Istota kryształów: Djament

Z Wikiźródeł, wolnej biblioteki
Przejdź do nawigacji Przejdź do wyszukiwania
<<< Dane tekstu >>>
Autor William Bragg
Tytuł Istota kryształów: Djament
Podtytuł o istocie materji
Pochodzenie Tajemnice atomu
(o istocie materji)
Wydawca Trzaska, Evert i Michalski S. A.
Data wydania 1933
Druk Drukarnia Narodowa w Krakowie
Miejsce wyd. Warszawa
Tłumacz Karol Szlenkier
Źródło Skany na Commons
Inne Pobierz jako: Pobierz jako ePub Pobierz jako PDF Pobierz jako MOBI
Cały tekst
Pobierz jako: Pobierz Cały tekst jako ePub Pobierz Cały tekst jako PDF Pobierz Cały tekst jako MOBI
Indeks stron


WYKŁAD CZWARTY
ISTOTA KRYSZTAŁÓW: DJAMENT

Widzieliśmy, że, gdy ruch atomów lub cząsteczek całkowicie przezwycięża działanie sił wzajemnego przyciągania, atomy te lub cząsteczki zachowują swój byt niezależny, tworząc gaz; widzieliśmy następnie, że, gdy działanie przyciągania się nieco zwiększy lub gdy ruchliwość cząsteczek osłabnie, cząsteczki mogą przylgnąć do siebie, tworząc płyn. Przypuszczamy, że w stanie tym cząsteczki połączone są ze sobą na tyle luźno, że każda z nich z łatwością zmieniać może swe położenie i sąsiadować z coraz to innemi cząsteczkami. Obecnie rozpatrzyć musimy stan krańcowy, w którym siły przyciągania uzyskują całkowitą przewagę. Więzy, łączące cząsteczki, są teraz liczniejsze i prawdopodobnie mocniejsze: każda cząsteczka związana jest z sąsiadującemi z nią w paru conajmniej punktach swego układu, jest więc niejako przygwożdżona do miejsca. W ten sposób powstaje ciało stałe.
Cząsteczki różnią się bardzo znacznie pomiędzy sobą zarówno pod względem swego kształtu, jak też pod względem sił, z jakiemi wzajemnie na siebie działają. Gdy siły te są znaczne, trzeba dużego ruchu na to, aby przezwyciężyć działanie tych sił, wiążących cząsteczki w ciało stałe, innemi słowy temperatura topliwości jest stosunkowo wysoka. Cząsteczki w ciałach takich, jak djament lub wolfram, z którego sporządza się nitki w żarówkach elektrycznych, związane są ze sobą tak mocno, że dopiero przy temperaturze paru tysięcy stopni więź ich zaczyna się rozluźniać. Ciała takie, jak masło lub naftalina, już przy temperaturze zwykłej są u granicy stanu stałego, podczas gdy ciała inne, jak dwutlenek węgla, a tem bardziej tlen lub wodór, muszą być ochłodzone do bardzo niskich temperatur, zanim przejdą w stan stały. Wszystko polega na równowadze pomiędzy dwoma przeciwdziałającemi sobie czynnikami, t. j. ruchem i wzajemnem przyciąganiem, wobec czego łatwo pojąć, że temperatury topliwości różnych ciał tak bardzo różnią się pomiędzy sobą.
Co więcej, nie powinniśmy wyobrażać sobie cząsteczki jako tworu o mglistym i nieokreślonym kształcie, przyciągającego inne cząsteczki w jakimkolwiek bądź kierunku. Gdy dwie cząsteczki zbliżą się do siebie, mogą one naskutek wzajemnego przyciągania bardzo ściśle przylgnąć do siebie, lub też nie, w zależności od tego w jaki sposób są do siebie zwrócone. Możemy powiedzieć, że każda cząsteczka ma określony kształt względnie zarys, pamiętać o tem jednak musimy, że przy bliższem wniknięciu w to zagadnienie, nader starannie rozważyć wypadnie, co istotnie przez te słowa rozumieć należy. Cząsteczki łączą się ze sobą tak, jakby posiadały całkiem określone punkty wiązania i jakby łączenie się zależało od wzajemnego zetknięcia się właściwych punktów. Nie można naogół porównywać wzajemnego oddziaływania cząsteczek do przyciągania się nawzajem dwóch ciał, naelektryzowanych ładunkami przeciwnych znaków, lecz raczej do znitowania dwóch części budowy mechanicznej, np. dwóch części żelaznego mostu. Tak, jak w tym ostatnim wypadku odnośne części znajdować się muszą w odpowiedniem względem siebie położeniu, aby nity mogły być wpuszczone w przeznaczone sobie miejsca, tak samo okazuje się, że dwie cząsteczki ciała stałego dążą do takiego ułożenia się wzajemnego, że dane części jednej cząsteczki nader ściśle wiążą się z odpowiedniemi częściami drugiej. Te same cząsteczki łączyć się mogą ze sobą w różny sposób, naskutek czego powstawać z nich mogą budowy różnego rodzaju; tak np. istnieją różne postacie siarki, kwarcu i wielu innych ciał. Często się zdarza, że przy danej temperaturze cząsteczki tworzą jeden układ, a przy innej temperaturze — układ odmienny.
Wnioskujemy stąd, że cząsteczki, składające się z wielu atomów i posiadające wskutek tego prawdopodobnie bardzo złożoną budowę i niezwykłe nieraz kształty, łączą się w ciało stałe, tworzące, jakby koronkę w przestrzeni. Porównać je możemy do mostu, zbudowanego z żelaznych dźwigarów i krzyżulców; konstrukcja taka pozostawia dużo wolnej przestrzeni, gdyż każdy z jej członów posiada kształt osobliwy, zazwyczaj długi i wąski, i związany jest z członami sąsiedniemi w pewnych tylko punktach. Większość substancyj organicznych, jak naftalina i parafiny stałe, posiada taki złożony ustrój i naskutek porowatej budowy gęstość ich jest niewielka. Nieliczne tylko substancje organiczne są dużo cięższe od wody. Gdy budowa i kształt cząsteczek są prostsze, mogą one szczelniej wypełniać sobą przestrzeń. Gdy cząsteczka składa się tylko z kilku atomów, jak cząsteczka rubinu lub pirytu, a tem bardziej z jednego tylko atomu, (atom i cząsteczka są wtedy sobie równoznaczne), jak w wypadku złota lub żelaza, wówczas cząsteczki wypełniają przestrzeń bardzo szczelnie i mamy do czynienia z substancjami względnie ciężkiemi.
Nieskończona różnorodność własności ciał stałych, spotykanych na ziemi, jest w istocie wynikiem nieskończonej różnorodności sposobów łączenia się atomów i cząsteczek pomiędzy sobą i przeróżnej wielkości łączących je sił. Nigdy nie zdołamy poznać należycie używanych przez nas codziennie tworzyw, ani zdać sobie sprawy z ich budowy, dopóki przynajmniej nie ustalimy układu atomów i cząsteczek w ciele stałem i dopóki nie będziemy w stanie określić wielkości i innych cech znamiennych sił, łączących atomy i cząsteczki ze sobą.
Otóż, w ciągu ostatnich lat odkrycie promieni Roentgena dało nam możność bardzo wnikliwego, dokładnego badania budowy ciał stałych, dzięki czemu szczegółowo zapoznać się możemy z rozplanowaniem tworzących je układów. Posunęliśmy się daleko na drodze do idealnego celu, który nam przyświeca, t. j. do osiągnięcia takiego stanowiska, dzięki któremu pojąć będziemy w stanie, dlaczego tworzywo, składające się z takich a takich atomów posiada takie a takie cechy, gęstość, wytrzymałość, elastyczność, przewodnictwo ciepła lub elektryczności i t. p. lub też innemi słowy tak a tak zachowuje się pod wpływem elektryczności, magnetyzmu, sił mechanicznych, światła lub ciepła. Nie wiemy jeszcze, dokąd zaprowadzą nas te nowe potężne środki, w jakie zostaliśmy wyposażeni; jedno jest pewne, że zaprowadzą nas daleko i pozwolą nam wniknąć w przeróżne sposoby obchodzenia się z ciałami i ustrojami materjalnemi, bądź to stosowane świadomie lub nieświadomie w wytwórczości przemysłowej, bądź to przejawiające w czynnościach żywych organizmów.
Ta nowa metoda nadaje się szczególnie do badania ciał stałych, zamierzamy też opisać ją w niniejszym i następnych wykładach, które poświęcone są rozpatrywaniu stanu stałego. Polega ona na łącznem zastosowaniu własności kryształów i promieni rentgenowskich, wobec czego zająć się musimy choć pokrótce każdem z tych zagadnień. Zacznijmy od kryształu.
Wyobraźmy sobie, że powoli ochładzający się płyn doszedł do stanu wspomnianego już uprzednio, w którym ruch osłabł do tego stopnia, że cząsteczki lub atomy zaczynają mocno sczepiać się ze sobą. Ułożą się one tak, że zwrócą się do siebie największą możliwie ilością znajdujących się na nich punktów, pomiędzy któremi możliwe jest wzajemne przyciąganie. Wyobrazić sobie możemy, że dwie cząsteczki, związane już ze sobą w jednym punkcie kołysać się będą dookoła tego wspólnego punktu coraz to wolniej aż do chwili, kiedy może całkiem raptownie zwiążą się ze sobą w innem miejscu. Wówczas możliwem jest, że na każdej z tych cząsteczek powstanie nowy, trzeci węzeł, łączący ją z drugą, lub też z jakąś trzecią cząsteczką, która przez to zostaje również unieruchomioną. Tak więc, w miarę ochładzania się płynu, cząsteczka po cząsteczce dołącza się do poprzednio wspólnie unieruchomionych, i tak rośnie ciało stałe.
Może też ciało stałe powstawać, wydzielając się z roztworu, w którem było rozpuszczone. Roztwór paruje, skutkiem czego cząsteczki ciała rozpuszczonego spotykają się coraz częściej, co ułatwia ich łączenie się. Gdy płyn ulotni się zupełnie, z roztworu pozostaje tylko ciało stałe. Jeśli parowanie jest powolne, cząsteczki w wędrówce swej w roztworze trafiają na niewielkie skupienia związanych już ze sobą cząsteczek i przyłączają się do nich, zwolna układając się w sposób odpowiedni, zanim zostaną unieruchomione; mają one dosyć czasu, aby zająć swe miejsca we właściwych względem siebie położeniach.

Ryc. 26.
Łatwo zrozumieć, że w tych warunkach powstaje układ całkiem prawidłowy. Przypuśćmy, że ciało płaskie, o kształcie podobnym do A na ryc. 26, posiada cztery ogniska przyciągania, na przemian dodatnie i ujemne, ułożone w sposób, wskazany na rycinie. Jeśli mielibyśmy ułożyć pewną ilość takich ciał na płaskiej powierzchni w ten sposób, ażeby stale ognisko dodatnie sąsiadowało z ogniskiem ujemnem, jako możliwe rozwiązanie tego zadania otrzymalibyśmy zapewne układ podobny do wyobrażonego na rycinie 26.
Jakikolwiek byłby układ, który otrzymalibyśmy tą drogą, zawsze zaznaczyćby się w nim musiała pewna prawidłowość, jaką widzimy też na rycinie. Widocznie też Przyroda postępuje w podobny sposób: cząsteczki układają się obok siebie w uporządkowanym szyku. Okoliczność ta posiada wagę pierwszorzędną. Porządek i prawidłowość układu są wynikiem pełnego działania sił przyciągających pomiędzy atomami lub cząsteczkami. Gdy budowa wzrośnie na tyle, że widoczną się staje w mikroskopie, a nawet dla gołego oka, prawidłowość przejawia się w kształcie ciała stałego; wówczas mamy przed sobą to, co zwiemy kryształem. Ograniczony on jest pewną ilością płaskich ścianek, mających nieraz pozór wysoce wypolerowanych, tak, że kryształ posiada swoiste piękno, które częściowo zawdzięcza swemu połyskowi i błyskotliwości, częściowo doskonałości swego prawidłowego kształtu. Wyczuwamy, że jakaś tajemnica i piękno leżą u źródła pociągających nas cech; tak też jest istotnie. Przyroda objawia nam, jak przepięknie układa cząsteczki, gdy ma pełną przy tem swobodę. Jednostka jej wzoru składa się tylko z dwóch lub trzech cząsteczek, lecz, zaledwie się utworzy, zawiera już w sobie wszystkie własności całego kryształu; ten ostatni bowiem powstaje już tylko przez wielokrotne powtórzenie jednostki danego wzoru. W krysztale oglądamy zatem niejako pierwotne, najprostsze budowy Przyrody, jakkolwiek oczy nasze nie są w stanie odczytać tego, co mają przed sobą, bez użycia bardzo mocnych, że ta powiemy, okularów, jakiemi są metody, polegające na zastosowaniu promieni rentgenowskich. Na Tablicy XIII widzimy różne postacie kryształów.
Istnieją trzy fazy w rozwoju układów materji: atom pojedyńczy, jaki znajdujemy np. w gazie helu; cząsteczka, będąca przedmiotem badań chemików, i jednostka krystaliczna, którą obecnie badać możemy zapomocą promieni rentgenowskich.
Jako przykłady przytoczyć możemy atomy krzemu lub tlenu. Cząsteczka dwutlenku krzemu składa się z jednej jednostki krzemu i dwóch jednostek tlenu, tworzących razem niewątpliwie pewien określony układ. Istnieje wreszcie minerał, zwany kwarcem, którego jednostka krystaliczna składa się z trzech cząsteczek dwutlenku krzemu; tworzących zkoleji szczególny układ, jak wiemy, śrubowaty. Kryształ kwarcowy zawiera niezliczoną ilość takich jednostek. Każda jednostka posiada wszystkie własności kwarcu, jest też istotnie kwarcem; natomiast pojedyncza cząsteczka dwutlenku krzemu nie jest bynajmniej kwarcem. Jedną z najbardziej znanych własności kwarcu jest naprzykład skręcanie płaszczyzny polaryzacji światła; własność ta jest w związku ze śrubowatą budową jednostki krystalicznej. Trzy cząsteczki tej jednostki tworzą śrubę. Gdy do okrągłej pałeczki (p. ryc. 27) przytwierdzimy kołeczki pod każdym względem jednakowe — t. j. gdy jednostką naszego wzoru będzie pojedyńczy kołeczek, otrzymamy
Ryc. 27. — Modele, wyjaśniające budową śrubową.
A. Jeden rodzaj kołeczków, to znaczy wszystkie kołeczki są jednakowe i jednakowo skierowane.
B1 i B2. W każdym z modeli mamy dwa rodzaje kołeczków, t. j. kołeczki jednego rodzaju skierowane są na lewo, a kołeczki drugiego rodzaju — na prawo. Dwa różne układy.
C1 i C2. Trzy rodzaje kołeczków, skierowanych w trzy różne kierunki. Układ C1 odpowiada śrubie, skręconej na prawo, układ C2 — śrubie, skręconej na lewo.
układ w rodzaju A. Gdy jednostkę wzoru tworzyć będą dwa kołeczki, otrzymać możemy układy B1 albo B2. Jednostka wzoru, składająca się z trzech kołeczków da nam układ jak C, przyczem są dwie możliwości: C1, gdy śruba skręca na prawo, C2 gdy śruba skręca na lewo. Zapomocą promieni rentgenowskich istotnie stwierdzić możemy, że jednostka krystaliczna kwarcu składa się z trzech cząsteczek, ułożonych w kształcie śruby, co zgadza się w zupełności z postacią samego kryształu kwarcowego, która występuje w dwóch odmianach, jak to widzimy na ryc. 27 A. W jednej szereg sąsiadujących ze sobą ścianek x, s, r′, wygina się, jak śruba skręcona na prawo, w drugiej — jak śruba skręcona na lewo. Można było przewidywać taką dwoistość układu, jako wynik dwóch rodzajów śruby w kształcie jednostki krystalicznej. Obecny stan naszych wiadomości nie pozwala nam jeszcze orzec, dlaczego właśnie wymieniony szereg ścianek tak znamiennie się wyróżnia. Kwarc czyli „kryształ górny“ zwał się u Greków „Krystallos“; mianem tem obdarzali też Grecy lód, gdyż nie rozróżniali oni tych dwóch substancyj. Słusznem więc było skądinąd, że, w celu wyjaśnienia, jak wyobrażamy sobie budowę kryształów i jednostkę krystaliczną, wybraliśmy jako przykład właśnie kwarc.
Możemy teraz zadać sobie pytanie, dlaczego wszystkie ciała nie posiadają budowy krystalicznej, skoro naturalnym układem cząsteczek jest układ prawidłowy. Na to odpowiedzieć musimy przedewszystkiem, że duży kryształ doskonale ukształtowany wzrosnąć może tylko dookoła pojedyńczego ośrodka krystalizacji. Trudno jest orzec, co właściwie jest przyczyną wstrzymania ruchu wzajemnego dwóch lub trzech cząsteczek w ochładzającym się płynie i co za tem idzie wytworzenia ośrodka, do którego przyłączają się dalsze cząsteczki. Być może jest to tylko wynikiem ich przypadkowego spotkania się; możliwem też jest, że jakaś drobinka obcego ciała staje się tym ośrodkiem, skupiającym dookoła siebie łączące się ze sobą cząsteczki, lub też, że rolę takiego ośrodka odgrywa jakaś nierówność naczynia, zawierającego płyn.
Ryc. 27 A.
Jeśli w płynie znajdować się będzie duża ilość takich jąder, rosnąć zacznie duża ilość kryształów, ponieważ zaś spotykać się one będą naogół w przeróżnych przypadkowych położeniach wzajemnych, utworzą one w końcu bezkształtną masę małych kryształków zamiast pojedyńczego dużego kryształu. Kryształki te mogą być tak drobne, że całość przedstawia się naszym oczom jako ciało stałe, pozbawione jakiegokolwiek prawidłowego kształtu. Duży kryształ ukształtować się może w doskonałej postaci tylko wówczas, gdy cząsteczki będą mogły łączyć się ze sobą dookoła niewielu ośrodków. Poza tem wzrost kryształów odbywać się musi powoli i w całkowitym spokoju, aby każda cząsteczka zdążyła poprawnie osiąść we właściwem miejscu. Ruchliwość cząsteczek musi być skądinąd dostateczna, aby dostosowanie to było możliwe. Warunki te należycie uwzględnione są w metodach, stosowanych w krystalografji do otrzymywania większych kryształów. Pragnąc naprzykład otrzymać duży kryształ z roztworu soli kuchennej, krystalograf zawiesza w roztworze maleńki dobrze ukształtowany kryształek i utrzymuje roztwór w takiej temperaturze, przy której ruch atomów sodu i chloru zahamowany będzie wyłącznie przez zetknięcie ze skupieniem atomów, tworzących już układ doskonale prawidłowy, to znaczy, przez zetknięcie z zawieszonym kryształkiem.
Gdy roztwór jest za gorący, zawieszony kryształek rozpuści się w nienasyconym roztworze; gdy jest on za zimny, kryształy zaczną się tworzyć w wielu miejscach. Czasami płyn utrzymywany bywa w bardzo powolnym ruchu, aby różne jego części po koleji stykać się mogły z zawieszonym kryształem. Najważniejszemi warunkami są: czas i spokój, roztwór soli nieco przesycony tak, żeby każdej chwili wydzielić się zeń mogły kryształy, co wymaga odpowiedniego dostosowania temperatury i stężenia roztworu, obecność doskonale ukształtowanego kryształka i powolny ruch cieczy względem niego. Nie jest, oczywiście, dla nas rzeczą całkiem zrozumiałą, w jaki sposób te lub inne z wymienionych warunków mogą być spełnione podczas wzrastania djamentu lub rubinu; wiemy jednak, że są one konieczne, aby udało się nam otrzymać większe kryształy w laboratorjum.
Gdy warunki te spełnione będą tylko częściowo, w wyniku otrzymać możemy bezładną masę małych kryształków, a nawet budowę całkiem nieprawidłową, t. j. to, co zazwyczaj nazywamy ciałem bezkształtnem. To jedno tłumaczyłoby
Ryc. 28. — Termostat.
Temperatura kąpieli, w której umieszczone są słoje z rosnącemi kryształami, powinna powoli obniżać się z dnia na dzień bez nagłych i przypadkowych wahań. Temperaturę podtrzymuje grzejnik elektryczny: gdy jest ona za wysoka, prąd zostaje przerwany naskutek rozszerzenia się płynów w dużym termometrze, umieszczonym również w kąpieli. Podnosząca się w rurce termometru rtęć zamyka obwód pomocniczy, a znajdujący się w tym ostatnim elektromagnes przerywa prąd w obwodzie ogrzewalnym. Zapomocą zegara obniża się stale, bardzo powoli koniec drutu, który styka się z rtęcią w termometrze, przez co prąd w uzwojeniu grzejnika wyłącza się przy coraz to niższych temperaturach. Grzejnik znajduje się na dnie termostatu, a nad nim umieszczone jest mieszadło.
pozorną rzadkość kryształów, poza tem pamiętać należy, że wiele ciał stanowi bardzo złożone mieszaniny, składające się z wielu substancyj, z których każda posiada swą przyrodzoną, właściwą sobie postać. Promienie rentgenowskie wykazują nam, że kryształy nie są tak rzadkie, jak to skłonni byliśmy przypuszczać; że nawet w tych wypadkach, gdy krystalizacja nie jest oczywistą, Przyroda starała się wytworzyć układy prawidłowe, i że istnienie takich układów uprzednio uszło naszej uwagi dlatego, że środki, któremi rozporządzaliśmy, dla ich wykrycia, były nieskuteczne. Prawidłowość układów, jakie wytwarza Przyroda, przejawia się w widocznym dla oka krysztale, ale daje się też wykryć gdzieindziej. Ta właśnie prawidłowość jest jedną z przyczyn skuteczności nowych metod analitycznych.
Zkolei zajmijmy się promieniami Roentgena. Postaramy się przedewszystkiem wyjaśnić w kilku słowach, czemu zawdzięczać należy, że promienie te oddają nam takie usługi w interesujących nas badaniach.

Promienie rentgenowskie są odmianą światła, różniąc się od światła zwykłego jedynie długością fali. Widzialne dla naszego oka światło, wysyłane przez słońce, lampę elektryczną lub świecę, obejmuje tylko wąski zakres długości fal. Najdłuższe fale światła widzialnego mają około ośmiu stutysięcznych centymetra długości, najkrótsze zaś około połowy tego. Wielkości te dobrze dostosowane są do celu, dla jakiego nam służą. Przypomnijmy sobie, że przedmiot, na który się patrzymy, staje się widzialnym dzięki zmianom, wywołanym przez ten przedmiot w świetle, dochodzącem za jego pośrednictwem do naszego oka. Oczy nasze i mózg dzięki długotrwałemu ćwiczeniu nabyły doskonałej wprawy w postrzeganiu i trafnem kojarzeniu takich zmian. Może nas to jednak zawieść, gdy przedmiot będzie zbyt mały, i to nietylko dlatego, że zmiany, wywołane w świetle przez mały przedmiot, są same przez się nieznaczne. Dzieje się to z innego jeszcze, bardziej subtelnego powodu: istota samego zjawiska zmienia się, gdy rozmiary przedmiotu są tej samej mniej więcej wielkości co długość fali świetlnej, lub są od niej jeszcze mniejsze. Wyobraźmy sobie, że przechadzamy się po brzegu morskim, przyglądając się nadpływającym falom. Podczas przechadzki przychodzimy do miejsca, gdzie fale są słabsze, i, gdy rozejrzymy się dookoła, szukając przyczyny, spostrzeżemy skałę, wysuniętą w morze i zasłaniającą tę część plaży. Mamy tu odpowiednik cienia optycznego: daleką burzę, która spowodowała fale, porównać możemy do słońca, brzeg morski, o który uderzają fale, — do ziemi, oświetlonej promieniami słońca, a wysuniętą w morze skałę — do chmury, rzucającej cień na ziemię. Cień
TABLICA XIII

Postacie kryształów.
A.Kryształy trójtlenku siarki, które ukształtowały się z pary w naczyniu szklanem. B. Kryształ erytritolu, wyrosły w roztworze. C. Chlorek amonu: kryształy o kształcie sześcianów prawidłowych i wydłużonych, powstałe w roztworze, zawierającym mocznik. D. Postacie kryształów: kwercyt i kokosyt. E. Postacie kryształów: alizaryna; ałun rubidowy; chlorek sodu; siarczan amonowo-kobaltowy; kwas ftalowy. F. Chlorek amonu: kryształy w kształcie liści paproci, ośmiościanów i sześcianów, powstałe w roztworze, zawierającym mocznik.

TABLICA XIV

A. Model djamentu.
Model uwidocznia tylko układ atomów węgla, pomijając ich kształt i wielkość.



B. Tapeta.
Jednostka wzoru oznaczona została w dwojaki sposób: a) linjami grubemi, b) linjami cienkiemi. W obydwu wypadkach kształt i zawartość jednostki są jednakowe, jakkolwiek położenie kątów każdej z jednostek inaczej zostało wybrane.


optyczny daje nam znać o chmurze, a cisza u brzegu pozwala nam domyślać się bliskiego sąsiedztwa skały. Otóż rozmiary skały są zapewne znacznie większe od długości fal. Jeśliby zamiast skały znajdował się u wybrzeża pal, wbity w dno morskie i wystający ponad powierzchnię, skutek byłby zbyt nikły, abyśmy go mogli zauważyć. Nie nastręcza to, oczywiście, żadnych wątpliwości. Ale nawet wówczas, gdyby takich pali było całe mnóstwo wbitych w dno morskie tak, żeby osiągnięty tą drogą skutek dorównał skutkowi, wywołanemu obecnością skały, z powstałego w ten sposób cienia nie moglibyśmy zdać sobie sprawy z obecności pojedyńczych pali. Średnica pala jest zbyt mała w stosunku do długości fali, aby ta ostatnia ulec mogła jakiejkolwiek trwałej zmianie; fale omijają pal, łączą się zpowrotem i to wszystko. Jeżeli jednak tylko lekki podmuch wiatru muskać będzie powierzchnię spokojnego skądinąd morza, pokrywając ją drobniutkiemi fałami, każdy z pali rzucać będzie cień na pewną, nieznaczną choćby odległość w kierunku, w którym wiatr wieje. Długość tych drobniutkich fal jest mniejszą od średnicy pala, wskutek czego przy każdym z pali powstaje cień.
Tak samo zupełnie fale świetlne, przesuwające się ponad cząsteczkami, znacznie od nich mniejszemi, nie doznają żadnych zmian, któreby mogły dojść do oka i mózgu i dać się dostrzec, jako skutek zetknięcia z pojedyńczemi cząsteczkami. Napróżno też staralibyśmy się zwalczać te trudności zapomocą jakichkolwiek przyrządów. Mikroskop zwiększa wprawdzie zdolność naszą dostrzegania małych przedmiotów; przy jego pomocy dostrzeżemy zapewne przedmioty kilka tysięcy razy mniejsze niż te, jakie dostrzec możemy golem okiem. Atoli zawodzi on, gdy chcemy zobaczyć drobinkę, której rozmiary równają się długości fali świetlnej; nie pomogą tu i nie posuną nas naprzód żadne ulepszenia w budowie i wykonaniu mikroskopów. Atoli promienie rentgenowskie powstają z fal dziesięć tysięcy razy krótszych od fal światła zwykłego, o ile więc oczy nasze zastąpić zdołamy odpowiedniemi, dostatecznie czułemi przyrządami, promienie te dziesięć tysięcy razy zwiększą naszą zdolność wnikania w najdrobniejsze szczegóły budowy ciał. Wprowadzają nas one z łatwością w świat atomów i cząsteczek, których wymiary we wszystkich trzech kierunkach wynoszą parę stotysięcznych centymetra, tego samego zaś rzędu są długości fal promieni Roentgena. Krótko mówiąc, promienie Roentgena zwiększyły siłę naszego wzroku dziesięć tysięcy razy, dzięki czemu obecnie „widzieć“ możemy atomy i cząsteczki.
Wypadnie nam teraz ustalić związek pomiędzy promieniami Roentgena a własnościami kryształów. I znowu zaczniemy od określenia tego związku w kilku słowach. Jakkolwiek pojedyncza cząsteczka może wywrzeć wpływ na promienie Roentgena tak samo, jak w przytoczonym przez nas podobnym wypadku pojedyńczy pal może rzucać cień na marszczącej się wodzie, jednak wpływ ten jest zbyt nikły. W krysztale atoli mamy olbrzymią ilość cząsteczek prawidłowo ułożonych i zdarzyć się może, że, gdy wiązka promieni Roentgena padnie na kryształ, oddziaływania poszczególnych cząsteczek łączą się i dają się dzięki temu stwierdzić. I znowu użyć możemy porównania. Jeśliby pojedyńczy żołnierz w polu wykonał ruch swym karabinem i bagnetem, błysk odbijającego się światła słonecznego, wywołany tym ruchem, mógłby z odległości kilometra ujść uwagi, będąc zbyt nikłym. Jeśliby natomiast w tej samej odległości maszerował cały oddział żołnierzy, z łatwością dojrzelibyśmy błysk, wywołany jednoczesnym ruchem broni wszystkich żołnierzy. Dzięki krótkości fali promieni Roentgena każdy pojedyńczy atom lub cząsteczka może na nie oddziaływać, oddziaływania zaś wszystkich pojedyńczych atomów lub cząsteczek sumują się dzięki prawidłowej budowie kryształu.
Po tych wstępnych uwagach możemy bardziej szczegółowo objaśnić sposób, w jaki łącznie wyzyskane zostały własności promieni Roentgena i kryształów w nowych metodach analitycznych. Objaśnienie to jest może nieco mniej przystępnem, staraliśmy się wobec tego tak przedstawić zarówno to, co je poprzedza, jak i to, co po niem następuje, ażeby ci, którzyby sobie tego życzyli, mogli, narazie przynajmniej, ten ustęp opuścić. Kto jednak pragnie posługiwać się owemi nowemi metodami, prędzej czy później będzie musiał przyswoić sobie całkowicie i tę część naszego wykładu.
Widzieliśmy, że atomy i cząsteczki tworzą w krysztale układ prawidłowy, i ustaliliśmy nawet przyczyny, pozwalające przewidywać taki stan rzeczy. Przypuśćmy, że mamy przed sobą wytapetowaną ścianę pokoju i przyglądamy się deseniowi tapety. Deseń ten jest powtórzeniem jednego i tego samego zasadniczego wzoru — jednostki (Tabl. XIV B). Naznaczmy deseń w jakiemkolwiek dowolnem miejscu. Jeśli nie będzie nam wolno uczynić tego faktycznie, naznaczmy sobie deseń w pamięci. Przekonamy się wówczas, że znaki nasze leżą na linjach prostych, tworzących siatkę, złożoną z rombów, i że siatka ta posiadać będzie zawsze ten sam kształt, niezależnie od tego, w jakim punkcie naznaczyliśmy deseń. Romby, tworzące siatkę, będą różnej wielkości i różnego kształtu w różnych tapetach, zawsze jednak pozostając rombami t. j. czworokątami równobocznemi lub przechodząc niekiedy w kwadraty; nikt bowiem nie mógłby znieść tapety, osnutej na siatce, złożonej z dowolnych czworokątów. Rysunek, otrzymany z naznaczonych przez nas punktów, nazwijmy „siatką“. Każdy romb obejmuje całkowicie jednostkę wzoru ze wszystkiemi szczegółami i nic ponad to.
Układ jednostek kryształu w przestrzeni podobny jest do układu jednostek wzoru tapety na ścianie z tą tylko różnicą, że siatka płaska zastąpiona została przez „siatkę przestrzenną“ (ryc. 29). Każda komórka tej siatki posiada sześć ścianek, równoległych do siebie parami. Krawędzie komórki mogą być różnej długości, taksamo różne być mogą jej kąty nachylenia; najprostszą i najbardziej prawidłową jej postacią jest sześcian. Każda komórka obejmuje całkowicie jednostkę wzoru ze wszystkiemi szczegółami i nic więcej: jest ona ową jednostką krystaliczną, posiadającą wszystkie własności kryształu bez względu na jego wielkość. W wypadku kwarcu naprzykład ma ona kształt szczególny, jaki widzimy na ryc. 30, i zawiera trzy cząsteczki dwutlenku krzemu.
Ryc. 29. — Siatka przestrzenna.
Fakt ten łatwo daje się stwierdzić zapomocą metod rentgenowskich, jak również wielkość i wymiary komórki, jak to niebawem zobaczymy; rzeczą daleko trudniejszą jest ustalenie rozmieszczenia atomów i cząsteczek wewnątrz komórki.
Przypuśćmy, że moglibyśmy zajrzeć do wnętrza kryształu wzdłuż jednej z krawędzi komórki (p. ryc. 29) i odtworzyć to, cośmy widzieli, w podobny sposób, jak na ryc. 31. W każdym z węzłów siatki znajduje się grupa atomów, którą wyobrażamy na rycinie w całkiem dowolny sposób zapomocą kółek różnej wielkości. Ilość i jakość atomów lub cząsteczek, skupionych w tej grupie, oraz kształt tej ostatniej są w danym wypadku bez znaczenia; grupa zawierać może każdą ilość atomów lub cząsteczek, lecz rzeczą zasadniczą jest, aby identycznie taka sama grupa znajdowała się w każdym z węzłów siatki, podobnie jak na deseniu tapety. Przyjmijmy, że szereg fal promieni Roentgena pada na kryształ; na rycinie 32. A przedstawione są te fale przez linje równoległe WW. Gdy fale te zetkną się z szeregiem grup, leżącym wzdłuż linji AA — każdej grupie odpowiada teraz pojedyncza kropka — przy każdej grupie powstanie nowy szereg fal podobnych, jakkolwiek pierwotna fala płynie dalej, zupełnie tak samo, jak to ma miejsce z szeregiem pali, wbitych w dno morskie, przez które przepływa fala: każdy z pali staje się ośrodkiem pewnego zaburzenia. W niewielkiej odległości od szeregu AA drobne te zaburzenia łączą się ze sobą w szereg fal, oznaczony linjami równołegłemi aa. Zjawisko to jest podobne do odbicia głosu przez szereg pali lub przez kawałek rozpiętego muślinu. We wszystkich tych wypadkach fala pierwotna w przeważającej części płynie dalej, lecz jednocześnie powstaje fala odbita, tworząca z warstwą odbijającą taki sam kąt, jaki tworzy fala pierwotna. Fale odbite tworzą jednolity szereg, posiadający tę samą długość fali, co pierwotny szereg fal, lecz oczywiście dużo odeń słabszy: zdawaćby się mogło, że przy odbiciu się fali powstaje bezładne kłębowisko drobnych fal, lecz tak nie jest bynajmniej. W bezpośredniem sąsiedztwie grup atomów istnieje pewien pozorny bezład, lecz nieco dalej w kierunku odbicia drobne fale zlewają się z sobą, tworząc spokojnie płynący szereg fal aa i t. d.


Ryc. 30. — Wielkość i wymiary jednostki krystalicznej kwarcu, podane w stumiljonowych centymetra.
Ryc. 31. — W każdym z węzłów siatki znajduje się grupa atomów.

Poza szeregiem grup atomów, leżących wzdłuż AA znajduje się inny, dokładnie taki sam, wzdłuż BB (p. ryc. 32 B). Fale pierwotne, które, jak to wykazuje doświadczenie, bardzo mało zostały osłabione przy przejściu przez AA, przepływają zkolei przez BB, i znowu następuje odbicie, oznaczone linjami równoległemi bb. Dalej poza tem znajduje się szereg grup CC, tworzący szereg fal cc, szereg grup DD, tworzący szereg fal dd i t. d.

Ryc. 32. — Odbicie promieni Roentgena.
Zazwyczaj linje aa, bb, cc nie pokrywają się nawzajem. Atoli, gdy należycie dopasujemy długość fali promieni Roentgena, odległość pomiędzy AA i BB (które w istocie są płaszczyznami, leżącemi w wypadku ryciny 32 pionowo do płaszczyzny rysunku) i kąt, pod którym fale spotykają AA, BB, wówczas linje aa, bb i t. d. pokrywać się będą nawzajem. W rzeczywistości mamy do czynienia z tysiącami płaszczyzn odbicia, i, gdy wszystkie poszczególne fale odbite dokładnie się pokrywają, otrzymujemy w ogólnym wyniku odbicie dostatecznie silne. Jeśli dopasowanie, o jakiem powyżej wspomnieliśmy, nie jest całkiem dokładne, jak to widzimy na rysunku (p. ryc. 32 B), fale odbite nie łączą się ze sobą wydatnie; wierzchołki jednych, lub to, co odpowiada wierzchołkom fal wodnych, trafia na zagłębienia innych fal, czyli powstaje interferencja, wskutek której fale niweczą się nawzajem. Dopasowanie musi być niezmiernie dokładne z powodu tak wielkiej ilości płaszczyzn odbicia, leżących jedna za drugą. Łatwo otrzymać możemy formułkę, określającą warunek właściwego dopasowania. Różnica długości linji łamanej A’B’B i linji AB równać się musi liczbie całej długości fal. Jeśli oznaczymy długość fali przez λ, odległość pomiędzy płaszczyznami odbicia przez d i kąt, jaki tworzą promienie padające z równoległemi płaszczyznami odbicia przez θ, wówczas mamy: nλ = A’B’B - AB = A’D - AB = DN =2dsinθ, w czem n oznacza jakąkolwiek liczbę całą.
Jak już zaznaczyliśmy, nie jest koniecznem, aby czytelnik zapoznawał się z podanem powyżej rozumowaniem, z którego wynika podstawowe równanie naszego zagadnienia.


Ryc. 33. — Prawo odbicia promieni Roentgena.

Najistotniejszem jest to, że, gdy stopniowo zmieniać będziemy kierunek promieni pierwotnych, względem płaszczyzn AA, BB i t. d., nie otrzymamy wydatnego odbicia dopóki nie osiągniemy właściwego nachylenia; gdy to nastąpi, zjawia się nagle bardzo silne odbicie. Mierzymy wówczas kąt nachylenia; ponieważ zaś, jak zazwyczaj przy analizie kryształów, długość fali promieni jest nam znana, obliczyć możemy odległość płaszczyzn odbicia. Promienie odbite są, oczywiście, niewidzialne dla oka, można je jednak utrwalić na płycie fotograficznej lub też stwierdzić ich obecność w inny sposób zapomocą metod, których tu rozpatrywać nie będziemy. Przyrząd, którym posługujemy się w tych doświadczeniach, nazywamy spektrometrem rentgenowskim. Mierzymy zapomocą niego kąty, pod któremi występuje odbicie; pomiary te służą przedewszystkiem do określenia odstępów, t. j. odległości pomiędzy płaszczyznami siatkowemi w krysztale, a następnie do określenia kątów pomiędzy różnemi szeregami tych płaszczyzn. Tak np. możemy zapomocą tego przyrządu określić nietylko odstępy pomiędzy płaszczyznami AA, BB, lecz również pomiędzy płaszczyznami PP, QQ (p. ryc. 32 B), a także kąt, zawarty pomiędzy płaszczyznami AA i PP. W ostatecznym wyniku otrzymujemy więc dzięki temu przyrządowi wymiary i kształt komórki czyli jednostki krystalicznej.
Gęstość kryształu daje się naogół z łatwością określić w drodze doświadczalnej, a wówczas obliczyć możemy masę, jaką posiada jednostka krystaliczna. Skoro zaś ciężar cząsteczki jest nam zawsze znany, łatwo określić możemy ilość cząsteczek w jednostce krystalicznej; jak już zaznaczyliśmy, liczba ta jest zawsze bardzo mała. Pomiary zapomocą spektrometru rentgenowskiego dają nam ponadto pewne pojęcie o wzajemnem położeniu cząsteczek, tworzących jednostkę wzoru. Dowiedzielibyśmy się z nich dużo więcej, gdybyśmy potrafili wysnuwać z nich właściwe wnioski, dotychczas jednak nie mamy jeszcze dosyć doświadczenia w tym zakresie. Znaleźliśmy nasz kamień z Rozetty, lecz uczymy się dopiero odczytywać znajdujące się na nim hieroglify.
Najważniejszą rzeczą, o której powinniśmy pamiętać, jest to, że dzięki promieniom Roentgena uzyskujemy odległość pomiędzy jakąkolwiek płaszczyzną, na której rozsiane są grupy atomów, a sąsiadującą z nią bezpośrednio taką samą płaszczyzną, usianą również grupami atomów. Odstęp ten jest niczem innem, jak odległością pomiędzy przeciwległemi ściankami jednostki krystalicznej. W zależności od tego, jakie węzły siatki przestrzennej łączyć będziemy ze sobą, otrzymamy różne postacie jednostki krystalicznej. W krysztale mierzyć możemy w istocie nietylko trzy różne odstępy, lecz dowolną ich ilość; zazwyczaj zadawalniamy się pomiarem kilku z nich.
W niektórych wypadkach udało się analizę kryształów posunąć tak daleko, że dowiedzieliśmy się, jakie miejsce zajmuje każdy atom w jednostce wzoru. Ażeby to osiągnąć, posługiwaliśmy się nietylko analizą zapomocą promieni rentgenowskich, ale również wieloma danemi z chemji i fizyki. Nie będziemy jednak wdawali się w dalsze szczegóły; to, cośmy powyżej wyjaśnili, powinno dać wystarczające pojęcie o metodach, stosowanych w tych badaniach. Sądzimy jednak, że niektóre z wyników zainteresować mogą czytelników.
Przedewszystkiem zajmijmy się djamentem, jako królem kryształów. Jest on nietylko przepięknym i drogocennym kamieniem, lecz przez swą budowę uczy nas wielu rzeczy, dotyczących podstawowych prawd z dziedziny chemji a zwłaszcza chemji organicznej. Jeden tylko atom, mianowicie atom węgla, stanowi cegiełkę w budowie djamentu; lecz atom ten ma dla nas znaczenie żywotne. Jest on podstawowym składnikiem pokarmów, materjałów opałowych, barwników, materjałów wybuchowych, naszych ciał i wielu innych rzeczy. Budowa djamentu jest wybitnie prosta, jakkolwiek, jak wszystkie budowy w przestrzeni, z trudnością daje się odrazu pojąć. Przyzwyczajeni jesteśmy tak dalece do rysunków na płaszczyźnie, z papierem i ołówkiem jesteśmy tak oswojeni, że umysł nasz z łatwością ogarnia szczegóły płaskiego rysunku. Nie możemy jednak rysować w przestrzeni; możemy tylko budować modele z dużym nakładem czasu i energji, wobec tego zdolność nasza do wyobrażania sobie układów w przestrzeni jest słabą z powodu braku wprawy. Nieliczni posiadają tę zdolność, jako dar wrodzony, gdy inni, poświęciwszy się krystalografji, przez stałe ćwiczenia nauczyli się myśleć w trzech wymiarach. Większość z nas doznaje znacznej trudności, gdy po raz pierwszy stara się przedstawić sobie układy atomów i cząsteczek w kryształach. Tem niemniej, budowa djamentu, jaką widzimy na Tablicy XIV A, stanie się jasną, gdy poświęcimy jej nieco uwagi. Czarne kulki wyobrażają atomy węgla litylko co do ich położenia, bynajmniej zaś co do ich wielkości i kształtu, o których mało co wiemy. Każdy atom węgla znajduje się w środku ciężkości czterech innych; te cztery atomy tworzą wierzchołki czworościanu, środkowy zaś atom znajduje się od każdego z nich oczywiście w jednakowej odległości. Mamy podstawy do przypuszczenia, że atomy te związane są ze sobą bardzo mocno i że w całej budowie związane są one w jednakowy sposób. Nie ulega wątpliwości, że dzięki tej jednostajnej prostocie i prawidłowości swej budowy zajmuje djament pierwsze miejsce w skali twardości. Jeśli przyciśniemy go do jakiegokolwiek innego kryształu, wówczas atomy tego ostatniego ustąpić muszą, nie zaś atomy djamentu. Djament posiada płaszczyznę łupliwości. Na rycinie jest ona równoległą do powierzchni stołu, na którym stoi model. Istnieją cztery takie płaszczyzny łupliwości, każda z nich jest równoległą do jednej z czterech ścian czworościanu. Obracać możemy modelem tak, że po koleji podstawą jego będzie każda z czterech ścian, przyczem w każdem z tych położeń wyglądać on będzie tak samo. Odległość pomiędzy środkami dwóch sąsiadujących ze sobą atomów węgla wynosi 1,54 jednostek Ångströma; jednostka ta równa się jednej stomiljonowej centymetra. Nic dziwnego, że ta właśnie płaszczyzna jest płaszczyzną łupliwości, skoro przecina ona pod prostym kątem pionowe połączenia pomiędzy warstwami poziomemi, widocznemi na rycinie. Każdą z tych warstw możemy określić, jako pofałdowaną sieć heksagonalną. Możemy sobie, oczywiście, przedstawić kryształ, jako składający się z szeregu takich warstw, równoległych do jakiejkolwiek z czterech ścian czworościanu, a nie koniecznie do tej ściany, która całkiem przypadkowo służy za podstawę modelu i niczem się poza tem nie wyróżnia.
Istnienie tej łupliwości znane jest dobrze szlifierzom djamentów, którzy dużo czasu oszczędzają, umiejętnie ją wykorzystując. W Tower w Londynie oglądać można narzędzia, któremi rozłupano wielki djament Cullinan podczas szlifowania. Na Tablicy XV A widzimy djament w trzech częściach; a na Tablicy XV B — narzędzia, użyte do rozłupania. Można też rozłupać djament wzdłuż jeszcze innej płaszczyzny, która przechodzi przez jedną z krawędzi czworościanu i jest pionową do krawędzi przeciwległej; ten sposób rozłupywania jest jednak trudny i rzadko się używa.
Gdy przypatrzymy się budowie djamentu, nie możemy nie zauważyć, jak w uderzający sposób występuje wszędzie, w każdej części modelu, układ atomów węgla w kształcie sześciokątnego albo sześciobocznego pierścienia. Jeśli wyjmiemy z modelu jeden z tych pierścieni, wyglądać on będzie tak, jak to widzimy na Tablicy XVI B, 2: widziany z góry wyglądać będzie, jak prawidłowy sześciokąt, lecz, patrząc nań z boku, przekonamy się, że pierścień nie jest płaski, t. j., że tworzące go atomy nie leżą w jednej płaszczyźnie.
Otóż pierścień z sześciu atomów węgla odgrywa już oddawna wielką rolę w chemji. Nikt jeszcze tego pierścienia nie widział, jest on zbyt małym. Jednakże chemicy wywnioskowali jego istnienie na podstawie bardzo pomysłowego i ciekawego rozumowania. Nawet dla tych z pośród nas, którzy nie są chemikami, nie okaże się ono zbyt trudnem. Tak więc już w połowie zeszłego stulecia było rzeczą znaną, że mogą powstawać cząsteczki, w których szereg lub łańcuch atomów węgla tworzy niejako trzon budowy, dookoła zaś tych atomów węgla skupiają się atomy wodoru w ten sposób, że każdy atom węgla związany jest z czterema innemi atomami. Wiedziano o tem, gdyż stwierdzono, że cząsteczka nie może wchłonąć w siebie więcej wodoru: jest ona, jak mówią chemicy, „nasycona“, ponieważ pojedyńczy atom węgla jest „nasycony“, gdy związany jest z czterema innemi atomami, jak np. w gazie błotnym czyli metanie (CH4). Stwierdzono również, że stosunek ilościowy atomów węgla do atomów wodoru w cząsteczce ściśle odpowiadał przewidywaniom tej hipotezy. Z sześcioma atomami węgla związanych być musi czternaście atomów wodoru, jak to widzimy na wzorze (p. ryc. 34) i co potwierdza doświadczenie. Substancje takie nazywamy „parafinami“ (p. drugą połowę następnego wykładu); różnią się one pomiędzy sobą odmienną liczbą atomów węgla w łańcuchu. Substancja, której wzór widzimy na ryc. 34 nazywa się heksanem.


Ryc. 34. — Heksan.
Otóż w roku 1825 wydzielił Faraday ze smoły gazowej, t. j. osadu, znajdowanego w retortach przy wytwarzaniu gazu świetlnego z węgla kamiennego, pewną substancję, którą nazwał „bikarburetem“ wodoru, a którą obecnie zwiemy benzolem. Parę kropel pierwszego preparatu Faraday’a przechowuje się w Instytucie Królewskim, jako zabytek historyczny.
Cząsteczka tej substancji zawiera sześć atomów węgla, podobnie jak heksan, oraz sześć atomów wodoru. Może wchłonąć jeszcze sześć atomów wodoru, których wówczas będzie dwanaście, liczba ta jednak nie może być przekroczona. Powstała w ten sposób cząsteczka z dwunastoma atomami wodoru zachowuje się pod względem chemicznym podobnie, jak heksan, nie może jednak posiadać tej samej budowy, skoro ma o dwa atomy mniej wodoru. Zagadka została rozwiązana w roku 1867 przez Kekule’go, który poddał myśl, że cząsteczka benzolu posiada budowę w kształcie pierścienia a nie łańcucha, przyczem pierścień ten składa się z sześciu atomów węgla. Pierścień ten otrzymaćbyśmy mogli z łańcucha, jak widzimy na rycinie 34, usuwając obydwa atomy wodoru z końców łańcucha i zginając łańcuch w krąg aż do złączenia obydwu jego końców. Otrzymamy wówczas budowę według ryc. 35. Odnośna substancja nazywa się w chemji heksahydrobenzolem. Cząsteczka samego benzolu posiada tylko po jednym atomie wodoru u każdego wierzchołka sześciokąta. Łańcuch i pierścień z atomów węgla stanowią podstawy dwóch wielkich działów chemji organicznej. Znajdujemy cząsteczki łańcuchowe nietylko w parafinach, lecz również w tłuszczach, olejach, mydłach i w wielu innych ważnych rodzajach substancyj. Pierścień stanowi podstawę wielu tysięcy różnych znanych cząsteczek, pomiędzy innemi cząsteczek barwników, materjałów wybuchowych, lekarstw, jak chinina, sacharyna i t. p.

Ryc. 35. — Heksahydrobenzol.
Wzór zamkniętego sześciokątnego pierścienia odrazu umożliwia proste i piękne wytłumaczenie szeregu godnych uwagi zjawisk chemicznych, z pośród których rozpatrzymy jedno dla przykładu. Cząsteczka benzolu składa się z sześciu atomów węgla, ułożonych w pierścień sześciokątny oraz z sześciu atomów wodoru, po jednym u każdego wierzchołka sześciokąta. Każdy z atomów węgla sąsiaduje tylko z trzema innemi atomami; może on związać z sobą jeszcze czwarty atom, tak, że cała cząsteczka wchłonąć jest wstanie jeszcze sześć atomów lub grup atomów, które związane zostaną u wierzchołków sześciokąta. Cząsteczka benzolu może jednak doskonale obywać się bez nich. Badając cząsteczkę benzolu w stanie normalnym, chemicy przekonali się, że można zmienić jej skład, usuwając jeden lub kilka atomów wodoru i zastępując je innemi atomami lub grupami atomów. W bardzo znanym i ważnym wypadku usuniętym zostaje jeden atom wodoru i zastąpiony przez grupę, złożoną z jednego atomu węgla i trzech atomów wodoru, t. j. przez t. zw. grupę metylową. Nowa cząsteczka posiada budowę, uwidocznioną na ryc. 36, i tworzy bardzo ważną substancję, zwaną toluolem; przy temperaturze zwykłej jest ona płynem. Możemy usunąć jeszcze jeden atom wodoru z cząsteczki o kształcie pierścienia i zastąpić go atomem, dajmy na to, bromu; tę nową substancję nazywamy bromotoluolem. Nader ciekawą jest rzeczą, że tą drogą otrzymujemy właściwie trzy różne substancje o jednakowym składzie, t. j. cząsteczka każdej z tych trzech substancyj składa się z sześciu atomów węgla, czterech atomów wodoru, jednego atomu bromu i jednej grupy metylowej, która, jak wolno nam przypuszczać, pozostaje się niezmienioną.
Ryc. 36. — Toluol.
W jaki sposób wytłumaczyć możemy istnienie tych trzech substancyj, posiadających różne własności, lecz ten sam skład chemiczny? Hipoteza pierścienia benzolowego pozwala nam odpowiedzieć na to natychmiast. Powyższe podstawienie da się uskutecznić tylko w trojaki sposób, jak to widzimy na rycinie 37. Atom bromu może albo bezpośrednio sąsiadować z grupą metylową, albo pomiędzy niemi znajdować się będzie jeden lub dwa atomy wodoru.
Trzy te cząsteczki różnią się od siebie kształtem, możemy więc przewidywać, że różnić się będą swemi własnościami; niema przeto wątpliwości, że mamy do czynienia z trzema różnemi substancjami. Chemicy zdołali nawet wyodrębnić każdą z nich. Możnaby przytoczyć wiele podobnych przykładów; ten jeden jednak wystarczy dla wykazania, że sposób rozmieszczenia atomów w układzie cząsteczki jest równie doniosłym, jak jej skład chemiczny, powyższe trzy cząsteczki różnią się bowiem jedynie w sposobie rozmieszczenia podstawionych składników. Metody analizy rentgenowskiej nadają się szczególnie do stwierdzenia takich różnic w budowie cząsteczek, zapomocą nich mierzymy bowiem wymiary jednostki wzoru, w której mieszczą się dwie cząsteczki lub więcej i poznajemy skutki, jakie wywołać może zmiana w postaci cząsteczki. Osiągnięto już pewne wyniki w tym kierunku.


Ryc. 37. — Bromotoluol.

Bardzo ciekawem jest, że liczba atomów węgla w cząsteczkach łańcuchowych waha się w dużych granicach. Cząsteczka kwasu masłowego, charakterystycznego składnika zjełczałego masła, zawiera cztery atomy węgla, podczas gdy cząsteczka kwasu palmitowego, spotykanego w oleju palmowym i innych substancjach, posiada szesnaście atomów węgla (p. drugą część następnego wykładu). Z drugiej strony, wśród cząsteczek, zbudowanych w kształcie pierścienia, najczęściej występuje cząsteczka, której pierścień składa się z sześciu atomów węgla. Zapewne powstaje ona najłatwiej i posiada najtrwalszą budowę. Otóż budowa djamentu, który, poza grafitem, jest jedynym kryształem, składającym się litylko z atomów węgla, wypełniona jest pierścieniami sześciokątnemi. Całkiem naturalnem jest więc przypuszczenie, że przyczyna powstawania pierścienia z sześciu atomów leży w budowie djamentu. Ta ostatnia zaś opiera się na tej prostej zasadzie, że każdy atom węgła otoczony jest czterema innemi, rozmieszczonemi symetrycznie dookoła niego. Dwie proste, łączące atom węgla z dwoma sąsiadującemi, nachylone są względem siebie pod kątem 109°28’, co łatwo daje się wyliczyć. Jeśli w pewnych okolicznościach połączenie dwóch atomów węgla z trzecim nastąpić może tylko wtedy, gdy linje łączące atomy tworzyć będą taki właśnie kąt, to pierścień zamknięty zawierać musi conajmniej sześć atomów. (Aby to sobie wyjaśnić, możemy sporządzić model. Do tego celu użyć możemy kulek drewnianych dostatecznie prawidłowego kształtu, jakie w dowolnej ilości dostać możemy w fabrykach guzików. W każdej kulce wywiercamy w odpowiednich miejscach cztery dziurki i łączymy ze sobą kulki zapomocą igieł gramofonowych. W ten sposób zestawić możemy modele djamentu oraz różnych postaci cząsteczek pierścieniowych i łańcuchowych). Pięć atomów węgla, leżących w jednej płaszczyźnie, tworzy pierścień niemal zamknięty, ponieważ kąt pięciokąta prawidłowego wynosi 108°. Jeśli jednak kąt pomiędzy dwoma przyległemi bokami pierścienia zamkniętego równać się ma 109°28’, pierścień ten składać się musi z sześciu atomów, leżących nie w jednej płaszczyźnie, lecz na powierzchni falistej, jak to widzimy na Tablicy XVI B 2. Nie możemy jeszcze orzec z całą pewnością, czy pierścień benzolowy posiada zawsze kształt falisty, czy też bywa płaski, w którym to wypadku kąt pomiędzy bokami wynosi 120° (p. Tablica XVI B 1), czy też mieć może nawet kształt, uwidoczniony na Tablicy XVI B 3, który również wynika z podstawowego kąta czworościanu. W celu rozstrzygnięcia tego pytania zebrany już został pewien materjał doświadczalny, nie pozwala on jednak jeszcze wysnuć decydujących wniosków. Być może, że zdarzają się w rzeczywistości wszystkie trzy postacie. Tymczasem, w toku tych badań daje się ustalić wiele innych bardzo interesujących faktów.

Ciekawą substancją jest grafit, który podobnie, jak djament, składa się tylko z atomów węgla. Jest on dużo lżejszym, gęstość jego bowiem wynosi około 2,30, podczas gdy djament posiada gęstość 3,52. Widocznie mamy tu do czynienia ze zmienionym układem atomów, w którym przeciętna odległość pomiędzy niemi została zwiększona. Promienie Roentgena wykazują, że to zwiększenie odstępów pomiędzy atomami nastąpiło wyłącznie w jednym
TABLICA XV

A. Djament Cullinan, rozłupany na trzy części. Pierwotnie był on wielkości malej pięści.



B. Stół i narzędzia do rozłupywania djamentów.

TABLICA XVI

A. Warstwy w krysztale grafitu.
a) i (c) są zupełnie identyczne, natomiast (b) pokryje się z (a), gdy zostanie obniżona o kąt półpełny w swej płaszczyźnie dookoła którejkolwiek z linji pionowych, narysowanych na rycinie.



B. Możliwe postacie pierścienia benzolowego (p. str. 112). Atomy wodoru zostały pominięte.


kierunku. Podobnie, jak w budowie djamentu, mamy i w budowie grafitu warstwy (p. Tablica XVI A). Gdy patrzeć się będziemy na nią z góry, warstwa taka będzie miała ten sam wygląd siatki heksagonalnej; co więcej, bok sześciokątu ma niemal tę samą długość. Lecz odległość pomiędzy warstwami została znacznie zwiększona, i to właśnie tłumaczy, dlaczego grafit jest o tyle lżejszy. Najnowsze badania zdają się wykazywać, że warstwy zostały spłaszczone, tak, że każdy atom węgla otoczony jest trzema innemi, leżącemi w tej samej co on płaszczyźnie. O ile wogóle więź pomiędzy atomami, tworzącemi tę samą warstwę, uległa jakiejkolwiek zmianie, w każdym razie nie została ona osłabiona; natomiast więź pomiędzy warstwami jest znacznie słabszą. Z tego powodu warstwy z łatwością ślizgać się mogą po sobie, podczas gdy jednocześnie każda warstwa sama w sobie nader jest wytrzymałą. Dzięki tym dwóm właściwościom jest grafit tak doskonałym smarem. Ważną jest nietylko łatwość poślizgu, lecz i to, że warstwy nie łatwo rozpadają się w proszek. Gdy zdarzy się nam poślizgnąć na grafitowanej posadzce kamiennej, przed kominkiem, jedne warstwy przywierają do kamienia, inne do podeszwy, i te właśnie warstwy ślizgają się po sobie. Jest rzeczą nader ciekawą, że naskutek jednej jedynej zmiany — której istota pozostaje jednak tajemnicą — ciało, które stało się dla nas wyobrażeniem twardości, przekształca się w jeden z najskuteczniejszych smarów, jakie posiadamy.
Na poparcie twierdzenia, że omawiany przez nas pierścień jest czemś rzeczywistem, co posiada wymiary, które dadzą się zmierzyć i uwzględnione być muszą w budowie kryształu, przytoczyć możemy jeszcze szereg faktów, jakie stwierdzamy przy porównaniu dwóch kryształów naftaliny i antracenu. Obie te substancje odgrywają dużą rolę w fabrykacji barwników, pierwsza służy do wyrobu sztucznego indyga, antracen zaś do wyrobu alizaryny, będącej składnikiem barwiącym marzanny farbiarskiej.
Naftalina jest substancją pospolitą; bezwątpienia większość z nas zna ją pod postacią białych kulek o silnym zapachu, które używamy jako środek przeciwko molom. Gdy rozpuścimy naftalinę w eterze, a powstały roztwór zwolna ochładzać będziemy, z łatwością powstawać będą kryształy. Ogólnym swoim wyglądem przypominają one kryształy, uwidocznione na Tablicy XIII D.

Ryc. 38. — Naftalina i antracen.
Badania chemiczne stwierdziły, że cząsteczka naftaliny składa się z dwóch związanych ze sobą pierścieni benzolowych, jak to widzimy na ryc. 38, A; cząsteczkę antracenu tworzą trzy pierścienie (p. ryc. 38, B). Gdy kryształy obydwu substancyj zbadamy zapomocą promieni Roentgena, przekonamy się, że jednostka krystaliczna obejmuje dwie cząsteczki i że zawierająca ją komórka posiada kształt, jaki widzimy na ryc. 39. Wymiary odnośnych komórek podane są u dołu ryciny. Przy porównaniu obydwu komórek zauważymy rzecz znamienną: wzdłuż dwóch krawędzi wymiary obydwu komórek są niemal takie same; wzdłuż trzeciej krawędzi znajdujemy natomiast znaczną różnicę. Wynikałoby z tego, że cząsteczki, składające się z dwóch względnie trzech pierścieni, leżą równolegle do OC w obydwu wypadkach i że różnicę pomiędzy liczbami 11,18 i 8,69 przypisać należy różnej długości cząsteczek. Cząsteczka antracenu obejmuje o jeden pierścień więcej aniżeli cząsteczka naftaliny, naskutek czego jest o 2,49 jednostek Ångströma dłuższą. Gdy zaś zmierzymy średnicę pierścienia, występującego w budowie djamentu, mamy 2,50 jednostek Ångströma. Tak więc znowu znajdujemy potwierdzenie poglądu, że pierścień posiada określony kształt i niemal stałe wymiary. Będziemy mogli się tem kierować w badaniach nad budową kryształów, składających się z cząsteczek pierścieniowych. Promienie Roentgena pozwalają nam określić wielkość i postać jednostki krystalicznej, ilość zawartych w niej cząsteczek oraz przybliżone ich rozmieszczenie. Gdy wiadoma nam jest, mniej lub więcej dokładnie, wielkość pierścienia względnie pierścieni, wchodzących w skład cząsteczki, oprzeć możemy na tem badanie budowy, biorąc pod uwagę, że pomieścić mamy ciała o określonych wymiarach w komórkach określonego kształtu. Badania tego rodzaju są niezmiernie interesujące, skoro poznajemy dzięki nim układy atomów w cząsteczkach organicznych oraz siły, wiążące atomy w cząsteczce i cząsteczki w krysztale. Na tem nowem polu dociekań osiągamy wyniki, z których jedne są całkiem określone i jasne, podczas gdy inne są zawiłe i narazie trudne do wyjaśnienia dopóki nie zostanie zebrany większy materjał doświadczalny.


Ryc. 39. — Jednostki krystaliczne naftaliny i antracenu, narysowane w jednakowej skali.
OA OB OC
Naftalina 8,34 6,05 8,69 Liczby odpowiadają
jednostkom Ångströma:
p. str. 106.
Antracen 8,58 6,02 11,18
 


Na podstawie dotychczas osiągniętych danych cząsteczkę organiczną wyobrażamy sobie jako lekką a sztywną budowę, mocno w sobie związaną, podczas gdy więź pomiędzy cząsteczkami, sąsiadującemi ze sobą w krysztale jest słabą. Substancje organiczne przeważnie są lekkie, niewiele cięższe od wody. Fakt, że gęstość naftaliny wynosi zaledwie 1,15, wskazuje na porowatość jej budowy. Nawet djament jest pełen pustek, jak gąbka. Jeśliby te pustki wypełnione były przez atomy węgla, gęstość djamentu podwoiłaby się, ponieważ każda pustka pomieścić może akurat jeden nowy atom węgla, a pustek jest tyleż właśnie, ile atomów.


Ryc. 40. — Na rycinie widzimy wzajemne położenie cząsteczek naftaliny i części cząsteczek przyległych.

Słabość połączeń pomiędzy cząsteczkami jest przyczyną miękkości kryształów organicznych iłatwości, z jaką się one topią. Z tej samej przyczyny naftalina „sublimuje“, t. j. ulatnia się, przechodząc bezpośrednio ze stanu stałego w stan lotny. Całe cząsteczki wyrzucane zostają z ciała stałego tworzą parę, która, zgęszczając się, w postaci drobnych kryształków osiada w chłodniejszych miejscach naczynia.
Naftalina i antracen posiadają budowę płatkową i są łatwo łupliwe. Powierzchnie łupliwości oznaczone są na rycinie linjami przerywanemi. Jak widać, cząsteczki łatwiej odrywają się jedna od drugiej u swych końców, aniżeli wzdłuż boków. W każdym płatku cząsteczki zwrócone są ku górze nieco pochyło, jak pochylone wiatrem zboże.
Z rozważań powyższych wyciągnąć możemy ogólny wniosek, że „pierścień benzolowy“ jest istotnym materjalnym układem, posiadającym całkiem określony kształt i wymiary, który w mało zmienionej postaci wchodzi w skład budowy kryształów. Przejdziemy teraz do rozpatrzenia cząsteczek „łańcuchowych“, które tworzą podstawę równie obszernego działu chemji organicznej, jak dział, którego podwaliną jest pierścień.
Wobec tego, że wykład niniejszy jest już dostatecznie długi, rozpatrzymy cząsteczki łańcuchowe w następnym wykładzie obok kryształu lodu, który będzie głównym przedmiotem owego wykładu.




Tekst jest własnością publiczną (public domain). Szczegóły licencji na stronach autora: William Bragg i tłumacza: Karol Szlenkier.