William Prout - Poszukiwanie pierwotnej materii

Pogląd, że wszystko jest zbudowane z tej samej materii pierwotnej wywodzi się ze starożytności. Empedokles twierdził, około 440 roku przed nasza erą, że istnieją tylko cztery elementy: ziemia, powietrze, ogień i woda. Arystoteles nie akceptował niezmiennych elementów mających tworzyć otaczającą przyrodę. Zamiast tego zaproponował świat, w którym wszystko zbudowane jest z pierwotnej materii, której kształt nadają „jakości”: gorąco, sucho, zimno i mokro. Ta idea, czterech żywiołów, prowadziła w prosty sposób do przyjęcia koncepcji transmutacji, gdyż skoro wszystko zbudowane jest z jednej materii, to modyfikując jej formy można zmieniać jej cechy. Inaczej mówiąc zastąpienie mokrego suchym powinno wystarczyć do przekształcenia ognia w powietrze. Jakkolwiek naiwne wydają się nam te pomysły, nie powinniśmy zapominać, że naukowcy akceptowali je aż do czasów R. Boyle'a i I. Newtona, czyli do okresu odległego od nas o zaledwie 350 lat. Ideę zakorzenioną w umysłach tak długo bardzo trudno jest zmienić. Chociaż rewolucja w chemii jaką spowodował R. Boyle usunęła cztery żywioły, to jej wpływ na pojęcie pierwotnej materii nie był aż tak silny. W związku z tym warto przyjrzeć się jak pierwotna materia odżyła w świecie teorii Daltona, w którym atomy posiadały różne masy. Tym co budziło niepokój był fakt, że pierwsze wyniki pomiarów mas atomowych w oparciu o przyjętą masę atomu wodoru jako jednostkową dawały wyniki, które wyrażały się liczbami całkowitymi. W związku z tym trudno oprzeć się przyjęciu, że wodór stanowi „pierwotną materię” w rozumieniu starożytnych filozofów. Sugestia, że atomy wszystkich pierwiastków są złożone z atomów wodoru pojawiła się po raz pierwszy w dwóch anonimowych artykułach opublikowanych w Annals of Philosophy w latach 1815 i 1816. Później w roku 1816 Thomas Thomson, redaktor naczelny czasopisma ujawnił, że autorem tych doniesień był londyński lekarz William Prout, człowiek wykazujący duże zainteresowanie chemią i prowadzący badania w zakresie chemii fizjologicznej. Jego hipoteza w krótkim czasie stała się znana jako hipoteza Prouta, i przez około 100 lat wyznaczała kierunki badań nad teorii atomową. Dopiero gdy dokładniej wyznaczono masy atomowe wielu pierwiastków okazało się, że hipoteza Prouta była błędna. Jednak pomimo fałszywości hipotezy była ona istotna ponieważ wskazała kierunek badań, które należało wykonać aby teoria atomowa mogła uzyskać właściwą postać. Warto również przyjrzeć się losom hipotezy Prouta aby uświadomić sobie jej przemożny wpływ na uczonych tamtego okresu.

Thomas Thomson, uznany chemik, który jako pierwszy upublicznił teorię Daltona, przeprowadzał pomiary mas atomowych na kilka lat wcześniej zanim pojawiła się hipoteza Prouta. Sam stał się zwolennikiem tej hipotezy, ale skonstruowany na jej podstawie model chemii został skrytykowany przez J. J. Berzeliusa, zadeklarowanego przeciwnika W. Prouta. W 1833 roku Edward Turner, na zlecenie Brytyjskiego Stowarzyszenia na rzecz Postępu Naukowego (British Association for the Advancement of Science) przeprowadził szereg analiz stwierdzając, że hipoteza jakoby atomy wszystkich pierwiastków były złożone z wodoru nie jest ścisła (chociaż uzyskane przez niego wyniki nie uzasadniały wyrażonego stwierdzenia). Do takiego samego wniosku doszedł Frederick Penny z Glasgow w roku 1839. Z drugiej strony wyznaczenie masy atomowej węgla przez Jean-Baptiste Dumasa i Jean Servais Stasa w latach 1839–1840, jak również badania nad syntezą wody J. B. Dumasa z roku 1843 wskazywały na słuszność hipotezy Prouta. Seria badań Jeana Charlesa de Marignaca, przeprowadzona w Genewie w tym samym czasie co eksperymenty J. B. Dumasa wskazywała, że hipoteza Prouta może być słuszna, ale pod warunkiem przyjęcia połówkowej masy „pierwotnej materii”. Kolejne badania J. S. Stasa z roku 1860 roku doprowadziły go do „uznania hipotezy Prouta za czystą iluzję”. Chociaż ogólny wynik przeprowadzonych eksperymentów wykazał brak zgodności hipotezy z rzeczywistymi masami atomowymi pierwiastków, to jednak niektóre wyznaczone wartości były na tyle zbliżone do zakładanych, że postulowanie istnienia jakiejś podstawowej prawidłowości powinno zostać wyjaśnione w dalszych badaniach. Jeszcze w roku 1886 sir William Crookes, angielski fizyk i chemik, mocno popierał hipotezę Prouta. Zgodnie ze swoim poglądem uznawał całkowite wartości liczbowe mas atomowych pierwiastków jednocześnie wątpiąc w jednostkową wartość masy atomowej każdego z atomów. Tłumaczył to tym, że prawdopodobnie masy atomowe wyznaczane w eksperymentach reprezentują wartość średnią, wokół której rzeczywiste masy atomu różnią się w pewnych wąskich granicach. W ten sposób dało się wytłumaczyć masy atomowe takich pierwiastków jak chlor, dla którego wyznaczona wartość wynosi 35,5. Sugestia zawarta w wyjaśnieniu W. Crokesa okazała się prorocza, ale na jej uzasadnienie musimy poczekać do czasu odkrycia izotopów przez Fredericka Soddy’ego. W tym momencie przyjrzyjmy się życiu człowieka, którego idea tak silnie wpłynęła na teorię atomową.

William Prout urodził się w Horton, w Anglii 15 stycznia 1785 roku. Już na wczesnym etapie edukacji wykazywał duże zainteresowanie chemią, ale ostatecznie wybrał praktykę lekarską jako wykonywany zawód. Stopień doktora medycyny uzyskał na Uniwersytecie w Edynburgu w czerwcu 1811 roku, w wieku 26 lat. W następnym roku otworzył praktykę w Londynie gdzie spędził resztę swojego życia. Zainteresowanie chemią jest widoczne nie tylko w stworzonej przez niego hipotezie o budowie materii, lecz przede wszystkim we wkładzie jaki wniósł w rozwój chemii procesów fizjologicznych. Najważniejszym odkryciem w tym zakresie było stwierdzenie, że kwas solny jest obecny w żołądku gdzie bierze udział w procesie trawienia. W roku 1819 został członkiem Royal Society, a dziesięć lat później członkiem Lekarskiego Towarzystwa Naukowego. Pod koniec życia ogłuchł i wycofał się całkowicie z aktywnego życia społecznego. Zmarł 9 kwietnia 1850 roku w wieku 65 lat. Czytając artykuły o tematyce chemicznej W. Prouta widać, że uważał on powietrze atmosferyczne za związek chemiczny – tlenek azotu(I). Wydaje się to dziwne ponieważ tlenki azotu były w owym czasie już dobrze znane, a właściwości N₂O (gaz rozweselający) różnią się diametralnie od właściwości powietrza. Przyjmował też masy atomowe tlenu i azotu jako równe odpowiednio 10 i 17,5 co jest niezrozumiałym błędem. Jednak z drugiej strony, przyjmując te wartości łącznie z N₂O jako wzorem chemicznym powietrza otrzymujemy masę cząsteczki 2N + O = 45 i wagowy skład powietrza jako 22,22% tlenu oraz 77,77% azotu. Aby zrozumieć tok rozumowania W. Prouta prześledźmy sposób w jaki postąpił. Jedna piąta jednostkowej objętości powietrza składa się z tlenu o względnej wadze 10 oraz czterech piątych azotu o względnej wadze 35. Całkowita waga to 45. Jedna piąta objętości powietrza ma ciężar 9, a zatem ciężar właściwy tlenu względem powietrza wynosi 10/9 = 1,1111. Azot ma względną wagę 35, ale jednostkowa objętość powietrza ma wagę 4/5 · 45 = 36. Ciężar właściwy azotu względem powietrza wynosi zatem 35/36 = 0,9722. Aby określić ciężar właściwy wodoru, W. Prout wykorzystał znaną gęstość właściwą jednego z jego związków, amoniaku (NH₃), w stosunku do powietrza określoną przez H. Davy'ego na około 0,5902 g/cm³. Ponieważ trzy objętości wodoru łączą się z jedną objętością azotu dając dwie objętości amoniaku, z czego wynika, że trzy razy ciężar właściwy wodoru plus ciężar właściwy azotu jest równy dwukrotności ciężaru właściwego amoniaku. Opierając się na tych wartościach ciężar właściwy tlenu względem wodoru wynosi 1,1111/ 0,0694 = 16, a azotu 0,9722 / 0,0694 = 14. Zauważmy, że nie jest w tym rozumowaniu wspomniana hipoteza Avogadra, mimo tego, że została opublikowana przed powstaniem artykułu W. Prouta. Prawdopodobnie nie znał on tej pracy. Teraz zakładając, że względna gęstość właściwa pierwiastków gazowych, przyjmując dla wodoru 1, daje względne ciężary atomów założył, że równe objętości gazów zawierają jednakowe liczby cząstek. Nie wziął pod uwagę, podobnie jak A. Avogadro, że cząsteczki mogą być wieloatomowe. Niemniej jednak skoro jedna objętość wodoru łączy się z połowa objętości tlenu tworząc jedną objętość pary wodnej to tlen, przyjmując ciężar atomowy wodoru za równy 1, ma masę atomową 8 a nie 16, co jasno wynika ze stosunku wagowego równych objętości wodoru i tlenu. Całe to rozumowanie jest przykładem na to jak opierając się na błędnych założeniach można, stosując prostą arytmetykę, dojść do wniosków, które wyjaśniają jeden aspekt rzeczywistości pomijając jednocześnie całą resztę prowadząc naukę w ślepy zaułek.