Η ιστορία της συγγένειας και του σθένους και η εφαρμογή τους στη διδακτική της Χημείας

Abstract

Υπάρχουν μερικά ζητήματα, τα οποία όταν τα χρησιμοποιείς στη διδακτική διαδικασία, δεν υποπτεύεσαι το πλούσιο ιστορικό υπόβαθρο που έχουν και το οποίον αναδεικνύεται σταδιακά μετά από λεπτομερή και σχολαστική διερεύνησή του. Αυτό συνέβη με την έννοια του σθένους (valence), βασική έννοια για την κατανόηση των χημικών ενώσεων και της έννοιας της χημικής συγγένειας (affinity). Η χημική συγγένεια μέχρι το μισό του 19ου αιώνα ήταν η βασική αιτία αντίδρασης των ουσιών, η ελκτική δύναμη των στοιχείων στις χημικές ενώσεις. Κατά τον Μ. Στεφανίδη ο όρος affinity (συγγένεια) προέρχεται από την αφή του Αριστοτέλη και από τον όρο συμπάθεια του Βώλου του Μενδήσιου (ψευτο-Δημόκριτος). Η «συμπάθεια» και η «αντιπάθεια» του Βώλου ουσιαστικά υποκαθιστούν τους όρους της «φιλότητας» και του «νείκους» του Εμπεδοκλή, έλξης κι άπωσης των δύο δυνάμεων που επικρατούν στα χημικά φαινόμενα. Η συμπάθεια κατά τους πρώτους μετά Χριστόν αιώνες ονομαζόταν και «συγγένεια» στα ελληνικά χυμευτικά κείμενα (Ζώσιμος, Συνέσιος, Ολυμπιόδωρος, Ιωάννης, Χριστιανός, Ανεπίγραφος κ.ά.). Η χημεία την εποχή των ελληνιστικών και ρωμαϊκών χρόνων ήταν πολύ συνδεδεμένη με τη μεταλλουργία, την προσπάθεια δημιουργίας χρυσού από χαλκό και γενικά βρισκόταν υπό την προστασία του τότε υπάρχοντος ιερατείου της ελληνιστικής Αιγύπτου υπό τον θεό Ερμή τον Τρισμέγιστο, που πολλοί τον ταύτιζαν με το γερακόμορφο θεό Θωθ ή Τοτ ή Τατ της Αιγύπτου. Η χημεία τότε ονομαζόταν ως ιερά και μυστική τέχνη ή θεία και οι θιασώτες της τέχνης αυτής φιλόσοφοι. Από τα ελληνικά κείμενα του 4ου, 5ου, 6ου ως και 10ου αιώνα συναντάμε τους όρους χημεία (Ζώσιμος), χημία (από την αιγυπτιακή λέξη χεμ, που σημαίνει μαύρη γη), χυμεία (από την ελληνική λέξη χύμα, ρήμα χέω), χημευτική ή χυμευτική τέχνη, όροι οι οποίοι στους Άραβες πέρασαν ως Αλχημεία ή Αλχυμεία (έγινε προσθήκη του αραβικού άρθρου αλ, δηλαδή η χυμεία) και με αυτόν τον όρο η τέχνη της χρυσοποιΐας πέρασε στην λατινόγλωσση Ευρώπη. Ο όρος στη λατινόγλωσση δυτική Ευρώπη (Εσπερία) που επικρατούσε ήταν Alchymia, ή chymia, όπως φαίνεται από μερικούς ενδεικτικούς τίτλους έργων: Alchymia, Andreas Libavius (Frankfurt,1606), Harmonie chymique (D. Lagneau, 1636), Megale chymia ή Magna Alchymia, Aphorismorum Chymiatricorum Synopsis Universa Chymia του Sala, Angelo (1551), Chymia Philosophica, Barner, Jacob (1686). Η affinity ως όρος εισήχθη από τον Αλβέρτο τον Μεγάλο το 12ο αιώνα μ.Χ. (affinitas= affinis=ad finis= προς το όριον), εκφράζοντας την αφή του Αριστοτέλη, και μεταφραζόταν ως συγγένεια από τους προεπαναστατικούς Έλληνες λογίους (Βλεμμίδης, Μετοχίτης, Θεόφιλος Κορυδαλέας, Θεοτόκης Νικηφόρος, Βαρδάλαχος), αποδίδοντας ταυτόχρονα και τη συγγένεια των ελληνικών κειμένων της χυμευτικής («συγγενούς υδραργύρου..», Ζώσιμος, 4ος μ.Χ., «ως εξ ανάγκης δει μαθείν πρώτον τας φύσεις, τα γένη, τα είδη, τας συγγενείας, τας συμπαθείας, τας αντιπαθείας, τας κράσεις, τας διαστάσεις, τας φιλιώσεις, …»). Ο Geoffroy (1772-1731) ήταν ο πρώτος που προσπάθησε να μετρήσει τη συγγένεια των οξέων και των βάσεων, δημοσιεύοντας τους σχετικούς πίνακες των σχέσεων. Οι πίνακες αυτοί βρήκαν τη εμπεριστατωμένη βελτίωση από τον Σουηδό Tobern Bergman (1735-1784) που δημιούργησε πίνακα 49 ουσιών, στις οποίες με δύο μεθόδους αντίδρασης αποκάλυπτε την ενωτική τους τάση (attraction elective), ανοίγοντας δρόμο για τον ποσοτικό προσδιορισμό των χημικών συγγενειών. Ο καθορισμός της συγγένειας ως της ελκτικής δύναμης της χημείας οδήγησε τον Berzelius (1779-1848) με ηλεκτρολύσεις διαλυμάτων αλάτων στο συμπέρασμα ότι η χημική συγγένεια οφείλεται στο ηλεκτρικό φορτίο των χημικών στοιχείων, χαρακτηρίζοντάς την ως ηλεκτροχημική συγγένεια, ερμηνεύοντας ικανοποιητικά τα κρυσταλλικά πλέγματα των αλάτων. Ο Faraday (1791-1867) εισήγαγε την έννοια του κατιόντος και ανιόντος, του ηλεκτροχημικού ισοδυνάμου (electrochemical equivalents), διατυπώνοντας τους δύο νόμους του (έναν ποιοτικό και έναν ποσοτικό). Σε συνδυασμό με το νόμο του Richter (1792, νόμος κανονικοτήτων συνδυαζόμενων βαρών, στο “Anfanngsgrunde der Stoichyometrie”), την ατομική θεωρία του Dalton (1808), την εδραίωση του νόμου του των πολλαπλών αναλογιών, την εισαγωγή των ατομικών βαρών και του κατάλληλου συμβολισμού των στοιχείων και των χημικών ενώσεων, στρώθηκε ένα έδαφος για την αποσαφήνιση του περιεχομένου της συγγένειας, στο οποίον συνέβαλλαν πολλοί σκαπανείς της οργανικής χημείας (Theory o Types, Dumas, 1839, οι μηχανικοί τύποι του Laurant, οι εργασίες του Gerhardt με τη “Theory of Types”, Williamson, Odling, Kolbe με τη radical theory, Wurtz, Wohler, Frankland, Couper με τη “New Chemical Theory”). Ο αριθμός μονάδων συγγένειας (number of units of affinity) χρησιμοποιήθηκε και από τον Χρηστομάνο στην παράσταση του άνθρακα με κεραίες (ελεύθερες μονάδες συγγένειας). Ο Ζέγγελης και γενικά οι πρώτοι ακαδημαϊκοί καθηγητές της Χημείας στην Ελλάδα χρησιμοποιούσαν τον όρο μονάδες συγγένειας και όχι τον όρο σθένος, που είχε σταδιακά αντικαταστήσει στην Ευρώπη τη συγγένεια (affinity) από τα μισά του 19ου αιώνα. O Couper χρησιμοποιούσε την ποσοτική συγγένεια των στοιχείων (quantitative affinity of elements), o Williamson το 1852 τη βασικότητα (basicity), χαρακτηρίζοντας τις ρίζες ως μονοβασικές (monobasic), διβασικές (dibasic), τριβασικές (tribasic), ο Kekule (1854-56) την ατομικότητα, χαρακτηρίζοντας τις ρίζες ως μονατομικές, δυατομικές (atomicity, monatomic, diatomic atoms and radicals), ο Odling το 1864 τις λέξεις μοναδική, δυαδική, τριαδική για τις ρίζες (monad, diad, triad), που αντιστοιχούσαν στους μελλοντικούς όρους μονοσθενής, δισθενής, τρισθενής. Ο Couper το 1858 χρησιμοποίησε τον όρο βαθμοί συγγένειας (degree of affinities) για να περιγράψει την ικανότητα ενός στοιχείου να σχηματίζει με άλλα χημικές ενώσεις. Ο Hoffmann το 1865 χρησιμοποίησε τη λέξη ποσοσθενής (quantivalence), με τις ατομικές ικανότητες των στοιχείων ως μονοσθενή (monovalent), δισθενή (bivalent), τρισθενή (trivalent) ή τετρασθενή (tetravalent), o Frankland το 1866 τη συνδυαστική ισχύ (combining power) και τέλος ο Kekule σε ιδιωτικές συζητήσεις με φίλους και συνεργάτες του το 186 λέγεται ότι αναφερόταν στον όρο σθένος (valenz). O W. Wichelhaus, μαθητής του Kekule, από το 1868 υποστήριξε ότι το valenz ήταν πιο σύντομο από το quantivalenz και πιο ευδόκιμο στο γερμανικό περιοδικό Annalen του Hermann Kopp. Ο Hofmann αμέσως μετά το καθιέρωσε στη Χημεία και μέχρι το 1920 είχε επιβληθεί στα διδακτικά εγχειρίδια. Η ετυμολογία του valence κατά τον ιστορικό της χημείας C. A. Russell προέρχεται από τη μεσαιωνική λατινική λέξη VALENS και VALENTIA, από το ρήμα VALERE. Η λέξη VALENS εμφανίστηκε σε όνομα αυτοκρατόρων, όπως ο IMPERATOR CAESAR FLAVIUS IULIUS VALENS AUGUSTUS (328-378), ο οποίος στους ιστορικούς της εποχής εκείνης, που έγραφαν στην ελληνική γλώσσα, αποκαλούνταν ως Αυτοκράτωρ Καίσαρ Φλάβιος Ιούλιος Ουάλης ή Βάλης. Υπήρχαν και αυτοκράτορες Ουαλεντινιανοί Βαλεντινιανοί (Valentinianus), Ουελαριανοί ή Βαλεριανοί (Valerius), ένα όνομα που χαρακτήριζε την ισχύ των αυτοκρατόρων. Το VALENS ή Ουάλης ή Βάλης έχει ελληνική ρίζα και προέρχεται από τη λέξη βαλλήν του ποιητή, γραμματικού, ιστορικού και διευθυντή της μεγάλης βιβλιοθήκης της Αντιόχειας Ευφορίωνα του Χαλκιδέα (275-200/187 π.Χ.), του οποίου έργα έχαιραν μεγάλης εκτίμησης στους πνευματικούς κύκλους της Ρώμης (Cornelius Gallus, Catullus Gaius Valerius) και στον Ρωμαίο αυτοκράτορα Τιβέριο, εποχή κατά την οποίαν μεταφράστηκαν στα λατινικά όλα τα έργα του. H λέξη βαλλήν σημαίνει βασιλιάς, ισχυρός, δυνατός και κατά τον Ευφορίωνα ανήκει στη διάλεκτο των Θουρίων, αποικίας των Αθηναίων στην Ιταλία. Η λέξη αυτή πρώτος την χρησιμοποίησε ο Αισχύλος στους Πέρσες («Βαλήν ἀρχαίος, βαλήν ἲθι ἳκου») και από αυτόν την πήρε ο Ευφορίωνας, που σπούδασε στην Αθήνα και έζησε για πολλά χρόνια. Το σθένος (valence) συνδέθηκε αρχικά με την έννοια του δεσμού, μετά με τον Περιοδικό Πίνακα του Mendeleev, κατόπιν με τα ηλεκτρόνια των στοιχείων (ηλεκτρόνιo σθένους, valence electron, Kossel 1916), αριθμό σθένους (number valence, Deming 1923) και σήμερα έχει υποκατασταθεί από τον Αριθμό φορτίου (charge number, Stock) και τον Αριθμό οξείδωσης (oxidation number, Latimer). Στη μεταφορά των χημικών όρων και ονομασιών ενώσεων στα ελληνικά διδακτικά εγχειρίδια παρατηρούνται πολλές αστοχίες, που δεν συμβαδίζουν με τις οδηγίες των χρωματιστών βιβλίων της IUPAC. Δυστυχώς ακαδημαϊκοί στις αρχές του 20ου αιώνα καθιέρωσαν ορολογίες που δεν συμβαδίζουν με αυτές της IUPAC, όπως για τον ομοιοπολικό δεσμό (homopolar bond, Abegg, 1906), αδόκιμος όρος, που θα έπρεπε να ονομάζεται συσθενής (covalent bond), μη αναγνωρίζοντας την τεράστια σημασία της ενιαίας ονοματολογίας και συμβατής με αυτήν της IUPAC. Το σθένος (valence) βρίσκεται σήμερα σε χρήση ευρύτατα στην Οργανική Χημεία και μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως αριθμός φορτίου σε αντιδράσεις προσθήκης σύμφωνα με τον κανόνα Markοvnikov, σε αντιδράσεις υποκατάστασης και προσθήκης 1,4. Εκεί που ο κανόνας Markοvnikov δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί, όπως στην προσθήκη ΗΙ σε CH3CH=CHI. Ο αριθμός οξείδωσης χρησιμοποιείται ευρύτατα σε οξειδοαναγωγικές αντιδράσεις για την ορθή γραφή των αντιδράσεων αυτών. Η γεωμετρία των μοριακών συμπλόκων ενώσεων προβλέπεται από τη θεωρία VSEPR των Gillespie, Nyholm, μιας θεωρίας που έχει εισαχθεί σε πολλά σχολικά ευρωπαϊκά εγχειρίδια. Η θεωρία περιληπτικά υπάρχει και στο αντίστοιχο ελληνικό εγχειρίδιο, αλλά δεν διδάσκεται. Τα ακρωνύμια της θεωρίας βέσπερ περιλαμβάνουν την έννοια του σθένους: Valence Shell Electron Pair Repulsion, οπότε κρίνεται απαραίτητο από διδακτικής πλευράς να γίνεται μνεία της έννοιας αυτής, που ενώ εκλείπει από το κόκκινο βιβλίο της IUPAC, υπάρχει στο χρυσό και στο μωβ. Τελικά κρίνοντας από τη μελέτη αυτή πολλά ιστορικά στοιχεία ενισχύουν την ελκυστικότητα της διδασκαλίας της χημείας, τη διαθεματικότητα της, την εξέταση της χημικής ελληνικής ιστορικής κληρονομιάς μας, την ετυμολογία των λέξεων, την ιστορία των επιστημών, τη χρησιμότητα της συμβατότητας της αγγλικής σημερινής ορολογίας με την αντίστοιχη ελληνική, που πρέπει να γίνει πιο προσεγγίσιμη και ενιαία σε όλη την ελληνική επιστημονική επικράτεια.

In this study two concepts are examined: the valence and the affinity (chemical affinity), used in chemistry and contributing to the classification of chemical compounds, the understanding (or knowledge) of chemical reactions and the interpretation of chemical bonds. “Affinity” has a history of 25 centuries and, according to M. Stefanidis, this term comes out of the greek word “ΑΦΗ” (Aphi= touch), introduced by Aristotle in his work, entitled: "On the generation and corruption" as a final cause to convert the “genera” (starting materials) to “species”, such as the metal to alloys. The two terms "ΦΙΛΟΤΗΤΑ" (Philotita) and "ΝΕΙΚΟΣ" (Neikos), used by Empedocles, i.e. the attraction and repulsion of bodies, respectively, which are changed or separated in others, do not consist, according to Aristotle, the final cause, also requiring a contact between them. These two forces are converted into “sympathy” and “antipathy” at the 3rd century BC in a work of pseudoDemocritus (Volos of Mendes), when metallurgy and the efforts preparing gold from other metals created the “ΧΡΥΣΟΠΟΙΙΑ» (Chrisopoiia) and the divine or sacred art of philosophers or poets known as “ΧΗΜΕΥΤΙΚΗ” (Chimeutiki) or “ΧΥΜΕΥΤΙΚΗ”, “ΧΗΜEΙΑ” (= Chemistry) or “ΧΥΜΕΙΑ”. The “sympathy” during the first centuries after Christ (AD centuries) was also called" affinity" in greek texts known as “ΧΥΜΕΥΤΙΚΑ” (Chymeutika) of various writers as Zosimus, Synesius, Olympiodorus, etc.). These texts passed to the Syrians and then to the Arabs, forming the “ΑΛΧΗΜΙΑ” or “ΑΛΧΥΜΙΑ”, (“Alchemia” or “Alchymia”= Alchemy). The affinity as a term was introduced by Albert the Great in the 12th century AD (affinitas = affinis = ad finis = to the boundary), expressing the “ΑΦΗ” of Aristotle, and translated as “ΣΥΓΓΕΝΕΙΑ” by the prerevolutionary Greek scholars (Vlemmidis, Metochites, Theophilus Korydaleas, Theotokis Nikiforos and Vardalachos). C. Geoffroy (17721731) was the first who tried to measure the affinity of acids and bases, publishing the “Table of Rapports”, i.e. the list of affinities. These tables were submitted to a comprehensive improvement by the Swedish Tobern Bergman (17351784), who has created a table of 49 substances. Bergman, using two methods of reaction, has revealed their tendency to join together (“attraction elective”), paving a way for the quantitative determination of affinities. Simultaneously to the tracking of chemical affinity as the attractive force of the reactants from the time of Albert the Great (13th century), we can watch the story of the Phlogistic and Pneumatic Chemistry, before the birth of modern chemistry in the days of Lavoisier, when appeared the chemical equivalents. The period of Lavoisier was continued after his death, with the Dalton's theories on gaseous mixtures, the atomic weights, the revival of the atomic theory (of Higgins, Dalton, T. Thomson and Wollaston), the connection of the affinity with the electric charge (Davy, Berzelius, Faraday), the foundation of Organic Chemistry, the vitalism theory, the type theories (of Dumas, Laurent, Gerhards, Hofmann, Williamson and Kekule), until 1868, where the “atomicities” or “affinity units” or “quantivalence” of Hofmann turned into “valence” by Wichelhaus, a student of Kekule. The term “valence” gradually began to impose in Chemistry, although for several years was in line with the “affinity units” in Greek chemistry textbooks of the 19th century and early 20th. The Geneva conference of 1892 established a uniform nomenclature in chemistry and gave a dynamic development both in science and in the teaching approach. The “valence” played then a leading part, at first being associated with the original concept of the chemical bond, then with the Periodic Table of Mendeleev and the electrons of elements (valence electron, Kossel 1916). However, in the current era, it has been replaced by the “charge number” (Stock) and the “oxidation number” (Latimer). During the transfer of chemical terms and designations of compounds in Greek textbooks, there have been many failures, which do not comply with the instructions of the “colored books” of IUPAC. Unfortunately, academics in the early 20th century established terminologies that are not consistent with those of IUPAC. For example, they used the inappropriate term “ΟΜΟΙΟΠΟΛΙΚΟΣ” (Omoiopolikos) («homopolar”, Abegg, 1906), instead of the correct “ΣΥΣΘΕΝΗΣ” (Systhenis) for the covalent bond. So, the enormous importance of establishing aunified nomenclature compatible with that of IUPAC has been ignored. The term “valence” is currently widely used in organic chemistry e.g. as a “charge number” in addition reactions, according to the Markovnikov rule, in substitution reactions, in the 1.4 addition reactions and where the Markovnikov rule cannot be used such as the addition of HI to CH3CH=CHI. The oxidation number is commonly used in redox reactions for the proper completion of the respective equations. The molecular geometry of complex compounds is provided by the VSEPR (or “Vesper”) theory (of Gillespie and Nyholm), which has been introduced in many European school textbooks. This theory is also summarized in the corresponding Greek manual. The acronyms of VSEPR theory (ValenceShell ElectronPair Repulsion theory) include the concept of valence. So, it is necessary, in terms of teaching, to mention of this concept, which has disappeared from the red book of IUPAC, remaining only in the gold and purple ones. The affinity as a term is still used in expressions, such as: affinity of reaction, electron affinity and affinity enzyme with substrate. Finally, an etymological study of the term “valence” is performed, which goes back to ancient Greek literature and then extends to Latin. From the teaching point of view, linguistic, historical and philosophical elements are linked together, causing a particular interest for the social impacts to a science whose findings (or theories or visas) are verified by experiments.