Tytuł oryginału: The Disappearing Spoon: And Other True Tales of Madness, Love, and the History of the World from the Periodic Table of the Elements

Przekład: Adam Wawrzyński
Redaktorzy prowadzący: Katarzyna Nawrocka, Maria Zalasa
Redakcja: Katarzyna Nawrocka
Konsultacja merytoryczna: Krzysztof Rejmer
Korekta: Agnieszka Grzywacz

Projekt okładki oryginalnej: Will Staehle/Unusual Co.

Copyright © Sam Kean 2010, 2011
This edition published by arrangement with Little, Brown and Company,New York, USA. All rights reserved.
Copyright for Polish edition and translation © Wydawnictwo JK, 2017

Wszelkie prawa zastrzeżone. Żadna część tej publikacji nie może być powielana ani rozpowszechniana za pomocą urządzeń elektronicznych, mechanicznych, kopiujących, nagrywających i innych bez uprzedniego wyrażenia zgody przez właściciela praw.

ISBN 978-83-7229-710-5
Wydanie I, Łódź 2017

Wydawnictwo JK
Wydawnictwo JK, ul. Krokusowa 3,
92-101 Łódź tel. 42 676 49 69 www.wydawnictwofeeria.pl

Konwersję do wersji elektronicznej wykonano w systemie Zecer.

Wstęp

WSTĘP

Pamiętam, że kiedy byłem mały, czyli na początku lat osiemdziesiątych, dosłownie nic nie mogło zahamować potoku słów wydobywającego się z moich ust. Wszystko jedno, czy akurat coś jadłem, czy siedziałem z dentystyczną łopatką między zębami, czy miałem w buzi koniec sznurka od balonu, nic mnie nie mogło powstrzymać. Nie przeszkadzał mi nawet brak słuchaczy. Zresztą właśnie dzięki temu nawykowi mówienia narodziła się moja fascynacja układem okresowym pierwiastków – a stało się to w dniu, w którym po raz pierwszy zostałem sam w pokoju z termometrem umieszczonym pod językiem. W pierwszych klasach podstawówki zapalenie gardła miałem co najmniej kilka razy w roku, a ból towarzyszący przełykaniu w zasadzie nigdy się nie kończył. Przyznam szczerze, że chętnie zostawałem w domu i nie miałem szczególnych oporów przed leczeniem się lodami waniliowymi z polewą czekoladową. W dodatku za każdym razem miałem nową szansę na stłuczenie termometru rtęciowego, no wiecie, takiego, jakiego używało się przed laty.

Wystarczyło, bym nieco się zapomniał i spróbował głośno odpowiedzieć na postawione w myślach pytanie, a termometr wymykał mi się z ust i roztrzaskiwał na drewnianej podłodze, po której we wszystkie strony rozbiegały się natychmiast maleńkie kuleczki rtęci. Dosłownie moment później moja matka, mimo swoich chorych stawów biodrowych, lądowała na podłodze i rozpoczynało się widowisko pod tytułem zaganianie kuleczek. Używając wykałaczki niczym zminiaturyzowanego kija hokejowego, popychała pierwszy z brzegu drżący paciorek w stronę innego. Wreszcie, zachęcone ostatnim szturchańcem, kuleczki łączyły się ze sobą – i tam, gdzie przed chwilą znajdowały się dwa koraliki, widać było już tylko nieskazitelnie gładką kulę. Moja rodzicielka ponawiała tę magiczną sztuczkę z kolejnymi koralikami, przetaczając stale rosnącą kulkę po całej podłodze.

Kiedy rtęć była już zebrana, nadchodził czas na plastikową buteleczkę po tabletkach, znajdującą się na półce z durnostojkami w kuchni, między starym pluszowym misiem z wędką w łapce a niebieskim ceramicznym kubkiem, przywiezionym w 1985 roku z rodzinnego zjazdu. Kulka była wtaczana na papierową kopertę i po chwili najnowsza porcja rtęci dołączała do większej kulki – wielkości orzecha – już zebranej w butelce. Czasami, zanim butelka wróciła na półkę, matka nalewała trochę rtęci do zakrętki i pozwalała, bym razem z rodzeństwem przyglądał się przez chwilę, jak futurystyczny metal krąży po okręgu, bez końca rozdzielając się na mniejsze strużki i łącząc się z powrotem. Zawsze było mi okropnie żal dzieciaków, których matki bały się rtęci do tego stopnia, że trzymały je z dala nawet od tuńczyka. A przecież średniowieczni alchemicy, choć owładnięci żądzą złota, za najbardziej potężną i poetycką siłę we wszechświecie uważali właśnie rtęć. W dzieciństwie w pełni podzielałem ten pogląd. Wierzyłem, że to, co dotyczy rtęci, przekracza zwykłe, prozaiczne podziały na płynne i stałe, metal i wodę albo piekło i niebo. Nie miałem wątpliwości, że rtęć kryje w sobie tajemniczą, nieziemską siłę. Dopiero później dowiedziałem się, że zachowuje się tak dziwnie, ponieważ jest pierwiastkiem.

Inaczej niż wodę czy dwutlenek węgla, czy niemal wszystko, z czym stykamy się na co dzień, rtęci nie da się podzielić na składowe. Właściwie rtęć to jeden z wyjątkowo sekciarskich pierwiastków: jej atomy lubią przebywać w swoim towarzystwie, a kontakty ze światem zewnętrznym ograniczają jak tylko się da, zwijając się w kulkę. Większość cieczy, które rozlewałem w dzieciństwie, tak się nie zachowywała. Woda płynęła szeroką strugą, podobnie olej, ocet czy słabo ścięta galaretka. Ale nie rtęć. Rodzice zawsze przestrzegali mnie, bym nie chodził boso po podłodze, na której wcześniej rozbiłem termometr, bo niewidoczne drobiny szkła łatwo mogą wbić mi się w stopę. Nie przypominam sobie jednak, by mówili coś podobnego o rtęci.

Długo byłem wyczulony na wszelkie wzmianki o pierwiastku 80., czy to w książkach, czy w szkole, tak jak inni zwracają uwagę na nazwisko dawnego szkolnego kolegi pojawiające się w prasie. Pochodzę z Wielkich Równin i na lekcjach uczyłem się o wyprawie Lewisa i Clarka i o tym jak przemierzali Dakotę Południową i pozostałą część Luizjany¹ wyposażeni w kompasy, mikroskop, sekstanty, trzy rtęciowe termometry i inne instrumenty. Nikt nie powiedział mi jednak wówczas, że podróżnicy mieli ze sobą także około sześciuset środków na przeczyszczenie zawierających rtęć, każdy wielkości czterech dzisiejszych aspiryn. Środki te nosiły nazwę Pigułek Przeciwbiegunkowych Doktora Rusha, na pamiątkę Benjamina Rusha, sygnatariusza Deklaracji Niepodległości i bohaterskiego medyka, który pozostał w Filadelfii podczas epidemii żółtej febry w 1793 roku. Jego ulubionym lekarstwem, które zapisywał na niemal każdą chorobę, był mętny koktajl z chlorku rtęci. Mimo sporego postępu medycyny, który dokonał się w ciągu czterech stuleci poprzedzających XIX wiek, licznym ówczesnym medykom wciąż bliżej było do znachorów niż do przedstawicieli służby zdrowia. Jako zwolennicy tzw. magii sympatycznej² twierdzili, że piękna i pełna powabu rtęć, wywołująca nieprzyjemne skutki, doskonale służy pacjentom – opierając się na założeniu, że „trucizna zwalcza truciznę”. Doktor Rush zmuszał pacjentów do przyjmowania płynnego koktajlu z rtęcią aż do chwili, gdy pojawiał się u nich ślinotok. Jeśli kuracja trwała kilka tygodni, pacjentom zaczynały wypadać zęby i włosy. Dziś nie ma wątpliwości co do tego, że to cudowne lekarstwo ostro zatruło czy wręcz zabiło całe rzesze ludzi, którzy przetrwaliby zakażenie żółtą febrą. Ale nic to; po przetestowaniu swej terapii na pacjentach w Filadelfii i dopracowaniu składu leku dziesięć lat później doktor przygotował dla Meriwethera Lewisa i Williama Clarka spory zapas osobno zapakowanych pigułek. Przyjmowanie „lekarstwa” przez członków słynnej wyprawy miało pewien korzystny skutek uboczny, choć nie dla pacjentów. Dzięki jego stosowaniu archeolodzy mogą obecnie namierzyć dawne obozowiska. Jako że członkowie ekspedycji żywili się dość przypadkowymi produktami i pili wodę z niepewnych źródeł, właściwie zawsze któryś z nich miał problemy żołądkowe. Do dziś w wielu miejscach, w których odkrywcy wykopali latrynę, wykrywa się spore stężenia rtęci. To właśnie skutek świetnego działania pigułek doktora Rusha – nazywanych też pigułkami piorunującymi.

Oczywiście o rtęci wspominano również w szkole. Kiedy nauczyciel pokazał nam plakat z układem okresowym pierwiastków, rzuciłem się, żeby odnaleźć na nim rtęć, ale nigdzie jej nie dostrzegłem. Rzecz jasna, jest tam, na swoim miejscu, między złotem – tak jak ona miękkim i gęstym, oraz talem – tak jak ona trującym. Tyle tylko, że symbol rtęci, Hg, składa się z dwóch liter, które nawet nie występują w jej nazwie. Znalazłszy rozwiązanie tej zagadki (skrót pochodzi od łacińskiego słowa hydragyrum, czyli „płynnego srebra”) dostrzegłem, jak ogromny wpływ na układ okresowy wywarły starożytne języki i mitologia – co zresztą nie zmieniło się do dziś: najlepszym dowodem są nazwy nadawane nowo odkrywanym superciężkim pierwiastkom z dolnego rzędu tabeli.

Ale informacje o rtęci pobrzmiewały też na zajęciach z literatury. Wiadomo, że wytwórcy kapeluszy używali roztworu azotanu rtęci (II) do oddzielania futra od skóry, a ponieważ niemal stale przebywali w oparach rtęci, stopniowo tracili włosy i władze umysłowe. Szalony Kapelusznik z Alicji w Krainie Czarów nie wziął się znikąd. W końcu dotarło do mnie, jak bardzo trująca jest rtęć, co przy okazji pomogło mi zrozumieć, dlaczego pigułki przeciwbiegunkowe doktora Rusha tak dobrze działały na przeczyszczenie: organizm zawsze stara się jak najszybciej pozbyć trucizny, także rtęci. Ale choć jej połykanie jest szkodliwe, wdychanie oparów okazuje się jeszcze groźniejsze w skutkach. Opary rtęci niszczą „kabelki” w ośrodkowym układzie nerwowym i dosłownie wypalają dziury w mózgu, wywołując objawy podobne do zaawansowanego alzheimera.

Im więcej dowiadywałem się o niebezpieczeństwach związanych z rtęcią, tym bardziej fascynowało mnie jej destrukcyjne piękno. „Tygrysie, błysku w gąszczach mroku” – jak napisał William Blake³. Kilka lat później moi rodzice odnowili kuchnię, a półka z buteleczką oraz misiem trzymającym wędkę zniknęły ze ściany. Przedmioty trafiły do kartonowego pudła. Kiedy niedawno odwiedziłem dom rodzinny, przekopałem zawartość kartonu. Na dnie znalazłem butelkę z zieloną naklejką. Otworzyłem ją i zajrzałem do środka. Poruszając nią nieco na boki, wyraźnie poczułem, jak zmienia się ciężar wewnątrz, wprawiony w ruch po okręgu; a kiedy zerknąłem do środka, mój wzrok natychmiast przyciągnęły drobiny rozchlapane na ściankach. Połyskiwały ze środka niczym maleńkie krople wody, tak doskonałe, że aż nierzeczywiste. W dzieciństwie kropelki rtęci kojarzyły mi się jedynie z gorączką. Tym razem, dobrze już rozumiejąc skupioną grozę ich symetrii – poczułem nagły chłód.

Zaciekawiony tym jednym pierwiastkiem zgłębiałem historię, etymologię, alchemię, mitologię, literaturę, psychologię i dowiedziałem się sporo o truciznach1. A przecież podobnych niezwykłych opowieści jest dużo więcej – wiele z nich poznałem w trakcie studiowania przedmiotów ścisłych, także dzięki profesorom, którzy dawali się podpuszczać i zaniedbując swoją pracę naukową, opowiadali mi przeróżne smakowite anegdoty.

Muszę przyznać, że jako student fizyki wiążący swoją przyszłość raczej z pisarstwem niż z pracą badawczą czułem się nieco głupio wśród uzdolnionych kolegów kochających ten przedmiot i doświadczenia w stopniu, który nigdy nie stał się moim udziałem. Spędziłem pięć chłodnych lat w Minnesocie i ukończyłem fizykę z wyróżnieniem, ale mimo strawienia setek godzin w laboratorium, mimo wykucia na blachę tysięcy wzorów, mimo rysowania dziesiątków tysięcy schematów z pozbawionymi tarcia bloczkami i równiami pochyłymi – tarcie można pominąć – najwyżej ceniłem historie opowiadane przez moich ulubionych profesorów. Historie dotyczące Gandhiego, Godzilli czy pewnego wyznawcy eugeniki, który podkradłszy cudze odkrycie związane z germanem, chciał się załapać na Nagrodę Nobla. Albo te o kawałkach wybuchowego sodu, które wrzucone do rzeki, zabijały ryby, zapewniając obfity połów; czy o technikach w wahadłowcu, którzy w poczuciu nieziemskiej błogości przenieśli się na tamten świat wskutek uduszenia azotem. Była też niezwykła opowieść o profesorze, byłym pracowniku mojej uczelni, który przeprowadzał eksperymenty na swoim własnym rozruszniku serca, zasilanym plutonem – profesor na zmianę przyspieszał i spowalniał działanie rozrusznika, stojąc obok gigantycznego uzwojenia i odpowiednio przy nim majstrując.

Z wypiekami na twarzy pochłaniałem tego typu opowieści i jakiś czas temu, rozmyślając podczas śniadania o rtęci, uświadomiłem sobie, że właściwie z każdym pierwiastkiem wiąże się jakaś historia – zabawna, dziwaczna czy mrożąca krew w żyłach. Przy tym stworzenie układu okresowego pierwiastków to jedno z największych dokonań ludzkości. Krótko mówiąc, jest to zarówno wielkie osiągnięcie naukowe, jak i prawdziwa kopalnia rozmaitych historii. Właśnie dlatego napisałem tę książkę – by ukazać różne perspektywy, z których można patrzeć na ten uporządkowany zbiór pierwiastków. To trochę tak jak z rycinami w atlasie anatomii, ukazującymi różne wycinki tej samej całości. Na najbardziej podstawowym poziomie układ okresowy pierwiastków to po prostu katalog najprzeróżniejszych rodzajów materii w naszym wszechświecie, około setki aktorów, których silne indywidualne cechy osobowości decydują o kształcie otaczającego nas świata. Pewne cechy układu dają nam naukowe wskazówki, jak poszczególne osobowości odnajdują się w tym tłumie. Na troszkę bardziej skomplikowanym poziomie zakodowane są informacje dotyczące tego, skąd pochodzą poszczególne atomy i które z nich stosunkowo łatwo mogą zmienić swą postać lub przekształcić się w atomy innego pierwiastka. Oczywiście, atomy tworzą też dynamiczne układy, na przykład organizmy żywe, a tabela z okresami pierwiastków daje nam wiele podpowiedzi co do tego, jak się to odbywa. Można się też z niej dowiedzieć, jakie kombinacje co bardziej perfidnych pierwiastków szkodzą światu ożywionemu czy wręcz zabijają jego wytwory.

No i najważniejsze – układ okresowy to prawdziwie cudowny wytwór ludzkiej myśli, lustro, w którego odbiciu możemy dostrzec zarówno nasze najwspanialsze, jak i nieco mniej szlachetne cechy. Wreszcie, to historyczny zapis tego, jak odnajdujemy się w otaczającym nas świecie, historia naszego gatunku ujęta w krótkim i przejrzystym skrypcie. Warto więc spojrzeć na układ okresowy ze wszystkich tych perspektyw, zaczynając od podstaw i stopniowo odkrywając jego złożoność. Wiążące się z nim historie nie tylko dostarczą nam rozrywki, lecz także ukażą pewne sprawy zupełnie inaczej, niż tłumaczą to podręczniki. Żywimy się pierwiastkami układu okresowego, oddychamy nimi, ale niektóre z nich nas trują; stawiamy na nie wielkie sumy i przegrywamy fortuny; filozofowie z ich pomocą próbują dociec znaczenia nauki; z ich powodu wszczynamy wojny. Gdzieś między wodorem – tkwiącym w lewym górnym rogu układu okresowego – i rzeczami niemożliwymi, a jednak stworzonymi ludzką ręką, czającymi się w dolnych rzędach tabeli, odkryjemy bąbelki i bomby, zbrodnie i trucizny, historyczne dokonania i przyziemną politykę, pieniądze i miłość. A czasem może nawet coś związanego z nauką.

Chodzi o francuską Luizjanę, w przybliżeniu obszar dorzecza Missisipi, sprzedany USA w 1803 roku (przyp. tłum.). [wróć]

Pojęcie pochodzące z antropologii kulturowej, wprowadzone przez Jamesa Frazera, według którego działanie analogiczne wywołać powinno analogiczny efekt (przyp. tłum.). [wróć]

Tygrys, William Blake, przekł. Stanisław Barańczak (przyp. tłum.). [wróć]

CZĘŚĆ I. ZASADY NAWIGACJI: KOLUMNA PO KOLUMNIE, RZĄD ZA RZĘDEM

CZĘŚĆ I

ZASADY NAWIGACJI:
KOLUMNA PO KOLUMNIE,
RZĄD ZA RZĘDEM

Rozdział 1. Geografia decyduje o przeznaczeniu

ROZDZIAŁ 1

Geografia decyduje o przeznaczeniu

Fraza „układ okresowy pierwiastków” powszechnie budzi skojarzenia z wielką tabelą wiszącą na ścianie pracowni chemicznej w szkole średniej i wyróżniającą się asymetrycznym układem kolumn i rzędów, którą zasłania momentami przechadzający się po klasie nauczyciel. Zwykle plakat ten jest naprawdę spory, co najmniej dwa metry na jeden, co trochę onieśmiela uczniów, ale też zupełnie odpowiednio podkreśla jego absolutnie podstawowe znaczenie dla chemii. To specyficzna pomoc naukowa – wprowadzona we wrześniu, wciąż zachowuje aktualność w czerwcu; w dodatku podczas klasówek i egzaminów można, a czasem nawet trzeba z niej korzystać. Choć część z was pewnie przypomina sobie frustrację wynikającą z tego, że choć bezkarnie mogliście wgapiać się w wiszącą na ścianie gigantyczną ściągę, rozpaczliwie brakowało wam pomysłów, jak toto właściwie ugryźć.

Z jednej strony tabela wydaje się tak idealnie rozplanowana, jakby projektowali ją niemieccy inżynierowie pragnący uzyskać narzędzie o możliwie najwyższej użyteczności naukowej. Ale z drugiej strony te wszystkie liczby z przecinkami, skróty i zapisy przypominają kody błędów programów komputerowych, np. ([Xe]6s24f15d1) – kiedy pierwszy raz się je widzi, trudno nie czuć niepokoju. No i chociaż wiadomo, że wszystko to ma jakieś przełożenie na biologię i fizykę, to w sumie nie do końca wiadomo jakie. Myślę jednak, że głównym źródłem frustracji uczniów zaczynających swoją przygodę z chemią zawsze było, jest i będzie to, ile z niej potrafi wyczytać klasowy mądrala, który ją ogarnia – a przede wszystkim, z jaką łatwością, a wręcz nonszalancją przychodzi mu wydobycie z niej istotnych informacji. Przypuszczam, że jest to irytacja podobna do tej, jaką odczuwają daltoniści, widzący, jak łatwo przychodzi przeciętnemu człowiekowi odczytanie liczby zaznaczonej inną barwą na kropkowanym, różnokolorowym diagramie do badania wzroku. Wiedzą, że gdzieś tam skrywają się istotne informacje, ale nie potrafią ich wydobyć. Większość z nas żywi więc wobec układu okresowego pierwiastków mieszaninę częściowo sprzecznych uczuć: fascynację, sentyment, ale też odrazę i poczucie, że nie do końca pojmujemy, o co w nim chodzi.

Moim zdaniem każdy nauczyciel zaczynający lekcję o układzie okresowym pierwiastków powinien najpierw zaprezentować klasie taką wersję tabeli, w której nie byłoby jakichkolwiek napisów. Niech uczniowie przez chwilę na nią popatrzą.

Co ujrzą? Coś na kształt szkicu zamku z nierównym zwieńczeniem muru, jakby dworscy murarze nie dokończyli pracy. Zdążyli jedynie wybudować dwie wysokie wieże obronne na dwóch końcach. Cała konstrukcja składa się z osiemnastu kolumn nierównej wysokości i siedmiu częściowo niepełnych rzędów, u podnóża zaś widnieją dodatkowe dwa rzędy tworzące coś na kształt pasa startowego. Pierwszą ważną informacją związaną z tą budowlą jest to, że każda cegiełka jest tu unikatowa i nie daje się swobodnie wymieniać z innymi. Każda jest bowiem pierwiastkiem – substancją chemiczną (współcześnie znamy 118 pierwiastków, a przewidujemy istnienie kolejnych) o określonych właściwościach. Gdyby któraś z cegieł znalazła się w innym miejscu, cały zamek by się zawalił. I wcale nie przesadzam: gdyby chemicy odkryli, że niektóre pierwiastki można zamienić miejscami lub przesunąć gdzie indziej, gmach ległby w gruzach.

Kolejną architektoniczną ciekawostką związaną z układem okresowym pierwiastków jest to, że poszczególne jego części zbudowane są z różnych materiałów. Trzy czwarte cegieł to metale, co oznacza, że większość bloków tworzących tę konstrukcję składa się z szarawych, chłodnych ciał stałych (a przynajmniej jest to prawdą w zakresie temperatur, w którym żyjemy). W pierwszych kolumnach, licząc od prawej, natrafimy na pierwiastki gazowe; ponadto tylko dwa pierwiastki w całym układzie okresowym w temperaturze pokojowej są cieczami: rtęć i brom. Gdzieś w pół drogi między gazami a metalami, mniej więcej tam, gdzie na mapie USA umiejscowiony jest stan Kentucky, natkniemy się na pierwiastki (metale) przejściowe, o zróżnicowanych cechach, a często zaskakujących właściwościach – na przykład zdolności do tworzenia kwasów miliardy razy mocniejszych od czegokolwiek, co skrywa się w szkolnej gablocie z odczynnikami. Gdyby poszczególne cegły składały się z substancji, które symbolizują, zbudowany z nich zamek byłby najprawdziwszym architektonicznym dziwolągiem naszpikowanym elementami z różnych stylów i epok czy też, ujmując rzecz nieco inaczej, jego projektu nie powstydziłby się zapewne sam Daniel Libeskind, mistrz eleganckiego łączenia materiałów na pozór zupełnie do siebie nieprzystających.

Jeśli zastanawiacie się, po co tyle rozważań na temat planu, według którego zbudowano zamek, to spieszę wyjaśnić, że położenie dowolnego pierwiastka w tabeli układu okresowego określa niemal wszystkie jego właściwości istotne z naukowego punktu widzenia. Można powiedzieć, że jego miejsce w tabeli decyduje o jego miejscu w szeregu. Właściwie teraz, gdy przedstawiłem już w zarysie, jak wygląda tabela układu okresowego, mogę użyć innej, znacznie wygodniejszej metafory: układ okresowy pierwiastków to swego rodzaju mapa. By dostrzec jej szczegóły, powiodę palcem od wschodu na zachód, po drodze zahaczając o rozmaite części mapy – zarówno te bardziej, jak i mniej znane.

Zacznijmy od pierwszej kolumny po prawej stronie, czyli kolumny numer osiemnaście, na którą składają się jedynie gazy szlachetne. Szlachetność wydaje się słowem z poprzedniej epoki, w chemicznym kontekście brzmi wręcz zabawnie, jakby miało się odnosić raczej do etyki czy filozofii. I rzeczywiście, termin „gazy szlachetne” wywodzi się z kolebki zachodniej filozofii, czyli ze starożytnej Grecji. Jakiś czas po tym, jak Leucyp z Miletu i Demokryt z Abdery stworzyli pojęcie atomu, Platon związał atomizm z pierwiastkami (żywiołami, elementami, z greckiego: stoicheia). Po śmierci swojego mentora Sokratesa, obawiając się o swoje bezpieczeństwo, Platon około 400 roku p.n.e. opuścił Ateny i przez wiele lat podróżował – w tym też czasie powstały jego pisma. Platon nie pojmował pierwiastków tak jak my dzisiaj. Ale gdyby miał choćby podstawowe wykształcenie chemiczne, z pewnością jego ulubionymi pierwiastkami byłyby właśnie te z pierwszej kolumny od prawej, a szczególnie hel.

W słynnym dialogu Uczta, którego motywem przewodnim jest miłość i erotyzm, Platon wskazuje, że każda żywa istota szuka dopełnienia, swojej brakującej połowy. W odniesieniu do ludzi często ma to związek z namiętnością i seksem oraz wszystkimi komplikacjami, jakie pociągają one za sobą. W swoich innych dziełach Platon stale podkreśla też, że byty abstrakcyjne i niezmienne są bardziej szlachetne i godne pożądania niż przyziemne przedmioty postrzegane zmysłowo. Dlatego też filozof wielbił geometrię, idealne kształty okręgu czy sześcianu, które docenić może tylko ludzki umysł. Przedmioty postrzegane zmysłowo uważał zaś jedynie za cienie prawdziwego bytu (idei). Na przykład drzewa są tylko cieniami, odbiciami prawdziwej, doskonałej idei drzewa, do której wszystkie rosnące za oknem sosny czy dęby starają się nieudolnie zbliżyć. Podobnie jest z rybami (jest tylko jedna idealna rybowatość) czy nawet kubkami (perfekcyjna kubkowatość w świecie idei i nieudolnie wykonane kopie w świecie dostrzegalnym). Filozof był przekonany, że idee nie były li tylko konceptami teoretycznymi, lecz naprawdę istniały, choć niewykluczone, że jedynie w wymiarze niebiańskim, bliskim bogom, znajdującym się poza zasięgiem śmiertelników. Byłby zapewne zszokowany, gdyby dowiedział się, że naukowcy – jak najbardziej z naszego wymiaru – nauczyli się przywoływać byty idealne za pomocą jednego z pierwiastków gazowych: helu.

W 1911 roku holendersko-niemiecki uczony, schładzając rtęć za pomocą ciekłego helu, odkrył, że w temperaturze -269°C w obwodzie zniknął opór elektryczny, a rtęć stała się idealnym przewodnikiem. To coś takiego, jakby schłodzić baterię iPoda do kilkuset stopni poniżej zera i odkryć, że pozostaje ona stale naładowana, w nieskończoność, dopóki tylko hel utrzymuje ją w niezwykle niskiej temperaturze. W 1937 roku rosyjsko-kanadyjski zespół badawczy dokonał jeszcze zgrabniejszej sztuczki z samym ciekłym helem: w -271°C hel stał się nadciekły, tzn. znalazł się w stanie, w którym zanikła jego lepkość, a raz wprawiony w ruch w układzie zamkniętym mógł w nim krążyć bez końca. Mało tego, nadciekły hel nic sobie nie robił z grawitacji i płynął na przykład pod górę albo wspinał się po ściankach naczynia. Wówczas były to dość oszałamiające dla fizyków odkrycia – choć naukowcy często kombinują i na przykład zakładają niewystępowanie tarcia, ale robią tak zazwyczaj jedynie w celu uproszczenia obliczeń. Nawet Platon nie przypuszczał, że komuś uda się kiedyś znaleźć jedną z jego doskonałych idei.

Hel to także doskonały przykład „czystej pierwiastkowości”, substancji, której nie da się prostym chemicznym sposobem rozbić na elementy składowe lub przekształcić w inny sposób. Odkrycie prawdziwej natury pierwiastków, ich właściwa identyfikacja, zajęła naukowcom aż 2200 lat – od 400 roku p.n.e. do XIX wieku – głównie dlatego, że większość pierwiastków chętnie wchodzi w interakcje ze sobą, tworząc multum przeróżnych związków chemicznych. Trudno dociec, co właściwie jest czystym, elementarnym węglem, skoro znajduje się on w tysiącach związków często o zupełnie odmiennych właściwościach. Dopiero od niedawna wydaje się nam oczywiste, że dwutlenek węgla nie jest pierwiastkiem – ponieważ jego cząsteczka składa się zarówno z węgla, jak i tlenu, czyli atomów, których nie można już rozdzielić na prostsze składowe, nie niszcząc ich. Wracając jeszcze na moment do Uczty Platona i jego teorii na temat poszukujących się wzajemnie brakujących połówek – warto zauważyć, że niemal każdy pierwiastek dąży do stworzenia więzi z innymi atomami, utworzenia związku, który ukryje jego jednostkową naturę. Wiele z „najczystszych” pierwiastków, jak choćby tlen cząsteczkowy O2, także wchodzi w skład licznych związków naturalnie występujących w przyrodzie. Cóż, gdyby naukowcy nieco wcześniej odkryli hel i jego właściwości – fakt, że nie reaguje on z żadną inną substancją i istnieje tylko w swej czystej, elementarnej formie1 – być może szybciej zrozumieliby, czym są pierwiastki.

Ale hel nie bez powodu ma takie a nie inne właściwości. Ogólnie rzecz biorąc, atomy składają się z cząstek naładowanych dodatnio, czyli protonów, oraz z cząstek o ładunku ujemnym, elektronów. Te ostatnie występują w atomie w kolejnych „warstwach” (powłokach elektronowych), idąc od środka, od jądra atomowego. Każda z tych warstw może pomieścić określoną liczbę elektronów i jeśli jest ona zapełniona we właściwy sposób, wszystko jest okej. W warstwie najbliższej jądra atomowego mieszczą się dwa elektrony, a w warstwach bardziej zewnętrznych jest ich zwykle osiem. W atomach pierwiastków liczba protonów i elektronów jest na ogół sobie równa, co oznacza, że są one elektrycznie obojętne. Jednak atomy mogą między sobą wymieniać elektrony i kiedy któryś z nich je straci albo przyjmie, staje się jonem.

Warto z tego zapamiętać, że atomy dążą do zapełnienia swoich najbardziej wewnętrznych powłok własnymi elektronami, a następnie przerzucają, współdzielą lub wręcz kradną elektrony skąd się da, by zapewnić sobie odpowiednie wypełnienie bardziej zewnętrznej warstwy. Niektóre pierwiastki uwspólniają elektrony czy też handlują nimi w cywilizowany sposób, ale są też takie, które zachowują się po prostu barbarzyńsko. Właściwie mniej więcej połowę spraw, którymi zajmuje się chemia, można streścić w jednym zdaniu – atomy, którym na zewnętrznej powłoce brakuje elektronów, będą walczyć, machlować, żebrać, nawiązywać i zrywać sojusze tylko po to, by zdobyć ich upragnioną liczbę.

Hel, pierwiastek drugi, ma dwa elektrony – dokładnie tyle, ile mu potrzeba, by zapełnić jego jedyną powłokę elektronową. Ta „skończona”, zamknięta konfiguracja daje mu niezwykłą wręcz niezależność, hel nie musi wchodzić w żadne interakcje z innymi pierwiastkami czy kraść im elektronów, ponieważ rozpiera go wewnętrzne szczęście; nie brakuje mu żadnej drugiej połowy, kocha sam siebie miłością idealną. Zresztą dotyczy to w zasadzie wszystkich gazowych pierwiastków z osiemnastej kolumny układu okresowego występujących pod helem – neonu, argonu, kryptonu, ksenonu i radonu. Wszystkie mają powłoki zapełnione kompletem elektronów, więc w normalnych warunkach nie reagują właściwie z niczym. To także z tego powodu, mimo gorączki i żarliwości, z jaką w XIX wieku poszukiwano nowych pierwiastków – i mimo stworzenia układu okresowego – do 1895 roku nie wyizolowano żadnego z gazów z kolumny numer osiemnaście. Ta powściągliwość gazów szlachetnych na tyle odróżnia je od innych pierwiastków, że niczym doskonałość trójkątów i kul prawdopodobnie oczarowałaby Platona. To do niej nawiązywali badacze, którzy po odkryciu helu i jego pobratymców ukuli termin „gazy szlachetne”. Próbując ująć to tak, jak może opisaliby tę sytuację wielcy filozofowie, stwierdzilibyśmy: „Ci, którzy wielbią piękno i stałość, w pogardzie mając zepsucie i niegodność, ponad wszystko inne wyniosą gazy szlachetne. Albowiem to one są doskonale niezmienne, nie podlegają wahaniom, nie nadskakują nachalnie ku innym pierwiastkom niczym przekupnie na targu próbujący wcisnąć komu się da swoje liche towary… Tak, gazy szlachetne są doskonałe i idealne”.

Rzadkie to cechy wśród pierwiastków. Już w sąsiedniej kolumnie, idąc w lewo, znajdziecie jedne z najaktywniejszych i najbardziej reaktywnych gazów w całym układzie okresowym – halogeny (fluorowce). A jeśli zwiniecie układ okresowy w rulon, w taki sposób, że powstanie coś w rodzaju mapy Merkatora i wschód spotka się z zachodem, a dokładniej kolumna numer jeden pojawi się na wschód od kolumny osiemnastej, to okaże się, że po prawej stronie z kolumną osiemnastą sąsiadują jeszcze reaktywniejsze pierwiastki: metale alkaliczne. Pacyfistyczne gazy szlachetne znajdą się w strefie zdemilitaryzowanej, otoczone przez niestabilnych sąsiadów.

Choć pod pewnymi względami metale alkaliczne przypominają zupełnie przeciętne metale, zamiast pokrywać się rdzą, mogą na przykład gwałtownie spalać się w powietrzu czy wodzie. Wyjątkowo łatwo nawiązują kontakty z halogenami, ze względu na wspólne interesy. Te ostatnie mają na najbardziej zewnętrznej powłoce siedem elektronów, co oznacza, że brakuje im tylko jednego do oktetu, który bardzo chcą stworzyć. Z kolei metale alkaliczne w najbardziej zewnętrznej powłoce mają pojedynczy elektron, a w głębszej warstwie komplecik, osiem elektronów. Dlatego te drugie chętnie oddają swój elektron pierwszym i dlatego też odpowiednie dodatnie i ujemne jony tworzą bardzo silne połączenia.

Podobne związki występują powszechnie – z tego też względu warto docenić rolę, jaką w atomie odgrywają elektrony. Właściwie zajmują one całą przestrzeń wokół mocno skupionego jądra atomowego, niczym wielka, spowijająca je chmura. Należy tylko pamiętać, że składające się na jądro atomu neutrony i protony są dużo większe niż elektrony. Gdyby model atomu powiększyć do rozmiaru boiska piłkarskiego, bogate w protony jądro atomowe miałoby wielkość piłeczki tenisowej położonej na samym jego środku. Natomiast elektrony byłyby wielkości główek od szpilek i śmigałyby mniej więcej po jego obwodzie – ale poruszałyby się tak szybko i tyle razy na sekundę uderzałyby w każdego, kto by się zbliżył, że tworzyłyby barierę, której niepodobna sforsować. Krótko mówiąc, z czymkolwiek atom się styka, jego jądro w tych interakcjach nie bierze udziału, liczą się tylko elektrony na obwodzie2.

Czas jednak na pewne zastrzeżenie: nie przywiązujcie się nadmiernie do analogii z boiskiem, zbitym jądrem i krążącymi wokół niego pojedynczymi elektronami. Ani też na przykład do często występującego porównania atomu do Układu Słonecznego. To ładna i użyteczna metafora, ale jak każde tego rodzaju wyobrażenie oddaje rzeczywistość tylko w pewnym przybliżeniu, o czym boleśnie przekonało się w przeszłości kilku naukowców.

Łączenie się jonów wyjaśnia, dlaczego pewne związki halogenów i metali alkalicznych tak często, i w dużych ilościach, występują w przyrodzie. Rzecz jasna, pierwiastki z kolumny z dwoma dodatkowymi elektronami na ostatniej powłoce, na przykład wapń, chętnie wchodzą w sojusz z tymi, które potrzebują dwóch elektronów – jak tlen. To najprostszy sposób na zaspokojenie krańcowo odmiennych potrzeb. Jednak pierwiastki z kolumn, które sobie nie odpowiadają tak, jak to wyżej opisano, także mogą się dobierać w związki według tych samych praw. Dwa jony sodu Na+ dobierają się z jonem tlenu O-2, tworząc tlenek sodu, Na2O. Podobnie powstaje chlorek wapnia CaCl2. Ogólnie rzecz biorąc, można się bez trudu domyślić, które pierwiastki będą szczególnie łatwo ze sobą reagowały, patrząc jedynie na numer kolumny układu okresowego, do której należą, i określając ich ładunek. Reguła ta niemal sama wyłania się z miłego dla oka układu kolumn lewo–prawo w tabeli. Niestety, nie cały układ okresowy jest taki schludny i oczywisty. Ale ta nieprzewidywalność ma czasem bardzo ciekawe skutki.

Jest taki stary dowcip o asystencie na wydziale chemii, który pewnego poranka wpada do gabinetu profesora cały w skowronkach, choć pracował całą noc. Pokazuje pryncypałowi butelkę z bulgoczącą, syczącą zieloną cieczą i oświadcza, że właśnie wynalazł uniwersalny rozpuszczalnik. Profesor nieco się dziwi: „A cóż nim jest?”. Podekscytowany asystent w odpowiedzi wyrzuca z siebie: „Kwas, który wszystko rozpuszcza!”.

Kwas, który wszystko rozpuszcza, nie tylko byłby naukowym przełomem, lecz także uczyniłby obu badaczy miliarderami; jednak profesor nie traci zimnej krwi i pyta: „Skoro tak, to jak to się dzieje, że wciąż masz go w butelce…?”.

To dobra pointa. Mam nawet pomysł, kogo można by obsadzić w roli uśmiechającego się, być może nieco złośliwie, profesora. Byłby nim Gilbert Lewis. Układ okresowy pierwiastków wygląda tak, jak wygląda, dzięki elektronom – a chyba nikt nie uczynił więcej niż właśnie Lewis, by zrozumieć w szczegółach, jak elektrony tworzą wiązania chemiczne. Jego odkrycia dotyczyły przede wszystkim kwasów i zasad, dlatego skojarzył mi się z anegdotą. Ale jej pointa pasuje do niego z jeszcze jednego powodu: przypomina, jak bardzo nieprzewidywalna bywa naukowa sława.

Lewis, wieczny tułacz, dorastał w Nebrasce, ale college i studia doktoranckie ukończył w Massachusetts (to ostatnie nastąpiło około 1900 roku). Potem wyjechał do Niemiec, gdzie uczył się dalej pod okiem chemika Walthera Nernsta. Praca w jego laboratorium okazała się jednak na tyle dokuczliwa dla Lewisa, zarówno z ważnych, jak i mniej istotnych powodów, że po paru miesiącach wrócił do Massachusetts i zatrudnił się na tamtejszej uczelni. Jednak i tam nie czuł się dobrze, więc wkrótce uciekł na kontrolowane przez USA Filipiny, zabierając ze sobą tylko jedną książkę, Chemię teoretyczną Walthera Nernsta, by przez kolejne lata obsesyjnie tropić w niej najdrobniejsze błędy i publikować kolejne artykuły naukowe na ten temat3.

W końcu zatęsknił za domem, wrócił więc do ojczyzny, osiedlił się w Kalifornii i doprowadził do tego, że w ciągu kolejnych lat wydział chemii University of California w Berkeley dołączył do najlepszych tego rodzaju placówek na świecie. Choć brzmi to jak szczęśliwe zakończenie, wcale nim nie jest. Wyjątkowość Lewisa polegała też na tym, że był on prawdopodobnie najlepszym spośród naukowców, którzy nigdy nie doczekali się Nagrody Nobla – i doskonale zdawał sobie sprawę, jak bardzo to niesprawiedliwe. Nikt nie był do niej więcej razy nominowany, ale nigdy nieskrywana ambicja Lewisa i długa historia jego naukowych sporów z badaczami z całego świata utrudniały zebranie wystarczającej liczby głosów. Z czasem Lewis sam zaczął rezygnować z prestiżowych stanowisk (lub był do tego zmuszany) i stał się w końcu rozgoryczonym pustelnikiem.

Jednak oprócz powodów osobistych była też przyczyna bardziej ogólnej natury – Lewis nie dostał Nagrody Nobla, ponieważ jego dokonania były niezwykle szerokie, ale niekoniecznie bardzo głębokie. Nie udało mu się odkryć nic naprawdę niesamowitego, czegoś, na co można wskazać palcem i zawołać „Wow!”. Badacz spędził swe naukowe życie na uszczegółowianiu opisów zachowania elektronów w przeróżnych związkach i kontekstach, zwłaszcza w kwasach i zasadach. Generalnie rzecz biorąc, zawsze gdy atomy wymieniają elektrony, zrywając czy tworząc nowe wiązanie, naukowcy mówią o „reakcji”. Proces przekazywania elektronów dobrze ilustrują reakcje zachodzące między kwasami i zasadami, mające zresztą dość gwałtowny przebieg. Lewis, bardziej niż ktokolwiek inny, przyczynił się do zobrazowania tego, co dzieje się z elektronami podczas reakcji kwasów i zasad na poziomie mikro.

Do lat dziewięćdziesiątych XIX wieku naukowcy, chcąc zorientować się, czy mają do czynienia z kwasem czy z zasadą, wsadzali do danej substancji palec lub próbowali kapeńkę – co całkiem słusznie nie wydaje się najlepszą czy najdokładniejszą metodą oceny. Jednak w ciągu kilku kolejnych dekad odkryto, że kwasy to nic innego jak dawcy protonów. Wiele kwasów zawiera wodór, prosty pierwiastek, którego atom składa się z jednego elektronu krążącego wokół protonu (to jego całe jądro atomowe). Kiedy zmieszamy z wodą na przykład kwas solny (HCl), rozpadnie się on na jony H+ i Cl-. Usunięcie ujemnie naładowanego elektronu sprawia, że w roztworze zaczynają pływać protony, H+. W roztworach słabych kwasów, jak na przykład octowego, znajduje się niewiele protonów, ale w mocnych (na przykład w kwasie siarkowym) pływają już całe ławice protonów.

Lewis doszedł do wniosku, że taka definicja kwasu jest nieco zbyt ograniczająca, ponieważ w przyrodzie istnieje sporo substancji, które zachowują się podobnie do kwasów, ale nie zawierają wodoru. Badacz odwrócił więc tok rozumowania. Zamiast mówić o kwasie jako substancji, od której odczepia się proton (H+), przeniósł w swoim opisie punkt ciężkości na jon Cl-, który uciekł z elektronem. W ujęciu Lewisa kwasem nie jest więc dawca protonów, lecz złodziej elektronów. Dla odmiany przeciwieństwa kwasów, zasady takie jak ług czy choćby wybielacz, można określić dawcami elektronów. Takie definicje są nie tylko szersze i bardziej uniwersalne, lecz także dobrze opisują zachowanie elektronów, co z kolei lepiej pasuje do zależnej od elektronów chemii pierwiastków z tablicy układu okresowego.

Lewis formułował swoją teorię w latach dwudziestych i trzydziestych XX wieku i od tego czasu naukowcy stale próbują przesunąć granicę mocy kwasów. Granicę tę mierzy się skalą pH – im niższa jest wartość pH, z tym silniejszym kwasem mamy do czynienia. W 2005 roku urodzony w Nowej Zelandii chemik otrzymał kwas karboranowy o pH = -18. Dla porównania woda ma pH = 7, a stężony HCl w naszych żołądkach pH = 1. Warto tu przypomnieć, że w kreatywnej księgowości skali pH obniżka o jedność określa dziesięciokrotny wzrost mocy względem poprzedniego poziomu (kwas o pH = 3 jest dziesięć razy mocniejszy od tego o pH = 4 itd.). Czyli różnica między kwasem o pH = 1 i tym o pH = -18 oznacza, że ten drugi jest od pierwszego mocniejszy jakiś trylion razy. To mniej więcej liczba atomów, jaka zmieściłaby się na odcinku między Ziemią a Księżycem.

Co prawda, istnieją jeszcze mocniejsze kwasy zawierające antymon, czyli pierwiastek o być może najbarwniejszej historii ze wszystkich zebranych w układzie okresowym4. Nabuchodonozor II, król babiloński, z którego polecenia w VI wieku p.n.e. stworzono słynne wiszące ogrody Semiramidy, kazał pomalować ściany swojego pałacu żółtą farbą na bazie dość zabójczej mieszanki antymonu i ołowiu. Prawdopodobnie nieprzypadkowo wkrótce potem oszalał, zaczął sypiać pod gołym niebem i próbował paść się na łące razem z wołami. Mniej więcej w tym samym okresie Egipcjanki wykorzystywały inną mieszaninę antymonu jako tusz do rzęs, co miało dać im nie tylko piękny wygląd, lecz także specjalne moce, by mogły rzucać uroki na wrogów. Jeszcze później niezdrową fascynację antymonem wykazywali średniowieczni mnisi (nie wspominając o samym Isaacu Newtonie). Uznali oni, że ten pół metal, pół izolator, ani jedno, ani do końca drugie, to hermafrodyta. Ale pigułki z antymonem zyskały też sławę jako środki na przeczyszczenie. Inaczej niż współczesne środki nie rozpuszczały się w jelitach, a ponieważ uważano, że są niezwykle cenne, wydobywano je z odchodów, by móc korzystać z nich wielokrotnie¹. W niektórych szczęśliwych rodzinach przekazywano je wręcz z ojca na syna. Niewykluczone, że z tego między innymi względu antymon był szeroko wykorzystywany w dawnej medycynie, choć tak naprawdę ma działanie toksyczne. Są powody, by przypuszczać, że zatrucie tym pierwiastkiem przyczyniło się do śmierci Mozarta, który z upodobaniem zażywał antymonowy środek na gorączkę.

Z czasem naukowcy lepiej poznali właściwości antymonu; na początku lat siedemdziesiątych wiedzieli już, że jego zdolność do skupiania wokół siebie pierwiastków „głodnych” elektronów oznacza, że świetnie nadaje się do tworzenia nowych, mocnych kwasów. Wyniki doświadczeń okazały się co najmniej tak niezwykłe jak w przypadku nadciekłości helu. Mieszanina pentafluorku antymonu SbF5 i kwasu fluorowodorowego daje kwas o pH = -31. Ten tzw. superkwas jest 100 000 miliardów miliardów miliardów mocniejszy niż kwas solny i trawi szkło z łatwością, z jaką woda rozmiękcza papier. Nie dałoby się go zamknąć w butelce, bo najpierw pożarłby szkło, a potem naszą rękę. Gdyby jakiś dociekliwy profesor pytał, w czym się go przechowuje, odpowiedź jest prosta – w pojemnikach wyłożonych od środka teflonem.

Ale nazwanie go najmocniejszym ze znanych kwasów to jednak nie do końca prawda. Tak, pentafluorek antymonu (złodziej elektronów) i HF (dawca protonów) są paskudnie mocne; ale dopiero ich połączenie daje superkwas. Krótko mówiąc, substancja o takiej mocy powstaje tylko w bardzo specyficznych warunkach. Jeśli chodzi o kwas, który można wyodrębnić z roztworu w stanie wolnym, to wciąż najsilniejszy jest kwas karboranowy H(HCB11Cl11). A teraz najlepsze: to jednocześnie najmocniejszy i najdelikatniejszy kwas na świecie. By pojąć, jak to możliwe, trzeba przypomnieć, że kwasy rozszczepiają się na składowe o ujemnym i dodatnim ładunku. W przypadku kwasu karboranowego mamy do czynienia z protonami H+ oraz złożoną, nieco przypominającą klatkę strukturą (klastrem) zbudowaną z całej reszty atomów. Na ogół właśnie ta ujemnie naładowana część powoduje, że kwas przeżera skórę. Ale klaster oparty na atomach boru jest jednocześnie jedną z najbardziej stabilnych znanych cząsteczek. Atomy te bowiem udostępniają swe elektrony tak hojnie i bezinteresownie, że niemal zamieniają się w hel, który nie wyrywa elektronów z innych atomów, co jest zjawiskiem zazwyczaj odpowiadającym za masakrę powstałą w wyniku zetknięcia się z mocnym kwasem.

Na co więc komu kwas karboranowy, skoro nie potrafi nawet zeżreć butelki ani przegryźć się przez ściany sejfu? Cóż, może na przykład dodać oktanowego kopa benzynie i sprawić, że witaminy staną się łatwiej przyswajalne. Znacznie ważniejsze jest jednak jego wykorzystanie jako swojego rodzaju rusztowania w syntezie chemicznej. Wiele reakcji z udziałem protonów nie przebiega lekko, łatwo i przyjemnie. Często są to reakcje wieloetapowe, a protony przemieszczają się w ciągu biliardowych sekundy, tak szybko, że naukowcy nie wiedzą, co się właściwie wydarzyło po drodze. Kwas karboranowy jest jednak tak stabilny i mało reaktywny, że wypełni roztwór protonami, a potem „zamrozi” wiele cząsteczek na pośrednich etapach reakcji. Przygotuje dla nich wygodną, mięciutką poduszeczkę. Zupełnie inaczej zachowują się antymonowe superkwasy, które nie tworzą rusztowań i rozszarpują na strzępy cząsteczki będące przedmiotem zainteresowania naukowców. Gdyby Lewis mógł poznać te osiągnięcia oraz rozwinięcie podjętych przez niego badań nad elektronami i kwasami, zapewne pocieszyłoby go to nieco w jesieni życia. A nie był to wesoły dla niego okres – choć podczas I wojny światowej pracował nad rządowymi projektami, a jego prace dotyczące chemii miały wciąż sporą wartość, gdy on sam przekroczył już sześćdziesiątkę – Lewisa pominięto podczas naboru naukowców do projektu Manhattan. To mocno go rozgoryczyło, tym bardziej że wielu kolegów po fachu, których ściągnął do Berkeley, odegrało w badaniach nad amerykańską bombą atomową kluczowe role i stało się narodowymi bohaterami. On w tym czasie zajmował się drobiazgami, wspominał dawne czasy i napisał tęskną powieść, której głównym bohaterem uczynił żołnierza. Zmarł samotnie w swoim laboratorium w 1946 roku.

Zwykle przyjmuje się wersję, że palący ponad 20 papierosów dziennie przez przeszło 40 lat Lewis doznał ataku serca. Ale zauważono też, że w południe w dniu śmierci Lewisa w jego laboratorium pachniało gorzkimi migdałami (to zapach cyjanku). Lewis używał go podczas badań i możliwe, że upuścił pojemnik z gazem. No ale jest jeszcze jedno – tego samego dnia, tyle że wcześniej, naukowiec udał się z kolegą na lunch, na który początkowo nie chciał się wybrać. Kolegą był młodszy, bardziej charyzmatyczny chemik, rywal Lewisa, laureat Nagrody Nobla i konsultant przy projekcie Manhattan. Są więc powody, by przypuszczać, że spotkanie z uhonorowanym znajomym wytrąciło Lewisa z równowagi. Jeśli tak było w istocie, to posiadanie dobrze wyposażonej pracowni chemicznej w ostatecznym rozrachunku mu się nie przysłużyło.

Prócz reaktywnych metali po lewej oraz halogenków i gazów szlachetnych po prawej jest jeszcze środek tabeli układu okresowego, gdzie rozciągają się „wielkie równiny” – kolumny od trzeciej do dwunastej, zajmowane przez metale przejściowe. Prawdę mówiąc, ich chemiczne właściwości budzą pewną irytację; trudno powiedzieć o nich coś, co dotyczyłoby wszystkich – może poza: „Hej, ostrożnie z nimi”. Chodzi po części o to, że atomy cięższych pierwiastków, takich jak właśnie metale przejściowe, wykazują więcej elastyczności w kwestii składowania elektronów. Tak jak inne pierwiastki mają one różne powłoki elektronowe (pierwszą, drugą, trzecią itd.), tym niższe energetycznie, im bliżej jądra. Podobnie też walczą z innymi atomami o to, by zapełnić kolejne zewnętrzne powłoki ośmioma elektronami. Jednak w ich przypadku określenie, co jest zewnętrzną powłoką, okazuje się wyjątkowo trudne.

Kiedy przesuniemy palcem po tabeli układu okresowego w poziomie, zauważymy, że każdy pierwiastek ma o jeden elektron więcej niż jego sąsiad z lewej. Sód ma jedenaście elektronów, a magnez dwanaście i tak dalej. Im większe pierwiastki, tym bardziej uporządkowane jest ich elektronowe bogactwo, a wszystko dzięki wspomnianym już powłokom elektronowym. Ponieważ pierwiastki to konformiści bez krzty wyobraźni, zapełniają powłoki po kolei. Zaczynają te z lewej strony tabeli, umieszczając pierwszy elektron na podpowłoce s, mającej kulisty kształt. Jest ona niewielka i mieści jedynie dwa elektrony – co wyjaśnia, dlaczego w układzie okresowym po lewej stronie widnieją dwie wyższe kolumny. Po zapełnieniu tej podpowłoki atomy rozglądają się za dodatkową przestrzenią. Zerknijmy więc na prawą stronę tabeli; oto pierwiastki w kolumnach od prawej strony pakują elektrony na podpowłokę p, która przypomina nieco sflaczałe płuco. Na podpowłoce p mieści się sześć elektronów i stąd sześć nieco wyższych kolumn w układzie okresowym od prawej strony. Warto zauważyć, że w górnych rzędach dwa elektrony z podpowłoki s i sześć z p daje razem osiem – czyli liczbę, jaką każdy atom chciałby mieć w swej najbardziej zewnętrznej powłoce. Jednak poza zadowolonymi z siebie gazami szlachetnymi każdy z pierwiastków z tych rzędów dysponuje elektronami w powłoce zewnętrznej, które może oddać lub uwspólnić z innymi atomami. Przewidywanie ich właściwości też nie jest trudne: dodajmy elektron, a odpowiednio się one zmienią, zwiększy się bowiem liczba elektronów mogących wziąć udział w reakcji.

Ale teraz sprawy się komplikują. Metale przejściowe, zebrane w kolumnach od trzeciej do dwunastej (rzędy 4–7), dysponują też podpowłoką d, mieszczącą dziesięć elektronów (kształt tej podpowłoki najbardziej chyba podobny jest do zdeformowanego balonika w kształcie zwierzątka). Na podstawie tego, czego już się dowiedzieliśmy, można by się spodziewać, że elektrony kolejno dodawane do podpowłoki d znajdą się w najbardziej zewnętrznej warstwie i że łatwo będą mogły uczestniczyć w reakcjach chemicznych. Ale nie, metale przejściowe zabierają je z widoku i wpychają głębiej, pod inne podpowłoki. To naruszenie konwencji wydaje się nieeleganckie i przeczy intuicji, Platonowi z pewnością by się nie spodobało. Cóż, tak poukładała przyroda i niewiele możemy z tym zrobić.

Dokładniejsze zrozumienie całej sytuacji z pewnością jednak popłaca. Teoretycznie, kiedy będziemy się przesuwać wzdłuż rzędu pierwiastków z grupy metali przejściowych, każdy z nich, bogatszy o elektron, powinien wykazywać inne właściwości chemiczne – tak jak to jest w przypadku całej reszty pierwiastków. Ponieważ jednak metale przejściowe chowają swoje dodatkowe elektrony w czymś na kształt dodatkowych skrytek umieszczonych w dnie szuflady, te „dodatkowe” elektrony są skutecznie oddzielone od swych odpowiedników na najbardziej zewnętrznej powłoce. Inne atomy, które chciałyby wejść w reakcję z tymi metalami, nie mogą wykorzystać ich dodatkowych, schowanych w skrytce elektronów. Z tego zaś wynika, że wiele metali przejściowych z tego samego rzędu układu okresowego dysponuje tą samą liczbą elektronów w najbardziej zewnętrznej powłoce. A to z kolei oznacza, że mają bardzo podobne właściwości chemiczne. Dlatego też – od strony bardziej naukowej – wiele metali wygląda bardzo podobnie do siebie i bardzo podobnie się zachowuje. Są chłodne i szare, bo układ elektronów nie pozwala im na jakieś ekstrawagancje. (Oczywiście, żeby nie było za prosto, w pewnych warunkach schowane elektrony mogą wyjść z ukrycia i wziąć udział w reakcji. Dlatego też metale jednak nieco różnią się właściwościami i dlatego ich chemia jest tak irytująca).

Podobny bałagan dotyczy pierwiastków z podpowłoką f. Podpowłoka ta pojawia się w pierwszym z dwóch rzędów metali umieszczanych pod właściwą tabelą układu okresowego, w grupie tzw. lantanowców. (Nazywa się je też czasem metalami ziem rzadkich, a ponieważ należą do nich pierwiastki o liczbie atomowej od 57 do 71, tak naprawdę tworzą one szósty rząd tabeli. Zdegradowano je, umieszczając poniżej, by tabela okresowa miała bardziej przejrzysty układ). Lantanowce grzebią dodatkowe elektrony jeszcze głębiej niż metale przejściowe, często dwa poziomy energetycznie niżej. To powoduje, że lantanowce są do siebie jeszcze bardziej podobne niż w swojej grupie metale przejściowe i że rozróżnianie poszczególnych lantanowców jest jeszcze trudniejsze. Można przesunąć palcem wzdłuż rzędu lantanowców, a będzie to tak, jakby wybrać się na przechadzkę po górach i przejść na Słowację, zupełnie tego nie zauważając.

Znalezienie w przyrodzie próbki czystego lantanowca graniczy z niemożliwością – zawsze będzie zanieczyszczona innymi pierwiastkami z tej grupy. Muszę tu przytoczyć historię pewnego chemika z New Hampshire, który postanowił wyizolować w stanie czystym trochę tulu (pierwiastek o liczbie atomowej 69). Zaczął od wielkich misek z bogatą w tul rudą, którą traktował odpowiednimi chemikaliami i podgrzewał, co pozwalało mu na stopniowe zatężanie tulu w obrabianej próbce. Powtarzanie całego procesu zajmowało mu tak dużo czasu, że w ciągu dnia udawało mu się wykonać jeden, góra dwa pełne cykle. Mimo to przeprowadził ten proces (ręcznie) około 15 tysięcy razy, przerabiając setki kilogramów rudy na kilkadziesiąt gramów oczyszczonego produktu. Ale i tak w tej oczyszczonej próbce było całkiem sporo domieszek innych lantanowców, których różnicujące elektrony schowane są tak głęboko w skrytkach, że trudno znaleźć chemiczny sposób, by się do nich dobrać.

To oddziaływania elektronów decydują o obliczu układu okresowego. Ale żeby naprawdę zrozumieć pierwiastki, nie możemy zignorować składowej, która odpowiada za 99 procent ich masy – jądra atomowego. I o ile elektrony stosują się do praw opisanych przez największego naukowca, który nigdy nie został wyróżniony Nagrodą Nobla, o tyle jądro atomowe działa według kodeksu w dużej części sformułowanego przez badaczkę, która ani przez moment nie sądziła, że na nobla zasłuży, i którą nosiło po całym świecie jeszcze bardziej niż Lewisa.

Maria Goeppert urodziła się w Niemczech w 1906 roku². Mimo że jej ojciec był profesorem już w szóstym pokoleniu, przekonanie prodziekana odpowiedzialnego za prowadzenie studiów doktoranckich do przyjęcia na nie kobiety okazało się niewykonalne. Goeppert zaczęła więc tułać się od uniwersytetu do uniwersytetu, łapiąc wszelkie możliwe wykłady. Wreszcie zrobiła doktorat na uniwersytecie w Hanowerze, broniąc się przed gronem profesorów, których wcześniej nie widziała na oczy. Jak można się spodziewać, choć z tytułem, lecz bez koneksji i listów polecających, mogła co najwyżej pomarzyć o zatrudnieniu na uczelni. Jej jedyna nadzieja na pracę naukową wiązała się z mężem, amerykańskim profesorem Josephem Mayerem, którego poznała, gdy przyjechał do Niemiec. W 1930 roku przeniosła się wraz z nim do Baltimore i pod nazwiskiem Goeppert-Mayer pracowała naukowo oraz jeździła na konferencje, uczestnicząc w nich zawsze wspólnie z mężem. Niestety, nadszedł wielki kryzys i Mayer kilkukrotnie stracił pracę; rodzina przeniosła się więc najpierw do Nowego Jorku, a potem do Chicago.

Większość uniwersytetów pozwalała Goeppert-Mayer plątać się po kampusie i dyskutować z innymi badaczami na tematy naukowe. Niektóre nawet zgadzały się, by pracowała naukowo (oczywiście niepłatnie) – mogła zajmować się „kobiecymi” tematami, jak na przykład ustaleniem, skąd się biorą kolory niektórych związków organicznych. Nieco później setki jej naukowych znajomych znalazło zatrudnienie w projekcie Manhattan, prawdopodobnie jednej z najbardziej twórczych platform naukowej wymiany myśli w historii. Ona także została zaproszona, ale do pracy nad pobocznym, właściwie bezużytecznym tematem – metodą oczyszczania uranu za pomocą reakcji fotochemicznych. Z pewnością nie raz musiało być jej ciężko, ale pragnienie pracy naukowej było w niej na tyle silne, że nie odpuszczała. Wreszcie, po zakończeniu II wojny światowej, University of Chicago potraktował ją nieco poważniej i zatrudnił na stanowisku profesora fizyki. Otrzymała własny pokój – ale przecież nie pensję.

Mimo to, podbudowana oficjalnym zatrudnieniem, w 1948 roku zaczęła badania nad jądrem atomowym, rdzeniem i esencją podstawowej składowej materii. To liczba protonów w jądrze atomowym – liczba atomowa – określa tożsamość pierwiastka. Gdybyśmy chcieli ująć to nieco innymi słowy, to stwierdzilibyśmy, że atom danego pierwiastka nie może zyskać lub stracić protonów, nie zmieniając się przy tym w inny pierwiastek. Ogólnie rzecz biorąc, atomy zwykle nie tracą też ani nie zyskują neutronów, choć atomy tego samego pierwiastka mogą mieć w jądrze różną ich liczbę; mówimy wtedy o izotopach. Na przykład, izotopy ołowiu 204 i 206 mają identyczną liczbę atomową (82), ale różną neutronów (122 i 124). Liczba atomowa plus liczba neutronów w jądrze to razem liczba masowa. Ustalenie zależności między liczbą atomową a masową zajęło naukowcom sporo czasu, ale gdy już tego dokonali, nagle wiele właściwości pierwiastków nabrało sensu.

Goeppert-Mayer oczywiście już to wszystko wiedziała, zajmowała się inną kwestią, związaną z zagadką łatwą do rozwiązania tylko na pierwszy rzut oka. Najprostszy z pierwiastków, wodór, występuje we wszechświecie w największej obfitości. Kolejny pierwiastek w tabeli, hel, to także drugi pod względem ilości pierwiastek w kosmosie. Gdyby wszechświat był elegancko i schludnie zorganizowany, kolejny pierwiastek z układu okresowego, czyli lit, byłby na trzecim miejscu itd. Tak jednak nie jest: trzecim najpowszechniejszym we wszechświecie pierwiastkiem jest tlen (liczba atomowa 8). Ale właściwie dlaczego? Naukowcy mogliby odpowiedzieć, że dzieje się tak, ponieważ tlen ma bardzo stabilne jądro atomowe, które nie ulega łatwo rozpadowi. Tyle że to niewiele wyjaśnia, bo można natychmiast postawić kolejne pytanie: a dlaczego niektóre pierwiastki mają jądro bardziej stabilne niż inne?

Inaczej niż jej współcześni, Goeppert-Mayer dostrzegła tu analogię do nadzwyczajnej stabilności gazów szlachetnych. Zasugerowała, że protony i neutrony w jądrze atomowym rozmieszczone są na powłokach, w czym przypominają elektrony, a odpowiednie zapełnienie powłok jądrowych decyduje o stabilności jądra. Laikowi może się to wydać akuratnym, ładnym porównaniem. Ale Nagrody Nobla nie przyznaje się za snucie przypuszczeń, a już szczególnie, gdy ich autorką jest profesorka pracująca za uścisk dłoni. Mało tego, pomysł wzburzył dogłębnie środowisko fizyków jądrowych, jako że procesy chemiczne i te przebiegające w jądrze nie są od siebie specjalnie zależne. Nie ma powodów, by zakładać, że przewidywalni domatorzy, protony i neutrony, postępują jak maleńkie, kapryśne elektrony, bez oporów porzucające dom dla atrakcyjnej sąsiadki. I rzeczywiście się tak nie zachowują.

Ale Goeppert-Mayer jak zawsze nie odpuszczała, poszła za przeczuciem i łącząc ze sobą wyniki różnych eksperymentów, udowodniła w końcu, że jądro także ma powłoki, a niektóre atomy zawierają magiczne jądra. Z dość złożonych matematycznie powodów, które niełatwo byłoby tutaj wyjaśnić, jądra magiczne nie pojawiają się okresowo, tak jak w tabeli układu okresowego pierwiastków. Magia dotyczy pierwiastków o liczbie atomowej 2, 8, 20, 28, 50, 82 itd. Goeppert-Mayer pokazała, jak to się dzieje, że dla wyżej wymienionych pierwiastków protony i neutrony układają się w bardzo stabilne, symetryczne sfery. Zwróćmy uwagę, że 8 protonów i 8 neutronów tlenu czyni go podwójnie magicznym i niezwykle stabilnym – co z kolei tłumaczy jego „nadmiar” we wszechświecie. Model ten wyjaśnia za jednym zamachem, dlaczego niektóre pierwiastki, na przykład wapń, czyli pierwiastek 20, występują w nieproporcjonalnie dużych ilościach w stosunku do innych i dlaczego nasze ciała są zbudowane podstawowo właśnie z tych najłatwiej dostępnych pierwiastków.

Do teorii Goeppert-Mayer dobrze pasuje platońskie przekonanie, że piękne kształty są doskonalsze niż inne, a jej model magicznego, powłokowego jądra atomowego stał się punktem odniesienia do oceny rozmaitych jąder atomowych. I odpowiednio, pierwiastki o jądrach sytuujących się pomiędzy dwiema liczbami magicznymi występują w mniejszych ilościach, ponieważ ich jądra atomowe mają brzydki, podługowaty kształt. Naukowcy odkryli nawet pewne formy holmu, pierwiastka 67, których jądra atomowe są ubogie w neutrony i mają zdeformowany kształt piłki do rugby, czyniący je chybotliwymi. Jak pewnie się domyślacie na podstawie opisu modelu Goeppert-Mayer (albo widzieliście kiedyś rzut piłką do rugby), jądra holmu nie są przesadnie stabilne. A ponieważ atomy o „niezrównoważonych” jądrach, inaczej niż atomy z niezrównoważoną liczbą elektronów na zewnętrznej powłoce, nie mogą pozyskać protonów czy neutronów od innych atomów, powstają raczej rzadko, a gdy już się to stanie, zwykle błyskawicznie się rozpadają.

Powłokowy model jądra atomowego to fizyka najwyższych lotów. Można się tylko domyślać, jak musiała poczuć się Goeppert-Mayer, biorąc pod uwagę jej pozycję w środowisku, gdy dowiedziała się, że bardzo podobny model stworzyli fizycy w jej ojczyźnie. Stanęła w obliczu utraty całego swego dorobku. Jednak obie strony rozwijały swoje teorie niezależnie od siebie i gdy Niemcy wspaniałomyślnie to zaakceptowali, a następnie zaprosili ją do współpracy, kariera Goeppert-Mayer nabrała rozpędu. Doczekała się wreszcie uznania i razem z mężem przeprowadziła się w 1959 roku, już po raz ostatni, do San Diego, gdzie podjęła prawdziwą (płatną!) pracę w nowym kampusie University of California. Niektórzy jednak do końca uznawali ją za dyletantkę. Kiedy w 1963 roku Królewska Szwedzka Akademia Nauk postanowiła uhonorować ją najwyższym naukowym laurem³, jedna z gazet w San Diego opublikowała artykuł z nagłówkiem: „Matka z San Diego dostała Nagrodę Nobla”.

Cóż, wszystko jest kwestią perspektywy. Gdyby tytuł w gazecie mówił o ojcu, a dotyczył Lewisa, ten pewnie by nie narzekał.

Analiza układu okresowego wiersz po wierszu przynosi sporo informacji o pierwiastkach, ale to zaledwie początek. Pierwiastki zebrane w kolumnach, sąsiadujące przez sufit i podłogę, wykazują większe podobieństwa do siebie nawzajem, niż w wypadku sąsiadów przez ścianę. Tak, zwykliśmy czytać teksty od lewej do prawej (lub odwrotnie) i dotyczy to niemal wszystkich języków, ale czytanie od góry do dołu, kolumna za kolumną, jak w języku japońskim, w przypadku układu okresowego przynosi szczególnie dużo informacji. Ujawnia bowiem podteksty i nieoczekiwane związki między pierwiastkami, w tym zaskakujące antagonizmy. Układ okresowy ma swoją własną gramatykę, ale także i w tym wypadku warto czytać między wierszami.

Była to tzw. pigułka wieczysta (przyp. tłum.). [wróć]

Dokładniej Maria Goeppert urodziła się w Katowicach (przyp. red.). [wróć]

Maria Goeppert-Mayer była drugą po Marii Skłodowskiej-Curie kobietą, która dostała Nagrodę Nobla (przyp. red.). [wróć]

Rozdział 2. Czarne owce i niemal bliźniacy – pochodzenie pierwiastków

ROZDZIAŁ 2

Czarne owce i niemal bliźniacy – pochodzenie pierwiastków

Szekspirowi udało się całkiem nieźle z jego honoriﬁcabilitudinitatibus, oznaczającym – w zależności od tego, kogo zapytamy – „stan wielkiego poważania” lub też anagram, według którego to Francis Bacon, a nie najsłynniejszy z dramatopisarzy jest autorem szekspirowskich dzieł1. Ale słowo to, długie na dwadzieścia siedem liter, nawet się nie zbliża do najdłuższych w języku angielskim.

Oczywiście próba ustalenia, które słowo jest najdłuższe, to jak brodzenie w rwącym strumieniu – w końcu zwali nas z nóg, stracimy kontrolę, ponieważ język jest płynny i wciąż się zmienia. Mało tego, czasem nawet ustalenie, które słowo należy do angielskiego, nie jest łatwe i zależy od kontekstu. Słowo wymienione wyżej, wypowiedziane przez pajaca Łepaka w Straconych zachodach miłości, wywodzi się z łaciny. Ale może obce słowa, nawet te pojawiające się w angielskich zdaniach, nie powinny się liczyć? Przyrostki i przedrostki, upchnięte w jednym słowie (np. antidisestablishmentarianism, 28 liter), to też forma oszukiwania czytelników, tak samo jak słowa nonsensowne, jak „superkalifradalistodekspialitycznie” (35 liter). Jeśli jednak przyjmiemy sensowniejsze założenie, że poszukujemy najdłuższego słowa zapisanego w języku angielskim, w dodatku stworzonego bez intencji bicia rekordów, to odnajdziemy je w słowniku dla chemików z 1964 roku Chemical Abstracts. Słowo to opisuje białko pierwszego odkrytego wirusa, wirusa mozaiki tytoniu, zidentyfikowanego w 1892 roku. Radzę wziąć głębszy oddech:

Acetylseryltyrosylserylisoleucylthreonylserylprolylserylglutaminylphenylalanylvalylphenylalanylleucylserylserylvalyltryptophylalanylaspartylprolylisoleucylglutamylleucylleucylasparaginylvalylcysteinylthreonylserylserylleucylglycylasparaginylglutaminylphenylalanylglutaminylthreonylglutaminylglutaminylalanylarginylthreonylthreonylglutaminylvalylglutaminylglutaminylphenylalanylserylglutaminylvalyltryptophyllysylprolylphenylalanylprolylglutaminylserylthreonylvalylarginylphenylalanylprolylglycylaspartylvalyltyrosyllysylvalyltyrosylarginyltyrosylasparaginylalanylvalylleucylaspartylprolylleucylisoleucylthreonylalanylleucylleucylglycylthreonylphenylalanylaspartylthreonylarginylasparaginylarginylisoleucylisoleucylglutamylvalylglutamylasparaginylglutaminylglutaminylserylprolylthreonylthreonylalanylglutamylthreonylleucylaspartylalanylthreonylarginylarginylvalylaspartylaspartylalanylthreonylvalylalanylisoleucylarginylserylalanylasparaginylisoleucylasparaginylleucylvalylasparaginylglutamylleucylvalylarginylglycylthreonylglycylleucyltyrosylasparaginylglutaminylasparaginylthreonylphenylalanylglutamylserylmethionylserylglycylleucylvalyltryptophylthreonylserylalanylprolylalanylserine

Ta anakonda liczy 1185 liter2.

A teraz, ponieważ przestaliście zapewne czytać po dwóch słowach lub przebiegliście wzrokiem kilka pierwszych zbitek literowych i końcówkę wyrazu, spójrzcie na całość raz jeszcze. Dostrzeżecie coś ciekawego, jeśli chodzi o rozmieszczenie liter. Najczęściej pojawiająca się w języku angielskim litera „e” w tekście użyta jest 65 razy; rzadziej spotykana „y” występuje 183 razy. Kolejna litera, „l”, tworzy 27 procent całego długiego słowa (255 powtórzeń). Warto zauważyć, że „y” i „l” często występują obok siebie (166 razy, mniej więcej co siedem liter). To nie przypadek. Przytoczone wyżej długie słowo opisuje białko, a białka zbudowane są z węgla – najbardziej wszechstronnego pierwiastka w układzie okresowym, o liczbie atomowej 6.

Dokładniej, węgiel tworzy szkielet aminokwasów, czyli cegiełek, które połączone w łańcuch tworzą białka (rzeczone białko wirusa mozaiki tytoniu liczy 159 aminokwasów). Ponieważ niektóre łańcuchy są długie, a wówczas trzeba wymienić bardzo dużo aminokwasów po kolei, biochemicy wpadli kiedyś na pomysł, by ucinać końcówkę „-ine” w angielskich nazwach aminokwasów, zmieniając ją na „-yl” (po polsku brzmi to na przykład tak: „glutamylo-seryna”). W latach pięćdziesiątych i sześćdziesiątych powszechnie używano tego rodzaju „kodowania”, gdyż pozwalało ono precyzyjnie opisać strukturę białka już za pomocą samej nazwy; był to niewątpliwie dokładny system nazewnictwa, choć może nieco męczący w odbiorze. Cóż, popularność takiego systemu świadczy o tym, iż na język chemii swego czasu silny wpływ miał język niemiecki, w którym takie złożenia są częste.

Ale wróćmy do bardziej zasadniczej kwestii, czemu w ogóle aminokwasy chętnie się ze sobą łączą. Dzieje się tak z racji miejsca, jakie węgiel zajmuje w układzie okresowym, i jego potrzeby zapełnienia najbardziej zewnętrznej powłoki ośmioma elektronami – co opisuje tzw. reguła oktetu. Na skali ukazującej, na ile agresywnie oddziałują ze sobą atomy i cząsteczki poszczególnych pierwiastków, aminokwasy lokalizują się w dość cywilizowanych rejonach. Każdy aminokwas zawiera atomy tlenu z jednego końca, azotu z drugiego, a także dwa łączące wszystko atomy węgla w środku (po prawdzie, jest tam jeszcze jeden wodór oraz odchodząca od interesującej nas grupy atomów boczna gałąź, która może zawierać nawet dwadzieścia połączonych ze sobą cząsteczek; ale ani wspomniany wodór, ani boczna gałąź nas tu nie zajmują). Tak węgiel, jak i azot oraz tlen chciałyby mieć osiem elektronów w najbardziej zewnętrznej powłoce, jednak nie każdemu z nich zgromadzenie kompletu przychodzi z łatwością. Tlen, o liczbie atomowej 8, ma osiem elektronów. Dwa należą do pierwszej, najgłębiej umieszczonej powłoki, która zapełnia się w pierwszej kolejności. Na zewnętrznej powłoce znajduje się sześć elektronów, więc atomy tlenu zawsze rozglądają się za brakującą parką. Znaleźć dwa atomy nie jest wielką sztuką, a tlen zachowuje się dość agresywnie, dyktuje swoje warunki i prześladuje inne atomy. Tymczasem biedny węgiel (l.a. = 6) po zapełnieniu wewnętrznej powłoki potrzebuje do obsadzenia kolejnej aż czterech dodatkowych elektronów. Ich zdobycie nastręcza znacznych trudności i w związku z tym węgiel nie wybrzydza. Chętnie przyczepi się, do czego tylko może.

Rozwiązłość węgla to zarazem jego cnota. Inaczej niż tlen węgiel tworzy wiązania z innymi atomami we wszystkich kierunkach. Często uwspólnia swoje elektrony z czterema różnymi atomami jednocześnie. To z kolei sprawia, że może budować skomplikowane łańcuchy, a nawet trójwymiarowe sieci cząsteczek. Ponieważ zaś węgiel nie może kraść elektronów, lecz dzieli je z innymi, wiązania, które tworzy, są dość trwałe. Jeśli chodzi o azot, to on także potrzebuje kilku wiązań do pełni szczęścia, choć jest mu trochę łatwiej niż węglowi. Białka, choćby takie jak opisana wyżej anakonda, po prostu wykorzystują potrzeby węgla i azotu. Jeden z dwóch atomów węgla danego aminokwasu (z grupy charakterystycznej dla aminokwasów) współdzieli elektron z atomem azotu z drugiego aminokwasu, a białka powstają właśnie wskutek łączenia się ze sobą w ten sposób kolejnych aminokwasów ad infinitum.

Obecnie naukowcy odczytują sekwencje znacznie dłuższych cząsteczek niż wspomniana anakonda. Współczesny rekord dzierży gigantyczne białko, którego nazwa, sformułowana według dawnych reguł, liczyłaby 189 819 liter. W latach sześćdziesiątych, gdy pojawiły się nowe, szybkie metody sekwencjonowania aminokwasów, do naukowców dotarło, że używając obowiązujących dotychczas zasad terminologii, wkrótce będą tworzyć nazwy długości tekstu niniejszej książki (samo sprawdzenie ich ortografii byłoby nie lada wyzwaniem). Zrezygnowano więc z niewygodnego niemieckiego systemu i przerzucono się na krótsze i mniej bombastyczne nazwy, nawet dla naukowych celów. Białko o nazwie liczącej 189 819 liter dziś – na szczęście – nazywa się znacznie prościej: tytyna3. Wątpliwe, by ktokolwiek spróbował jeszcze kiedyś pobić rekord z białkiem wirusa mozaiki tytoniu.

Nie oznacza to, że aspirujący leksykografowie powinni obrażać się na biochemię. Medycyna zawsze była bogatą skarbnicą absurdalnie długich słów. Tak się złożyło, że najdłuższe nietechniczne słowo w Oxford English Dictionary bazuje na najbliższym chemicznie kuzynie węgla, kuzynie wskazywanym często jako podstawę alternatywnego życia, które mogłoby się narodzić gdzieś w odległych galaktykach. Chodzi o krzem, pierwiastek 14.

Drzewo genealogiczne czyta się pionowo, a zamieszczone nań fotografie ujawniają podobieństwo dzieci do rodziców. Na tej samej zasadzie węgiel ma więcej wspólnego z pierwiastkiem znajdującym się pod nim, krzemem, niż ze swoimi najbliższymi sąsiadami po lewej i prawej, czyli borem i azotem. Wiemy już dlaczego. Węgiel ma liczbę atomową równą sześć, krzem zaś – czternaście; różnica ośmiu elektronów (kolejny oktet) nie jest przypadkowa. W wypadku krzemu dwa elektrony zapełniają pierwszą powłokę, a osiem kolejną. Zostają cztery elektrony, co stawia krzem w sytuacji podobnej do tej, w jakiej jest węgiel. Oznacza to jednocześnie, że krzem, tak jak i węgiel, dysponuje też pewną sytuacyjną elastycznością. Ponieważ chemiczne właściwości węgla bezpośrednio wiążą się z jego zdolnością do tworzenia życia, podobieństwo krzemu do węgla zapładniało wyobraźnię całych pokoleń fanów science fiction, zainteresowanych odkryciem w kosmosie alternatywnej formy życia. Rzecz w tym, że pochodzenie dzieci nie determinuje ich przyszłości; mało tego, dzieci, choć podobne, nigdy nie są identyczne jak ich rodzice. Chociaż węgiel i krzem to bliscy krewniacy, każdy z nich jest odrębnym pierwiastkiem i tworzy osobne związki. Muszę rozczarować fanów SF, ale krzem nie potrafi robić tak cudownych sztuczek jak węgiel.

Może to dość dziwne, ale ograniczenia krzemu najłatwiej wytłumaczyć, przywołując kolejne rekordowe słowo, absurdalnie długie z podobnych powodów, dla których wyraz opisujący białko składa się z 1185 liter. Cóż, wyraz ten powstał wskutek stosowania się do utartego schematu, wzbudzając podobne zainteresowanie jak rozwinięcie dziesiętne liczby π, obejmujące bilion miejsc po przecinku. Najdłuższe nietechniczne słowo w Oxford English Dictionary to czterdziestopięcioliterowe pneumonoultramicroscopicsilicovolcanoconiosis, oznaczające chorobę i mające w sobie rdzeń angielskiej nazwy krzemu (silico). Fascynaci palindromów i innych zabaw słownych często mówią w tym wypadku o „p45”, choć od strony medycznej nie jest do końca jasne, czy można uznać p45 za prawdziwą chorobę. Jest to bowiem tylko odmiana nieuleczalnego schorzenia płuc o nazwie pneumonoconiosis¹. Pylica, bo o niej tu mowa, pod względem wielu objawów przypomina zapalenie płuc, a rozwija się na przykład w wyniku wdychania azbestu. Ale może ją też wywołać wdychanie dwutlenku krzemu, głównego składnika szkła i piasku. Najbardziej zagrożeni pylicą płuc są robotnicy zajmujący się piaskowaniem oraz pracownicy tych fabryk, w których wnętrzach unosi się szklany pył. Ale ponieważ dwutlenek krzemu SiO2 to minerał najpowszechniej występujący w skorupie ziemskiej, jest jeszcze jedna grupa osób szczególnie zagrożona pylicą – ludzie żyjący w pobliżu aktywnych wulkanów. Najpotężniejsze z nich ścierają SiO2 na drobny proszek, wyrzucając do atmosfery megatony pyłu. Maleńkie drobiny łatwo dostają się do pęcherzyków płucnych. Ponieważ zaś nasze płuca stale mają kontakt z dwutlenkiem węgla, bez oporów wchłaniają SiO2 – co jednak może mieć dla nich katastrofalne skutki. Bardzo możliwe, że z powodu pylicy na tamten świat przeniosło się też całkiem sporo dinozaurów, gdy 65 milionów lat temu w Ziemię uderzyła potężna planetoida lub kometa.

Kiedy się ma całą tę wiedzę, wydzielenie cząstek składowych p45 nie powinno nastręczać szczególnych trudności. Pylica spowodowana wdychaniem pyłu wulkanicznego, zaobserwowana u ludzi, którzy w popłochu uciekali z okolic strzelającego w niebo wulkanu, nazywa się: pneumono-ultra-microscopic-silico-volcano-coniosis². Zanim jednak chcąc zabłysnąć w rozmowie, użyjecie tego słowa, weźcie pod uwagę, że wielu językowych purystów szczerze go nienawidzi. Czterdziestopięcioliterowe słowo p45 ktoś stworzył tylko po to, by wygrać konkurs w 1935 roku, i w opinii wielu była to forma oszustwa. P45 oczerniają nawet szacowni redaktorzy Oxford English Dictionary, określając je jako „dziwaczne” i dodając, że znaczenie nadano mu nieco na siłę. Niezadowolenie bierze się stąd, że p45 niejako żeruje na „prawdziwym” słowie. Krótko mówiąc, p45 nie narodziło się naturalnie, z potrzeby wzbogacenia codziennego języka, lecz zostało powołane do istnienia tak jak sztuczne życie.

A gdy przyjrzymy się krzemowi jeszcze bliżej, przekonamy się, że twierdzenia dotyczące alternatywnej formy życia opartej na krzemie nie bardzo dają się obronić. Choć koncepcja krzemowego życia to motyw równie zgrany jak laserowe pistolety, mimo wszystko daje do myślenia, ponieważ pozwala nam zmienić nieco naszą węglowocentryczną perspektywę, z której patrzymy na początki życia. Entuzjaści krzemu wskazują na pewne (nieliczne) ziemskie zwierzęta, których ciała częściowo składają się z krzemu, na przykład niektóre jeżowce stroszące krzemowe kolce czy promienice, planktonowe jednokomórkowce o krzemionkowych szkieletach. Osiągnięcia informatyki i specjalistów od sztucznej inteligencji wskazują, że z krzemu można by budować „mózgi” o równym stopniu złożoności co te oparte na związkach węgla. Teoretycznie rzecz biorąc, zastąpienie poszczególnych neuronów w naszej głowie krzemowymi tranzystorami wydaje się możliwe.

Ale p45 daje nam lekcję praktycznej chemii, która niweczy nadzieje na krzemowe życie. Niewątpliwie tego typu organizmy musiałyby znaleźć sposób na transport krzemu do i z organizmu, choćby w celu naprawy tkanek, tak jak to robią organizmy węglowe w odniesieniu do węgla. Na Ziemi stworzenia będące podstawą łańcucha pokarmowego (być może najważniejsze spośród znanych nam organizmów) wykorzystują gazowy dwutlenek węgla. Krzem także bardzo chętnie wiąże się z tlenem, dając dwutlenek krzemu. Ale inaczej niż gazowy dwutlenek węgla, SiO2 jest ciałem stałym (nawet w postaci drobnego pyłu wulkanicznego), a przynajmniej jest tak w zakresie temperatur ogólnie rzecz biorąc przyjaznych dla życia. (Zamienia się w gaz dopiero w temperaturze około 2200°C!). Na poziomie komórkowym oddychanie ciałami stałymi jest nieosiągalne, ponieważ takie ciała kiepsko się przemieszczają. Nie przepływają płynnym strumieniem, co dla wielu procesów zachodzących w komórce jest kluczowe ze względu na konieczność zapewnienia wygodnego dostępu do cząsteczek. W tej sytuacji spore kłopoty z oddychaniem miałyby nawet bardzo proste formy życia, powiedzmy jakieś odpowiedniki alg – nie wspominając już o bardziej wyspecjalizowanych formach tkankowych. Bez wygodnego sposobu na wymianę gazową ze środowiskiem roślinne życie padłoby z głodu, a zwierzęce zatruło się odpadami, trochę podobnie jak nieużyteczny krzem i p45 wykańcza nasze płuca, których białka zawierają węgiel.

A gdyby te hipotetyczne mikroorganizmy mogły wydalać lub wsysać krzem w inny sposób? To niewykluczone, ale należy pamiętać, że krzem nie rozpuszcza się w wodzie, która jest – jak się dziś sądzi – najobficiej występującą w kosmosie cieczą. Prawdopodobnie więc obce stwory nie mogłyby skorzystać z ewolucyjnych zalet krwi czy innych płynów umożliwiających dostarczanie składników odżywczych i odbiór odpadów. Życie oparte na krzemie musiałoby polegać na ciałach stałych, które niechętnie tworzą mieszaniny. Trudno więc wyobrazić sobie, by było w stanie robić cokolwiek, co uznajemy za cechę organizmów żywych.

Ale to jeszcze nie koniec. Zauważmy, że atomy krzemu zawierają więcej elektronów niż węgiel, są więc cięższe – jak węgiel, który mocno przybrał na wadze. Na pozór to nie problem, w marsjańskich odpowiednikach tłuszczów czy białek zamiast węgla pewnie mógłby wystąpić krzem. Węgiel ma jednak pewną przewagę: potrafi mianowicie wygiąć się na tyle śmiało, że tworzy cząsteczki, które formują się w pierścienie, na przykład cukry. Pierścienie to układy, w których występują silne naprężenia (zgromadzona jest w nich spora energia), a krzem nie jest na tyle giętki, by je zbudować. Częściowo łączy się z tym kolejny problem – atomy krzemu nie są w stanie zmusić elektronów do utworzenia wiązań podwójnych, które pojawiają się niemal w każdej bardziej złożonej cząsteczce biochemicznej. (Kiedy dwa atomy uwspólniają parę elektronów, mamy do czynienia z pojedynczym wiązaniem. Kiedy współdzielą cztery elektrony, powstaje wiązanie podwójne). Krzemowe życie miałoby więc bez porównania mniej możliwości przechowywania energii w postaci chemicznych wiązań czy wytwarzania chemicznych hormonów. W tej sytuacji tylko skrajnie odmienna biochemia mogłaby podtrzymać życie zdolne do wzrostu, reagowania na bodźce czy reprodukcji (jeżowce i promienice wykorzystują krzem jedynie do tworzenia podpór czy stałych elementów, ale nie w procesach oddychania czy przechowywania energii). No i jeszcze jedna istotna sprawa – to, że na naszej planecie narodziło się życie oparte na węglu, mimo że pierwiastek ten występuje w przyrodzie zdecydowanie rzadziej niż krzem, mówi samo za siebie4. Nie jestem aż takim ryzykantem, by twierdzić, iż biologia oparta na krzemie nie ma prawa zaistnieć, ale jeśli Obcy nie wydalają piasku i nie żyją w pobliżu wulkanów stale wyrzucających krzemionkowy pył, to jakoś trudno mi uwierzyć, że ten właśnie pierwiastek mógłby stać się zaczynem życia.

Szczęśliwie krzem potrafił inaczej zapewnić sobie nieśmiertelność. Tak jak wirus, cząstka quasi-żywa, wcisnął się do ewolucyjnej niszy i przetrwał dzięki pasożytowaniu na pierwiastku zlokalizowanym w tabeli układu okresowego bezpośrednio pod nim.

Jest jeszcze kilka innych genealogicznych historii dotyczących pierwiastków z kolumny, do której należy węgiel i krzem. Pod tym ostatnim w układzie okresowym występuje german, a pod nim z kolei cyna. Jeszcze niżej zaś – ołów. Poruszając się w kierunku od góry do dołu tabeli, zaczynamy od węgla, pierwiastka, na którym opiera się życie; następnie trafiamy na krzem i german, pierwiastki kluczowe dla współczesnej elektroniki; potem napotykamy cynę, z której wytwarza się puszki do przechowywania kukurydzy, a wreszcie ołów – pierwiastek bardziej lub mniej szkodliwy dla życia. Idąc krok po kroku, możemy zauważyć, że choć pierwiastki te mają pewne cechy wspólne, stopniowo nieco się zmieniają.

Jak w każdej rodzinie jest też czarna owca. W tym wypadku będzie to german – pierwiastek, który naprawdę nie miał szczęścia. Krzem wykorzystujemy dziś w układach scalonych komputerów i kalkulatorów, samochodów i samolotów. Dzięki krzemowym półprzewodnikom działa Internet, a ludzie postawili stopę na Księżycu. Ale niewiele brakowało, by ponad sześćdziesiąt lat temu wypadki potoczyły się nieco inaczej. A gdyby tak się stało, mówilibyśmy dziś o „Dolinie Germańskiej”, a nie krzemowej.

Współczesny przemysł półprzewodnikowy narodził się w 1945 roku w Bell Labs w stanie New Jersey, zaledwie kilkanaście kilometrów od miejsca, gdzie siedemdziesiąt lat wcześniej swoje laboratorium miał Thomas Alva Edison. William Shockley, fizyk i inżynier elektryk próbował skonstruować mały wzmacniacz, który mógłby zastąpić lampy elektronowe w ówczesnych komputerach. Inżynierowie nie przepadali za lampami elektronowymi, ponieważ były one nieporęczne, delikatne i łatwo się przegrzewały. Choć denerwujące w użyciu, lampy elektronowe były jednocześnie niezbędne, ponieważ nie było niczego, co mogłoby spełnić ich podwójną funkcję: wzmacniania sygnału, tak by nie zanikł po drodze, oraz przepuszczania elektronów tylko w jednym kierunku, tak żeby w obwodzie nie mogły popłynąć w drugą stronę. (Jeśli wyobrazicie sobie, co by się stało, gdyby w waszym domu nieczystości przesuwały się rurami kanalizacyjnymi także w przeciwnym kierunku, zrozumiecie szczególną rolę lamp elektronowych). Shockley zamierzał rozprawić się z lampami elektronowymi jak kiedyś Edison ze świecami i wiedział, że droga do celu wiedzie przez półprzewodniki: tylko one mogły zapewnić pożądaną równowagę, pozwalając inżynierom wpuścić do obwodu trochę elektronów (tutaj chodzi o część „przewodnik”) – ale nie za dużo, bo nie da się nad nimi zapanować (a tutaj chodzi o przedrostek „pół”). Sam Shockley był jednak bardziej wizjonerem niż inżynierem i jego krzemowy wzmacniacz nigdy niczego nie wzmocnił. Po dwóch latach nieudanych prób, sfrustrowany przekazał projekt swoim asystentom, Johnowi Bardeenowi i Walterowi Brattainowi.

Bardeen i Brattain, jeśli wierzyć jednemu z biografów, „stanowili tandem idealny (…) byli jak jeden organizm, którego Bardeen był głową, a Brattain rękami5”. Był to wygodny układ dla każdego z nich, jako że Bardeen, którego zdjęcie mogłoby ilustrować w słowniku hasło „jajogłowy”, nie był szczególnie uzdolniony manualnie. Tandem badaczy szybko ustalił, że krzem jest zbyt kruchy i trudny do oczyszczenia, by nadawał się do budowy wzmacniacza. Obaj panowie B wiedzieli też, że atomy germanu, którego najbardziej zewnętrzne elektrony rezydują na wyższym poziomie energetycznym niż w krzemie (a więc łatwiej je oderwać), będą lepiej przewodzić prąd elektryczny niż atomy krzemu. Bardeen i Brattain skonstruowali pierwszy na świecie wzmacniacz niepróżniowy w grudniu 1947 roku. Nazwali go tranzystorem³.

Także pneumoconiosis, czyli pylica płuc (przyp. tłum.). [wróć]

W wolnym tłumaczeniu: pylica-płucna-spowodowana-ultramikroskopijnymi-drobinami-krzemu-pochodzenia-wulkanicznego (przyp. tłum.). [wróć]

Był to tzw. tranzystor ostrzowy (przyp. tłum.). [wróć]

Zapraszamy do zakupu pełnej wersji książki