‚Wystrzałowe “ życie chemika

„Wystrzałowe ” życie chemika
Przedstawione poniżej eksperymenty mogą być wykorzystane przez nauczycieli
podczas pierwszych lekcji chemii, aby zachęcić uczniów do nauki tego
eksperymentalnego przedmiotu oraz przekonać ich, że bez eksperymentów nie
można byłoby osiągnąć obecnego stanu wiedzy. Mogą też stanowić wstęp do
omawiania zasad bezpieczeństwa na lekcjach chemii.
Bardzo ważnym aspektem nauczania chemii w szkołach są eksperymenty
chemiczne. Pokazy doświadczeń oprócz roli edukacyjnej polegającej na ilustrowaniu
zagadnień omawianych przez nauczyciela w ramach programu nauczania pełnią rolę
informacyjną. Służą przybliżeniu uczniom prawdziwego oblicza chemii oraz zachęcają ich
do samodzielnego zgłębiania wiedzy chemicznej wykraczającej często poza sztywne ramy
podręcznika, a także do wybrania chemii jako przyszłego kierunku studiów.
Pokazy te dowodzą, że nauka, nie tylko chemia, jest fascynującą przygodą,
dostępną dla każdego, bez względu na wiek i wykształcenie. Niektóre eksperymenty
chemiczne można wykonywać także poza laboratorium. Przykłady takich właśnie
eksperymentów chemicznych są często prezentowane przez studentów Wydziału Chemii
Uniwersytetu Warszawskiego, np. w czasie Festiwalu Nauki, który odbywa się corocznie
we wrześniu. Jednak nawet najbardziej efektowne doświadczenie bez słowa wyjaśnienia
pozostaje w pamięci widzów jedynie jako efektowna i głośna eksplozja, której czasem
towarzyszą dym i przykry zapach. Dlatego bardzo ważne jest, aby osoba przeprowadzająca
doświadczenie potrafiła coś powiedzieć o nim, a nie była milczącą maszyną mieszającą w
odpowiedniej kolejności odczynniki. Być może podanych poniżej kilka anegdot pomoże
przyszłym eksperymentatorom. Mogą one być także wykorzystane przez nauczycieli
chemii podczas lekcji, szczególnie tych, podczas których uczniowie spotykają się z chemią
po raz pierwszy. Ważne jest, aby ten pierwszy kontakt zachęcił ich do dalszej nauki i
przekonał, że chemia jest nie tylko pisaniem wzorów na tablicy lub uczeniem się symboli
pierwiastków na pamięć, ale przede wszystkim jest nauką eksperymentalną i bez
eksperymentów nie można byłoby osiągnąć obecnego stanu wiedzy.
Kogo nazywamy chemikiem?
Według słów J.J. Bechera, jednego z twórców teorii flogistonu [1]:
"Chemicy to dziwna klasa śmiertelników, którzy znajdują przyjemność wśród sadzy i
płomieni, trucizn i ubóstwa, jednak wśród tych okropieństw żyje im się tak słodko, że niech
zginę, jeśli miałbym się zamienić miejscem z Królem Persji".
Chemia jako oddzielna dziedzina nauki istnieje dopiero od około 200 lat, a
pierwszymi chemikami byli zazwyczaj przyrodnicy, lekarze, farmaceuci, często
filozofowie. Tym, co ich łączyło była pasja poznania czegoś nowego oraz chęć stawienia
czoła niebezpieczeństwom, które wiązały się z wykonywaniem eksperymentów
chemicznych; często w warunkach, które dziś uznalibyśmy za niedopuszczalne.
Laboratorium w tamtych czasach najczęściej była kuchnia lub inne pomieszczenie, które
było wystarczająco oświetlone, i w którym był dostęp do wody i źródła ciepła. Tak oto
opisane zostało przez F. Wöhlera laboratorium J.J. Berzeliusa, najwybitniejszego chyba
chemika XIX wieku [2]:
"Laboratorium zajmuje dwa zwykłe pokoje, tylko z najprostszym wyposażeniem. Nie ma
tam pieca, źródła wody ani gazu. W jednym z pokoi stoją dwa zwykle, długie stoły zrobione
z drewna sosnowego; jeden był mój, drugi należał do Berzeliusa. Wzdłuż ścian stoją szafy z
odczynnikami, rynna z rtęcią znajdująca się pod okapem połączonym z kominem. Pokój ten
łączy się z kuchnią, gdzie Anna, jego sławna służąca przeprowadza czasem swoje
eksperymenty, jako jego jedyny asystent."
W tamtych czasach bardzo łatwo było rozpoznać chemika, a to z powodu licznych
ran; brakujących palców u rąk, blizn na twarzy, czasem braku jednego oka. Jednakże
chemicy pokazywali swe rany z dumą, świadczącą o „odwadze wystarczającej, aby
zmagać się z tak niebezpiecznymi substancjami" [1].
Rysunek 1 J.J. Berzelius
Spalanie wodoru w tlenie
Doświadczenie to jest chyba jednym z najpopularniejszych eksperymentów
chemicznych. Wodór został po raz pierwszy otrzymany przez H. Cavendisha (1731-1810)
w roku 1766 w wyniku działania kwasu solnego i kwasu siarkowego na różne metale
(żelazo, cynk, cynę). Otrzymany przez siebie gaz Cavendish opisał jako „zapalający
powietrze"; a podczas eksperymentów z nim wielokrotnie odnosił rany najczęściej w
wyniku eksplozji pojemnika, w którym umieszczał mieszaninę wodór-tlen. Często
opowiadana jest anegdota o tym wielkim uczonym, nie znajdująca jednak potwierdzenia w
źródłach historycznych:
„Pewnego razu Cavendish chciał sprawdzić czy można oddychać wodorem tak, jak
oddycha się powietrzem. Wytworzył on więc znaczną ilość wodoru w reakcji cynku z
kwasem, a następnie nabrał go pełne płuca i wstrzymał oddech. Po krótkiej chwili doszedł
do przekonania, że wodór nie jest gazem, w którego atmosferze da się oddychać;
jednocześnie nie jest to też gaz trujący, ponieważ uczony wciąż był w królestwie żywych.
Starając się nie zapomnieć swoich obserwacji Cavendish wypuścił z płuc zmagazynowany
tam wodór przez usta. Pech chciał, że w pobliżu stała zapalona świeca, a on zupełnie
przypadkowo skierował swój wydech w jej stronę. W wyniku eksplozji uczony utracił
część włosów, a także kilka ze swoich zębów. Jednak czy tak było naprawdę? – historia na
ten temat milczy.”
Niebezpieczna mąka
Pierwszy zapis dokumentujący eksplozję mąki pochodzi z roku 1795, a sporządził
go włoski chemik Carlo Ludovico Morozzo di Bianzé [3]. Wypadek miał miejsce w
Turynie w roku 1785 i początkowo sądzono, że jego powodem był wodór, metan lub inny
łatwopalny gaz. Morozzo był pierwszym, który zdał sobie sprawę z możliwości wybuchu
aerozolu bardzo suchej mąki. W swym raporcie pisał on:
"Dnia 14 grudnia 1785 roku o godzinie 6 po południu w domu piekarza Giacomelli miała
miejsce eksplozja, która spowodowała wypadnięcie okien oraz wyrwanie drzwi z
zawiasów, a odgłos eksplozji był słyszany z dużej odległości. W momencie eksplozji bardzo
jasny płomień trwający kilka sekund był widziany w sklepie, a źródłem jego zdawało się
być pomieszczenie znajdujące się na tyłach składu mąki nad sklepem, gdzie chłopiec tam
zatrudniony odważał mąkę przy świetle świecy. W wyniku eksplozji chłopiec ten miał
poranioną twarz oraz spalone włosy, jednak nie odniósł większych obrażeń. Nie był on
jedyną ofiarą wybuchu; inny chłopiec, który także pracował w sklepie widząc zbliżający się
ogień myśląc, że dom plonie wyskoczył przez okno i złamał nogę.
...Pokój, w którym doszło do eksplozji jest podzielony na dwie części ścianą, w której
znajduje się otwór. W części położonej wyżej zmagazynowana jest mąka, w części poniżej
odbywa się ważenie mąki, która wysypuje się, przez otwór w ścianie. Chłopiec pracujący w
tym pomieszczeniu manipulował przy tym otworze tak, aby mąka wysypywała się szybciej.
W pewnej chwili nastąpiła nagła lawina mąki, która utworzyła chmurę w dolnym
pomieszczeniu. Chmura ta w wyniku kontaktu z zapaloną świecą gwałtownie
eksplodowała.
...Piekarz powiedział, że nigdy nie miał tak suchej mąki jak w tym właśnie roku. Pamięta
on jednak, iż podobny wypadek, lecz nie tak groźny miał już miejsce, gdy magazynował on
w swym sklepie niezwykle suchą mąkę kukurydzianą.
...Poznawszy wszystkie fakty towarzyszące temu wydarzeniu, nie znajduję innego
wytłumaczenia jak to, iż za eksplozję odpowiedzialna jest mąka, której to drobiny
zawieszone w powietrzu stanowią zagrożenie, równie wielkie jak wodór czy metan”
Inny przykład eksplozji aerozolu zaobserwowano w roku 1844 w kopalni węgla w
Haswell, w Anglii. Doszło tam do eksplozji, która kosztowała życie 95 górników.
Wyjaśnienia jej przyczyn podjął się sławny uczony M. Faraday wraz ze znanym geologiem
tamtych czasów Sir Ch. Lyellem. Ich badania wykazały, że w wyniku braku odpowiedniej
wentylacji na ścianach szybów nagromadziła się duża ilość pyłu węglowego, którego
mieszanina z powietrzem była jednym z powodów takiej wielkiej siły wybuchu. Faraday i
Lyell zalecili usprawnienie systemu wentylacyjnego, co skutecznie zapobiegło kolejnym
eksplozjom w kopalni.
Proch strzelniczy i uczeni
Otrzymanie przez C.L. Bertholleta chloranu potasu stanowiło ważne wydarzenie w
historii nie tylko chemii. Zastosowanie chloranu do produkcji prochu strzelniczego
poprawiło wyraźnie jego właściwości. Berthollet niezwłocznie poinformował o swym
odkryciu innego wielkiego chemika ówczesnych czasów – Lavoisiera. Aby sprawdzić moc
nowego rodzaju prochu, uczeni udali się do Essonnes gdzie w miejscowej fabryce prochu
rozpoczęli swoje eksperymenty. Miejscowy rzemieślnik ucierał ręcznie w moździerzu
składniki prochu, kierując się poleceniami Lavoisiera. Jednym z nich było, aby nie
wykonywać zbyt gwałtownych ruchów pistelem i zawsze chronić się w czasie pracy za
specjalnie skonstruowanym drewnianym ekranem. Po kilku godzinach, gdy Lavosier i
Berthollet wracali z posiłku i byli kilkaset metrów od miejsca eksperymentu nastąpiła
eksplozja. Osoby nie chronione ekranem zostały odrzucone, na co najmniej 10 metrów od
miejsca produkcji prochu, moździerz rozpadł się na drobne kawałki, a pistel znaleziono w
znacznej odległości od miejsca wybuchu. Gdyby chemicy przyszli kilka minut wcześniej,
być może skończyłoby się to dla nich tragicznie, a Lavoisier nie zostałby twórcą
nowoczesnej chemii.
O tym, że chloran potasu to bardzo niebezpieczny związek chemiczny przekonał
się też inny Francuz. Podczas budowy fabryki produkującej chloran Berthollet nalegał, aby
zachować możliwie największe środki ostrożności. Jednak młody dyrektor budowanej
fabryki uważał się za wielkiego znawcę chemii i chcąc udowodnić Bertholletowi, iż jego
ostrzeżenia są bezpodstawne zaczął uderzać metalowym prętem w pojemnik z chloranem.
Na nieszczęście pojemnik eksplodował, powodując wybuch również innych zbiorników
stojących nieopodal, co kosztowało życie kilku robotników i oczywiście nieroztropnego
dyrektora. Szczęśliwie Berthollet widząc głupotę młodego człowieka oddalił się zawczasu
na bezpieczna odległość i nie ucierpiał w tym wypadku.
Rysunek 2 C.L. Berthollet
O konieczności noszenia okularów ochronnych
Często widzowie na pokazach doświadczeń chemicznych pytają, dlaczego muszą
zakładać okulary ochronne, przecież nic im się nie stanie, bo stoją daleko i są bardzo
ostrożni (niestety nawet studenci chemii, a czasem i ludzie z tytułami naukowymi nie
przestrzegają tej reguły bezpieczeństwa). Oto kilka przykładów takiej nieostrożności.
W czerwcu 1808 roku słynny francuski chemik J. Guy-Lussac próbował powtórzyć
doświadczenie H. Davy`ego, polegające na otrzymywaniu sodu i potasu w wyniku
elektrolizy ich stopionych soli. Próby te przerwała eksplozja kolby zawierającej potas.
Kawałki naczynia uderzyły Guy-Lussaca w twarz, oślepiając go. Dopiero po miesiącu
odzyskał on wzrok, ale w wyniku uszkodzenia gruczołów łzowych jego oczy do końca
życia pozostały czerwone i załzawione. Aby to ukryć zaczął nosić okulary, które uchroniły
go 36 lat później podczas kolejnej eksplozji szklanego naczynia zawierającego związek
chemiczny, wybuchający w zetknięciu z powietrzem. Tym razem Guy-Lussac uniknął
uszkodzenia oczu, choć jego twarz znów została poważnie poraniona odłamkami szkła.
Innym chemikiem, który nie stosował okularów ochronnych w czasie pracy był
Pierre-Louis Dulong (1785-1838) – pracujący nad syntezą trichloroazotu (NCl3) z azotu i
chloru. Przepuszczając chlor przez stężony roztwór chlorku amonu, otrzymał on w końcu
upragniony produkt, który okazał się substancja niezwykle wybuchowa, o czym Dulong
przekonał się tracąc w wyniku eksplozji palec i wzrok w jednym oku. Podobne obrażenia
odnieśli pracując nad trichloroazotem Davy i Faraday. Po jednej z eksplozji z oka tego
ostatniego usunięto aż 13 odłamków szkła.
Także Bunsen (który znany jest jako konstruktor palnika gazowego używanego w
każdym laboratorium chemicznym) na pewien czas utracił wzrok eksperymentując w
swoim laboratorium. Stało się tak na skutek eksplozji organicznych związków arsenu,
którymi Bunsen zajmował się w początkach swej kariery naukowej. Oprócz krótkotrwałej
ślepoty ucierpiał on także wdychając szkodliwe opary arsenu. To wydarzenie
spowodowało, że do końca życia swoje zainteresowania ograniczył do związków
nieorganicznych i osiągnięcia w tej właśnie dziedzinie chemii przyniosły mu sławę.
SYLWESTER HUSZAŁ, JERZY GOLIMOWSKI (Warszawa)
Literatura
[1] Jaffe B.: Crucible - the lives and achievments of the great chemists (1934)
[2] Tilden W.A.: Chemical discovery and invention (1917)
[3] Cardillo P.: Some historical accidental explosions. Journal of Loss Prevention in
the Process Industries (2001) 14, 69-76