Węgiel

Dokładna data odkrycia węgla nie jest możliwa do określenia, ale nie stanowi problemu podanie dokładnej daty i osoby, która stwierdziła, że węgiel jest substancją prostą. W wydanym w roku 1789 przez Lavoisiera dziele „Traité Élémentaire de Chimie” znalazła się tabela substancji prostych, w której węgiel został zaliczony do pierwiastków. Pierwiastek ten odegrał dużą rolę w teorii flogistonu, zgodnie z którą węgiel był uważany za czysty flogiston, substancję odpowiedzialną za palenie się ciał. Teoria ta, wywodząca się z pojęć alchemicznych, powstała w XVII wieku i służyła do opisu zjawiska spalania. W 1669 roku wspomniany wcześniej niemiecki chemik Johanna Joachima Becher przedstawił teorię, zgodnie z którą istnieje pewien rodzaj substancji odpowiedzialny za zjawisko spalania. Kontynuatorem tej teorii był inny Niemiec, Georg E. Stahl, który czynnik odpowiedzialny za spalanie nazwał flogistonem od greckiego słowa φλογιστός (phlogistós) czyli "palny". Zgodnie z tą teorią ciała palne są bogate we flogiston, który tracą w procesie spalania. Zgodnie z takim podejściem metale, które ulegają rdzewieniu są bogate we flogiston, a metale szlachetne, nie rdzewiejące, są go pozbawione. Teoria wyjaśniała otrzymywanie metali z rud. Ruda metalu, uboga we flogiston, w procesie wytapiania pobiera go z węgla drzewnego, który spalając się ulega przemianie w ubogi we flogiston popiół. Rola powietrza ogranicza się jedynie do przenoszenia flogistonu. Teorię flogistonu krytykował holenderski fizyk Herman Boerhaave twierdząc, że spalanie i rdzewienie to dwa odrębne procesy, gdyż w przypadku rdzewienia metali nie pojawia się ogień. Stahl odpierając ten zarzut wskazywał, że w przypadku palenia utrata flogistonu jest gwałtowna, a w przypadku rdzewienia metali powolna i ogień się nie pojawia. W pewnym sensie to stwierdzenie jest prawdziwe, gdyż tak spalanie jak i rdzewienie są procesami utleniania. Wprowadzenie przez Lavoisiera, i niezależnie Michaiła Łomonosowa, metod eksperymentalnych połączonych z pomiarami wagowymi zachodzących procesów spowodowało, że teoria flogistonu załamała się ponieważ uwolniony od flogistonu metal jest lżejszy niż bogata we flogiston ruda. Zwolennicy teorii, celem wyjaśnienia, przypisywali flogistonowi występowanie w dwóch formach obdarzonych dodatnią i ujemną masą. Dokładne pomiary wagowe substratów i produktów reakcji jak również odkrycie tlenu spowodowało ostateczny upadek tej teorii.

Georg Stahl był barwną postacią. Był człowiekiem bardzo dumnym, ponurym i zgryźliwym, rzadko odpowiadał na listy i okazywał pogardę wszystkim, którzy nie podzielali jego poglądów. Znany był z gwałtownych reakcji na najmniejszą krytykę. Innym, ekscentrycznym zwolennikiem teorii flogistonowej był Irlandczyk Richard Kirwan, autor traktatu „An Essay on Phlogiston, and the Constitution of Acids” wydanego w Londynie w roku 1787. Ten genialny naukowiec ze względu na swoje delikatne zdrowie nosił kapelusz i płaszcz również w pomieszczeniach zamkniętych, a z powodu problemów z gardłem żywił się jedynie szynką i mlekiem. Kirwan bronił teorii flogistonowej, nie przecząc doniesieniom Lavoisiera o odkryciu tlenu, uważał że uzyskane przez niego wyniki badań można wyjaśnić na gruncie tej teorii. Kirwan odrzucił teorię flogistonu w roku 1791 ponieważ nie udało mu się wykazać powstawania dwutlenku węgla z tlenu i flogistonu. Jego traktat został przetłumaczony z angielskiego na francuski przez żonę Lavoisiera, a tłumaczenie uzupełniono komentarzem samego Lavoisiera lub jednego z jego współpracowników.

Po tej dygresji wróćmy do historii, dzięki której węgiel został uznany za pierwiastek. Dwie odmiany alotropowe węgla, diament i grafit, były znane od bardzo dawna. Znany był też fakt, że diament można spalić bez pozostawienia popiołu w odpowiednio wysokiej temperaturze. Natomiast obydwie postaci węgla były uznawane za dwie odrębne substancje. Odkrycie dwutlenku węgla było tym czynnikiem, który pozwolił na stwierdzenie, że i diament i grafit są różnymi odmianami tego samego pierwiastka. Zawdzięczamy to Antoine Lavoisierowi, który przeprowadził badania gazów powstających w wyniku spalania diamentu i grafitu stwierdzając, że w obydwu przypadkach uzyskane gazy są tym samym dwutlenkiem węgla. Łacińska nazwa węgla jako pierwiastka – carboneum – pojawiła się po raz pierwszy w książce „Méthode de nomenclature chimique” napisanej przez A. Lavoisiera, L. Guyton de Morveana, C. Bertholeta i A. Fourcroya wydanej w roku 1787.

W historii badań nad węglem w postaci diamentu i grafitu dają się wyróżnić następujące daty. W roku 1797 angielski chemik S. Tennant odkrył, że spalenie tych samych ilości diamentu i grafitu daje w efekcie tę samą ilość dwutlenku węgla. Następnie w roku 1799 francuz L. Guyton de Morvean potwierdził, że diament, grafit i koks składają się z tego samego pierwiastka, węgla. Dwadzieścia lat później sukcesem zakończyły się jego próby przekształcenia diamentu w grafit i w ostateczności w dwutlenek węgla w wyniku powolnego ogrzewania próbki diamentu. Natomiast próby przeprowadzenia grafitu w diament spełzły na niczym. Taki proces przeprowadzono po raz pierwszy w roku 1955 w Anglii przy zastosowaniu temperatury rzędu 3000°C i ciśnienia przewyższającego wartość 10⁹ Pa. Obecnie znamy inne, niezwykłe odmiany węgla takie jak fulereny, nanorurki, grafen, które posiadają niezwykłe właściwości fizykochemiczne.