Hídverés rovat

A kémia képei

David Knight
A Chemistry and Industry 1997. május 19-i cikke alapján.
kémia, szerkezet, folyamat, ábrázolás
Allegorikus alkémiai fametszet-illusztráció
Giovanni Battista Nazari: Della Traumutatione Metallica Sogni Tre
(A fémátváltozás három álma), 1572

A korszakonként változó illusztrációk és szimbólumok végigkísérik a kémia történetét.1 2 A kívülálló számára a régi jelképek sokszor misztikusak voltak, mintha csak a laikus megtévesztésére szolgáltak volna. Az alkimisták király-, oroszlán-, kígyóábrázolásai mindig megfejtésre szorultak, ahogy a – sokszor versben írt – szövegek is csak a beavatottaknak tárták fel titkaikat.

Nemcsak a reakciók lefolyása, kimenetele volt bizonytalan, hanem a különöző szerzők más-más szimbólumokat is használtak az anyagok megjelölésére. Az alkimista szövegeket ugyanolyan érdekeseknek találhatjuk, mint az idegen nyelven írott lapokat vagy az ismeretlen mitológiák vallásos festményeit. Az alkimista szerzők a bölcsességet kutatták, a közönséges mögött a lényegest keresték, s kortársaik, utódaik többségét felszínesnek ítélték vagy ítélték volna.3

Illusztrációk

Lavoisier egyik berendezésének korabeli metszete

A felvilágosodás fénykorában, 1789-ben, amikor Antoine Lavoisier megjelentette A kémiai alapjait (Traité élémentaire de chimie), az érthetőség a vegyészek fontos célkitűzésévé lépett elő. A kémia kísérleti tudomány, amelyben a műveletek fontos szerepet játszanak; s Lavoisier kitűnő laboratóriumot rendezett be magának. Nagy vetélytársa, Joseph Priestley olyan világosan akart írni, hogy mindenki megismételhesse a kísérleteit.4 Lavoisier berendezéseinek ábráival segítette az olvasókat azoknak a kutatásoknak a követésében, amelyek nyomán megállapította, hogy az oxigén alapvető szerepet játszik az égésben. Képei metszetek voltak, finom satírozásaik jól érzékeltették az edények térbeli alakját, és azt is jelezték, hogyan kell fölszerelni, tartani a készülékeket.5 Az esztétikai konvenció megkövetelte a valósághű ábrázolást: nem tartották elegendőnek, hogy a gömböt kör jelezze.

A XIX. század során a perspektíva érzékeltetése veszített fontosságából, és a készülékekről vonalas, síkbeli ábrák készültek. A régebbi képek még a retortaállványokat és a fogókat is feltüntették. Az elegáns, vonalas rajzok a részleteket már ismertnek tételezték fel, és azoknak szóltak, akik tudtak róluk olvasni. Lavoisier és Davy kívülállóknak szánt, remek prózáját felváltotta a rideg, pontos, tudományos folyóiratokba illő szóhasználat.6 7

Szimbólumok

Dalton szimbólumai és atomsúlyai

A képletek azonban továbbra is bizonytalanok maradtak: mindenki egyetértett abban, hogy a víz nyolc súlyrész oxigént és egy súlyrész hidrogént tartalmazott, de az összetételt jelző szimbólumokban nem jutottak egyetértésre.8 John Dalton mintás karikái helyett (amelyek az alkimista jelölésekre emlékeztettek) a British Association for the Advancement of Science 1835-ben Berzelius betűi mellett döntött. De még a legegyszerűbb reagensek képleteit is bizonytalanság övezte,9 10 és az atomok létezésében sem voltak biztosak. 1860-ban August Kekulé védnöksége alatt nemzetközi konferenciát hívtak össze Karlsruhéban – ez akkortájt még újdonságnak számított. Jeles tudósok próbáltak egyetértésre jutni a képletek, egyenértékek dolgában. Itt tartotta meg azóta híressé vált előadását Stanislao Cannizzaro. Az 1860-as években a vegyészek többsége elfogadta, hogy az anyag atomos szerkezetű, a víz képlete nem HO, hanem H2O (néha – a matematikusok bosszúságára – H2O-nak is írták), s az oxigén és a nitrogén a levegőben O2 és N2 molekulaként fordul elő.

Az 1870-es években (annak ellenére, hogy a francia kémikusok továbbra is kételkedtek az atomok létében)11 12 a vegyészek jelölni kezdték a molekulákat alkotó atomok „kötéseit”; ha a szerkezetet is jelezni akarták, H–O–H szerepelt a víz képleteként. A szerkezeteket különböző színű golyókból és rudakból is összeállították. J. B. van’t Hoff 1874-ben ismerte fel, hogy a szénatomokhoz tartozó kötések nem egy síkban vannak (mint általában feltételezték), hanem egy szabályos tetraéder csúcsaiba mutatnak. A modelleket, diagramokat áttervezték: amikor a készülékek illusztrációi kétdimenzióssá váltak, a szerkezeteket három dimenzióban kezdték szemléltetni.

Alternatív ábrázolások

A századfordulón már az új konvenciók szerint rajzolták le a készülékeket, de a feltételezett szerkezeteket többféleképpen jelölték. A tapasztalati képlet, mint például a H2O, egyszerűen és tömören jelezte, hogy egy-egy komponens hány atomja alkotja a molekulát. A szerkezeti képlet, például a H–O–H vagy esetleg a H2O, a feltételezett elrendezést is megmutatta, és a bonyolultabb molekulák háromdimenziós alakját is érzékeltette. Néha, például a benzol esetében, nem értettek egyet az ábrázolás módjában. A gyűrűs szerkezetet általában elfogadták, de abban már nem jutottak egyetértésre, hogy a molekulát váltakozó kettős és egyszeres kötésekkel, a gyűrű közepe felé mutató kötésekkel vagy körbe záruló „kolbásszal” ábrázolják-e.13 14 15 Az utóbbi elgondolás Kekulé ötletet adó álmára, a saját farkába harapó kígyóra emlékeztetett.16

Közben – a karlsruhei konferencia után elfogadott relatív atomtömegek birtokában – megjelent az elemek első „periódusos rendszere”. A biológusok az élő szervezeteket szemléletesen – például létra, fa vagy körökből álló sorozat formájában17 – próbálták rendszerezni, s a vegyészek is hasonló módszerekkel kísérleteztek.18 J. A. R. Newlands úgy gondolta, hogy megtaláta az „oktávok törvényét”: a hasonló elemek – a hasonló zenei hangok mintájára – minden nyolcadik helyen jelennek meg. Táblázatát ezért hálóba rendezte el. Egyik francia kortársa, Béguyer de Chancourtois, csigavonalban sorakoztatta fel az elemeket úgy, hogy a rokon elemek egymás fölé kerüljenek. Dimitrij Mengyelejev mélyebb összefüggéseket is felfedezett; táblázatában (amelyet eredetileg oktatási célokra szánt) a rokon elemeket vízszintes sorokba rendezte, de a táblázatot hamarosan kilencven fokkal elforgatta; így keletkezett a jól ismert elrendezés.

Crookes modellje

A minden kémiai előadóteremben kifüggesztett periódusos rendszer és Charles Darwin 1859-ben megjelent híres műve, A fajok eredete nyomán néhány spekulatív elme, például William Crookes és Norman Lokyer arra a gondolatra jutott, hogy az elemek a Napban és a csillagokban keletkeznek – talán egy kozmikus inga lengése nyomán: Crookes háromdimenziós, spirális nyolcasra helyezte el az elemeket.

Az elemek transzmutációjára Ernest Rutherford mutatott példát – ahogyan ő nevezte – az „új alkímia” révén. Rutherford ugyan nem tért vissza a szimbólumok alkímiai gazdagságához, de a Rutherford–Bohr-féle atommodell, amelynek atommagja körül elliptikus pályán keringenek az elektronok, századunk egyik ikonja lett.

G. N. Lewis ezt az atommodellt használta fel vegyérték-elméletében,19 20 amely szerint az atomok elektronok leadásával, felvételével vagy elektronpárok kialakításával kapcsolódnak össze. A szerkezeti képleteken megjelentek az elektromos polaritást jelölő + és – jelek.21,22

Linus Pauling „molekula-architekúrái”23 között szabályos sokszögek, „golyó és pálcika” modellek, rugalmas, léggömbszerű – Michelin-figurára emlékeztető – molekulaábrázolások is szerepelnek, s a golyók és pálcikák kontúrjai néha elhalványodnak, mert a XX. századi atomok nem Isaac Newton „szilárd, tömör, kemény és áthatolhatatlan” részecskéi.24 Pauling rezonancia-elméletében az az elgondolás jut szerephez, hogy egy molekula, például a benzol különféle lehetséges szerkezetei jobban megközelítik a valóságot, mint bármely modell önmagában.

Formák és korlátok

Konstitúciós képlet (rövid)
Konstitúciós képlet (teljes)
transz (balra), cisz (jobbra)
Parciális vegyértékeket tartalmazó képlet
Elektronokat és töltéseket ábrázoló képlet
Kötésszögeket ábrázoló képlet
Elektronfelhőket ábrázoló képlet
A BUTADIÉN REPREZENTÁCIÓI MARY JO NIE NYOMÁN

Pauling követői ragaszkodnak ahhoz, hogy a szerkezeti kémia nem „csupaszítható le” jobban a fizikára, mint az építészet; minden művészetnek megvannak a korlátai, s az építészeknek a fizika korlátain belül kell maradniuk. Ugyanígy azoknak a vegyészeknek is a természet törvényeit kell követniük, akik a természetben eddig ismeretlen molekulákat állítanak elő. De minden törvény sok szabadsági fokot is megenged, és az ábrázolásban is hasonló szabadságot élvezünk. Mary Jo Nye – az elméleti kémia kialakulását vizsgálva25 – a molekulák számos alternatív ábrázolását mutatja be. Mindegyik változatnak megvan a szerepe és a kontextusa, mindegyik az anyag más-más aspektusára hívja fel a figyelmet.

Az ábrázolás egy másik elegáns módja a betűk elhagyása; a benzol képe tehát egyszerű hatszög, a bonyolultabb molekulák modelljei drótókból hajlított szobrokként jelennek meg. A különleges formák a vegyészeket is izgatják, amint Alex Nickon és Ernest Silversmith játékos nevei példázzák:26 a molekulák a ’lámpán’, ’templán’ (lampane, churchane) nevet kapján a formák hasonlósága alapján.

Ebben a sorozatban Roald Hoffmann ’kempingasztal’ molekulája is szerepel, amelyhez mások készítettek háromlábú székeket. Hoffmann Chemistry imagined27 című érdekes munkájában, melyben egy kiállítás kollázsait reprodukálja, hétféle módon ábrázolja a kámformolekulát, majd felteszi a kérdést:

„Melyik a helyes a hétféle ábrázolás közül? Melyik a molekula? Nos, mindegyik, és egyik sem. Mindegyik modell; bizonyos esetekben alkalmas, máskor alkalmatlan reprezentáció.”

A Cornell Theory Center egyik számítógépes fehérjemodellje

Hoffmann mondatai visszavezetnek bennünket kiindulásunkhoz, a kémiai folyamatokhoz. Az alkímiai illusztrációk néha megmutatták a folyamatokat; a golyókkal és pálcikákkal játszhatunk; a vegyipari létesítmények, például a gázművek28 képei érzékeltetik a kémiai folyamatok dinamikáját is. Van képünk a vulkánokról,29 de a heves kémiai reakciókról alig látunk ábrákat. Ezeket helyettesíthették a leírások, például Davy beszámolója:

„…erős fény mutatkozott a negatív huzalnál, és az érintkezési pontnál … lángoszlop csapott fel. … A gömböcskék gyakran már keletkezésük pillanatában elégtek, néha hirtelen felrobbantak és kisebb gömböcskékké váltak szét, amelyek heves égés közepette nagy sebességgel repültek a levegőben, s gyönyörű tűzcsóvákat húztak.”30 31

Ma már nem így írják a tudományos dolgozatokat.

A szuperszámítógépek segítségével a vegyészek túlléphetnek a „golyó és pálcika” modelleken, s a folyamatokat szimulációkkal követhetik nyomon.32 Ezek a képek a laikus számára gyakran tetszetősek, de talán megtévesztőek, ám a magyarázatok ma már nem titkosak, és szorosabban kötődnek a kísérletekhez, mint az alkímia világában. Nyilvánvaló azonban, hogy a vegyész munkájával együtt jár az ábrázolás, a láttatás; a kémikus nemcsak a szavak, hanem a képek nyelvén is beszél.

Irodalom

  1. Ford.: B. J.: Images of science. London: British Library. 1992.
  2. Robin, H.: The scientific image. New York: H. N. Abrams, 1992.
  3. Knight, D. M.: Ideas in chemistry: a history of the science. London: Athlone, 2nd edition 1995. chapter 2.
  4. Golinski, J.: Science as public culture: chemistry and enlightenment in Britain, 1760–1820. Cambridge: CUP, 1992.
  5. pl. Accum, F.: Chemical re-agents, or tests. (New edition, Edited by W. Maugham.) London: C. Tilt, 1828. plate 3.
  6. Knight, D. M.: Chemistry and metaphors. = Chem. Ind., 1993. 996–9. p.
  7. Knight, D. M.: Words that make worlds. = Science & Public Affairs, Summer 1994. 23–5. p.
  8. Crosland, M. P.: Historical studies in the language of chemistry. London: Heinemann, 1962. part 4.
  9. Rocke, A. J.: Chemical atomism in the nineteenth century. Columbus: Ohio State UP, 1984. 321–6. p.
  10. Mi Gyung Kim: Ambix, 1996. 43, 1–31. p.
  11. Brock, W. H.: The Fontana history of chemistry. London: Fontana, 1992. chapter 7.
  12. Crosland, M. P.: Science under control: the French Academy of Sciences 1795–1914. Cambridge: CUP, 1992. 115. p.
  13. Bader, A.: Royal Institution Proceedings, 1993. 64, 19 7–205. p.
  14. Rocke, A. J.: Chem. Brit., 1993, 29, 401–2. p.
  15. Knight, D. M.: Rendiconti della Accedemia Nazionale delle Scienze della XL, 1993, 17. 80–90. p.
  16. The Kekulé riddle: a challenge for chemists and psychologists. (Ed. J. Wotiz.) Carbondale: Glenview, 1993.
  17. Knight, D. M.: William Swainson; types, circles and affinities. = The light of nature. (Ed. J. North.) Dordrecht: Nijhoff, 1985. 83–94. p.; Ordering the world, London: Burnett, 1981.
  18. Ide vonatkozó reprint szövegek = Knight, D. M.: Classical scientific papers: chemistry, second series. London: Mills & Boon, 1970.
  19. Lewis, G. N.: Valence. New York: Chemical Catalog Co., 1923.
  20. Russell, C. A.: The history of valency. Leicester: Leicester UP, 1971.
  21. Williams, T. I.: Robert Robinson: chemist extraordinary. Oxford: OUP, 1990. 69–84. p.
  22. Leffek, K. T.: Sir Christopher Ingold: a major prophet of organic chemistry. Victoria: Nova Lion, 1996.
  23. Pauling, L., & Hayward, R.: The architecture of molecules. San Francisco: Freeman, 1964.
  24. Newton, I.: Opticks. New edition. New York: Dover, 1952. 400. p.
  25. Nye, M. J.: From chemical philosophy to theoretical chemistry; dynamics of matter and dynamics of disciplines, 1888–1950. Berkeley: California UP, 1993. 280. p.
  26. Nickon, A., & Silversmith, E. R.: Organic chemistry: the name game. New York: Pergamon, 1987. 37, 51, 102. p.
  27. Hoffmann, R., & Torrance, V.: Chemistry imagined: reflections on science. Washington DC: Smithsonian, 1993. 27. p.
  28. Mackenzie, C.: One thousand experiments in chemistry. New edition. London: Phillips, 1822. frontispiece.
  29. Jenkins, I.: & Sloan, K.: Vases and volcanoes: Sir William Hamilton and his collection. London: British Museum, 1996.
  30. Davy, H.: Collected works. London: Smith Elder, 1840. 5, 59, 62. p.
  31. Knight, D. M.: Humphry Davy: science and power. New edition. Cambridge: CUP, 1996. 66. p.
  32. Catlow, C. R. A.: Modelling reality with supercomputers. = Proceedings of the Royal Institution, Volume 67, Oxford: OUP, 1996. 91–106. p.

További érdekességek a
ChemoNet Teázóban