladá, že všetky atómy toho istého prvku sú rovnako ťažké, vyplýva z toho, že i väčší objem kysličníka uhoľnatého, zložený z veľkého množstva molekúl, obsahuje uhlík a kyslík v hmotnostnom pomere 3:4.

Podobne Dalton vysvetlil rozdiel medzi kysličníkom uhoľnatým a kysličníkom uhličitým. Molekula kysličníka uhoľnatého sa skladá z jedného atómu uhlíka a z jedného atómu kyslíka. V molekule kysličníka uhličitého je však zlúčený jeden atóm uhlíka z dvoma atómami kyslíka. Z toho vyplýva podobne ako u zákona stálych hmotnostných pomerov, že vztiahnuté na tú istú hmotnosť uhlíka je v kysličníku uhličitom dva kráť toľko kyslíka ako v kysličníku uhoľnatom.

Prípady podobné uvedenému prípadu sa vyskytujú v chémii častejšie. Je veľa zlúčenín, ktoré sú zložené z rovnakých prvkov a líšia sa medzi sebou len váhovým pomerom oboch prvkov. Celé rady zlúčenín v chémii sa skladajú z uhlíka a vodíka, alebo z uhlíka, vodíka a kyslíka a jedna zlúčenina sa od druhej líši hmotnostným pomerom týchto zložiek.

Že tento pomer sa dá vždy vyjadriť celým číslom, vyplýva z toho, že atómy sú nedeliteľné, nemôžu sa zlučovať polky alebo tretiny atómov.

Atómy podľa Daltona

Obrázok 3. Podľa Daltona z roku 1809. 1. atóm kyslíka, 2. atóm uhlíka, 3. molekula kysličníka uhoľnatého, 4. molekula kysličníka uhličitého. (Dalton hovoril o atómoch zlúčenín, názov molekula je neskorší.)


Príklad kysličníka uhoľnatého objasňuje obrázok 3. Atómy kyslíka a uhlíka sú v ňom označené značkami, ktoré zaviedol a používal Dalton. Dnes sa už v chémii nepoužívajú. Plný krúžok tu značí atóm uhlíka, prázdny krúžok atóm kyslíka. Molekula kysličníka uhoľnatého sa skladá z jedného atómu uhlíka a z jedného atómu kyslíka. Molekula kysličníka uhličitého má jeden atóm uhlíka a dva atómy kyslíka, čísla vpísané do jednotlivých krúžkov udávajú pomerné hmotnosti príslušných atómov. Hmotnosť atómov uhlíka sa má k hmotnosti atómu kyslíka ako 3:4.

Dalton nebol prvý, čo označoval prvky značkami. Už Číňania, Gréci, Arabi a po nich alchymisti označovali rôzne látky zvláštnymi značkami. Značky, ktoré sa používajú dnes, zaviedol švédsky chemik Berzelius. Sú to začiatočné písmena vedeckých názvov prvkov. Tak uhlík - Carboneum je označovaný veľkým písmenom C, kyslík - Oxygenium je veľkým písmenom O.

Vývoj chemických značiek

Obrázok 4. Ako sa vyvíjali chemické značky.


Obrázok 4 znázorňuje vývoj značiek niektorých prvkov od 15. storočia, po naše dni. Písmena v Daltonových značkách sú počiatočnými písmenami anglických mien prvkov, napríklad L (lead – olovo), I (iron – železo). G (gold – zlato).

Zo značiek prvkov sa skladajú vzorce zlúčenín. Kysličník uhoľnatý má vzorec CO. Z neho vysvitá, že molekula kysličníka uhoľnatého má len jeden atóm uhlíka a jeden atóm kyslíka. Kysličník uhličitý má vzorec CO2 Dvojka pripojená ku značke kyslíka vpravo dolu (dolný index) znamená, že v každej molekule kysličníku uhličitého sú dav atómy kyslíka.

Keby sme napísali dvojku pred vzorec, napríklad 2CO, znamenalo by to, že máme na mysli dve molekuly kysličníka uhoľnatého. Všeobecne číslice pred vzorcom nejakej zlúčeniny znamenajú počet molekúl, zatiaľ čo číslice za značkou udávajú počet atómov v jednej molekule. Výrazy značka a vzorec sa často pletú. Je potrebné si pamätať, že prvok má značku a zlúčenina vzorec. Francúzi niekedy označovali počet atómov značeného prvku číslom hore (horným indexom), napríklad: CO2. Je to starý spôsob, ktorý bol používaný len vo Francúzsku a už sa nepoužíva.