Zapomenuté výročí 1784

Význam této jednoduché sloučeniny znali lidé odedávna: fakt, že bez ní není života, je nepřehlédnutelný. Voda se objevuje v mýtech a legendách a v nejstarších písemných památkách (připomeňme například Starý zákon) jako nezbytná složka stvořitelského počínání. Byla součástí hmotného světa a právě otázky po podstatě hmoty stály u zrodu úvah, za jejichž průkopníka bývá obvykle pokládán řecký filosof Thalés z Mílétu (asi 624 – asi 543 př. n. l.). Za počátek (arché) všeho pokládal právě vodu. Uvádí se více variant, jak dospěl k takovému závěru. Jeden z názorů, již starověký, pravil, že to bylo pozorování, že veškerá potrava je vlhká a teplo vyvolává růst všeho z vlhkosti, zatímco mrtvá těla vysychají. Nebo byl Thalés inspirován polymorfismem vody, která se vyskytuje jako kapalina, pára i tuhá látka. Můžeme řeckého filosofa doplnit – voda je jediná sloučenina, která existuje na naší planetě současně ve všech skupenstvích. Pokud však voda měla být počátkem všeho, měl Thalés pochopitelně problémy s vysvětlením vzniku různých látek. Zhostil se toho tvrzením, že vzduch a oheň jsou vlastně výpary vody, země pak usazeninou.¹⁾

Potud jen naznačení kořenů, z nichž se postupně formovala představa čtyř elementů, živlů – vody, ohně, země a vzduchu – jako základu hmoty, spojená s Aristotelem ze Stageiry (384–322 př. n. l.). Každý element měl dvě ze čtyř vlastností, jimiž byly horko, chlad, sucho a vlhko. Myšlenka čtveřice elementů byla staršího data,²⁾ podstatné je, že pod Aristotelovým jménem vstoupila do další oblasti vědy, jíž se budeme věnovat. Byla to alchymie, jejíž zrod v helénistickém Egyptě se velmi přibližně datuje přelomem letopočtu. Ve svých argumentech ve prospěch možnosti transmutace obecných kovů v drahé se alchymie opírala právě o aristotelské elementy. Jako úplný základ hmoty sice přijímala primární materii, ale proces transmutace měl spočívat ve změně poměru elementů v transmutovaném kovu. Později se v alchymii objevily další dvě vlivné teorie hmoty, totiž merkurosulfurová, podle níž měly být konstituenty hmoty rtuť a síra,³⁾ a konečně představa tří principů, rtuti, síry a soli, kterou razil Theophrastus von Hohenheim, známý jako Paracelsus (1493/94–1541).

Alchymisté operující se čtveřicí elementů se v hledání cest k údajné transmutaci pokoušeli připravit jednotlivé elementy v čisté formě. Po staletí byly prakticky jedinými metodami zkoumání složení látek techniky založené na působení tepla – zahřívání, žíhání, destilace. Právě s poslední z nich údajně uspěl arabský alchymista Džábir ibn Hajján, jenž si předsevzal připravit element vodu zbavený vlhkosti, ale druhá vlastnost, chlad, měla zůstat zachována. Prý se to povedlo po sedmisetnásobné destilaci vody, kdy alchymista získal tuhou bílou substanci.⁴⁾ Historka má určité slabiny. První není až tak významná – dodnes není jasné, zda jde o skutečnou postavu. Pokud Džábir existoval, pak měl podle některých pramenů žít v letech ? 721 až ? 815. Druhý problém je zásadní: experiment není dostatečně popsán. Řada autorů dnes navíc pochybuje o tom, že aparatura tak dlouho vydržela. V kladném případě (ostatně destilací mohlo být méně) se soudí, že domnělý element voda byly křemičitany vyplavené ze skla aparatury.⁵⁾

Voda zůstávala elementem, podobně jako zbytek aristotelské čtveřice, a její příprava v čisté elementární formě se nedařila.⁶⁾ Džábirův pokus byl ostatně dlouho neznámý. O významu vody však alchymisté nepochybovali. Jeden z klíčových momentů nastal až v 17. století zásluhou vlámského lékaře a chymika⁷⁾ Johannese Baptisty van Helmonta (1579–1644). Ve svých úvahách zavrhl jak čtveřici aristotelských elementů, tak teorie merkurosulfurovou a tří principů, a dospěl ke dvěma závěrům, z nichž jeden byl naprosto mylný, druhý průkopnický, i když ve svém základu také nesprávný. Ještě na něj navážeme.

Van Helmont se vrátil ke kořenům řecké přírodní filosofie a za základní princip pokládal vodu. K ní, jako principu materiálnímu, přidal „semeno“, ducha, jako princip spirituální. Nejprve k vodě. Provedl proslulý pokus, kdy do 200 liber vysušené hlíny zasadil pětilibrovou vrbu, jak patrno, vše zvážil, a následujících pět let zaléval rostlinu dešťovou nebo destilovanou vodou, sbíraje všechno spadané listí. Na konci pokusu se ukázalo, že hlíny ubyly pouhé dvě unce, zatímco vrba, včetně shromážděného listí, měla 164 libry. To vedlo van Helmonta k závěru, že se voda proměnila, transmutovala, ve hmotu vrby. Potud mylný závěr. O tomto pokusu se podrobně zmínil Robert Boyle (1627–1691) ve svém díle The Sceptical Chymist (1661) a nechal svého zahradníka provést analogické experimenty, jen několikaměsíční. Jednou z rostlin byla okurka. Boyle pak napsal, že „hlavní tělo“ (main body) rostliny pozůstávalo z transmutované vody.⁸⁾

Nyní k druhému závěru. Podle van Helmonta se voda při vypařování zformuje s blíže nespecifikovaným fermentem v „semeni“ a proměňuje se v plyn. Ani tato představa není správná, nicméně byla užitečná – van Helmont se věnoval zkoumání plynů, zavedl termín „gas“⁹⁾ a mimo jiné připravil gas sylvestris (oxid uhličitý). Stal se zakladatelem pneumatické chemie, chemie plynů. Konstatoval, že existují různé plyny, i když ne vždy je správně rozlišil.¹⁰⁾ Přesto šlo o významný pokrok, neboť alchymisté označovali všechny plyny jako „vzduch“ a nečinili mezi nimi rozdíl.

Prakticky paralelně s těmito představami se rozvíjel výzkum rovněž staršího data, jehož cílem bylo vysvětlit podstatu hoření. V těchto úvahách se mnozí učenci zaměřovali na alchymické teorie složení hmoty, v nichž se objevuje síra. Bylo vcelku nasnadě, že ta by mohla souviset s hořlavostí. Odlišně k tomu přistoupil německý alchymista Johann Joachim Becher (1635–1682), jenž prohlásil, že „podzemní“ látky, kovy a minerály, se skládají jen z vody a země. Vzduch sice rovněž uznával, ale podle něj se v minerálech neudrží. Podstatné bylo jeho rozdělení země na tři typy: terra vitrescible (je možné ji zesklovatět), terra fluida (tekutá země) a konečně terra pinguis (tučná nebo též hořlavá země).

Tyto představy dále rozvinul německý lékař a chymik Georg Ernst Stahl (1660–1713), který je převzal a místo „hořlavé země“ uvedl na scénu flogiston. Současně Stahl věřil v existenci tří principů: vzduchu, země a vody. Nepokládal flogiston za oheň, ale za „materii ohně“ obsaženou ve všech látkách, které hoří. Pro vysokou reaktivnost však podle něj nelze z hořící hmoty flogiston zachytit, protože ten uniká a slučuje se se vzduchem. Nebudeme se pouštět do detailů této teorie, poslední, již na pomezí alchymie a chemie, která přes své ve skutečnosti očividné slabiny získala četné přívržence mezi chemiky.

V 18. století, přibližně od jeho poloviny, se spojují dvě linie, k nimž jsme odbočili, totiž pneumatická chemie a teorie flogistonu. Tato doba byla ve znamení objevů plynů, především vzdušných. Podstatný byl objev kyslíku, který byl dlouho předmětem prioritních sporů. Dnes se obvykle uvádějí dva nezávislí objevitelé, Němec Carl Wilhelm Scheele (1742–1786) a Angličan Joseph Priestley (1733–1804). Druhý jmenovaný publikoval svůj objev roku 1774. Scheele, jak později prokázaly jeho laboratorní deníky, připravil kyslík v letech 1771–1772¹¹⁾ a nazval objevený plyn Feuerluft, zatímco Priestley, zastánce teorie flogistonu, psal o deflogistonovaném vzduchu (dephlogisticated air). Další plyn, který nás zajímá, vodík, je obvykle připisován Henrymu Cavendishovi (1731–1810) s datem 1766. Tento badatel však o tom ve své publikaci napsal, že uvedený plyn, „hořlavý vzduch“ (inflammable air), „pozorovali již jiní“.¹²⁾ Cavendish usoudil, že jeho hořlavý vzduch je vlastně čistý flogiston.

Tento učenec byl vynikající experimentátor, nesmírně pečlivý a precizní. V rámci zkoumání plynů provedl pokusy s „hořlavým vzduchem“, který nechal hořet v normálním vzduchu, přičemž shledal, že se chladné povrchy aparatury orosily. Jak napsal, „z těchto pokusů se zdá, že tato rosa je čistá voda, a tudíž že se téměř veškerý hořlavý vzduch a asi jedna pětina normálního vzduchu proměnily v čistou vodu“. Zbývalo zjistit, která složka normálního vzduchu reagovala.

Následovaly pokusy s hořlavým a deflogistonovaným vzduchem, na jejichž základě Cavendish konstatoval: „deflogistonovaný vzduch není ve skutečnosti nic jiného, než deflogistonovaná voda neboli voda zbavená svého flogistonu; nebo, jinými slovy, že se voda skládá z deflogistonovaného vzduchu spojeného s flogistonem“. Přeloženo do moderního jazyka: voda se skládá z kyslíku spojeného s vodíkem. Dnes samozřejmé konstatování bylo ve skutečnosti hřebem do rakve elementárním představám – voda přestala být elementem, ale stala se sloučeninou dvou chemických prvků. Předchozí věty se objevily v Cavendishově publikaci ve Philosophical Transactions roku 1784. To je tedy výročí, které připomínáme, i když pokusy proběhly již dříve a začátkem roku 1783 o nich Cavendish zpravil Priestleyho. Cavendish byl uzavřená povaha a jeho publikační aktivita nebyla rozhodně horečná.

Dva dovětky¹³⁾

Ani příliš nepřekvapí, že se zakrátko rozhořel spor o prioritu objevu, v němž vystupovalo více osob, a pokračoval i po smrti protagonistů. Z těch podstatných zmiňme Priestleyho, jehož zastánci tvrdili, že uvedený objev učinil dva roky před Cavendishem. Je pravda, že Priestley zkoumal hořlavý vzduch, zapaloval ho elektrickou jiskrou, ale uzavřel konstatováním: „Od zapalování hořlavého vzduchu se dá očekávat jen málo ve srovnání s účinky střelného prachu.“ Vědec tedy mířil ve svých úvahách jiným směrem. Poté, kdy Cavendish přednesl výsledky svých pokusů před britskou Royal Society, jeden z posluchačů o tom informoval Jamese Watta (1736–1819), jenž prohlásil, že tento objev učinil již v dubnu předchozího roku, tedy 1783. Ovšem Cavendish popsal svoje pokusy Priestleymu ještě dříve téhož roku. Přesto Wattovi přátelé neváhali obvinit Cavendishe z plagiátorství. Ozval se i proslulý učenec Antoine-Laurent Lavoisier s tvrzením, že o tom referoval před francouzskou Akademií v červnu 1783. Tento vědec se proslavil dalšími objevy, takže toto neměl zapotřebí – nezmínil se o tom, že ho kolegové v té době informovali o Cavendishově práci. Konec těmto sporům učinilo zpřístupnění Cavendishových laboratorních deníků.

Současně se ukázalo, jak pečlivým experimentátorem tento vědec byl. To se však potvrdilo až později. Tentokrát šlo o Cavendishovy pokusy, jejichž cílem bylo přesně stanovit složení vzduchu. Odstranění kyslíku a oxidu uhličitého nečinilo problémy. Jiné to bylo s dusíkem: „Provedl jsem pokus o stanovení, zda celá [atmosféra] nebo jisté množství dusíku z atmosféry může být převedeno na nitrózní kyselinu¹⁴⁾…“ Možné to nebylo a Cavendish uzavřel, že z použitého objemu dusíku zůstávala 1/120 nezreagovaná. O sto let později anglický fyzik James Dewar (1843–1923) upozornil lorda Rayleigha¹⁵⁾ a sira Williama Ramsaye (1852–1916) na tuto pasáž. Výsledkem byl objev vzácných plynů,¹⁶⁾ které opravdu nešly zreagovat. Cavendish se jen trochu zmýlil, byla to 1/107 původního objemu…