Antoine Laurent de Lavoisier

Antoine Laurent de Lavoisier urodził się 26 VIII 1743 r. w Paryżu. Pochodził z wzbogaconej i uszlachconej rodziny urzędników sądowych. Zgodnie z wolą rodziców w latach 1761-63 odbywał studia prawnicze na Uniwersytecie Paryskim uzyskując (1764) stopień doktora. Równolegle do studiów prawniczych słuchał wykładów z medycyny, fizyki oraz chemii, czytał wiele z tej dziedziny oraz przeprowadzał stale doświadczenia. Interesowała go nauki przyrodnicze, a zwłaszcza mineralogia, która już wówczas osiągnęła wysoki poziom rozwoju. Po zakończeniu studiów został adwokatem przy Najwyższym Sądzie Francji. W latach 1765- 66 przeprowadził analizy gipsu wód mineralnych w okolicy Paryża – jako najlepsze zalecił do zaopatrywania miasta. Jego pierwsza praca z chemii- rozprawa o gipsie została zauważona i stała się ona podstawą przyjęcia go do Akademii Francuskiej, jako adiunkta. W grudniu 1771 roku poślubił córkę generalnego dzierżawcy podatków, Marię Annę Paulze, której kierował wykształceniem. W późniejszych latach była jego asystentką, sekretarką, tłumaczką (z ang.) oraz ilustratorką jego publikacji.

Jednym z problemów, któremu musieli stawić czoło chemicy XVII i XVIII wieku, był zupełny brak porządku w nazywnictwie chemicznym. Definicję pierwiastka chemicznego, jako kresu procesu analizy (rozkładu) chemicznej sformułował (1661) R. Boyle, ale do czasów Lavoisiera nikt nie wykazał doświadczalnie, które z substancji spełniają warunki boylowskiej definicji. W swych dalszych pracach Lavoisier stosował podejście ilościowe, (używając w sposób rutynowy wagi), a zatem zgodnie z zasadami metody naukowej, która wówczas nie była jeszcze w pełni rozwinięta. Lavoisier zmienił ten stan w 1787 roku, publikując klasyczne dzieło „Methode de Nomenclature Chimique”, która stała się podstawowym dziełem dla chemików w całej Europie, w tym i w Polsce.

W czasach Lavoisiera jedyne znaki umowne były pochodzenia alchemicznego. Składały się one z pewnej liczby międzynarodowych znanych symboli i formuł, które się kombinowało w miarę potrzeb. Wszystko, czego nie można było wyrazić za pomocą tych znaków, trzeba było opisywać słowami. Dla nowych odkryć stworzono z biegiem czasu różne nowe znaki, które i w formie i w ujęciu odpowiadały znakom alchemicznym. Im więcej rozwijała się nowa chemia, tym coraz więcej powstawało sformułowań chemicznych. Dawny język symboliczny już zasadniczo nie dorastał do potrzeb nowych poglądów. Dla mowy symbolicznej każda omawiana rzecz była jednolita, jakby o samoistnej osobowości, która się zaopatrywało nazwą i znakiem Odpowiadało to alchemicznym pojęciom o materii. Gdyby w chemii dalej tak postępowano, trzeba by było wymyślić tyle symboli ile jest substancji i związków. Mowa znaków chemicznych byłaby, więc znacznie bardziej skomplikowana niż chińskie pismo obrazkowe, które jak wiadomo składa się z około 30000 znaków. Za czasów Lavoisiera chemicy pod pewnym względem wciąż jeszcze tkwili w alchemicznym sposobie myślenia. Rozpatrywali oni, bowiem dane substancje przeważnie pod kątem widzenia ich jakości i temu właśnie chcieli dać wyraz w swoich symbolach. Pomimo ustalonego przez Lavoisiera prawa o zachowaniu materii w reakcjach chemicznych nikt nie zdawał sobie jasno sprawy z tego, że w chemii możliwe jest określenie ilościowe, które właśnie jest racjonalne.

W XVII i pierwszej połowie XVIII wieku zgromadzono całą górę danych, ale były one beznadziejnie pogmatwane. Nazwy rozmaitych substancji —sól gorzka, siny kamień, magnezja, pomfolyks, kolkotar, masło arszeniku, kwiaty cynku, orpiment, wojowniczy etiop — były efektowne, ale nie pozwalały się domyślać jakiegokolwiek głębszego porządku. Jeden z nauczycieli Lavoisiera powiedział mu, że „sztuka rozumowania nie jest niczym więcej, jak tylko dobrze uporządkowanym językiem”, i on wziął to sobie do serca. Podjął się uporządkowania i opracowania wszystkich nazw chemicznych. Zmienił wojowniczy etiop na tlenek żelaza, orpiment został siarczkiem arsenu, wprowadził też m.in. siarczan sodowy, siarczan miedziowy czy tlenek magnezowy. Rozmaite przedrostki ( „nad-”, „pod-”) oraz przyrostki („-owy” „-awy”, „-yn”) pomogły uporządkować i skatalogować niezliczoną liczbę związków chemicznych.

Czyste powietrze – zasada wspólna dla wszystkich kwasów i wchodząca w skład nich nazwał zasadą oksygenową. Międzynarodowa nazwa tlenu (O) -oxygen - jest właściwie nieporozumieniem. Pochodzi ona od greckiego słowa oxys, czyli kwasowy. W 1777 roku, kiedy Lavoisier nadawał tę nazwę, panowało powszechne przekonanie, że tlen jest uniwersalnym składnikiem kwasów. Pogląd ten został później obalony (za kontrprzykład może służyć kwas solny, czyli chlorowodór składający się wodoru i chloru). Zaproponowana przez Lavoisiera dla niego łacińska nazwa oxygenium dość prędko się rozpowszechniła, została przyjęta przez wszystkich badaczy i istnieje do dziś we wszystkich językach świata. W języku polskim pierwotny, dosłowny przykład tej nazwy – kwasoród, wprowadzony przez Jędrzeja Śniadeckiego, został zastąpiony nazwą – tlen. W trakcie badań nad oddychaniem Lavoisier nadał nazwę również tej części powietrza, która pozostała po usunięciu tlenu. Nazwę tej zasady wprowadzono ze względu na jej właściwości, pozbawia życia zwierząt, które nim oddychały, azotem, od a (greckie przeczenie) i zoe ( życie). Badał procesy oddychania w organizmie żywym i stwierdził, że polegają one na reakcji związków węgla z tlenem, w wyniku której powstaje dwutlenek węgla.

Lavoisier jako pierwszy chemik uznał metale za substancje proste – pierwiastki. Ponieważ nie mają one części składowych wspólnych z innymi pierwiastkami, nie można zatem, posługiwać się metodami znanymi w XVIII ( a nawet w XIX) wieku, zmienić ich w inne substancje proste. Dopiero więc od czasów Lavoisiera oczywistym nonsensem stały się wszelkie próby przemiany metali nieszlachetnych w złoto za pomocą dostępnych wówczas metod.

Wszystko wyglądało jeszcze całkiem alchemicznie, jednak Lavoisier zdawał sobie sprawę z tego, że dane ilościowe są nieodłącznym składnikiem każdego wzoru i dlatego aby podać stosunki ilościowe, zapisywał przed lub po danym symbolu ilości użyte do danego doświadczenia. Wyjście, które znalazł dla wystarczającego wówczas formułowania reakcji polegało więc na tym, że jego wzory były równocześnie i receptami.

Lavoisierowi nie poszło to tak łatwo. Zanim zrewidował nomenklaturę, musiał zrewidować samą teorię chemiczną. Jedno z większych jego osiągnięć dotyczyło własności gazów i spalania. W XVIII wieku chemicy wierzyli, że podgrzewana woda przeobrażała się w powietrze, które według nich miało być jedynym prawdziwym gazem. Na podstawie swych badań Lavoisier wykazał, że dowolny pierwiastek może występować w każdym z trzech stanów skupienia: stałym, ciekłym i gazowym. Dowiódł także, że spalanie jest reakcją chemiczną polegającą na łączeniu się różnych substancji z tlenem. Usunął z nauki teorię flogistonu — arystotelejską w swej naturze przeszkodę na drodze do osiągnięcia prawdziwego rozumienia przebiegu reakcji chemicznych. Co więcej, styl badań Lavoisiera — oparty na precyzji, najwyższej technice eksperymentalnej i krytycznej analizie zebranych danych — naprowadził chemię na nowoczesny kurs. Choć jego prace nie wnosiły wiele do teorii atomistycznej, to bez podwalin, które on położył, dziewiętnastowieczni uczeni nie mogliby znaleźć pierwszego bezpośredniego dowodu na istnienie atomów.

Zdołał on udowodnić, że pierwiastkami chemicznymi są też takie gazy, jak wodór i azot oraz siarka, fosfor, a przede wszystkim metale, uważane do czasów Lavoisiera za substancje złożone. Właśnie dzięki temu, iż ustalił on, które substancje są faktycznie prostymi, mógł:
1) sformułować prawidłowo teorię spalania, wprowadzając przy tym pojęcie stopnia utlenienia,
2) dać podstawy racjonalnej terminologii związków chemicznych, których nazwy muszą uwzględniać substancje proste (pierwiastkowe), z których pochodzi dany związek chemiczny,
3) podać szczególnie dla chemii przydatne sformułowanie, uznawanego od czasów antycznych filozofów greckich, prawa zachowania materii (jako prawo zachowania masy).

Woda fascynowała Lavoisiera, próbował stwierdzić i określić naturę wody. Substancja ta, która w przeszłości odgrywała tak wielką rolę mistyczną, została otrzymana sposobem chemicznym po raz pierwszy przez Cavendisha. Lavoisier swoje eksperymenty z wodą oparł właśnie na jego doniesieniach. Za jego czasów wielu uczonych wciąż uważało, że woda jest podstawowym żywiołem i że nie można jej rozłożyć na części składowe. Niektórzy wierzyli także w transmutacje; sądzili, że woda może ulec przemianie, na przykład, w ziemię. Nawet można było się o tym przekonać doświadczalnie. Jeśli gotować wodę odpowiednio długo, to okaże się, że na dnie naczynia zbierze się stały osad. To woda uległa transmutacji w jakiś inny pierwiastek — mówili ci uczeni. Nawet wielki Robert Boyle w to wierzył. Co więcej, przeprowadził doświadczenie, które tego dowodziło. Wykazał, że rośliny rosną dzięki temu, iż wciągają wodę i ulega ona transmutacji w łodygi, liście, kwiaty itd. W tej sytuacji staje się jasne, dlaczego tak wielu ludzi nie ufało eksperymentom.

Lavoisier zdawał sobie sprawę, że w wielu eksperymentach zaniedbano pomiary. Przeprowadził swój własny eksperyment, polegający na tym, że gotował wodę w specjalnym naczyniu., zwanym pelikanem. Pelikan jest tak skonstruowany, że para powstała na skutek wrzenia wody gromadzi się i kondensuje w kulistej komorze, skąd dwiema rurkami powraca do tej części naczynia, w której odbywa się wrzenie. W ten sposób proces przebiega bez żadnych strat wody. Lavoisier dokładnie zważył naczynie i destylowaną wodę przeznaczoną do doświadczenia. Następnie zaczął ją gotować i tak gotował bez przerwy przez 101 dni. W wyniku tego długotrwałego eksperymentu w naczyniu zebrała się pewna ilość osadu. Lavoisier zważył wtedy wszystko z osobna: wodę, pelikan i osad. Po stu i jednym dniu gotowania woda ważyła dokładnie tyle samo co na początku. To powinno nam coś powiedzieć o skrupulatności Lavoisiera. Jednak pelikan ważył nieco mniej. Ciężar osadu był równy brakującemu ciężarowi naczynia. Dlatego Lavoisier uznał, że otrzymany osad nie jest przeobrażoną wodą ale rozpuszczonym szkłem, krzemionką pochodzącą z naczynia. Wykazał też, że eksperymenty pozbawione precyzyjnych pomiarów są bezużyteczne, a nawet mylące. Wprowadził do swoich doświadczeń ilościowych czułe wagi analityczne i za ich pomocą wykazał słuszność prawa zachowania masy.

Taki był koniec transmutacji. Jednak wielu ludzi, w tym także sam Lavoisier, wciąż wierzyło, że woda jest jednym z żywiołów, podstawowym pierwiastkiem. Koniec tej iluzji nastąpił dopiero wtedy, gdy Lavoisier wynalazł naczynie o dwóch szyjkach. Używał go w ten sposób, że wpuszczał przez te szyjki różne gazy w nadziei, że się połączą i w ten sposób powstanie jakaś trzecia substancja. Pewnego dnia postanowił wypróbować tlen i wodór. Następnie z wodorem wykonał następujące doświadczenie: napełnił nim naczynie i przy pomocy rurki doprowadzał wolno tlen tak, że w wyniku nastąpiło spalanie tlenu w wodorze. Otrzymaną w ten sposób wodę oddzielił od rtęci i badał, czy jest kwaśna. Spodziewał się, że może powstać jakiś kwas. W tym celu zbadał wodę papierkiem lakmusowym, przy tym jednak stwierdził, że ma przed sobą czystą, destylowaną wodę, która nie zawiera kwasu. Z tych eksperymentów wyciągną wniosek, że woda nie jest substancją jednorodną, lecz związkiem. Lavoisier udowodnił następnie, że woda może być nie tylko wytwarzana syntetycznie, ale że również może być rozłożona na swoje pierwotne części składowe. Otrzymał wodę. Pisał, że „była czysta jak destylowana woda”. Nie należy się temu dziwić przecież zrobił ją dokładnie według przepisu. Stało się oczywiste, że woda nie jest pierwiastkiem, lecz złożoną substancją, którą można wyprodukować, biorąc dwie części wodoru i jedną część tlenu. Zbadał dokładnie stosunki i warunki, w jakich tlen i wodór łączą się dając wodę. Stwierdził, że 16,9197 objętości tlenu i 32,3213 objętości wodoru łącząc się ze sobą daje wodę.

W roku 1783 miało miejsce wydarzenie historyczne, które pośrednio przyczyniło się do dalszego rozwoju chemii. Bracia Montgolfier dokonali pierwszych załogowych lotów balonem wypełnionym ciepłym powietrzem. Niedługo potem J. A. C. Charles (nauczyciel fizyki) wzniósł się na wysokość trzech kilometrów za pomocą balonu wypełnionego wodorem. Zrobiło to wielkie wrażenie na Lavoisierze. Uznał, że balony dają wspaniałe możliwości wznoszenia się ponad chmury i prowadzenia badań meteorologicznych. Wkrótce powołano do życia komitet, którego celem było opracowanie tanich metod produkcji gazu dla potrzeb lotów balonowych. Lavoisier zorganizował masową produkcję. Uzyskiwał go w wyniku rozkładu wody na jej składowe podczas przesączania jej przez lufę armatnią wypełnioną gorącymi żelaznymi pierścieniami. Teraz nikt nie utrzymywał już, że woda jest pierwiastkiem. Ale Lavoisiera czekała jeszcze jedna wielka niespodzianka. Rozszczepił już ogromne ilości wody, a rachunek zawsze wychodził taki sam: z wody można było otrzymać wodór i tlen w ilościach wyrażających się wagowym stosunkiem 8:1. Ewidentnie było to dziełem jakiegoś zgrabnego mechanizmu, który można by wytłumaczyć, odwołując się do atomów. Lavoisier nie wdawał się w spekulacje na temat atomizmu, mówił tylko, że u podstaw chemii leżą proste i niepodzielne cząstki, ale prawie niczego o nich nie wiemy.

W 1790 Akademia Nauk na zlecenie rządu, zorganizowała Komisję Wag i Miar, której celem było wprowadzenie we Francji spójnego układu miar opartego na systemie metrycznym. Lavoisier jako członek tej Komisji, przygotował pierwotny wzorzec długości (ok. 4 m) pomocny przy wyznaczaniu długości jednej czwartej południka paryskiego, której jednodziesięciomilionową cześć nazwał metrem. Dla jednostki powierzchni zaproponował nazwę ar. Ten system metryczny jest używany dziś w cywilizowanych krajach (Stany Zjednoczone, by nie zostać zbyt daleko w tyle, z wolna zaczynają wprowadzać układ SI).

Lavoisier był ceniony przez współpracowników, ale jednocześnie nielubiany z powodu „wywyższania się”. Lud paryski widział w nim tylko znienawidzonego dzierżawcę podatków, był przy tym jednym z najbogatszych ludzi we Francji (jego dochód z różnych źródeł 1793 wynosił 121637 funtów, co odpowiada 14 mln zł). Niestety, nie miał okazji przejść na emeryturę i spokojnie spisywać pamiętników, w których mógłby rozwinąć swą koncepcję atomów. W listopadzie 1793 roku dzierżawcy podatków zostali aresztowani. Starania o oddzielne traktowanie Lavoisiera podejmowane przez kierowników instytucji, w których pracował, nie odniosły skutków. Nie ujęli się za nim współpracownicy, choć niektórzy zajmowali wysokie stanowiska we władzach rewolucyjnych. 8 maja 1794 odbył się proces i 24 dzierżawców podatków, w tym Lavoisier i jego teść, zostało skazanych przez Konwent na śmierć. Miał wtedy 50 lat. Nazajutrz po egzekucji matematyk Joseph Louis Lagrange tak podsumował tę tragedię: „Tylko moment zajęto im ścięcie tej głowy, ale i stu lat może być za mało, by wyrosła do niej podobna”.

Wartość dokonań Lavoisiera polega nie tyle na nowych obserwacjach, czy też syntezach nieznanych wcześniej połączeń chemicznych (co też miało miejsce), lecz przede wszystkim na tym, że usystematyzował on (stosując przy tym podejście ilościowe) dotychczasowe obserwacje, co umożliwiło mu zbudowania podwalin chemii, jako nauki. W swoich doniesieniach nie tylko najdokładniej opisywał on swoje eksperymenty, ale z wielką dokładnością – to miało miejsce po raz pierwszy w chemii – przedstawił rodzaj swoich eksperymentów, podał masę ciał przed i po doświadczeniu oraz wnioski, które można z tych doświadczeń wyciągnąć. Rozpoczął jako pierwszy tworzenie systematycznych nazw związków chemicznych, wprowadzając je w sposób jasny i jednoznaczny. Wszystkie swoje prawa redagował z tą myślą, by zawsze można było przeprowadzić kontrolę jego doniesień. Nie starał się szukać nowych pierwiastków ani związków, ale uważał jako swoje zadanie przebadać powtórnie znane reakcje.