240 שנה להולדתו של אמדאו אבוגדרו, מאבות הכימיה המודרנית, שעשה סדר בין אטומים ומולקולות

אמדאו אבוגדרו (Avogadro, או בשמו המלא לורנצו רומנו אמדאו קרלו אבוגדרו, הרוזן מקארניה ומצ'רטו) היה אחד המדענים החשובים ביותר בתולדות הכימיה המודרנית. בעזרת החוק שגילה בהיגיונו החד הוא הצליח לעשות סדר בתורה האטומית-חלקיקית שהייתה אז בחיתוליה. אולם למרבה הצער, הקהילה המדעית הכירה בחשיבות העצומה של עבודתו רק ארבע שנים אחרי מותו.

אבוגדרו נולד בטורינו למשפחת אצולה איטלקית ב-9 באוגוסט 1776. אביו פיליפו היה סנטור ושופט, ולכן אין פלא שגם הבן הלך בדרך שהתוותה לו המסורת המשפחתית ולמד משפטים. בגיל 20 בלבד כבר סיים דוקטורט בחוקי הכנסייה והחל לעבוד כעורך דין.

אולם עד מהרה גילה אבוגדרו שעריכת הדין משעממת אותו, ונמשך דווקא למדע. הוא החל לקרוא וללמוד באופן אינטנסיבי מדעים ומתמטיקה ובגיל 27 כבר פרסם מאמר מדעי שכתב עם אחיו ועסק ב"התנהגות חשמלית של תמיסות מלח". המחקר שלו היה בחזית המדע של תקופתו – שלוש שנים בלבד אחרי שאלסנדרו וולטה המציא את הסוללה החשמלית הראשונה.

בגיל 30, לצערה של המשפחה, פרש אבוגדרו סופית מעריכת דין ועבר לעבוד כמורה למדעים ולמתמטיקה בבית ספר תיכון בטורינו. שלוש שנים לאחר מכן כבר מונה למרצה בכיר באוניברסיטה בעיר וורצ'לי. בתקופה זו פרסם את עבודותיו החשובות ביותר.

רק בשנת 1818 הקים לבסוף משפחה והוליד ששה ילדים עם אשתו פליצ'יטה. שנתיים לאחר מכן כבר היה נדמה שהגיע אל המנוחה והנחלה מבחינה מקצועית, כשמונה לפרופסור לפיזיקה ומתמטיקה באוניברסיטת טורינו, אולם שלוש שנים לאחר מכן איבד את משרתו בגלל תהפוכות פוליטיות באיטליה. רק ב-1833 מונה מחדש לאותה משרה והחזיק בה עד פרישתו בגיל 74.

הנחת אבוגדרו
בתקופתו של אבוגדרו כבר ידעו שקיימים יסודות – כלומר חומרים שאי אפשר לפרק לחומרים אחרים בשום שיטה כימית ידועה, כמו חמצן, מימן, חנקן, ברזל ועוד, ויש תרכובות שאפשר לפרק ליסודות המרכיבים אותם. למשל את המים הצליחו לפרק לחמצן ומימן על ידי חשמל כבר בשנת 1800.

לפי התיאוריה שהיתה מקובלת אז, של המדען הבריטי ג'ון דלטון (Dalton) שנחשב לאבי תיאוריית האטומים המודרנית, חשבו שיסודות נוצרים מאוסף של אטומים בודדים מאותו סוג. למשל גז חמצן מורכב מאטומי חמצן בודדים, גז מימן הוא אוסף של אטומי מימן וכן הלאה. בתרכובות, חשבו, היחידה הבסיסית של החומר, המולקולה, היא צירוף של שני סוגים לפחות של אטומים.  

בהתאם לתורתו חישב דלטון גם את הנוסחאות הכימיות של מולקולות החומרים שאיתם עבד, על סמך חישוב המשקל שלהם. אפשר לראות דוגמאות ליסודות ולתרכובות שדלטון שיער את מבניהם בשרטוט הבא מתוך עבודתו:

בהתאם לתפיסתו, דלטון קבע שמים מורכבים מאטום חמצן ואטום מימן (בסימון כימי מודרני היינו כותבים זאת HO). אבוגדרו, בגילוי מהפכני לתקופתו, הראה שדלטון טעה בהנחותיו, ושמולקולת מים מורכבת מאטום חמצן ושני אטומי מימן, כלומר H2O.

אבוגדרו ביסס את ממצאיו על מה שמכונה כיום "הנחת אבוגדרו": נפחים שווים של גזים, בתנאי טמפרטורה ולחץ זהים, מכילים מספר שווה של מולקולות (חלקיקים) בלי קשר לסוג הגז. כלומר אם יש לנו בלון שמילאנו בשני ליטר מימן, יהיה בו אותו מספר מולקולות כמו בלון שנמלא בשני ליטר חמצן (ששוקל הרבה יותר) ואפילו בבלון המלא בגז הכבד מאוד אורניום-שש-פלואורי, כל עוד שאר התנאים זהים.

במבט ראשון, החוק נראה חסר היגיון: איך ייתכן שגז עם מולקולות גדולות וכבדות תופס אותו נפח כמו גז שמורכב ממולקולות קטנות וקלות? כדי להבין את ההיגיון מאחורי החוק נשתמש בדוגמה פשוטה: נניח שאנו מסתכלים מבניין גבוה על צעדה שצועדת על המדרכה למטה. שתי קבוצות של צועדים מתקרבות אלינו:  באחת יש ילדים בכיתה א' ובשנייה מבוגרים בעלי משקל עודף. כל קבוצה כוללת 24 צועדים ושומרת על רווח זהה בין הצועדים.

במבט מלמעלה שתי הקבוצות ייראו בערך כך:


מימין: קבוצת הילדים; משמאל: המבוגרים כבדי המשקל

מיד רואים שהשטח שתופסות שתי הקבוצות זהה, בגלל המרווחים השווים בין הצועדים. אותו היגיון קיים גם בגזים, אבל בנפח, לא בשטח. גודל החלקיקים (המולקולות) קטן בהרבה מנפח הגז הכולל, כך שזהות המולקולות אינה משנה את נפחו.

על סמך החוק הזה, בשילוב תוצאות ניסוי של המדען הצרפתי ז'וזף גיי לוסק (Gay Lussac) שמצא כי בתגובה כימית בין חמצן למימן, שני נפחים של מימן מגיבים עם נפח אחד של חמצן, ויוצרים שני נפחים של אדי מים, הסיק אבוגדרו דבר מדהים נוסף: כדי שהכל יסתדר יחד, החמצן והמימן חייבים להתקיים גם הם בצורה של מולקולות, ולא כאטומים בודדים, כלומר O2 לחמצן ו-H2 למימן. היום אנו יודעים שהוא צדק לחלוטין - ולמעשה פרט לגזים האצילים, כל האלמתכות מופיעות בטבע כמולקולות.

במאמר שפרסם בשנת 1811 ניסח אבוגדרו את "הנחת אבוגדרו", וכתב (בהתאמה קלה של המושגים למונחים המקובלים כיום): "החלקיקים הקטנים ביותר בגז אינם בהכרח אטומים פשוטים, אלא מספר מסוים של אטומים המוחזקים יחד בכוח משיכה – ויוצרים מולקולה".

הנחת אבוגדרו איפשרה לחשב משקלים אטומים יחסיים של יסודות רבים – משום שאם נפחים זהים של גז מכילים אותה כמות של חלקיקים, כל מה שצריך כדי לדעת את המשקל כימי הוא להעמיד נפח של גז כנגד נפח של גז מימן – שהוא הגז הקל ביותר, שמשקלו האטומי נקבע אז על 1, ושימש "משקולת" יחס. חישוב המשקלים האטומים הוא שאיפשר לדמיטרי מנדלייב לסדר כמה עשרות שנים אחר כך את היסודות בטבלה המחזורית.


הנחה נכונה שאיפשרה לסדר את הטבלה המחזורית. אמדאו אבוגדרו | מקור: Science Photo Library

הכרה מאוחרת
אבוגדרו הלך לעולמו ב-1856, כשהיה בן 80. עבודתו המדעית זכתה עד אז להתעלמות כמעט מוחלטת מצד הקהילה המדעית.

מדוע זכתה עבודתו להתעלמות בימי חייו? אפשר רק להעלות השערות: אולי בגלל שלא עבד רוב ימיו באוניברסיטה מרכזית? אולי בגלל שלא פרסם את עבודתו בעיתונים מדעיים 'מכובדים' מספיק? אולי בגלל שבתקופתו איטליה איבדה את גדולתה, ולא נחשבה למדינה בחזית המדע? ואולי בגלל שהתיאוריות שלו סתרו את התיאוריות של הכימאי הבולט בתקופתו – דלטון, וכאשר מייסד התאוריה האטומית המודרנית אומר משהו, קשה למדען אלמוני לבוא ולשכנע שהוא טועה. כנראה אפילו במדע, שבו 'האמת' אמורה להיות מעל הכל, הקשרים החברתיים והמעמד (של המדען ושל המוסד שהוא עובד בו) מסתירים לתקופה מסויימת את האמת.

 רק ארבע שנים לאחר מותו החל לזכות בהכרה הראויה לו, כשהכימאי האיטלקי סטניסלאו קניצארו (Cannizarro) חשף בכנס מדעי בגרמניה את עבודתו הנרחבת של אבוגדרו. בעשור הבא המשיך קניצארו לקדם אותה, עד שכל הקהילה המדעית קיבלה אותה.

לכבודו של הכימאי פורץ הדרך מכונה מספר החלקיקים במול של חומר (כמות חומר השווה למשקלו המולקולרי בגרמים) מספר אבוגדרו. כך המדען הדגול שלא זכה להערכה בחייו, הצליח לשנות באופן יסודי את הבנתנו את העולם, ושמו מוכר כיום לכל מי שלומד כימיה. 

0 תגובות