Początki chemii

Cztery elementy

Koncepcje leżące u podstaw definicji pierwiastków i związków chemicznych, choć teraz prawie oczywiste, zostały osiągnięte dopiero po stuleciach wysiłków. Pierwsze wyrażenie idei pierwiastka (elementu) pojawia się w naukach greckich filozofów. Tales (640-546 r. p.n.e.) przypuszczał, że wszystko powstało z wody; Anaksymenes (560–500 r. p.n.e.) powietrza; Heraklit (536–470 r. p.n.e.) ognia. Empedokles (490–430 r. p.n.e.) przedstawił idee czterech „źródeł” rzeczy: ognia, powietrza, wody i ziemi, i dwu sił: przyciąganie i odpychanie, które łączyły je i dzieliły. Nazwy „elementy” (stoicheia) po raz pierwszy użył Platon (427–347 r. p.n.e.), który założył, że rzeczy powstają z bezkształtnej materii pierwotnej, być może po prostu przestrzeni, przyjmując „formy”. Cząstka każdego elementu ma specjalny kształt: ogień czworościan, powietrze ośmiościan, woda dwudziestościan, a ziemia sześcian, który jest wycięty z przestrzeni przez dwa rodzaje trójkątów prostokątnych. Elementy ulegają zmianie się na inne w określonych proporcjach, przez rozdzielenie na trójkąty i ich ponowne złożenie. Dialog Platona Timajos zawiera omówienie składu ciał nieorganicznych i organicznych, i jest rudymentarnym traktatem chemicznym.

Cztery żywioły ArystotelesaArystoteles (384–322 r. p.n.e.), który streścił teorie wcześniejszych myślicieli, rozwinął pogląd, że wszystkie substancje zostały stworzone z pierwotnej materii. Materię tę można przekształcać do różnych form, podobnie jak rzeźbiarz może tworzyć różne posągi z jednego bloku marmuru, chociaż Arystoteles wolał myśleć o formie jako rozwijającej się od wewnątrz, podobnie jak w rozwoju organicznym. Forma została określona słowem eidos. Ponieważ formy można usunąć i zastąpić nowymi, z tego zrodził się pomysł transmutacji elementów. Arystoteles przyjął za podstawowe właściwości materii ciepło, chłód, wilgotność i suchość. Łącząc je w pary uzyskał cztery elementy: ogień, powietrze, ziemię i wodę.

Woda jest żywiołem wilgotnych i zimnych rzeczy, ogień gorących i suchych, i tak dalej. Do czterech elementów materialnych dodano piąty, niematerialny, który pojawia się w późniejszych pismach jako kwintesencja, co odpowiada eterowi. Żywioły miały naturalnie znajdować się w ziemi (poniżej), wodzie (oceanach), powietrzu (atmosfera), ogniu i eterze (niebo i ciała niebieskie). Arystoteles zdefiniował element lub „proste ciało” jako „jedno z tych ciał, na które inne ciała mogą się rozkładać, i które same nie mogą być podzielone na inne”. Rozróżniał między mechaniczną mieszaniną i roztworem oraz przemianą chemiczną, a całkowitą zmianą właściwości. Jest pierwszym greckim filozofem, który wspomniał o rtęci, jako „srebrnej wodzie” (chutos arguros). Mówi, że para z wody morskiej skrapla się jako świeża woda na chłodnej pokrywie naczynia, i (niesłusznie) że ogrzewanie wina prowadzi do odparowania wody w podobny sposób. Wynika stąd, że znał prymitywną metodę destylacji. Sklasyfikował kilka procesów chemicznych nadając im specjalne nazwy, sądząc (według Platona), że metale składają się głównie z wody, i opisał „jednorodne” części zwierząt i roślin ustanawiając w ten sposób prymitywną chemię organiczną. Z roślinami i minerałami lepiej poradził sobie jego uczeń Teofrast z Eresos (373–288 r. p.n.e.), który skupiając się na filozofii przyrody rozbudował metodę obserwacji stosując ją w badaniach biologicznych, medycznych i meteorologicznych. Zdefiniował różnice pomiędzy światem zwierzęcym i roślinnym, szczegółowo opisując około 500 gatunków roślin.

Teoria czterech elementów materialnych istniała do końca XVIII wieku, a eter przetrwał jako medium do przesyłania światła do końca XIX wieku. Wiele takich podstawowych pojęć pochodzi ze starożytnej Grecji. Galen z Pergamos (130-210) zastosował teorię Arystotelesa w medycynie. W zdrowym ciele cztery żywioły, które pojawiają się jako cztery humory (krew, flegma, żółć i czarna żółć) są w równowadze; idea wywodzi się od Anaksagorasa (500-428 r. p.n.e.). Choroba jest spowodowana przewagą jednego elementu i jest leczona przez element przeciwny, zgodnie ze schematem czterech żywiołów. W okresie klasycznym znanych było kilka substancji chemicznych, takich jak tlenki miedzi, żelaza i cynku, ałun, siarczany(VI) miedzi i żelaza; siarczki arsenu i rtęci, a także produkty roślinne i zwierzęce, w tym barwniki. Dodatkowo znano niektóre proste reakcje chemiczne wykorzystywane przy takich procesach jak obróbka metali i stopów, złocenie za pomocą roztworów (amalgamatów) złota w rtęci oraz sprawdzanie czystości złota i srebra, które zostały zawarte w pismach Dioskuridesa (około 60 r. n. e.), Pliniusza Starszego (23–79 r., autora słynnej Historii przyrody (Naturalis historia), i Galena. Wcześniej Teofrast z Eresos (373-288 r. p. n.e.) opisał niektóre proste operacje chemiczne, jak przykładowo zamieszczone w Traktacie o kamieniach wytwarzanie bieli ołowianej (psimuthion, bielwas, węglan ołowiu(II)): „Do glinianych naczyń zawierających ocet wkłada się kawałki ołowiu wielkości cegłówki. Kiedy ołów napęcznieje, a pęcznieje zwykle w ciągu dziesięciu dni, wtedy otwiera się naczynia, przy czym zeskrobuje się z ołowiu coś co wygląda jak pleśń, czynność tę powtarza się do momentu, aż cały ołów zostanie zużyty. To zaś co zostało zeskrobane, tłucze się w moździerzu, i za każdym razem przecedza, a to co osadza się na końcu, to jest biel ołowiana”.

Pliniusz tak opisuje wydzielanie rtęci: „Umieścili minium (cynober z Hiszpanii) w grubym glinianym naczyniu, na którym ustawiono żelazną misę, którą przykryto kolejnym naczyniem, a całość uszczelniono gliną. Pod glinianym garnkiem rozpalono silny ogień, podsycany ciągłym strumieniem powietrza. I tak w wyniku krążenia pojawia się rosa w górnym naczyniu, wypływająca z uwolnionych oparów. Po zebraniu staje się ona ciekła jak woda, ale w kolorze podobna do srebra.” Ten opis podstawowego procesu sublimacji lub rozkładu jest niedoskonały i bez wątpienia został skopiowany przez Pliniusza od autora, którego nie zrozumiał. Możemy oczekiwać, że takie procesy wzbudzały zainteresowanie uczonych, i chociaż dawały asumpt do tworzenia teorii, to tylko nieliczni przeprowadzali eksperymenty, a badania przyrodnicze nie były wysoko cenione w Cesarstwie Rzymskim, za wyjątkiem Egiptu. Tam wydaje się, że bardziej wyrafinowana sztuka obróbki metali szlachetnych była uprawiana przez kapłanów lub, być może wybranych mistrzów świątynnych przez bardzo długi czas, a praktyczne tradycje były przekazywane z pokolenia na pokolenie.

Papirusy chemiczne

Zbiór tego rodzaju egipskich tekstów wydaje się tworzyć zawartość słynnego Papirusu z Lejdy, odkrytego w 1828 r. w grobie w Tebach, i przechowywanego w Muzeum w Lejdzie. Kolejna część tego samego papirusu została wysłana do Sztokholmu, i stąd jest nazywana Papirusem sztokholmskim. Papirusy są napisane w języku greckim i pochodzą z okresu około 300  r. n.e., zawierają przepisy najprawdopodobniej skopiowane z dużo starszych egipskich źródeł. Możliwe, że zawarte tam teksty stanowią księgę złotnika fałszerza. Receptury w Papirusie lejdejskim dotyczą głównie produkcji imitacji stopu złota i srebra, który w Egipcie  nosił nazwę asem (grecki electron i rzymski electrum), i był uważany za odrębny metal. Ponadto są tam przepisy na przygotowanie stopów i galwanizowanie przedmiotów, które imitowałyby metale szlachetne, a nawet były „lepsze od prawdziwych” (niemal nowoczesny akcent). Sztokholmska część papirusu poświęcona jest głównie klejnotom i cennym barwnikom oraz ich podrabianiem. W zapisach daje się odczuć brak wątpliwości w to, że imitacje metali szlachetnych, klejnotów i drogich barwników są tak realnie złotem, srebrem i prawdziwymi klejnotami, tyle że uzyskanymi tanim kosztem. Cytat z papirusu lejdejskiego zilustruje punkt widzenia autora:

„Sproszkuj złoto i ołów na pył tak drobny jak mąka, weź 2 części ołowiu na 1 część złota, wymieszaj i ugniataj aż przybierze postać gumy. Miedziany pierścień pokryj uzyskaną masą i wygrzej. Ogrzewanie powtórz kilka razy, aż obiekt przybierze kolor złota. Trudno jest wykryć oszustwo, ponieważ kamień probierczy pokazuje prawdziwe złoto. Ogrzewanie usuwa ołów, ale nie złoto.”

Tekst z papirusu sztokholmskiego można przetłumaczyć następująco:

„Wymieszaj i włóż do garnka 2 gramy malachitu, 2 gramy azurytu, 130 cm³ moczu młodego chłopca i 180 cm³ roztworu żółci wołu. Włóż do garnka dwadzieścia cztery kawałki kamienia, każdy o wadze 0,27 gramów. Nałóż pokrywkę na garnek i zabezpiecz ją gliną. Ogrzewaj przez sześć godzin na delikatnym ogniu z drzewa oliwnego. Kiedy zobaczysz, że wieko stało się zielone, nie ogrzewaj więcej, ale pozwól ostygnąć i wyjmij kamienie, które staną się szmaragdami.”

Przepis odnosi się do zabarwienia kamienia, być może kryształu górskiego, zeolitu lub innego porowatego kamienia, roztworem amoniakalnym związków miedzi. Robert Boyle opisywał takie procesy stosowane w siedemnastowiecznych Włoszech.

Aleksandria i wczesna wiedza chemiczna

Powszechnie przyjmuje się, że chemia wywodzi się z początków ery chrześcijańskiej w mieście Aleksandria w Egipcie, które zostało założone przez Aleksandra Wielkiego u ujścia Nilu w 331 r. p.n.e. Aleksandrię zamieszkiwała mieszana populacja rdzennych Egipcjan, Greków, Syryjczyków i Żydów, ale była zasadniczo kulturą grecką. Znajdowały się tam  świątynia boga Serapisa, dwie biblioteki i muzeum (lub uniwersytet), a później chrześcijański kościół św. Marka i słynny Pharos, latarnia morska o wysokości 500 stóp. Biblioteka, o której mówi się, że zawierała 700 000 książek, została zniszczona przez pożar w 47 r. p.n.e., a druga podążyła za nią w roku 389.

Muzeum zajmowało się głównie literaturą klasyczną, filozofią, matematyką i medycyną. Znajdowały się w nim zbiory kilku znanych autorów, a w okresie rzymskim podróż do Aleksandrii, aby studiować w jej szkołach, była uważana za niezbędną dla edukacji lekarza. W Aleksandrii dwa strumienie wiedzy spotkały się i połączyły w charakterystyczny sposób. Starożytna egipska sztuka przemysłowa, metalurgia, farbowanie i produkcja szkła istniały z jednej strony; a z drugiej spekulacje filozoficzne starożytnej Grecji, która przeszła wiele zmian i zasymilowała elementy wschodniego mistycyzmu. Nauki Platona stały się neoplatonizmem, nauczanym przez egipskiego filozofa Plotyna (204–270), w którym zakładano, że wszystko emanuje z Jednego, przechodząc, jak promień światła, przez umysł i duszę, i ostatecznie gaśnie w ciemnym obszarze materii. Sekty gnostyckie również dorastały we wczesnych stuleciach ery chrześcijańskiej, a po Plotynie filozofia grecka przekształciła się w mistycyzm, okultyzm i magię. Wydaje się, że sztuka techniczna oraz naśladowanie i fałszowanie metali szlachetnych, klejnotów i barwników stopniowo przybierało, pod wpływem teoretycznych poglądów na naturę materii, nową formę, w której rezultatem przemian było „boskie” lub „zgodne ze sztuką sakralną wytwarzania złota (Chrusopoeia) lub srebra (Arguropoteia). Był to zalążek chemii, a w ciągu pierwszych czterech stuleci powstała znaczna porcja formalnej, praktycznej wiedzy chemicznej.

Początki chemii

Do początku ery chrześcijańskiej nie znajdujemy żadnych dowodów na istnienie chemii w Europie lub na Bliskim Wschodzie. Technologie chemiczne były znane, jak widzieliśmy, rzemieślnikom, ale wiedza miała charakter empiryczny. Nazwa „chemia” pojawia się po raz pierwszy w edykcie cesarza Dioklecjana z roku 296, wymienionym w bizantyjskim leksykonie Biblíon Súda (X wiek) ze starszego źródła, w którym nakazano zniszczyć książki Egipcjan (w Aleksandrii) o chemei i wytwarzaniu (tj. oszukiwaniu) złota i srebra. Słowo to pojawia się u autorów greckich, ale nie jest pochodzenia greckiego, wydaje się, że pochodzi od natywnej nazwy Egiptu, kraju, który Plutarch w swoim traktacie o Izydzie i Ozyrysie, jak mówi nazwano ją cheni ze względu na czarny kolor jej gleby. To stwierdzenie potwierdzają egipskie inskrypcje, w których stosowana jest hieroglificzna forma tego słowa. Nazwa prawdopodobnie oznaczała „sztukę egipską” i nigdy nie miała znaczenia „czarnej sztuki” w odniesieniu do magii. Sztukę chemiczną przypisywano tajemniczemu Hermesowi Trismegistosowi, którego imię zachowało się w wyrażeniu „hermetycznie zapieczętowany”, a którego Gnostycy przywołali jako źródło wszelkiej mądrości; w rzeczywistości jego starożytny egipski prototyp, Tot był bogiem nauki.

JWizerunek Marii Prophetissy z dzieła Michaela Maira Symbola Aurea Mensae Duodecim Nationum (1617)uż w pierwszym wieku istniały greckie traktaty o boskiej sztuce.  Najstarszy z autorów piszących o tej nauce to Demokryt, być może Bolos Demokryt, wspomniany przez Pliniusza, ale z pewnością nie słynny filozof Demokryt z Abdery, jeden z założycieli teorii atomowej. Praca Demokryta zawiera przepisy na stopy i imitacje barwników, takie jak zawarte w papirusach z Lejdy i Sztokholmu. Mniej więcej w tym samym czasie wynalezione zostały praktyczne metody i aparatura opisane przez Marię Żydówkę, która skonstruowała prototypy aparatów do destylacji (tribikos) i do sublimacji (kerotakis). Jej przypisuje się stworzenie alchemicznej formuły: „Jeden staje się dwoma, dwa staje się trzema, a z trzeciego rodzi się pierwszy, który jest czwartym”, która prawdopodobnie odnosi się do sposobu otrzymywania kwasu solnego i chlorku sodu.

Najbardziej płodnym autorem tamtego czasu był Zosimos z Panapolis (około 300 roku), którego 28 ksiąg było adresowanych do jego „siostry” Teosebii. Ostatnim autorem tego okresu rozwoju chemii był Stefanos, filozof na bizantyjskim dworze w siódmym wieku. Łacińskie tłumaczenie części z greckich rękopisów opublikowano w 1572 roku. Wyciągi z tekstów greckich zostały opracowane przez J. Hoefera, a prawie całość, z francuskim tłumaczeniem, zostały wydane przez M. Berthelota. Teksty Zosimosa wydają się być rodzajem chemicznej encyklopedii, podsumowującej wiele wcześniejszych traktatów. Zawierają one ciekawe opisy i ilustracje aparatury chemicznej i eksperymentów, ale także mistyczną materię, w tym kilka „wizji” o znaczeniu psychologicznym. Traktaty napisane po grecku w Egipcie (w Aleksandrii) są najwcześniejszymi znanymi książkami o chemii. Zawierają wiele wyrażeń technicznych, których brak w greckich słownikach, chociaż jeden z manuskryptów zawiera niewielki słownik takich pojęć. Czasami używano dziwnych nazw i wyrażeń, aby ukryć znaczenie tekstu. Aparatura do destylacji ZosimosaPrzykładowo roztwór polisiarczku wapnia, wytworzony przez gotowanie siarki z mlekiem wapiennym, nazywa się „boską wodą” lub „żółcią węża”. Ten odczynnik ma silne działanie na metale i silny zapach siarkowodoru, a Zosimos pisze, że dobrze jest zatkać nos podczas pracy z nim. Takie „tajne nazwy” były szeroko używane przez późniejszych alchemików. Niektóre z greckich nazw są terminami technicznymi, dla których znalezienie odpowiedniego określenia staje się wręcz niemożliwe. Traktaty zawierają także wiele z tego, co czasami określa się mianem „niezrozumiałego mistycyzmu”. Był to bez wątpienia wynik wysiłku autorów, aby skorzystać z najnowszych i najlepszych pomysłów filozoficznych, a mianowicie neoplatonizmu, który wydaje się być punktem wyjścia do zainteresowania się nauką aleksandryjską. Astrologia związana była z chemią poprzez kojarzenie metali z planetami na podstawie rzekomej „sympatii”. Takie podejście sięga wczesnych źródeł chaldejskich, ale zostało opracowane przez neoplatoników. 

Stary rękopis z X wieku znajdujący się w Biblioteca Marcjana w Wenecji podaje następującą listę planet i metali:

Metal		Planeta		Symbol
χρυσός	złoto	Hλιος	Słońce		złoto
ασήμι	srebro	Σεγγάρι	Księżyc		srebro
μολύβδου	ołów	Κρόνος	Saturn		ołów
ηλεκτρoz	electrum	Ζεύς	Jowisz		brąz
σίδερο	żelazo	Aάρτιος	Mars		stopy metali
χαλκός	miedź	Aφροδίτη	Wenus		cyna
κασσίτερος	cyna	Ερμής	Merkury		żelazo

symbole w tym wykazie są oznaczeniami planet. Nie ma wzmianki o rtęci (znanej Arystotelesowi, 384-322 r. p.n.e.), a cyna jest przypisana planecie Hermes (Merkury). Na późniejszych listach symbol Księżyca lub Merkurego przypisywano rtęci, a Jowiszowi oddano cynę w zamian za electrum, które uznano za stop złota i srebra. W ostatniej kolumnie podano przypisania symboli do metali według przez Celsusa, którego cytuje Orygenes około 200 roku naszej ery podając materiały z jakich wykonano stopnie „drabiny Mitry”.

Greckie traktaty chemiczne zawierają kilka interesujących praktycznych informacji chemicznych, które pojawiają się w nich po raz pierwszy, a także wiele schematów aparatury chemicznej. Procesy i pojęcia tam się pojawiające to stapianie, kalcynacja, roztwór, filtracja, krystalizacja, sublimacja, a zwłaszcza destylacja (nie opisana wcześniej), metody ogrzewania obejmują otwarty ogień, lampy oraz łaźnie piaskowe i wodne. Niemal cała ta praktyczna wiedza była przypisywana Arabom, którzy tak naprawdę czerpali ją ze źródła, które tutaj rozważamy. Arabska nazwa alchemia jest jedynie aleksandryjsko-grecką chemeią z arabskim prefiksem. Ważną cechą traktatów aleksandryjskich jest to, że fałszerskie procesy opisane w Papirusie Lejdejskim stały się teraz prawdziwymi transmutacjami metali nieszlachetnych w złoto. Proces ten miał zostać przeprowadzony poprzez „zmianę koloru” ołowiu lub rtęci za pomocą różnych chemikaliów, a miedź zmieniająca kolor na biały przy zastosowaniu arszeniku była uważana za odmianę srebra. Środek powodujący transmutację został później nazwany przez Arabów aliksir (eliksir) - być może od greckiego zerion (xerion), pudru lub kosmetyku – a przez europejskich alchemików kamieniem filozoficznym lub tynkturą (tj. działającą substancją, środkiem zmieniającym kolor). Idea opierała się na obserwowanych skutkach działania arsenu, rtęci i siarki w procesie zmieniania kolorów metali, i na tamte czasy był dość racjonalny. Zosimos rozróżnia to, co nazywa ciałami, przez które zwykle rozumie metale, i duchy (pneumata, pneumata) czyli „pewne substancje, które ze względu na swój szczególny charakter są niewidzialne”, przez co rozumie opary arsenu, siarki i rtęć, które wywierają silne działanie na metale. Duchy te mogą być związane z ciałami poprzez powinowactwo (συγγένεια, sungeneia), a także uwolnione ponownie dzięki odpowiednim procesom. Zosimos, jak i arabscy autorzy opierający się na jego tekstach, nazywa duchy waporami (nefele, nefel) lub dymami (aiqhalh, aithale). Słowo tutia, dawna nazwa tlenku cynku, pochodzi od perskiej dudha, „dym”, ponieważ jest on wydzielany w postaci białego oparu podczas prażenia minerałów cynku z węglem drzewnym. Zosimos wyjaśnia, że kalcynacja wapienia tworzy wapno palone, ponieważ pod działaniem ognia powstaje duch. Aleksandryjscy chemicy byli bardzo bliscy odkrycia gazów.

Początki chemii leżą poza rozwojem klasycznej nauki i filozofii, a ponieważ temat ten nie jest wspomniany przez autorów greckich i rzymskich z pierwszych wieków ery chrześcijańskiej, wydaje się, że był nieznany poza Egiptem, krajem jego narodzin, gdzie badania nad tymi zagadnieniami ograniczały się do małych kręgów uczonych. Jednym z elementów powstania chemii jest filozofia grecka, ale jej druga, i zarazem większa część ma różnorodne i raczej niepewne pochodzenie. W późniejszym rozwoju, w okresie bizantyjskim w Konstantynopolu, chemia utraciła swój eksperymentalny charakter. Późniejsze powszechne zainteresowanie alchemią było produktem kultury Saracenów, która uchroniła dawne egipskie i greckie nauki od zapomnienia. Ponownie pojawił się aspekt eksperymentalny, a ponieważ pierwsze traktaty, które stały się znane w Europie, to łacińskie tłumaczenia dzieł arabskich, przypuszczano, że alchemia powstała u Arabów. W tym okresie greckie traktaty zostały zapomniane.