Mi az elem?

A kémiai fogalmak közül az elemnél sokkal alapvetőbbet nem találunk. Ez az egyik első fogalom, amellyel a kémiát tanuló diák találkozik, gyakran a természet ezen alapvető összetevőinek ikonikus táblázatában, amelyet 150 évvel ezelőtt Dmitrij Mendelejev írt le először, és amelyet idén ünnepelnek. Mégsem tudja senki pontosan megmondani, hogy mi az elem. A kérdést a Nemzetközi Kémiafilozófiai Társaság 2018. júliusi bristoli ülésén nagy lendülettel és időnként szenvedélyesen vitatták meg – de még mindig nem született konszenzus.

Ez nem meglepő. A kémia legkiválóbb elméi, köztük Antoine Lavoisier, maga Mendelejev és a magkémia úttörője, Frederick Soddy is megküzdöttek vele, mégis, egy tömör és átfogó definíció továbbra is elérhetetlen. És a találkozó néhány résztvevője arra utalt, hogy ez talán jobb is így.

Mások számára ez azt jelzi, hogy a kémiának komoly filozófiai gondolkodásra van szüksége. “A kémia nem érti önmagát, mint tudományágat” – mondja Farzad Mahootian filozófus az amerikai New York Egyetemről. Nem csak az elem meghatározásáról van szó; az olyan fogalmak, mint a molekulák, a kötések, sőt maga a periódusos rendszer jellege is homályos marad: megtévesztően ismerősek a gyakorlati szakemberek rendszeres használatából, de nincs olyan jelentésük, amelyben mindenki egyetértene. “Szükség van filozófiai reflexióra a kémia azon aspektusairól, amelyeket hajlamosak vagyunk meglehetősen mechanikusan tanítani” – mondja Eric Scerri, az amerikai Los Angeles-i Kaliforniai Egyetem munkatársa, a Foundations of Chemistry című tudományfilozófiai folyóirat szerkesztője.

Egyértelmű definíciót várhatunk el a kémiától

Az “elem” jelentése a szabadnapos kémikusok egyik kedvenc vitatémája. Abban egyetértünk (ugye?), hogy a hidrogén elem – de mit értünk ez alatt? A molekuláris hidrogéngáz elem? Vagy az izolált hidrogénatom? Vagy nem valamilyen tényleges anyagra utalunk, hanem a hidrogén egy “transzcendentális” fogalmára, amelynek a tényleges atomok és molekulák csak anyagi képviselői?

Mások azt mondhatják: kit érdekel? A gyakorlatban tudjuk, hogy mit értünk alatta. Ha azt mondom: “A kén egy olyan elem, amely szúrós szagú, sárga szilárd anyagot alkot”, nem számítok ellenvetésekre. Ugyanígy, ha azt mondom: “A kén a periódusos rendszer 16. csoportjának második eleme”. De ez két egészen más dolog.”

A németországi Siegeni Egyetem elméleti kémikusa, Eugen Schwarz szerint a tipikus hozzáállás az, hogy “Tudom, hogy nem igazán helyes, ahogyan az elemekről beszélek, de mindenki ezt csinálja, és a diákok a végén majd rájönnek”. De “kémikusként az a személyes érzésem, hogy ezt a szokást nem szabad átvenni” – teszi hozzá.

Elena Ghibaudi az olaszországi Torinói Egyetemről aggódik, hogy az elem pontos meghatározásának elmulasztása megértési, kommunikációs és bizalmi problémákat vet fel az oktatásban. ‘Amikor két kémia szakértő beszélget az elemekről, képesek megkülönböztetni a jelentést a kontextustól, de ez nem így van az osztályteremben’ – mondja.”

A kémia közérthetőségével is lehetnek problémák. Schwarz rámutat arra, hogy mivel egyes elemek mérgező anyagokkal társulnak – mondjuk a klórgázzal vagy a szén és az olaj elégetéséből származó kén-dioxidban lévő kénnel -, maga az elem is eredendően mérgezőnek tekinthető, és a kémiailag analfabéta tiltásoknak kiszolgáltatottá válhat. Nem tudom, hogyan lehetne a közvélemény számára világossá tenni, hogy egy adott elemnek csak néhány vegyülete mérgező, és az is csak bizonyos koncentráció felett, miközben ugyanabból az elemből túl kevés is okozhat egészségügyi problémákat – mondja.”

“Az elem fogalma központi szerepet játszik a kémiában, és számos célt szolgál” – mondja Ghibaudi. “Például azonosítja, hogy mi marad változatlanul egy kémiai átalakuláson átesett rendszerben, és különbséget tesz a kémiai és nukleáris változások között. Ezért ésszerűnek tűnik elvárni, hogy a kémia egyértelmű definíciót adjon. De vajon képes-e rá?

Föld, szél és tűz?

Az atomok eszméjéhez hasonlóan az elemek is inkább szenvednek a hosszú gondolkodási hagyomány folytonosságának illúziójától, mint hogy hasznot húznának belőle. A népszerű történet szerint az ókori görögök úgy gondolták, hogy csak négy elem van – föld, levegő, tűz és víz -, de körülbelül a tizennyolcadik századtól kezdve kezdtük felismerni, hogy négynél több van, és hogy egyik sem felel meg ezeknek az ősi elemeknek. Az igazság ennél összetettebb. Először is, az Empedoklésznek tulajdonított és Arisztotelész filozófiájában megörökített négy elem korántsem volt a görög gondolkodásban az anyag alapvető építőköveinek egyetlen sémája. A kémia késő felvilágosodáskori aranykora előtt pedig az “elemek” rendszere meglehetősen homályos volt. A 16. századi svájci orvos, Paracelsus három alapvető “elvet”, a ként, a sót és a higanyt javasolta, míg számos más rendszer (köztük olyan fiktív elemek, mint a flogiszton) átmeneti támogatást élvezett.

Mindegyik izotópnak saját helyet kellene foglalnia a periódusos rendszerben?

Mellesleg ezek nem feltétlenül konkurens alternatívák voltak. Az elem fogalma, akárcsak az atomé, meglehetősen változatos jelentéstartalommal bírt, és nem feltétlenül az anyag egy ősi típusát jelentette. Paracelsus három alapelvét például inkább tulajdonságoknak tekintették, mint összetevőknek: a kén az éghetőséget, a só szilárdságát és a higany folyékonyságát képviselte.

Robert Boyle-t joggal ünneplik azért, mert tisztázta a fogalmat, amikor 1665-ben megjelent The Sceptical Chymist című könyvében azt javasolta, hogy az elem olyan anyag, amelyet nem lehet valami egyszerűbbre redukálni (“elemezni”). Boyle definíciója azonban csak azt mondja meg, hogy mikor van elem, de azt nem, hogy mi az elem, és mi különbözteti meg egyiket a másiktól. És ez nagyon is ideiglenes, az analitikai képességeink túsza. Honnan tudhatnád biztosan, hogy egy elemmel van dolgod, és nem csak egy olyan vegyülettel, amelyet még senki sem tudott alkotóelemeire bontani? Valóban nem tudtad, ezért a nehezen felbontható oxidok, mint például a timföld és a szilícium-dioxid, elemként szerepelnek a 18. századi listákon, például Antoine Lavoisier befolyásos 1789-es Traité Élémentaire de Chimie című művében. Lavoisier Boyle-t követve azt állította, hogy az elem az analízis végső szakaszát jelenti.

John Dalton valami alapvetőbbet hozott Lavoisier definíciójához, amikor 1808-ban azt állította, hogy az elemek sajátos tulajdonságai az őket alkotó atomok tulajdonságaiból erednek, amelyeket apró, kemény, gömb alakú részecskékként képzelünk el. Mendelejev idején, a század közepén már felismerték, hogy a különböző elemeknek különböző az atomtömege, és a periódusos rendszerének összeállításakor Mendelejev az elemek atomtömegük alapján történő rendezését alkalmazta. (Ő maga az “elemi súly” kifejezést használta, mivel nem hitt az atomokban.)

A rádiókémikusok, mint Soddy, és a fizikusok, mint Ernest Rutherford és Henry Moseley felfedezései az 1920-as évekre megértették, hogy egy elem atomjainak alapvetőbb tulajdonsága a Z atomszám – az atommagok protonszáma -, amely egy adott elem minden atomja esetében azonos. Francis Aston 1922-ben felfedezte az izotópokat, amelyeknek azonos a Z-számuk, de eltérő az atomtömegük. De ha a Z két atom esetében különbözik, akkor azok különböző elemek.

Mit értünk szén alatt? Gyémánt, egy atom, amelynek Z = 6 vagy C60

Az izotópok azonban eleinte macskát dobtak a galambok közé. Felfedezésük kihívást jelentett az elem definíciója szempontjából – mondja Ghibaudi. ‘A kémikusok és a fizikusok között élénk vita alakult ki a kémiai elem fogalmáról. A kérdés az volt, hogy az egyes izotópoknak külön helyet kell-e foglalniuk a periódusos rendszerben vagy sem”. 1923-ban egy nemzetközi bizottság megállapodott abban, hogy a kémiai elem azonosítását az atomsúly helyett az atomszámra alapozzák.”

Ezzel, gondolhatnánk, véget is érhetett volna a dolog: az elemeket Z-vel határozzák meg. A baj csak az, hogy a kémikusok nem egészen így használják a szót. Friedrich Paneth német kémikus 1932-ben az elemek meghatározásáról szóló korszakalkotó tanulmányában két különböző definíciót ismert el, amelyeket Einfacher Stoffnak – tipikusan “egyszerű anyagnak” fordítva – és Grundstoffnak, azaz “elsődleges/alapanyagnak” nevezett. Az első Lavoisier azon valós, fizikai anyag fogalmára utal, amelyet kémiai módszerekkel nem lehet egyszerűbb összetevőkre redukálni, a második egy absztrakt fogalomra: az “oxigén”, mondjuk, mint olyan atomtípus, amelynek Z = 8.

Ghibaudi kételkedik abban, hogy Paneth dualizmusán még ma is túljutottunk. Az Iupac jelenleg az “elem” kettős meghatározását adja a kémiai terminológia “Aranykönyvében”, amely szerint a szó vagy egy “atomfajra” utalhat (amit Ghibaudi a Paneth-féle “alapanyaghoz” hasonlónak tekint), vagy – meglehetősen tautologikusan – egy “tiszta elemi anyagra”.

Ez a kettős jelentés kényelmetlen. Ha rákeresünk az “oxigénre” egy elemekkel foglalkozó weboldalon, valószínűleg azt kapjuk, hogy Z = 8, és talán egy bizonyos elektronkonfigurációval és a periódusos rendszerben elfoglalt helyével rendelkezik – de azt is, hogy egy rendkívül reaktív anyag, O2 képlettel és -183°C-os forrásponttal. Mark Leach kémikus szerint, aki a meta-synthesis.com kémiai weboldal üzemeltetője, ez két teljesen különböző típusú adat hanyag összemosása: az egyik Paneth “alapanyagára” (egy absztrakt ideál), a másik az ő “egyszerű anyagára” (egy valós anyag) utal. Ez bizonyára nem lehet jó?

Mivel több, mondja Leach, a periódusos rendszerről alkotott egész elképzelésünk kínosan keveri a kettőt. Úgy képzelhetjük, hogy ez az “alapanyagok” táblázatos felsorolása – nagyjából így látta Mendelejev is. De a periodicitás egész fogalma a valódi anyagok tényleges kémiai tulajdonságaira utal: a kémiai vegyületek valenciájára, az ionizációs energiára, a fémes jellegre és így tovább. Ha az alapanyagnak csak a Z tulajdonsága van, akkor csak egy egyszerű lista van – mondja Leach. ‘Honnan származik akkor a periódusos rendszer szerkezete?’

A periódusos rendszer egyes népszerű ábrázolásai még az elemek “egyszerű” anyagi formáinak fényképeit is mutatják: gyémánt vagy grafit a szén esetében, és így tovább. Szóval ez egy zavaros összevisszaság – és talán annak is kell lennie. “Az alapvető és az egyszerű tulajdonságok ésszerű kompromisszumára van szükség a felépítéséhez” – mondja Scerri.

Ez nem triviális dolog. Még mindig folynak a viták például arról, hogy a 3. csoportban az ittrium alatti elemek a lantán és az aktínium, vagy a lutétium és a lawrencium legyenek. A vita azon folyik, hogy szerintünk a táblázatnak az “alapvető” jellemzőket, például az elektronkonfigurációt, vagy a megfigyelhető jellemzőket, például a kémiai viselkedést kell-e tükröznie. Ezek az érvek még kétértelműbbé válnak, amint a relativisztikus hatások (a belső héjú elektronok nagyon nagy sebessége miatt) kezdik megzavarni az ember által előállított szupernehéz elemek kémiai periodicitását.

Ez kezd nehézzé válni

Ez nem az egyetlen bonyodalom, amit a szupernehéz elemek okoznak. A zűrzavar azzal kapcsolatban, hogy egy elem “cucc” vagy “fogalom”, abból ered, hogy a múltban mindkettő volt. De vajon egy új elem valóban ugyanolyan igényt tart-e a valóságra, ha csak egy maroknyi atomként létezik, amelyek kevesebb mint egy másodpercig stabilak, mint a legújabb mesterséges elemek némelyike, például a tennessin? Ha az elemeket részben a kémiai tulajdonságaik határozzák meg, akkor hol maradnak azok az elemek, amelyek nem léteznek elég hosszú ideig ahhoz, hogy bármilyen értelmes kémiai kölcsönhatásba lépjenek, és amelyek mindenesetre csak nagy töltésű ionokként jönnek létre, amelyek soha nem kapnak teljes elektronkomplettet? “Milyen értelemben számítanak elemnek, ha csak egy-két ezredmásodpercig léteznek?” – kérdezi Scerri. “Nem hiszem, hogy valaha is képesek leszünk palackokba zárni őket.”

Milyen értelemben elemek, ha csak egy-két milliszekundumig tartanak?

A radiokémia mindig is kissé kényelmetlenül ült a kémia istállójában. A kémiai elemekről általában úgy gondolkodnak, mint a kémia “konzervált mennyiségeiről”. Ahogy a fizikában a tömeg és az energia soha nem semmisül meg (bár természetesen átalakulhatnak egymásba), úgy a kémia alapvető megőrzési szabálya, hogy az elemek megmaradnak: egy reakcióból soha nem lépünk ki kevesebb szénnel, mint amennyivel indultunk. A radiokémiában azonban, ahol az egyik elem egy másikra bomolhat, igen. Hogy ez a radiokémiát egyáltalán a kémia részévé teszi-e, az már a kezdeti idők óta vitatott, amikor a fizikai és kémiai Nobel-bizottságok azon versengtek, hogy ki ítélje oda a díjakat olyanoknak, mint Curie-ék és Rutherford (mindketten ma már az elemek nevében a kémiát “követelik”).

Ez a területi háború azóta sem ért véget, amint azt a Nemzetközi Tiszta és Alkalmazott Fizikai és Kémiai Szakszervezetek (Iupap és Iupac) legutóbbi civakodása is mutatja, hogy ki mondhatja ki az új elemek megerősítését. A fizikusok szerint csak ők rendelkeznek elegendő szakértelemmel ahhoz, hogy megítéljék a részecskegyorsítókkal végzett, atomokat szétzúzó kísérletekből származó állításokat. A kémikusok azonban nem szívesen hagyják, hogy egy másik csoport döntse el, mi kerüljön be a legértékesebb ikonjukba, a periódusos rendszerbe.

Bárki is döntsön, ezek az új elemek nem olyanok, amiket a kezünkben tarthatunk. Rávilágítanak az időskálák új jelentőségére. Vitatható, hogy az atommagok bármely egyesülése, amely hosszabb ideig tart, mint az atommagok szóródásának tipikus időskálája, körülbelül 10-10 s, egy újabb elem kialakulásának minősülhet. De vajon egy nanoszekundumokban mért egyesülés valóban igazolja ezt, vagy csupán egyfajta rezonancia? Ezért mondja Schwarz, hogy “amikor elemekről beszélünk, időskálákról is beszélnünk kell”. Elgondolkodik azon, hogy egy “elemnek” legalább olyan entitásnak kellene lennie, amely elvileg képes molekulák kialakítására. A kémia a valódi anyagok mestersége és tudománya – teszi hozzá -, de “a fizikusok számára az atommag is elem”. Iupac eközben nemrég új kritériumokat jelentett be a szupernehéz elemek felfedezéséhez, amelyek megerősítik, hogy az elem státuszra való jogosultsághoz szükséges létezési időskála mindössze
10-14s.

A dolog önmagában

Az elemek problémája azt mutatja, hogy – ahogy Scerri mondja – a kémiának filozófiára van szüksége. “A “kémiai elem” kérdése, akárcsak a kémia néhány más kérdése, például az anyag és a szerkezet fogalma, filozófiai kérdéseket vet fel, és ezért nem lehet megoldani anélkül, hogy ne támaszkodnánk filozófiai elképzelésekre” – mondja Ghibaudi. Bizonyos értelemben a kérdés egészen Platónig nyúlik vissza, akinek az “ideális”, megfoghatatlan formákról alkotott elképzelése alátámasztotta a tényleges fizikai entitásokról alkotott nézetét. Paneth absztrakt “alapanyagát” néha Immanuel Kant Ding an sich – a “dolog önmagában”, vagyis a valóság alapvető, (téves) érzékszerveink számára elérhetetlen aspektusa – fogalmával kapcsolatban is tárgyalják.

Egy elem “alapvető” meghatározása tartalmazza-e az összes “egyszerű” jellemzőt?

De ha ez filozófiai kérdés, amit az empirizmus nem tud megoldani, talán csak választanunk kell Paneth “alapanyag” és “egyszerű anyag” mint az elem definíciója között? Egyes kutatók szerint igen. Scerri eközben azt javasolja, hogy az elem természete nem pusztán kettős, hanem hármas: ami egy elem szubsztanciájával kapcsolatban számít, az nem csak a nyersanyag tulajdonságai, hanem a vegyületeinek tulajdonságai is. Végül is a kémia egyik maradandó csodája, hogy a nátrium-kloridban nyoma sincs a reaktív szürke fémnek és a mérgező zöld gáznak.

Az “egyszerű” és az “alap” meghatározások külön nómenklatúrájának bevezetése, hogy a dihidrogén molekulákat többé ne tekintsük “a hidrogén elemnek”, a mélyen gyökerező kémiai nyelvezet reformját igényelné. Sarah Hijmans, a franciaországi Université Paris-Diderot Egyetem munkatársa azonban megkérdőjelezi, hogy szükség van-e ilyen messzire menni. Azt javasolja, hogy az “elem” szóra úgy tekintsünk, mint olyan szóra, amely mindkét meghatározásból táplálkozik. Azt mondja, hogy Lavoisier idejében nem volt más lehetőség, mint az analitikus definíciót választani, mivel szinte semmit sem értettünk arról, hogy mi különbözteti meg az elemeket alapvető szinten. Fokozatosan a mérleg inkább a Z szerinti “alapvető” definíció felé billent, de nyilvánvalóan az empirikus, “kémiai” nézőpontnak még mindig van értéke, amint azt a periódusos rendszer is szemlélteti.

A kérdés talán az, hogy a kettő egyáltalán ellentétben áll-e egymással. Bizonyos értelemben a kémikusok számára egyáltalán nincs semmi rettenetes jelentősége a Z-nek, mivel az atommag szinte semmilyen közvetlen szerepet nem játszik a kémiai viselkedésben. A protonok száma csak helyettesítője annak, ami a kémia számára fontos: az elektronok száma, valamint azok konfigurációja és energiája.

De ezeket, adott Z esetén, a kvantummechanika szabályai előre meghatározzák. Megjósolhatóak. És ebből az információból viszont elvileg sok kémiai viselkedést megjósolhatunk, például azt, hogy az elem milyen vegyületeket fog alkotni. Még egyes elemek fizikai tulajdonságait is megjósolhatjuk: allotróp formák, olvadáspontok és így tovább. Tehát az elem “alapvető” definíciója tartalmazza az összes “egyszerű” tulajdonságot, amelyek a számítási képességeink javulásával feltárulnak?

Mégis lehet, hogy el kell fogadnunk, hogy az elem fogalmát mindig is egyfajta homályosság fogja körülvenni. És talán ez nem is olyan rossz. A kémikusok végül is hozzászoktak ehhez – ahogy a Nobel-díjas Roald Hoffmann rámutatott, örökké olyan fogalmakat használnak, amelyeknek nincs egyedi és pontos definíciójuk, mint például az elektronegativitás és az ionsugár, anélkül, hogy ez csökkentené értéküket a szakterület számára. A homályosság hasznos szerepet játszott a gondolkodásban – mondja Mahootian. Talán nem is maga a homályosság a fontos – érvel -, hanem az, hogy megbizonyosodjunk arról, hogy ez nem puszta hanyagság.

Mi tehát a szén? A válasz, mondja Schwarz, attól függhet, hogy kivel beszélünk. Különböző közönség és különböző célok számára lehet korom; lehet hatos elem, lehet izotópok természetes keveréke vagy a metán egyik összetevője. Elemi, tényleg.

Philip Ball tudományos író Londonban, az Egyesült Királyságban él

.