Objevování prvků 2: Kovy pana lékárníka

Druhá polovina 18. století byla dobou obdivuhodných pokroků v chemii. Vědci identifikovali řadu nových prvků, začínali studovat organické sloučeniny, objasnili podstatu hoření a oxidace, položili základy moderního chemického názvosloví – a mohli bychom pokračovat ještě dlouho.

Lékárník profesí, chemik srdcem

Jednou z velkých postav těchto časů byl Carl Wilhelm Scheele (1742–1786). Narodil se v severoněmeckém přístavním městě Stralsundu, které tehdy patřilo Švédsku. Jako patnáctiletý odjel do jihošvédského Göteborgu, aby se vyučil lékárníkem.

Kromě farmacie se začal věnovat i chemii. Po práci ji vytrvale studoval z učebnic a v lékárně, kde působil, mu dokonce dovolili dělat pokusy v tamní slušně vybavené laboratoři.

Během osmi let strávených v Göteborgu se stal ze Scheeleho vynikající chemik. Sice byl v tomto vědním oboru „jenom“ samoukem bez univerzitního vzdělání, ale jeho schopností si vážili renomovaní badatelé z celé Evropy.

Scheele popsal několik nových prvků nebo výrazně přispěl k jejich objevu. Kromě toho také objevil například kyseliny mléčnou, citronovou, šťavelovou či fluorovodíkovou.

Chemii měl spíš jako koníčka; v praktickém životě zůstal věrný farmacii. Postupně pracoval jako lékárník v několika švédských městech, až nakonec zakotvil v Köpingu, kde si otevřel vlastní lékárnu.

Tento díl našeho seriálu věnujeme manganu, molybdenu a wolframu, na jejichž objevu má Scheele velkou zásluhu. O geniálním farmaceutovi ale rozhodně neslyšíte naposledy.

Prvek objevený třikrát

Začněme manganem. Už středověcí skláři znali zvláštní minerál, který dokáže barvit i odbarvovat sklo – podle toho, kolik se ho přidá do taveniny. Zatímco větší množství dodává sklu krásně fialový odstín, malé množství proměňuje zelené sklo na čiré. Tím si nerost vysloužil označení sapo vitri, což bychom mohli volně přeložit jako „čistič skla“. Němečtí horníci mu říkali Braunstein neboli hnědý kámen.

Odbarvovací trik má jednoduché chemické vysvětlení. Dnes víme, že Braunstein – moderním geologickým názvoslovím pyrolusit – je oxid manganičitý (MnO₂). Pokud sklářské suroviny obsahují jako nečistotu sloučeniny železa, obarví železnaté ionty (Fe²⁺) sklo na zeleno.

Oxid manganičitý je silné oxidační činidlo, které zoxiduje železnaté ionty na železité (Fe³⁺). Ty barví sklo do žluta, ale mnohem slaběji, takže výsledný produkt je prakticky čirý.

V 18. století se o pyrolusit začali zajímat chemici. Cesta za objevem nového prvku byla ovšem klikatá. Kolem roku 1740 tento nerost studoval Němec J. H. Pott. Připravil z něj některé sloučeniny manganu, ale chemickou podstatu minerálu odhadl špatně. Vůbec si neuvědomil, že je na stopě dosud neznámému kovu.

Švédský metalurg Sven Rinman se v roce 1756 dostal dál. Z pyrolusitu vytavil kov, jenž mu připomínal bismut. Neměl ovšem čas na podrobnější výzkum, takže jeho úspěch zůstal bez povšimnutí.

Podobnou smůlu měl G. Keim. Ten získal kov z pyrolusitu roku 1774, když působil na univerzitě ve slovenské Trnavě. O objevu bohužel referoval jen ve své disertační práci, která nevzbudila skoro žádnou pozornost mezinárodní vědecké obce.

Ve stejném roce přebral štafetu náš švédský lékárník. Mezi lety 1770 a 1775 žil Scheele v Uppsale, kde se spřátelil se dvěma přírodovědci z místní univerzity – profesorem Torbernem Bergmanem a čerstvým absolventem Johanem Gottliebem Gahnem. Vzniklo tak neuvěřitelně plodné vědecké partnerství.

Bergman jednou požádal Scheeleho, aby prozkoumal chemické složení pyrolusitu. Scheele pečlivě popsal reakce minerálu s různými látkami a přinesl pádné důkazy, že pyrolusit obsahuje neznámý kov. Zjistil dokonce (řečeno moderním jazykem), že tento kov může mít ve sloučeninách různá oxidační čísla.

Scheele však se svým vybavením nedokázal nový prvek izolovat. Obrátil se proto na přítele Gahna, který měl k dispozici výkonnou chemickou pec. Gahn zahříval směs pyrolusitu s uhlíkem na vysokou teplotu, dokud se nevytavil bílý kov.

Psal se rok 1774 a rodina chemických prvků právě dostala dalšího člena – mangan. Zpráva o objevu se rychle roznesla po Švédsku i po Evropě. Řada vědců Gahnovy výsledky potvrdila, takže mangan se konečně (na třetí pokus) dočkal všeobecného uznání.

Záhada molybdaeny

Dalším Scheeleho zářezem v periodické tabulce byl molybden. Od antiky se v přírodovědných spisech objevoval materiál nazývaný molybdaena. Různí autoři bohužel tímto slovem označovali leccos od grafitu přes některé olověné rudy až po minerál známý dnes jako molybdenit (chemicky sulfid molybdeničitý, MoS₂).

V našem příběhu vystupuje právě molybdenit – měkký, kovově lesklý, šedý až černý nerost tvořící obvykle lístky nebo šupinky. Roku 1754 zkoumal jeho vlastnosti Bengt Qvist ze švédského báňského úřadu. Nepodařilo se mu z molybdenitu izolovat kov, ale nabyl dojmu, že minerál přece jen obsahuje nějakou kovovou „esenci“.

Tajemnou esenci se ovšem nedařilo najít. Naši staří známí Torbern s Gahnem proto poprosili Scheeleho, zda by se obtížného úkolu neujal. Šikovný lékárník provedl na svou dobu zcela brilantní, velmi systematickou a důkladnou analýzu, jejíž výsledky zveřejnil v roce 1778. Mimo jiné prokázal, že molybdenit obsahuje síru, a reakcí s kyselinou dusičnou z něj vyrobil oxid molybdenový (MoO₃).

Příprava oxidu byl velký úspěch. Ale ať se Scheele snažil, jak chtěl, nebyl schopný z této sloučeniny získat kov. Stejně jako v případě manganu mu chyběla pořádná pec. Tentokrát se obrátil na Laboratorium Chymicum, které jsme si minule představili jako švédský výzkumný ústav pro chemii, mineralogii a hutnictví.

V Laboratoriu se do pátrání po kovu z molybdaeny zapojil Peter Jakob Hjelm. Použil při tom obměnu běžného hutnického postupu redukce uhlíkem. Scheeleho oxid rozetřel se lněným olejem na pastu a směs zahříval v uzavřené nádobě. Za vysoké teploty vznikl z oleje uhlík, který pak redukoval oxid molybdenový na kovový molybden.

Hjelm svůj úspěch oznámil v roce 1781. Scheele mu nadšeně gratuloval a prohlásil, že objev nového prvku je výhradně Hjelmova zásluha. To bylo od pana lékárníka pozoruhodně velkorysé, když si uvědomíme, kolik práce měl s analýzou molybdenitu i přípravou oxidu molybdenového.

Těžký kámen a vlčí pěna

Už několikrát jsme se přesvědčili, že dávní horníci a hutníci měli vynikající postřeh i spoustu praktických zkušeností. Jejich znalosti hrály roli také v objevu wolframu.

V Krušných horách i jinde v Evropě se odedávna těžily cínové rudy. Někdy se ovšem při jejich tavení stávalo, že se ve strusce vytvořila pěna, která do sebe strhávala kapičky cínu a snižovala tak jeho výtěžek.

Jako kdyby nějaký „vlk“ požíral cín. Němečtí hutníci proto zvláštní jev pojmenovali Wolfrahm neboli vlčí pěna. Nevěděli ale, že ho způsobuje nerost wolframit – chemickým složením wolframan železa a manganu, (Fe,Mn)WO₄. Ten se občas vyskytoval společně s rudami cínu.

V roce 1761 zkoumal geolog a chemik Johann Gottlob Lehmann wolframit pocházející z Cínovce na česko-německé hranici. Podařilo se mu z něj připravit bílou látku. Jak se později ukázalo, šlo o hydrát oxidu wolframového (patrně dihydrát WO₃∙2H₂O). Lehmanna ale nenapadlo, že by sloučenina mohla obsahovat nějaký dosud neobjevený prvek.

Mezitím byl ve Švédsku nalezen minerál s neobvykle vysokou hustotou. Dostal jméno tungsten, což švédsky znamená těžký kámen. Chemicky je to wolframan vápenatý, CaWO₄. Roku 1751 ho studoval chemik a mineralog Axel Fredrik Cronstedt. Chemický rozbor mu napověděl, že v tungstenu se skrývá cosi neznámého. Ale co?

O tři desetiletí později se záhadu pokusil rozlousknout Carl Wilhelm Scheele. K problému opět přistoupil s obdivuhodnou systematičností a důkladností. Dvěma různými způsoby vyrobil z tungstenu bílou sraženinu, kterou pokládal za kyselinu.

Dospěl ke stejné sloučenině jako před ním Lehmann – k hydrátu oxidu wolframového. Zjistil, že jeho fyzikální a chemické vlastnosti jsou jiné, než má podobná „kyselina“ připravená z molybdaeny (hydrát oxidu molybdenového). To byl přesvědčivý důkaz přítomnosti nového prvku v tungstenu. Svá zjištění Scheele publikoval roku 1781.

Na definitivní potvrzení, tedy izolaci čistého prvku, si ale svět musel počkat ještě dva roky. Zasloužili se o ně bratři Juan José d'Elhuyar a Fausto d'Elhuyar, rodáci ze severu Španělska. Oba studovali geologii, metalurgii a chemii ve španělské Vergaře a pak v německém Freibergu. Starší Juan José ještě pokračoval do Švédska, kde v roce 1782 navštívil Scheeleho a také získal vzorky tungstenu.

Když se bratři znovu setkali ve Vergaře, rekapitulovali své poznatky z cest po Evropě. Napadlo je, že by mohla být nějaká souvislost mezi vlčí pěnou komplikující výrobu cínu, minerálem wolframitem z Cínovce a Scheeleho „kyselinou“ neznámého kovu.

Z wolframitu dokázali připravit stejnou látku jako Scheele z tungstenu. Z ní nakonec vytavili drobné částečky kovu, jenž vynikal nápadně vysokou hustotou. Psal se rok 1783 a v seznamu chemických prvků přibyla další položka – wolfram.

V mnoha řečech včetně češtiny je název tohoto prvku odvozen od německého termínu Wolfrahm. Angličtina a některé jiné jazyky zase přejaly švédské slovo tungsten. Minerál, kterému se tak původně říkalo, se ovšem od roku 1821 jmenuje scheelit. Na počest lékárníka, který posunul chemii o pořádný kus dopředu.

Příště zamíříme k pravému okraji periodické tabulky a budeme vyprávět příběhy halogenů. Kromě chemických laboratoří se podíváme také k moři.