Alchemia jest obecnie uważana za protonaukę, która powstała w starożytności, a pełnoprawną nauką była aż do czasów oświecenia. Pomimo wyparcia alchemii przez chemię wraz z nadejściem oświecenia, wpływ alchemii jest widoczny w sztuce i ogólnie pojętej kulturze aż do czasów współczesnych. Analiza wpływu alchemii na kulturę współczesną może pokazać nam, jak nasza kultura rozwijała się i w jaki sposób ustalił się jej obecny kształt. Dlatego warto przyjrzeć się jednemu z kluczowych pojęć alchemii, transmutacji, która to okazała się możliwa po wielu latach od umownego upadku alchemii spowodowanego powstaniem chemii. Oprócz rozwoju kultury, ciekawym zagadnieniem jest sama transmutacja w ujęciu współczesnej nauki.

Powstanie teorii transmutacji

Początków idei transmutacji możemy doszukiwać się w starożytnym Egipcie, w którym już od około 3000 roku p.n.e. wydobywano i przetwarzano metale, w tym złoto. Egipt starożytny miał szeroki dostęp do złotego kruszcu, szerszy nawet niż do srebra, dlatego było ono metalem bardziej cenionym od złota. Biorąc pod uwagę wartość srebra nie należy się dziwić, że ówcześni metalurdzy, wówczas kapłani zajmujący się obróbką złota, zaczęli poszukiwać sposobów na otrzymanie metalu cenniejszego ze składników mniej cennych. Przy czym, Egipcjanie nie widzieli początkowo nic złego w użyciu zamiennika zamiast oryginalnego materiału. Procesy prowadzące do otrzymania zamiennika nazywano wówczas barwieniem, czyli tyngowaniem. W ówczesnym okresie transmutacja nie miała wymiaru duchowego, była to tylko rzemieślnicza praca, polegająca głównie na stapianiu ze sobą odpowiednich metali, często miedzi i cyny (Bugaj, 1991).

Więcej na temat historii transmutacji posłuchasz w naszym podcaście:

Grecko-arabskie początki

Wraz z upływem czasu transmutacja zyskiwała wytłumaczenia, pochodzące z różnych źródeł, najpierw od filozofów greckich, a następnie myślicieli arabskich. Alchemicy początkowo oparli się na greckiej teorii żywiołów, aby wyjaśnić proces transmutacji. Arystoteles i Platon sądzili, że żywioły mogą wzajemnie w siebie przechodzić, a jako że ciała składają się z żywiołów, daje to na drodze dedukcji wniosek, że jeżeli pierwiastki mogą zmieniać się w siebie nawzajem, tak też i ciała da się zmieniać w inne ciała, metale (Hassa, Mrzigod, Nowakowski, 2004). Rozumowanie oparte na filozofii greckiej daje wytłumaczenie, że metale można przeprowadzać w inne, stwarzając im odpowiednie do tego warunki, tak by mogła zajść przemiana żywiołów, która nie jest przypadkowa, ma swoje własne reguły. Po okresie dominacji myśli greckiej arabscy myśliciele mieli swój wkład w wytłumaczenie mechanizmu transmutacji na podstawie myśli antycznej. Dżabir Ibn Hajjan zwany Geberem, znany arabski alchemik, oparł się na teorii żywiołów i wprowadził do niej dwie „zasady bezpośrednie” — siarkę i rtęć. Według Gebera wszystkie metale miały w swoim składzie siarkę i rtęć, dlatego manipulowanie stosunkiem siarki i rtęci prowadziło do transmutacji (Bugaj, 1991).

Transmutacja była traktowana jako czynność czysto rzemieślnicza, taka sama jak barwienie tkanin (Bugaj, 1991). Dopiero z czasem zyskała większą wartość, stała się procedurą kształtowania materii zgodnie z jej naturą, zgodnie z naturą żywiołów, przeprowadzania metali w inne poprzez manipulację dwoma parametrami — siarką i rtęcią. Transmutacja stała się narzędziem kształtowania materii (Bugaj, 1991).

Paracelsus i renesansowe rozumienie transmutacji

Dalsze rozważania nad transmutacją przyniosły trzecią zasadę do pary siarka-rtęć. Żyjący na przełomie XV i XVI w. Theophrastus Bombastus von Hohenheim, czyli Paracelsus, wprowadził do koncepcji Gebera trzecią „zasadę bezpośrednią” — sól. W ten sposób powstała koncepcja trójzasadowa, która mocno wpłynęła na kształt alchemii w renesansie — ostatniej epoce, w której miała ona duże znaczenie (Bugaj, 1991). (O Paracelsusie przeczytasz również we wpisach Wpływ nauk i odkryć Paracelsusa na współczesną farmację i medycynę oraz Elixir (eliksir) jako postać leku | Historyczne postacie leku cz. 1).

Pierwiastek duchowy przemiany osoby przeprowadzającej proces transmutacji jest mocno zaznaczony w alchemii renesansowej. Wpływ na dodanie do procesu transmutacji pierwiastka duchowego miała zapewne filozofia grecka, idee myślicieli arabskich, ale także chrześcijaństwo. Łatwym do odnalezienia, a zarazem przekonującym dowodem wpływu chrześcijaństwa jest słowo: laboratorium, które powstało z dwóch słów: labor (łac.) — praca i oratorium (łac.) — kaplica. Opierając się na obrazach przedstawiających laboratorium alchemika widzimy, że często były to pomieszczenia z częścią techniczną i, znajdującą się w tej samej przestrzeni, ale oddaloną od strefy pracy przestrzenią przeznaczoną do modlitwy.

Pojęcie transmutacji zmieniło się: od okresu przed przyswojeniem go sobie na dobre przez alchemię, było zwykłą procedurą rzemieślniczą dla metalurga w starożytnym Egipcie (Bugaj, 1991). Następnie grecka filozofia próbowała podjąć się wytłumaczenia tego zjawiska, czyniąc z niego manifestacje praw rządzących żywiołami. W okresie rozwoju i rozkwitu kultury arabskiej, dzięki dziedzictwu antyku, transmutacja stała się metodą manipulowania zawartością kluczowych dla metalu składników, co umożliwiło zmianę jego właściwości. Po okresie świetności kultury arabskiej Europejczycy dalej rozwijali teorie transmutacji, korzystając z całości dotychczasowych osiągnięć. Wraz z przemianą transmutacji od procesu rzemieślniczego do rangi obrzędu procedura nabrała coraz bardziej duchowego wydźwięku, gdzie nie tylko człowiek zmienia metal, ale metal zmienia człowieka. Do przeprowadzenia transmutacji potrzebne były odpowiednie przymioty i cechy, takie jak cierpliwość, biegłość w terminologii i pismach oraz jasność umysłu.

Upadek alchemii

Wraz z prężnym rozwojem nauk przyrodniczych i ścisłych w baroku, za sprawą między innymi Newtona i Leibniza, nadszedł czas oświecenia i upadku alchemii. W roku 1661 Robert Boyle wydał dzieło pt. The Skeptical Chymist, co umownie uznawane jest za początek chemii i koniec alchemii jako nauki. Boyle zmienił spojrzenie na pierwiastki chemiczne, oparł się na doświadczeniu, które wykazuje, że istnieje wiele substancji niedających rozłożyć się na prostsze składowe, czym Boyle dowiódł istnienia więcej niż sześciu pierwiastków. Pracując zgodnie z empirycznym poglądem Boyla, Antoine Lavoisier w 1779 roku ogłosił istnienie tlenu jako substancji podtrzymującej spalanie, co obaliło teorie flogistonu Rozpowszechnił też informacje na temat azotu jako części powietrza niepodtrzymującej spalania. Lavoisier sformułował i udowodnił prawo zachowania masy, odkrył istnienie wodoru jako składowej wody, a wraz z Claude-Louisem Bertholletem opracował nomenklaturę chemiczną, z której część nazw jest używana do dziś. Lavoisier zajmował się też rolą tlenu w korozji metali oraz oddychaniu organizmów żywych, wydał dzieło uważane za pierwszy nowoczesny podręcznik chemii, Traité Élémentaire de Chimie, który podaje listę pierwiastków: tlen, wodór, azot, fosfor, rtęć, cynk i siarka, a także światło i ciepło, uznane przez autora za substancje (Hassa, Mrzigod, Nowakowski, 2004).

Teoria flogistonu — tłumaczyła proces spalania. Powstała w XVII wieku, prawdopodobnie inspirowana była alchemią. Zakłada obecność w materii składnika, flogistonu, odpowiedzialnego za proces spalania. Tlen uznawany był za nośnik flogistonu. Obalona została doświadczeniem- obserwacją ubytku tlenu podczas spalania, objawiającym się jako podciśnienie.

Oświecenie, opierając się na doświadczeniu i obserwacji, nie filozoficznej spekulacji, obaliło możliwość przeprowadzenia transmutacji w sposób wybrany przez alchemików. Stało się jasnym, że nie można otrzymać złota posługując się jedynie rtęcią, siarką, solą, ołowiem i innymi substancjami złota w swym składzie niezawierającymi. Prace Lavoisiera ostatecznie obaliły teorię żywiołów oraz stworzyły podstawy nowoczesnej chemii, z których część stanie się przybliżeniami, światło i ciepło znikną z listy pierwiastków i przestaną być uznawane za materie, by, poniekąd, stać się nią powtórnie w czasach współczesnych, dzięki rozwojowi fizyki i chemii kwantowej.

Rozwój chemii i fizyki atomu, geneza sztucznej transmutacji

Okres, w którym transmutacje uważano za niemożliwą trwał aż do wieku XX, chociaż pod koniec XIX w. odkryto rozpad atomów i promieniotwórczość, co jest niewątpliwie związane z transmutacją, jaką znamy dziś. Rozpad pierwiastków odkryli w roku 1898 Maria Skłodowska-Curie i jej mąż, Pierre Curie. Odkrycie Marii i Pierra jest istotne nie tylko dlatego, że kładzie podwaliny pod badania przemian jądrowych, ale także zburzyło dotychczasowe przekonania o niepodzielności atomu i, jak się zdawało, opisaniu wszystkich istniejących pierwiastków.

Uran, Becquerel i Skłodowska-Curie

Odkrycie rozpadu promieniotwórczego przez Marię Skłodowską-Curie zostało poprzedzone odkryciem Henriego Becquerela, który dwa lata wcześniej w 1896 roku zaobserwował zjawisko promieniowania. Był to przypadek. Becquerel zajmował się zagadnieniem fosforescencji. Badania polegały na wystawieniu próbki na działanie światła, a następnie zawinięciu jej w kliszę fotograficzną, by sprawdzić, czy zachodzi zjawisko fosforescencji. Jednak pewnego dnia pogoda nie pozwalała na naświetlenie próbki rudy uranowej, dlatego Becquerel schował ją do kieszeni fartucha, w której była także klisza. Po kilku dniach badacz przypomniał sobie o pozostawionej próbce i wyjął ją. Zauważył, że część kliszy jest zaciemniona, dokładnie ta, która stykała się z próbką. Próbą wytłumaczenia faktu przez Becquerela była hipoteza, że próbka emituje promieniowanie podobne do promieniowania X. Była to jednak błędna interpretacja. Nie udało mu się również w zadowalający sposób opisać zależności między aktywnością promieniotwórczą a zawartością uranu. Jedynym instrumentem pomiarowym były wówczas niedokładne, w dużym stopniu narażone na błędy, klisze fotograficzne. Becquerel zlecił zbadanie zjawiska Marii Skłodowskiej- Curie, w ramach pracy doktoranckiej (Hassa, Mrzigod, Nowakowski, 2004).

Fosforescencja—zjawisko polegające na emisji światła widzialnego (i nie tylko), po naświetleniu substancji promieniowaniem o odpowiedniej energii. Zjawisko jest często na tyle długotrwałe, że jest obserwowalne gołym okiem.

Praca Skłodowskiej- Curie opierała się na obserwacji różnic w promieniotwórczości różnych rud uranowych. Niektóre rudy dawały znacznie większe promieniowanie od innych, co doprowadziło noblistkę do wniosku, że część rud zawiera nieznany jeszcze składnik. Podjęła się wyodrębnienia go metodami chemicznymi. Okazało się, że przyczyną większej intensywności promieniowania był inny pierwiastek, rad, o wiele bardziej promieniotwórczy od uranu.

Ciastko z rodzynkami

Kolejnym ważnym odkryciem było sformułowanie i dowiedzenie słuszności hipotezy o istnieniu jądra atomowego, które skupia zdecydowaną większość masy atomu. Dokonał tego Ernest Rutherford. Przed wprowadzeniem przez Rutherforda nowego modelu atomu obowiązywał model Thomsona, zwany także ciastem z rodzynkami (w oryginale „plum pudding model”). Model ciasta z rodzynkami zakładał, że atom jest dodatnio naładowaną sferą, wewnątrz której znajdują się bezładnie rozrzucone elektrony o ładunku ujemnym. W modelu takim elektrony, analogicznie do rodzynek w cieście, rozmieszczone są bezładnie. Jednak nie jest to do końca prawdą, gdyż ładunki na nich występujące porządkowałyby je tak, że elektrony rozłożyłyby się równomiernie i jedynie chwilowo, w skoordynowany sposób, zmieniałyby swoje miejsce. Logiczną konsekwencją wspomnianego modelu jest równomierna gęstość atomu — w każdym jego punkcie moglibyśmy spodziewać się w miarę identycznego rozmieszczenia elektronów. Rutherford badając promieniowanie α przeprowadził, w roku 1909, doświadczenie, które obaliło model Thomsona.

Eksperyment polegał na naświetleniu folii wykonanej ze złota promieniowaniem α. Zakładając, według ówczesnego modelu, że atom jest homogeniczny, promieniowanie powinno przejść przez folię nie zmieniając swojego kierunku. W rzeczywistości zaobserwowano liczne refleksy, a nawet odbicie promieniowania od powierzchni złota. Obserwacje te pozwoliły na udowodnienie, że atom nie jest jednorodny, jak dotychczas zakładano. Dodatkowo informacje o ładunku niesionym przez promienie α pozwoliły wywnioskować, że skupiające znaczną część masy jądro atomowe jest dodatnio naładowane (Hassa, Mrzigod, Nowakowski, 2004).

Promieniowanie α ma ładunek dodatni- do stwierdzenia tego faktu wystarczy obserwacja zachowania cząstek α w polu elektrycznym. Dodatnio naładowana elektroda odpycha cząstki α, więc są one dodatnio naładowane.

Pierwsza przemiana jądrowa

Przełom XIX i XX wieku przyniósł wiele odkryć związanych z pierwiastkami. Odkrycia te stały się podwalinami dla rozwoju współczesnej chemii i fizyki kwantowej, a także umożliwiły zrozumienie i przeprowadzenie procesu przemiany jądrowej, transmutacji. Spośród wielu ważnych odkryć można wyróżnić osiągnięcie Becquerela, który zaobserwował rozpad promieniotwórczy i, choć nie zinterpretował wyników swej obserwacji w taki sposób, w jaki dziś je rozumiemy, było to ważne odkrycie, które ukierunkowało kolejnych badaczy. Jednym z naukowców zaangażowanych w badanie zjawiska odnotowanego przez Becquerela była Maria Skłodowska-Curie. Jej badania są ważne ze względu na zwrócenie uwagi na przemiany promieniotwórcze i odkrycie nowych pierwiastków, co zaprzeczyło panującemu wówczas przekonaniu o odkryciu wszystkich pierwiastków oraz ich stabilności. Ostatni z wymienionych, Ernest Rutherford, udowadnia w toku swojej pracy istnienie jądra atomowego, co obala dotychczasowy model ciasta z rodzynkami. Liczne odkrycia na przełomie wieków stały się podstawą dla rozwoju współczesnych teorii dotyczących materii i jej budowy na poziomie atomowym i subatomowym, pozwoliły one także spojrzeć na materię jak na twór zmienny, a więc możliwy do przemiany (Hassa, Mrzigod, Nowakowski, 2004), (Bielański, 2010).

Dodać można, że pierwsza udokumentowana przemiana jądrowa została przeprowadzona w roku 1919 przez Rutherforda. Podczas naświetlania powietrza promieniowaniem α naukowiec zauważył dziwne promieniowanie. Następnie, używając czystego azotu, dokonał przemiany azotu-14 w tlen-17. Produktem ubocznym przemiany atomu azotu w atom tlenu przy zderzeniu z cząstką α są protony. To one były tymże „dziwnym promieniowaniem” (Bielański, 2010).

Transmutacja w wieku XX

Odkrycia z przełomu XIX i XX wieku stanowiły fundament pod stworzenie teorii kwantowych, które dały możliwość zrozumienia przemian i procesów zachodzących w świecie w skali nano, w tym także przemiany nie ołowiu, lecz bizmutu w złoto. Wiele osiągnięć ważnych dla chemii i fizyki kwantowej nie zostanie tu opisanych. Byłby to opis długi i niekoniecznie istotny dla całości tekstu, gdyż dotyczą one bardziej elektronów, a te są bardzo małe w porównaniu do jądra atomowego, którego przemiana warunkuje przemianę pierwiastków i dlatego należy je opisywać w odmienny sposób. Udokumentowana transmutacja miała miejsce w roku 1941. Autorami pracy opisującej to dokonanie są R. Sherr i K. T. Bainbridge (Bielański, 2010). Do przeprowadzenia tego procesu użyto szybkich neutronów, uzyskanych w reakcji litu z deuterem (zderzanie litu z rozpędzonymi jądrami deuteru) uzyskując złoto i platynę.

Deuter—nazwa dla izotpu wodoru o masie atomowej 2. Tylko izotopy wodoru mają indywidualne nazwy, ze względu na znaczące różnice we właściwościach; izotop o masie 1u to prot, 2u- deuter, 3u- tryt.

Niestety złoto otrzymane przez badaczy było niestabilne i rozpadało się do innych, bardziej stabilnych, pierwiastków. Możliwe jest, że opisanego eksperymentu dokonał znacznie wcześniej badacz japoński Hantaro Nagaoka już w roku 1921 (Miethe, 1924). Początkowe odkrycia związane z otrzymywaniem sztucznego złota nie były zachęcające. Sama metoda otrzymania kruszcu była kosztowna, wymagała drogiej aparatury i charakteryzowała się niską wydajnością, ale o ile z takimi problemami należy się liczyć, to uzyskany produkt był niestabilny.

(Al)chemiczne złoto

Badania nad reakcjami jądrowymi ciężkich jonów doprowadziły Gleen T. Seaborga do opracowania metody uzyskiwania złota w przemianie jądrowej zwanej metodą Seaborga. Metoda ta umożliwia uzyskanie złota z bizmutu poprzez bombardowanie go jonami powszechnego węgla ¹²C i neonu ²⁰Ne, posiadającymi odpowiednie energie. W doświadczeniu użyto foli z bizmutu, bombardowano ją wiązkami, odpowiednio jonów wspomnianego węgla lub neonu. Następnie folię taką roztwarzano w mieszance stężonych kwasów: solnego i azotowego (1:2). W kolejnym etapie prowadzono pomiar intensywności promieniowania przez rok. Jak wynika z wyliczeń przedstawionych w pracy opisującej ten eksperyment, możliwe jest otrzymanie stabilnego izotopu złota ¹⁹⁷Au. Zawartość stabilnego izotopu wyniosłaby od około 1 do około 4 procent. Samo doświadczenie było kosztowne, a uzyskiwanie złota taką metodą- zupełnie nieopłacalne (Loveland, McGaughey & Seaborg, 1981).

Dynamiczny rozwój chemii i fizyki kwantowej zapoczątkowany u schyłku wieku XIX, a intensywnie kontynuowany w wieku XX, umożliwił wytworzenie sztucznego złota. Początkowo realne było uzyskanie niemal wyłącznie niestabilnych izotopów, jednak wraz z postępami w prowadzeniu reakcji jądrowych powszechniejszym stało się otrzymywanie większej ilości stabilnego izotopu złota. Pomimo możliwości produkcji złota, nie jest to proces opłacalny. Prawdopodobnie w przyszłości metal ten będzie odzyskiwany ze zużytych prętów paliwowych z reaktorów razem z innymi pierwiastkami, co mogłoby uczynić proceder ten rentownym, jednak na ten moment produkcja złota jest niekorzystnym ekonomicznie popisem ludzkiej wiedzy.

Bibliografia

1. Bielański, A. (2010). Podstawy chemii nieorganicznej. Warszawa: Wydawnictwo Naukowe PWN
2. Bugaj, R. (1991). Hermetyzm. Wrocław, Warszawa, Kraków: Zakład narodowy im. Ossolińskich
3. Hassa, R., Mrzigod, J., Nowakowski, J. (2004). Podręczny słownik chemiczny. Katowice: Videograf
4. Loveland, W., McGaughey, P. L., & Seaborg, G. T. (1981). Energy dependence of Bi 209 fragmentation in relativistic nuclear collisions. Physical Review C, 23(3), 1044.
5. Miethe, A. (1924). Der Zerfall des Quecksilberatoms. Naturwissenschaften, 12(29), 597–598.
6. Polskie Wydawnictwo Naukowe PWN. (2017). Złoto. Pobrano z: https://encyklopedia.pwn.pl/haslo/zloto;4001784.html, Dnia (2017, 07, 27).
7. PubChem. (2017). Złoto(CID: 23985). Pobrano z: https://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/compound/23985,Dnia (2017, 07, 27).
8. Sherr, R., Bainbridge, K., Anderson, H. (1941). Transmutation of Mercury by Fast Neutrons. The Physical Review,Vol. 60 No.7, 473–479
9. Tatarkiewicz, W. (2005). Historia Filozofii. Warszawa: Wydawnictwo Naukowe PWN

Autor

mgr. farm Michał Rudko — magister farmacji (Uniwersytet Medyczny im. Piastów Śląskich we Wrocławiu). Zainteresowany między innymi chemią w szczególności chemią organiczną, syntetyczną, polimerów, krystalografią, modelowaniem molekularnym i epidemiologicznym oraz historią.