Strona główna / Popularnonaukowe / Fascynujące pierwiastki. W krainie fundamentalnych składników rzeczywistości

Aktualności

12.05.2022

Spotkanie z Katarzyną Puzyńską w Toruniu

W czwartek 26 maja o godz. 18:00 zapraszamy do  Książnicy Kopernikańskiej (ul. Słowackiego 8, Toruń) na spotkanie z Katarzyną Puzyńską, autorką książki "Żadanica".

Wywiady

25.08.2021

"Tajemnica Wzgórza Trzech Dębów". Wywiad z Piotrem Borlikiem

Zapraszamy do przeczytania wyjątkowego wywiadu z Piotrem Borlikiem. Z autorem książki "Tajemnica Wzgórza Trzech Dębów" rozmawiał Marcin Waincetel z Lubimyczytac.pl.

Posłuchaj i zobacz

16.05.2022

Rozmowa z Moniką Białkowską

Nowy odcinek naszego podcastu to rozmowa Justyny Dżbik-Kluge z Moniką Białkowską, autorką książki "Nawet jeśli umrę w drodze".

Bestsellery

TOP 20

  1. A koń w galopie nie śpiewa Artur Andrus, Wojciech Zimiński
  2. Zgiń, przepadnij Olga Rudnicka
  3. Viktoria. Miłość zza żelaznej kurtyny Wioletta Sawicka

Fascynujące pierwiastki. W krainie fundamentalnych składników rzeczywistości

Hugh Aldersey-Williams

Prolog

Podobnie jak alfabet czy zodiak, układ okresowy pierwiastków należy do obrazów graficznych, które wydają się na stałe zakorzenione w naszych wspomnieniach. Ten, który pamiętam ze szkoły, wisiał na ścianie za biurkiem nauczyciela niczym nastawa ołtarzowa, a jego błyszcząca papierowa powierzchnia pożółkła od wieloletniego kontaktu z chemikaliami. Nie mogę pozbyć się tego obrazu, mimo że od lat rzadko zapuszczam się do pracowni chemicznej. Obecnie układ okresowy wisi na ścianie w moim gabinecie.
Albo jest to przynajmniej jedna z jego wersji. Widnieje na nim znajomy, schodkowaty kontur przypominający linię dachów na tle nieba oraz ustawione w schludne stosy ramki, po jednej na każdy pierwiastek. Każda z nich zawiera symbol i liczbę atomową pierwiastka znajdującego się w danej pozycji. Jednak w tej tabeli nie wszystko jest takie jak należy. Tam bowiem, gdzie powinna się pojawić nazwa każdego pierwiastka, znajduje się zupełnie inna, która nie ma nic wspólnego ze światem nauki. Symbol O nie reprezentuje tlenu, lecz boga Orfeusza, a Br to nie brom, lecz artysta Bronzino. Wiele innych miejsc zajmują, z jakiejś przyczyny, postaci kina z lat pięćdziesiątych XX wieku.
Układ okresowy, który tu opisuję, to litografia brytyjskiego artysty Simona Pattersona. Fascynują go diagramy, które służą nam do porządkowania świata. Jego praca polega na rozpoznaniu znaczenia danego obiektu jako symbolu porządku, a następnie na wprowadzaniu zamętu w jego treści. Najsłynniejsza praca artysty przedstawia mapę londyńskiego metra, na której stacje wzdłuż każdej linii zostały nazwane imionami świętych, nazwiskami odkrywców lub piłkarzy. Na skrzyżowaniach linii również można dostrzec osobliwości.
Nie budzi zatem zaskoczenia jego pomysł na taką samą zabawę z układem okresowym. Wkuwanie go w szkole na pamięć budzi w Simonie ponure wspomnienia. W rozmowie ze mną stwierdził: „Wygodnie było uczyć w ten sposób, ale nie byłem w stanie tego zapamiętać”. Mimo to zapamiętał kryjący się w tabeli zamysł. Po dziesięciu latach od ukończenia szkoły stworzył serię odmian układu okresowego, w których symbol każdego pierwiastka rodzi mylne skojarzenie. Cr nie oznacza chromu, lecz Julie Christie, Cu to nie miedź, lecz Tony Curtis. Następnie zaś zaczął sabotować nawet swój enigmatyczny system – zamiast Ag, symbolu srebra, nie pojawiła się w tabeli, dajmy na to, Jenny Agutter czy Agatha Christie, lecz oczywiście Phil Silvers. W tym nowym zestawieniu tabelarycznym zdarzają się momenty przewrotnej logiki – następujące kolejno po sobie pierwiastki beryl i bor (oznaczane symbolami Be i B) zastąpiły nazwiska obojga Bergmanów, odpowiednio: Ingrid oraz Ingmara. Bracia aktorzy Rex i Rhodes Reasonowie pojawiają się obok siebie, przejmując symbole renu (Re) i osmu (Os). Kim Novak (Na, sód) i Grace Kelly (K, potas) dzielą tę samą kolumnę tabeli jako czołowe aktorki Hitchcocka. Na ogół jednak nie ma tu systemu, tylko własne skojarzenia – ubawił mnie na przykład fakt, że Po, symbol polonu, radioaktywnego pierwiastka odkrytego przez Marię Curie i nazwanego przez nią na cześć rodzinnej Polski, oznacza nazwisko polskiego reżysera Romana Polańskiego.

13 / Al / Aldebaran
14 / Si / Sirius
15 / P / Princeps
16 / S / Sinistra
17 / Cl / Capella
18 / Ar / Arcturus

Teraz podoba mi się fantazja artysty, ale w czasach szkolnych potraktowałbym dość pogardliwie taki nonsens. W miarę wymyślania przez Simona coraz bardziej szalonych skojarzeń ledwie już przyswajałem przekazywane mi przez autora informacje. Pojmowałem, że pierwiastki stanowiły uniwersalne i podstawowe składniki całej materii. Nie istniała rzecz, która nie była z nich zbudowana, ale tabela, w której rosyjski chemik Dmitrij Mendelejew je pogrupował, była czymś więcej niż tylko sumą owych niezwykłych elementów. Nadała bowiem sens buntowniczej różnorodności pierwiastków dzięki umieszczeniu ich kolejno w rzędach według liczby atomowej (czyli liczby protonów w jądrach ich atomów) w taki sposób, że nagle wyszło na jaw ich pokrewieństwo chemiczne (mające naturę okresową, co ujawnia ustawienie pierwiastków w kolumnach). Wydawało się, że układ Mendelejewa żyje własnym życiem. Moim zdaniem to jeden z najwspanialszych i najbardziej niepodważalnych systemów w świecie. Tak wiele zjawisk wyjaśniał w sposób tak naturalny, że wydawało się, iż istnieje od zawsze i wprost nie mógł być jednym z nowszych odkryć nowoczesnej nauki (choć gdy go ujrzałem po raz pierwszy, liczył sobie niespełna sto lat). Jego siła stała się dla mnie symbolem, chociaż i ja zacząłem na swój nieśmiały sposób zastanawiać się nad rzeczywistym znaczeniem owego układu. Wydawało się, że tabela zabawnie umniejsza własną zawartość. Niepohamowana logika kolejności i podobieństwa sprawiała, że same pierwiastki ze swoją nieporządną materialnością stawały się nieomal zbędne.
W istocie na podstawie układu okresowego, wiszącego w mojej klasie, nie można było się przekonać, jak wygląda każdy pierwiastek. Uderzający fakt, że za tymi cyframi kryją się prawdziwe substancje, uświadomiłem sobie dopiero po ujrzeniu ogromnej, oświetlonej tabeli z pierwiastkami chemicznymi w londyńskim Science Museum. Zawierała ona bowiem rzeczywiste próbki. Każdy prostokąt znanej mi już siatki mieścił niewielki szklany pęcherzyk, w którym błyszczała lub unosiła się próbka odpowiedniego pierwiastka. Nie było wiadomo, czy wszystkie są prawdziwe, lecz zauważyłem, że kustosze pominęli wiele rzadko występujących lub radioaktywnych pierwiastków, wydawało się więc uzasadnionym założeniem, iż pozostałe próbki były autentyczne. Tutaj wyraźnie dostrzegało się wiadomości przekazywane nam w szkole: że metale zajmują środek i lewą część układu, a cięższe z nich znajdują się w dolnych rzędach – w większości szare, chociaż jedna kolumna zawierająca miedź, srebro i złoto tworzyła barwną smugę; że pierwiastki niemetaliczne o bardziej zróżnicowanych barwach i fakturach skupiają się w prawym górnym narożniku tabeli.
Od tego czasu zacząłem gromadzić własną kolekcję. Nie jest to łatwe. Nieliczne pierwiastki występują w naturze w czystej postaci. Zwykle są one związane chemicznie w minerałach i rudach. Rozpocząłem więc poszukiwania w pobliżu domu, korzystając z doświadczeń zgromadzonych w ciągu wielu stuleci, w których ludzie wyodrębniali pierwiastki z rud, aby je następnie wykorzystać. Rozbijałem przepalone żarówki i wycinałem z nich włókna wolframowe, po czym chowałem poskręcane druciki do małej szklanej fiolki. Kuchnia dostarczyła mi glinu w postaci folii aluminiowej, garaż – miedzi zawartej w przewodach elektrycznych. Rozpiłowałem na chropowate kawałki zagraniczną monetę, o której usłyszałem, że została sporządzona z niklu – choć nie była to amerykańska pięciocentówka składająca się, jak wiedziałem, głównie z miedzi. W takiej postaci – by tak rzec, bardziej „pierwiastkowej” – miała dla mnie większą wartość. Odkryłem, że mojemu ojcu pozostało trochę listków złota z młodości, kiedy zajmował się liternictwem dekoracyjnym. Wyjąłem kilka z szuflady, gdzie spoczywały w ciemności przez trzydzieści lat, i pozwoliłem im raz jeszcze zabłysnąć.
To było zdecydowanie ciekawsze doświadczenie niż w Science Museum. Mogłem nie tylko oglądać próbki z bliska, lecz także zbadać dotykiem, czy są ciepłe, czy chłodne, jak również zważyć w ręku – niewielka, jasna sztabka cyny, którą odlałem w małym piecu ceramicznym ze stopionej rolki stopu lutowniczego, była zdumiewająco ciężka. Mogłem pobrzękiwać lub grzechotać nimi, uderzając o szkło, by ocenić charakterystyczną barwę dźwięku, jaki wydawały. Siarka przypominała barwą pierwiosnki i skrzyła się leciutko, można ją było przesypywać i odmierzać łyżeczką jak cukier puder. Jej piękna w moich oczach nie przyćmiewał nawet lekko gryzący zapach. Ów zapach przypomniał mi się właśnie teraz za sprawą kupionej w sklepie ogrodniczym puszki siarki do odkażania szklarni. Woń przypominająca suche drewno, którą wyczuwam na swoich palcach w trakcie pisania, nie kojarzy mi się z piekłem, jak naucza Biblia, lecz przywodzi na myśl zgłębianie tajemnic podczas eksperymentów przeprowadzanych w dzieciństwie.
Zdobycie innych pierwiastków było bardziej pracochłonne. Cynk i węgiel pochodziły z baterii – cynk z obudowy pełniącej funkcję jednej z elektrod, a węgiel z grafitowego pręcika wewnątrz, służącego jako druga elektroda. Podobnie było z rtęcią. Droższe baterie rtęciowe służyły do zasilania różnych gadżetów elektronicznych. Do czasu rozładowania się baterii tlenek rtęci, który stanowił źródło energii, ulegał redukcji do metalicznej rtęci. Odcinałem piłką do metalu oba końce baterii i wygarniałem osad do buteleczki. Podgrzewając ją, mogłem oddestylować metal. Obserwowałem wtedy, jak gęste, toksyczne opary ulegają kondensacji i tworzą się lśniące, drobne kropelki łączące się następnie w pojedynczy, ruchliwy paciorek. Obecnie taki eksperyment byłby ze względu na zagrożenie zdrowia zakazany, tak jak nie wolno już używać tych baterii.
W owych niewinnych czasach kilka pierwiastków można było jeszcze nabyć w aptece. Tak właśnie zdobyłem jod. Inne dostałem w niewielkim sklepie chemicznym w Tottenham długo po ich wycofaniu z handlu wskutek restrykcji, jakimi objęto ich sprzedaż, gdyż stanowiły oczywiście materiały wyjściowe między innymi do produkcji bomb i trucizn. Chociaż rodzice z pewnym zadowoleniem przyjmowali moją pasję, zabierając mnie tam samochodem, owe podróże wzdłuż odległych odcinków Seven Sisters Road do lichego sklepiku pod huczącymi wiaduktami kolejowymi, kuszącego zapachami niczym rynek korzenny, zawsze odczuwałem jak tajemniczą przygodę.
W pracy nad układem okresowym czyniłem duże postępy. Wykreśliłem siatkę tabeli na tablicy ze sklejki i powiesiłem swoje dzieło w sypialni. Wszystkie nowo zdobyte próbki wkładałem do jednakowych fiolek i przypinałem w odpowiednich miejscach siatki. Pierwiastki w czystej postaci często były raczej bezużyteczne z punktu widzenia chemii, o czym dobrze wiedziałem. Przydatne chemikalia – te, które wchodziły w reakcje, wybuchały lub dawały piękne kolory – stanowiły w większości kombinacje pierwiastków, zwane związkami chemicznymi, te zaś przechowywałem w szafce w łazience, gdzie przeprowadzałem swoje eksperymenty. Natomiast pierwiastki stanowiły obiekt namiętności kolekcjonerskiej. Każdy z nich miał swój początek, niepodważalne miejsce w kolejności i, jak się wydaje, również koniec. Niewiele wówczas wiedziałem o zażartej zimnej wojnie między naukowcami amerykańskimi i radzieckimi, pragnącymi dołączyć w drodze syntezy nowe pierwiastki do listy 103, którą wbiłem sobie do głowy. Jako kolekcjoner postawiłem sobie oczywiście za cel – jakkolwiek nieosiągalny – skompletowanie całego zestawu. Chodziło jednak o coś znacznie donioślejszego niż zbieranie dla samego zbieractwa. Oto gromadziłem najbardziej elementarne cegiełki, z których zbudowany jest świat, a nawet Wszechświat. Moja kolekcja nie miała w sobie sztuczności świata znaczków czy kart z piłkarzami, gdzie reguły gry wyznaczają arbitralnie inni kolekcjonerzy lub (co jeszcze gorsze) przedsiębiorstwa produkujące dane przedmioty. Miało to zasadnicze znaczenie. Pierwiastki były zawsze. Narodziły się zaraz po Wielkim Wybuchu i będą trwały jeszcze długo po wymarciu ludzkości, całego życia na Ziemi, a nawet po tym, gdy sama planeta zostanie pochłonięta przez własne, powiększające się Słońce przeistaczające się w czerwonego olbrzyma.
Taki system świata wybrałem – równie kompletny jak każdy inny do wyboru. Historia, geografia, prawa fizyki, literatura – każda z tych dziedzin, zgodnie z własnymi zasadami, jest wszechogarniająca. Wszystkie wydarzenia dzieją się w historii, mają miejsce w geografii, dają się sprowadzić wyłącznie do interakcji energii i materii, ale ich podłoże materialne stanowią ni mniej, ni więcej tylko pierwiastki. Wielkie Rowy Afrykańskie, turniej Field of the Cloth of Gold, pryzmat Newtona, Mona Lisa – nie mogłyby powstać bez pierwiastków.

W tym czasie naszą szkolną lekturą był Kupiec wenecki. Przez czterdzieści minut wcielałem się w Bassania – to niezgorsza rola, choć nie przepadałem za czytaniem na głos. Dobrnęliśmy nareszcie do sceny, w której przychodzi kolej Bassania, by wybrać jedną spośród trzech szkatułek, zawierającą podobiznę Porcji, dzięki czemu będzie mógł zdobyć rękę damy i poślubić ją. Pechowiec, któremu przypadła rola Porcji, szczebiotał na scenie, podczas gdy ja zmagałem się z tremą, oczekując na swoje wejście. „Pozwól mi wybrać / Spójrz na mnie, żyję na łożu męczarni” – wyrecytowałem monotonnie i całkowicie beznamiętnie. Następnie musiałem wybrać jedną z wyimaginowanych szkatułek. Jestem pewien, że żaden z widzów nie zdołał w ogóle wychwycić toku myśli kreowanej przeze mnie postaci, wsłuchując się w mój pozbawiony jakiegokolwiek wyrazu głos, gdy odrzuciłem najpierw „pstre złoto”, następnie srebro („wyblakły / I nędzny sługo, zmieniający panów”), zanim wreszcie zdecydowałem się na „ubogi ołów”. Ale w mojej głowie coś nagle zaskoczyło. Trzy pierwiastki! Czy Szekspir był chemikiem? Później przekonałem się, że chemikiem, a raczej spektroskopistą, był również T.S. Eliot – w poemacie Ziemia jałowa przedstawia wyrazisty obraz nabijanego ćwiekami drewna kadłuba statku („sczerniałe w morzu drzewo, nabijane miedzią / zielenią i oranżem płonąc wśród barwnych kamieni”; zieleń pochodzi od miedzi, barwa pomarańczowa od zawartego w morskiej wodzie sodu).
Niejasno zaczynałem zdawać sobie sprawę, że historia pierwiastków wiąże się z kulturą. Złoto miało swoje znaczenie. Srebro oznaczało coś innego, ołów – coś jeszcze innego. Ponadto owe znaczenia brały swój początek przede wszystkim z chemii. Złoto jest cenne, gdyż występuje rzadko, lecz uważa się je za ozdobę niegustowną, ponieważ to jeden z nielicznych pierwiastków występujących w naturze w formie rodzimej, niezwiązanej z innymi, skrzącej się żywą barwą, a nie ukrytej pod postacią rudy. Zacząłem się zastanawiać, czy wszystkie pierwiastki mają swoją mitologię.
Często już same nazwy mówią o ich historii. Pierwiastki odkryte w epoce oświecenia noszą nazwy zaczerpnięte z mitologii klasycznej – tytan, niob, pallad, uran i tak dalej. Z kolei nazwy tych, które wyodrębniono w XIX wieku, przeważnie odzwierciedlają fakt, że one same – bądź ich odkrywcy – pochodzą z określonej krainy. Niemiecki chemik Clemens Winkler wyizolował german. Szwed Lars Nilson odkrytą przez siebie substancję nazwał skandem. Maria i Piotr Curie wyodrębnili polon i nazwali go – nie bez pewnych trudności – na cześć czule wspominanej przez Marię ojczyzny. Nieco później nauka zaczęła przeobrażać się w duchu silniejszego poczucia wspólnoty. Nazwę europ nadano w 1901 roku, a pod koniec nowego wieku jakiś niepozbawiony poczucia humoru urzędnik jednego z banków europejskich zarządził, że związki tego pierwiastka należy zastosować do produkcji barwników luminescencyjnych do znakowania banknotów euro w celu łatwiejszego wykrywania egzemplarzy sfałszowanych. Kto by pomyślał? Nawet mało znany europ pewnego dnia dostąpił zaszczytu zaproszenia na salony kultury.
Tak więc pierwiastki zasiedlają naszą kulturę. Nie powinno to nas dziwić – bądź co bądź wszystko się z nich składa. Jednak powinno nas zaskakiwać to, jak rzadko zauważamy ten fakt. Za niedostrzeganie tego skojarzenia część winy ponoszą chemicy, którzy zakładają, że studiowanie i nauczanie tego przedmiotu powinno odbywać się w wyniosłym odizolowaniu od świata. Jednakże nauki humanistyczne też nie są bez winy – na przykład ku swemu zdumieniu przekonałem się, że autorka biografii Matisse’a ukończyła dzieło, nie zamieściwszy żadnej wzmianki o barwnikach, których używał artysta. Być może to dość nietypowa opinia, ale jestem pewien, że samemu Matisse’owi ta sprawa nie byłaby obojętna.
W naszej kulturze pierwiastki nie zajmują stałych miejsc, tak jak w układzie okresowym. Na grzbiecie jej kapryśnej fali wznoszą się i opadają. John Masefield w znanym wierszu Ładunki wymienia w trzech krótkich strofach osiemnaście towarów symbolizujących trzy ery światowego handlu i grabieży, a jedenaście z nich to albo pierwiastki w czystej postaci, albo materiały, których wartość wynika ze szczególnej natury jednego z pierwiastkowych składników – od pięciorzędowych galer z Niniwy, wypełnionych wapienną bielą kości słoniowej, aż do pokrytych brudem brytyjskich kabotażowców z ładunkiem „węgla znad brzegów Tyne, / szyn kolejowych, sztab ołowianych, / Drewna na opał, wyrobów z żelaza i tanich, cynowych tac”.
Od chwili odkrycia każdy pierwiastek wyrusza w podróż w bezkres naszej kultury. Może ostatecznie stać się wszechobecnym elementem, jak żelazo czy węgiel. Może występować na szeroką skalę w ekonomii lub polityce, pozostając w znacznej mierze w ukryciu, jak krzem czy pluton. Albo, jak europ, może stanowić tylko ozdobnik doceniany wyłącznie przez znawców. Swoje szkolne wypracowania („Dlaczego Bassanio wybrał ołowianą szkatułkę?”) pisałem piórem marki Osmiroid; nazwa ta pochodziła od osmu i irydu, które producent wykorzystywał do wzmacniania stalówek.
Podczas stopniowej asymilacji danego pierwiastka zaczynamy lepiej go poznawać. Doświadczenia ludzi, którzy go wydobywają, wytapiają, kształtują i sprzedają, nadają mu znaczenie. Dzięki tym procesom możemy własnymi mięśniami odczuć wagę tej substancji i zmierzyć stawiany przez nią opór, dlatego Szekspir mógł opisywać złoto, srebro oraz ołów i mieć świadomość, że opis będzie zrozumiały dla widowni.
(…)