Fyzik, chemik a pedagog Amedeo Avogadro

V druhé polovině 18. století dochází ke znovuzrození atomové teorie coby dědictví řecké atomistické filozofie. Zasloužila se o ně pětice učenců, kteří sice nemluvili stejným jazykem a každý z nich byl trochu fyzikem i chemikem, ale jejichž jména jsou navždy svázána se základními zákony přírodních věd. Patří k nim Francouzi Antoine Lavoisier, fyzik a vzduchoplavec Jacques Charles (Charlesův zákon) a chemik a fyzik Joseph Gay-Lussac (zákon o izobarické roztažnosti plynů, zákon o slučování plynů), samouk, zakladatel meteorologie a chemické atomistky Angličan John Dalton (zákon o parciálním tlaku plynů ve směsi plynů, zákony stálých poměrů slučovacích a násobných poměrů slučovacích) a Ital Amedeo Avogadro. Poslední ze jmenovaných se narodil právě před 240 lety a zemřel před 160 roky.

I když molekuly a atomy nejsou vidět, vědcům se podařilo je změřit i spočítat. Jedním, kdo se o to zasloužil, byl italský šlechtic Lorenzo Romano Amedeo Carlo Avogadro, hrabě z Quarenga a Cerreta. Jeho celé jméno je svou délkou příznačné pro společenské postavení starodávného piemontského rodu, z něhož pocházel.

Původně „advokát chudých“, poté fyzik

Tento spoluzakladatel moderní fyziky a chemie se narodil 9. srpna 1776 v Turíně (zde také ve věku 79 let 9. července 1856 zemřel) do bohaté právnické rodiny. Jeho otec, hrabě Filippo Avogadro, byl nejen významným právníkem, ale také vysokým státním úředníkem. Amedeo sám také práva vystudoval a již ve dvaceti letech obhájil na turinské univerzitě doktorát z církevního práva. Nakrátko se stal „advokátem chudých“.

Stále více jej však lákaly přírodní vědy. Díky finančnímu zajištění se soukromě věnoval studiu fyziky. Zpočátku se v letech 1803 až 1804 zabýval tehdy módní elektřinou (dosažené výsledky studia elektromagnetické indukce a elektrochemie postačovaly turínské Akademii k jeho zvolení svým členem korespondentem), ale později se zaměřil na fyziku plynů a par. Výsledky prací o elektřině, později potvrzené Michaelem Faradayem, popsal v časopise Journal de la Métherie v letech 1806 a 1807 ve dvou pojednáních.

Studium elektrických vlastností, tepelné roztažnosti a měrného tepla

Nejprve se stal demonstrátorem a repetitorem fyziky na lyceu v Turínu (1806-1809), později učitelem filozofie, matematiky a fyziky na univerzitě založené již v roce 1228 a jako první na světě financované z veřejných prostředků ve Vercelli (1809-1819). V letech 1820 až 1850 – s vynucenou desetiletou přestávkou v letech 1823-1833, kdy nesměl učit za svoje politické postoje a aktivní účast na přípravě revoluce v Sardinském království – byl profesorem matematické fyziky na nové katedře vyšší fyziky na univerzitě v Turíně. Kromě plynných látek se zabýval studiem elektrických vlastností, tepelné roztažnosti a měrného tepla. Po změně politických poměrů zastával kromě svých povinností učitelských dokonce četné posty na úřadech ve školství, v oblasti statistiky, meteorologie a při zavádění metrické soustavy. S fyzikou se nerozloučil ani po ukončení svých akademických povinností; poslední vědeckou práci odeslal do tisku v 75 letech.

Molekula – malá hmota

V roce 1811, ještě za svého působení na univerzitě ve Vercelli uveřejnil ve francouzském časopise Journal de Physique, de Chemie et d´Historie naturelle krátký článek „Pojednání o určení relativní hmotnosti elementárních molekul a poměrů, podle nichž se navzájem slučují“. Formuloval v něm svou slavnou hypotézu, že „ve stejných objemech různých plynů je při stejném tlaku a teplotě stejný počet molekul“.

Další podobně zaměřená pojednání publikoval ještě v roce 1814 a 1821. Základní myšlenka jeho teorie vycházela z představy, že nejmenší částice plynu jsou molekuly (molekula – latinsky malá hmota), které jsou složeny ze dvou nebo i více atomů. Avogadro však název „atom“ nepoužíval a hovořil o molekulách a „elementárních molekulách“. Současná formulace Avogadrova zákona pro ideální plyn obvykle zní: „Stejné objemy všech plynů obsahují za stejného tlaku a teploty stejný počet molekul“ neboli „Objem, který při dané teplotě a tlaku zaujímá jeden mol plynu, je pro všechny plyny stejný“.

Chyběl experimentální důkaz

Jak to již bývá, za svého života se Amedeo Avogadro potvrzení a uznání své molekulární hypotézy nedočkal – mezi současníky nevzbudila žádnou pozornost, zůstávala bez povšimnutí, nebo byla dokonce odmítána. Nedokázal totiž tento základní přírodní zákon přesně experimentálně ověřit, především proto, že se ukázaly nesrovnalosti způsobené disociací části molekul za určitých podmínek. Podařilo se to až o půl století později na základě kinetické teorie plynů. Navíc nebyla navržená teorie publikována v dostatečně renomovaném vědeckém periodiku.

Neprůbojný Avogadro pracoval v relativní izolaci od tehdejších center vědy a byl odtržen od oficiálních odborných kruhů předních evropských univerzit. Ještě o řadu let později jeden z největších učenců 19. století, německý fyzik, chemik a skvělý experimentátor R. W. Bunsen (1811-1899), dával při svých hojně navštěvovaných přednáškách na heidelbergské univerzitě najevo, že podobné atomové „hypotézy vždy bývají vratké a mnohdy se měnívají“. Dokonce až v roce 1889 píše v Ottově slovníku naučném náš významný chemik a tehdy docent na české univerzitě Dr. Bohuslav Raýman, že „důležitost zákona toho byla jen zvolna pochopena, jest pak posud malý hlouček chemiků, kteří mu jí upírají“. Nejdůležitějším Avogadrovým dílem je rozsáhlá (celkem asi 3 600 stran) čtyřsvazková učebnice fyziky Fizica dei corpi ponderabili..., postupně vydávaná v letech 1837 až 1841 pod záštitou krále Karla Alberta.

Znovuzrozený zájem o Avogadrův zákon

Avogadrova stěžejní práce zůstala víceméně nepovšimnuta až do roku 1860, kdy ji čtyři roky po jeho smrti veřejně prezentoval na prvním mezinárodním kongresu chemiků v Karlsruhe roku 1860 v temperamentně pojaté přednášce nazvané „O chemické filozofii“ jiný významný italský vědec, organický chemik Stanislao Cannizzaro (1826-1910). V roce 1858 našel náhodou při pročítání korespondence mezi André Marie Ampérem – který několik let po Avogadrovi dospěl k jeho zákonu jinými cestami, ale uveřejnil je v roce 1814 – a všestranným švédským badatelem J. J. Berzeliem odkaz na Avogadra. Pozorně všechny spisy svého tehdy již mrtvého kolegy prostudoval a prostřednictvím informační účelové brožurky pro všechny přítomné oživil zájem o Avogadrův zákon. Přesně v ní již však rozlišil pojmy molekula a atom a ukázal, jak je možné pomocí tohoto zákona určovat relativní hmotnosti atomů a molekul. Cannizzarův přístup umožnil stanovit chemické složení i strukturu celé řady sloučenin, včetně organických. Znamenal začátek nové éry v dějinách fyzikální chemie. Jedním z účastníků tohoto kongresu byl i ruský chemik D. I. Mendělejev, jehož objev periodického zákona prvků představuje bezesporu vyvrcholení etapy chemického atomismu.

Formulace Avogadrova zákona – vlastně hypotézy – se stala jedním ze základních pilířů moderní fyziky a chemie a zajistila jeho jménu nesmrtelnost. Každý student dnes zná a používá při výpočtech jednu ze základních fyzikálních a chemických stálých veličin, konstantu N_A, příp. L, nazvanou v roce 1908 konstantou Avogadrovou (nepřesně Avogadrovým číslem, má totiž na rozdíl od čísla fyzikální rozměr), ačkoliv sám její číselnou hodnotu neznal; tu zjistil až J. L. Loschmidt v r. 1865. Udává počet molekul či atomů v jednom molu látky; jeden mol je číselně definován jako počet atomů ve 12 g izotopu uhlíku ¹²C. V současné době se udává její hodnota N_A = 6,022 140 857(74)×10²³ mol^–1. Molární objem ideálního plynu za normálních podmínek (0 °C, 101 325 Pa) je roven 22,413 962(13) mol^–1 dm³.

Atomy a molekuly jsou velmi malé na to, abychom si Avogadrovu konstantu mohli představit, a proto se uvádějí různá názorná přirovnání. Například: Kdyby někoho napadlo pokrýt povrch Spojených států 1 molem zrnek kukuřice, měřila by navršená vrstva 15 kilometrů. Pokud bychom chtěli nasypat na hromadu 1 mol grapefruitů, měla by objem celé zeměkoule. Umístíme-li 24 koulí očíslovaných od 1 do 24 do mísy a budeme-li je náhodně vybírat, je pravděpodobnost, že je vytáhneme v pořadí podle jejich čísel, rovna zhruba 1/N_A, zřejmě nesmírně malá.

Zdroje

Bakerová, J.: Fyzika. 50 myšlenek, které musíte znát. Praha 2013.

Kraus, I.: Fyzika v kulturních dějinách Evropy. Romantici a klasikové. Praha 2009

Ottův slovník naučný. Druhý díl. Praha 1889..

Pickover, C. A.: Kniha o fyzice. Praha 2015.

Procacci, G.: Dějiny Itálie. Praha 1997.

Štoll, I.: Dějiny fyziky. Praha 2009.

Štoll, I.: Objevitelé přírodních zákonů. Praha 1997.