Co je to prvek?

Z chemických pojmů není nic zásadnějšího než prvek. Je to jeden z prvních pojmů, se kterým se student chemie setká, často v ikonické tabulce těchto základních složek přírody, kterou před 150 lety poprvé popsal Dmitrij Mendělejev a která se letos slaví. A přesto nikdo nedokáže přesně říci, co je to prvek. Na setkání Mezinárodní společnosti pro filozofii chemie, které se konalo v červenci 2018 v Bristolu, se o této otázce diskutovalo s velkým zápalem a občas i vášní – ale stále bez dosažení konsenzu.

To není žádné překvapení. Potýkali se s ní někteří z nejlepších mozků chemie, včetně Antoina Lavoisiera, samotného Mendělejeva a průkopníka jaderné chemie Fredericka Soddyho, a přesto stručná a vyčerpávající definice stále uniká. A někteří účastníci setkání naznačili, že je to tak možná lepší.

Pro jiné je to známka toho, že chemie má před sebou vážné filozofické přemýšlení. ‚Chemie sama sebe jako obor nechápe,‘ říká filozof Farzad Mahootian z New York University v USA. Nejde jen o definici prvku; pojmy jako molekuly, vazby, a dokonce i charakter samotné periodické tabulky zůstávají mlhavé: klamně známé z pravidelného používání odborníky, ale postrádají jakýkoli význam, na kterém by se všichni shodli. ‚Existuje potřeba filozofické reflexe aspektů chemie, které máme tendenci učit spíše mechanicky,‘ říká Eric Scerri z Kalifornské univerzity v Los Angeles v USA, editor časopisu o filozofii vědy Foundations of Chemistry.

Zdá se rozumné očekávat, že chemie poskytne jednoznačnou definici

Význam ‚prvku‘ je oblíbeným tématem sporů mezi chemiky mimo službu. Shodneme se (že?), že vodík je prvek – ale co tím myslíme? Je molekulární plynný vodík prvek? Nebo izolovaný atom vodíku? Nebo máme na mysli nikoli nějakou skutečnou látku, ale „transcendentální“ pojem vodíku, jehož jsou skutečné atomy a molekuly jen hmotnými zástupci?“

Někdo by mohl říci: koho to zajímá? Víme, co máme na mysli v praxi. Když řeknu: „Síra je prvek, který tvoří žlutou pevnou látku s ostrým zápachem,“ neočekávám námitky. Stejně tak když řeknu ‚Síra je druhý prvek v 16. skupině periodické tabulky‘. Ale to jsou dvě poněkud odlišné věci.

Podle teoretického chemika Eugena Schwarze z univerzity v německém Siegenu je typickým přístupem říci: „Vím, že to, jak mluvím o prvcích, není úplně správné, ale dělají to tak všichni a studenti na to nakonec přijdou“. Ale „můj osobní pocit jako chemika je, že by si člověk tento zvyk neměl osvojovat“, dodává.“

Elena Ghibaudi z Turínské univerzity v Itálii se obává, že tato neschopnost přesně definovat prvek vyvolává problémy s porozuměním, komunikací a důvěrou ve výuku. ‚Když dva odborníci na chemii diskutují o prvcích, jsou schopni rozlišit význam od kontextu, ale ve třídě tomu tak není,‘ říká.

Mohou nastat problémy i pro chápání chemie veřejností. Schwarz poukazuje na to, že vzhledem k tomu, že se některé prvky spojují s toxickými látkami – například s plynným chlorem nebo sírou v oxidu siřičitém uvolňovaném při spalování uhlí a ropy – může se stát, že prvek sám o sobě bude považován za neodmyslitelně toxický a bude zranitelný vůči chemicky negramotným zákazům. ‚Nevím, jak veřejnosti objasnit, že toxické jsou jen některé sloučeniny daného prvku, a to dokonce jen nad určitou konkrétní koncentraci, zatímco příliš malé množství téhož prvku může dokonce způsobit zdravotní potíže,‘ říká.

„Pojem prvku je pro chemii klíčový a slouží k řadě účelů,“ říká Ghibaudi. ‚Například určuje, co zůstává v systému procházejícím chemickou přeměnou nezměněno, a rozlišuje mezi chemickými a jadernými změnami. Zdá se tedy rozumné očekávat, že chemie poskytne jednoznačnou definici. Může to však udělat?“

Země, vítr a oheň?

Stejně jako představa atomů, i prvky spíše trpí než těží z iluze kontinuity dlouhé myšlenkové tradice. Oblíbená historka říká, že staří Řekové si mysleli, že existují pouze čtyři živly – země, vzduch, oheň a voda -, ale zhruba od 18. století jsme si začali uvědomovat, že jich je spíše více než čtyři a že žádný z nich neodpovídá těmto starověkým živlům. Pravda je složitější. Za prvé, čtyři prvky připisované Empedoklovi a zakotvené v Aristotelově filozofii nebyly v řeckém myšlení zdaleka jediným schématem základních stavebních prvků hmoty. A před zlatým věkem chemie na konci osvícenství byly systémy „prvků“ spíše mlhavé. Švýcarský lékař Paracelsus v 16. století navrhl tři základní „principy“ síru, sůl a rtuť, zatímco několik dalších schémat (včetně takových fiktivních prvků jako flogiston) se těšilo dočasné podpoře.

Měl by každý izotop zaujímat v periodické tabulce své vlastní místo?“

Kromě toho to nebyly nutně konkurenční alternativy. Pojem prvek, stejně jako pojem atom, měl poměrně pestrou konotaci a nemusel nutně znamenat prvotní typ hmoty. Například tři Paracelsovy principy byly chápány spíše jako vlastnosti než složky: síra představovala hořlavost, sůl pevnost a rtuť tekutost.

Robert Boyle je právem oslavován za to, že vnesl do tohoto pojmu určité jasno, když ve své knize Skeptický chymista z roku 1665 navrhl, že prvek je látka, kterou nelze redukovat („analyzovat“) na něco jednoduššího. Boyleova definice však říká pouze to, kdy máme prvek, a ne to, co je prvek a co jej odlišuje od jiného. A je velmi provizorní, je rukojmím vašich analytických schopností. Jak si můžete být jisti, že máte prvek, a ne jen sloučeninu, kterou ještě nikdo nenašel způsob, jak rozdělit na jednotlivé složky? To vskutku nešlo, a proto se oxidy, které se obtížně štěpí, například oxid hlinitý a oxid křemičitý, objevují jako prvky v seznamech z 18. století, jako je ten ve vlivném Traité Élémentaire de Chimie Antoina Lavoisiera z roku 1789. Lavoisier následoval Boyla v tvrzení, že prvek představuje konečný stupeň analýzy.

John Dalton vnesl do Lavoisierovy definice něco zásadnějšího, když v roce 1808 tvrdil, že specifické vlastnosti prvků vyplývají z vlastností jejich jednotlivých atomů, které si představujeme jako malé, tvrdé, kulovité částice. V Mendělejevově době v polovině tohoto století již bylo známo, že různé prvky mají různou atomovou hmotnost, a Mendělejev při sestavování své periodické tabulky použil uspořádání prvků podle jejich atomové hmotnosti. (Sám používal termín „elementární hmotnost“, protože v atomy nevěřil.)

Objevy radiochemiků, jako byl Soddy, a fyziků, jako byli Ernest Rutherford a Henry Moseley, přinesly ve 20. letech 20. století poznání, že základnější vlastností atomů prvků je jejich atomové číslo Z – počet protonů v jejich jádrech -, které je pro všechny atomy daného prvku stejné. Francis Aston v roce 1922 objevil izotopy, které mají stejné Z, ale odlišnou atomovou hmotnost. Pokud se však Z u dvou atomů liší, jedná se o různé prvky.

Co máme na mysli pod pojmem „uhlík“? Diamant, atom se Z = 6 neboli C60

Zpočátku však izotopy házely kočku mezi holuby. ‚Jejich objev byl výzvou pro definici prvku,‘ říká Ghibaudi. ‚Mezi chemiky a fyziky se rozpoutala živá debata o pojmu chemický prvek. Otázkou bylo, zda by měl každý izotop zaujímat vlastní místo v periodické tabulce prvků, či nikoliv. V roce 1923 se mezinárodní výbor dohodl, že identifikace chemického prvku bude založena na atomovém čísle namísto atomové hmotnosti.

Tím by, jak si možná myslíte, mohla celá záležitost skončit: prvky jsou definovány podle Z. Potíž je v tom, že chemici toto slovo tak docela nepoužívají. Německý chemik Friedrich Paneth ve svém zásadním článku o definici prvků z roku 1932 připustil dvě různé definice, které nazval Einfacher Stoff – obvykle překládáno jako „jednoduchá látka“ – a Grundstoff neboli „primární/základní látka“. První se vztahuje k Lavoisierovu pojmu skutečné, fyzikální látky, kterou nelze chemickými metodami redukovat na více základních složek, druhá k abstraktnímu pojmu: „kyslík“, řekněme, jako typ atomu se Z = 8.

Ghibaudi pochybuje, že jsme se i dnes dostali za hranice Panethova dualismu. Iupac ve své „Zlaté knize“ chemického názvosloví v současnosti uvádí dvojí definici slova „prvek“, která říká, že toto slovo může označovat buď „druh atomu“ (což Ghibaudi považuje za obdobu Panethovy „základní látky“), nebo, spíše tautologicky, „čistou elementární látku“.

Tento dvojí význam je nepříjemný. Vyhledejte si „kyslík“ na webových stránkách o prvcích a pravděpodobně se dozvíte, že má Z = 8 a možná i určitou elektronickou konfiguraci a pozici v periodické tabulce – ale také, že je to vysoce reaktivní látka se vzorcem O2 a bodem varu -183 °C. Podle chemika Marka Leache, který provozuje webové stránky s chemickými zdroji meta-synthesis.com, se jedná o nedbalé spojení dvou zcela odlišných údajů: jeden se vztahuje k Panethově „základní látce“ (abstraktní ideál), druhý k jeho „jednoduché látce“ (reálná látka). To jistě nemůže být dobré?“

Navíc, říká Leach, celá naše představa o periodické tabulce tyto dvě látky nešikovně směšuje. Můžeme si ji představovat jako tabulku „základních látek“ – což je v podstatě to, jak ji viděl Mendělejev. Celý pojem periodicity však odkazuje na skutečné chemické vlastnosti reálných látek: valenci v chemických sloučeninách, vlastnosti jako ionizační energie, kovový charakter atd. ‚Pokud má základní látka pouze vlastnost Z, existuje jen jednoduchý seznam,‘ říká Leach. ‚Odkud pak pochází struktura periodické tabulky?“

Některá populární ztvárnění periodické tabulky dokonce ukazují fotografie ‚jednoduchých‘ hmotných forem prvků: diamant nebo grafit pro uhlík atd. Je to tedy matoucí kaše – a možná to tak má být. ‚Ke konstrukci potřebujete rozumný kompromis základních i jednoduchých vlastností,‘ říká Scerri.

To není triviální záležitost. Stále například zuří spory o to, zda prvky pod yttriem ve skupině 3 mají být lanthan a aktinium, nebo lutecium a lawrencium. Spor se vede o to, zda si myslíte, že by tabulka měla odrážet „základní“ vlastnosti, jako je elektronická konfigurace, nebo pozorovatelné vlastnosti, jako je chemické chování. Tyto spory se stanou ještě nejednoznačnějšími, jakmile relativistické efekty (v důsledku velmi vysokých rychlostí elektronů vnitřního obalu) začnou narušovat chemickou periodicitu supertěžkých prvků vytvořených člověkem.

To začíná být těžké

To není jediná komplikace, kterou supertěžké prvky přinášejí. Zmatek v tom, zda je prvek „věc“ nebo „pojem“, pramení z toho, že v minulosti byly obojím. Má však nový prvek skutečně zcela stejný nárok na realitu, když existuje jen jako hrstka atomů, které jsou stabilní méně než sekundu, jako je tomu u některých nejnovějších umělých prvků, například tennessinu? Pokud jsou prvky částečně definovány svými chemickými vlastnostmi, kde pak zůstávají prvky, které neexistují dostatečně dlouho na to, aby se zapojily do nějaké smysluplné chemické interakce, a které v každém případě vznikají pouze jako vysoce nabité ionty, které nikdy nezískají plný počet elektronů? „V jakém smyslu jsou to prvky, když trvají jen milisekundu nebo dvě?“ ptá se Scerri. ‚Nemyslím si, že je někdy budeme schopni dát do lahví.‘

V jakém smyslu jsou to prvky, když vydrží jen milisekundu nebo dvě?

Radiochemie vždy seděla ve stáji chemie poněkud rozpačitě. Jedním z běžných způsobů, jak uvažovat o chemických prvcích, je uvažovat o nich jako o „konzervovaných veličinách“ chemie. Stejně jako se ve fyzice nikdy neničí hmota a energie (i když se samozřejmě mohou vzájemně přeměňovat), tak i v chemii platí základní pravidlo zachování prvků: z reakce nikdy nevycházíte s menším množstvím uhlíku, než s jakým jste začali. Ale v radiochemii, kde se jeden prvek může rozpadat na jiný, tomu tak je. O tom, zda je radiochemie vůbec součástí chemie, se vedou spory již od jejích počátků, kdy fyzikální a chemické nobelovské výbory soupeřily o to, kdo udělí cenu takovým osobnostem, jako byli Curieovi a Rutherford (oba se nyní „hlásí“ k chemii v názvech prvků).

Tato válka o území nikdy neskončila, jak o tom svědčí nejnovější hádky mezi Mezinárodními svazy čisté a aplikované fyziky a chemie (Iupap a Iupac) o to, kdo se má vyjadřovat k potvrzení nových prvků. Fyzikové tvrdí, že pouze oni mají dostatečné odborné znalosti, aby mohli posoudit tvrzení vyplývající z experimentů s urychlovači částic. Chemikům se však nelíbí, že by jiná skupina měla rozhodovat o tom, co se dostane do jejich nejcennější ikony, periodické tabulky prvků.

Ať už bude rozhodovat kdokoli, tyto nové prvky nejsou věci, které můžete držet v ruce. Zdůrazňují nový význam časových stupňů. Pravděpodobně každé sloučení jader, které trvá déle než typická časová škála jaderného rozptylu, přibližně 10-10 s, by mohlo být kvalifikováno jako vznik dalšího prvku. Je však spojení měřené v nanosekundách skutečně ospravedlnitelné, nebo se jedná pouze o druh rezonance? Proto Schwarz říká, že „když mluvíme o prvcích, měli bychom mluvit také o časových škálách“. Klade si otázku, zda by „prvek“ neměl být alespoň entitou schopnou v principu tvořit molekuly. Chemie je řemeslo a věda o skutečných materiálech,“ dodává – ale „pro fyziky je jádro prvkem“. Iupac mezitím nedávno oznámil nová kritéria pro objevování supertěžkých prvků, která potvrzují, že časový rámec existence pro získání statusu prvku je jen
10-14s.

Věc sama o sobě

Problém prvků ukazuje, že, jak říká Scerri, chemie potřebuje filozofii. „Otázka „chemického prvku“, stejně jako některé další otázky v chemii, jako jsou pojmy substance a struktury, vyvolává filozofické otázky, a proto ji nelze vyřešit, aniž bychom se opírali o filozofické myšlenky,“ říká Ghibaudi. V některých ohledech se tato otázka vrací až k Platónovi, jehož pojetí „ideálních“ nehmotných forem bylo základem jeho pohledu na skutečné fyzikální entity. O Panethově abstraktní „základní substanci“ se také někdy hovoří v souvislosti s pojmem Immanuela Kanta Ding an sich – „věc sama o sobě“ neboli základní aspekt skutečnosti mimo dosah našich (omylných) smyslů.

Obsahuje „základní“ definice prvku všechny „jednoduché“ vlastnosti v něm?

Jestliže jde o filosofickou záležitost, kterou nelze vyřešit empiricky, možná si prostě musíme vybrat mezi Panethovou „základní substancí“ a „jednoduchou substancí“ jako definicí prvku? Někteří badatelé si to myslí. Scerri mezitím naznačuje, že podstata prvku není pouze dvojí, ale trojí: na podstatě prvku záleží nejen na vlastnostech suroviny, ale i na vlastnostech jejích sloučenin. Je koneckonců jedním z trvalých zázraků chemie, že v chloridu sodném nezůstávají žádné stopy po reaktivním šedém kovu a jedovatém zeleném plynu.

Zavedení odlišného názvosloví pro „jednoduché“ a „základní“ definice, aby molekuly dihydrogenu již nebyly považovány za „prvek vodík“, by vyžadovalo reformu hluboce zakořeněného chemického jazyka. Sarah Hijmansová z Université Paris-Diderot ve Francii však pochybuje o tom, zda je nutné zajít tak daleko. Možná, navrhuje, bychom mohli považovat slovo „prvek“ za slovo, které vychází z obou definic. Říká, že v Lavoisierově době nebyla jiná možnost než zvolit analytickou definici, protože jsme téměř nic nechápali o tom, co odlišuje prvky na základní úrovni. Postupně se rovnováha přiklonila spíše k „základní“ definici ve smyslu Z. Je však zřejmé, že empirický, „chemický“ pohled má stále svou hodnotu, jak ukazuje periodická tabulka prvků.

Možná je otázka, zda jsou tyto dva pohledy vlastně vůbec v rozporu. V jednom smyslu není pro chemiky na Z vůbec nic strašně významného, protože jádro nehraje v chemickém chování téměř žádnou přímou roli. Počet protonů je pouze zástupný údaj pro to, co je pro chemii důležité: počet elektronů, stejně jako jejich konfigurace a energie.

Ty jsou však při daném Z předem dány pravidly kvantové mechaniky. Lze je předpovědět. A z těchto informací zase můžeme v zásadě předpovědět mnoho chemických chování, například jaké druhy sloučenin bude prvek tvořit. Můžeme dokonce předpovědět fyzikální vlastnosti některých prvků: alotropické formy, teploty tání atd. Obsahuje tedy „základní“ definice prvku všechny „jednoduché“ vlastnosti, které v ní budou odhaleny s tím, jak se budou zlepšovat naše výpočetní schopnosti?“

Možná se však musíme smířit s tím, že pojem prvku bude vždy obklopovat určitá vágnost. A možná to není tak špatné. Chemici jsou na to koneckonců zvyklí – jak upozornil nositel Nobelovy ceny Roald Hoffmann, věčně používají pojmy, které nemají jednoznačnou a přesnou definici, jako je elektronegativita a iontový poloměr, aniž by to snižovalo jejich hodnotu pro obor. „Vágnost hrála v myšlení užitečnou roli,“ říká Mahootian. Možná není důležitá vágnost sama o sobě, tvrdí, ale ujistit se, že nejde o pouhé lajdáctví.

Co je tedy uhlík? Odpověď, říká Schwarz, může záviset na tom, s kým mluvíme. Pro různé publikum a různé účely by to mohly být saze; mohl by to být šestý prvek, mohla by to být přírodní směs izotopů nebo součást metanu. Elementární, opravdu.

Philip Ball je vědecký spisovatel z Londýna ve Velké Británii

.