Η ιστορία της συγγένειας (affinity) και του σθένους (valence) και η εφαρμογή τους στη διδακτική της χημείας

Abstract

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”. hese 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.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. 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 “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.

Η μελέτη αυτή εξετάζει διεξοδικά δύο έννοιες το σθένος (valence) και τη χημική συγγένεια (chemical affinity), που χρησιμοποιούνται ή χρησιμοποιήθηκαν στη χημεία και συνέβαλαν στην ονοματολογία των χημικών ενώσεων, στην κατανόηση (ή γνώση) των χημικών αντιδράσεων και στην ερμηνεία των χημικών δεσμών. Η ιστορία της συγγένειας είναι μακραίωνη και τα σπέρματά της βρίσκονται στις θεωρήσεις των φυσιοκρατών Ελλήνων φιλοσόφων, που διατύπωσαν την ατομική θεωρία (άτομο και κενό), τα τέσσερα ριζώματα, τις δύο αντίθετες δυνάμεις της φιλότητας και του νείκους του Εμπεδοκλή, του γένους ως αρχικής ουσίας και του είδους ως ουσίας που παράγεται, της αφής του Αριστοτέλη, της συμπάθειας κι αντιπάθειας του Δημόκριτου ή Βώλου, της μεταλλουργίας, της βαφής των μετάλλων, της χρυσοποιΐας, της συγγένειας, της ιεράς τέχνης (τέχνη του Ερμή του Τρισμέγιστου ή τέχνη των φιλοσόφων και ποιητών), της τέχνης γνωστής ως χυμευτική ή χημευτικής ή χημίας ή χυμείας, που γέννησαν την αλχυμία (Αλχημεία) των Αράβων και των Λατίνων της δυτικής Ευρώπης (Εσπερία). Από την αριστοτελική αφή ή συγγένεια των γενών (όπως είναι τα μέταλλα), ο Αλμπέρτος ο Μέγας δημιούργησε τον όρο affinititas (affinis=ad finis= προς το όριον), η οποία μεταφραζόταν ως συγγένεια από τους προεπαναστατικούς Έλληνες λογίους (Βλεμμίδης, Μετοχίτης, Θεόφιλος Κορυδαλέας, Θεοτόκης Νικηφόρος, Βαρδάλαχος). Στη συνέχεια παρακολουθούμε την πορεία της χυμείας τον 16ο και 17ο, όπου είχαμε την προφλογιστική περίοδο και τη θεμελίωση της πνευματικής χημείας (Robert Boyle). Η χημική συγγένεια αναδεικνύεται ως ελκτική δύναμη των αντιδρώντων σωματιδίων. Μετά ακολουθεί η φλογιστική περίοδος μέχρι την ίδρυση της σύγχρονης χημείας με το Lavoisier. Στην περίοδο αυτή σχηματίζονται οι πίνακες των χημικών συγγενειών διαφόρων ουσιών και της διαφοροποίησής της σε κατηγορίες. Τέλη 18ου κι αρχές 19ου αιώνα η χημική συγγένεια συνδέεται με το ηλεκτρικό φορτίο, γίνεται η εμφάνιση του χημικού ισοδυνάμου (equivalent), ως πρόδρομης έννοιας του σθένους (valence). Δημοσιεύονται τα ατομικά βάρη του στοιχείων και αρχές του 19ου αιώνα ιδρύεται ο κλάδος της Οργανικής χημείας (the foundation of Organic chemistry, vitalism theory, Type theories of Dumas, Laurent. Gerhards, Hofmann, Williamson, Kekule). Το 1868 όπου οι ατομικότητες (atomicities) ή μονάδες συγγένειας (affinity units) ή ποσοσθενές (quantivalence of Hofmann) μετατράπηκε σε σθένος (valence) από τον Wichelhaus, μαθητή του Kekule. To valence σταδιακά άρχισε να επιβάλλεται στη Χημεία, αν και για αρκετά χρόνια συμβάδιζε με τις μονάδες συγγένειας στα ελληνικά εγχειρίδια χημείας του 19ου αιώνα και των αρχών του 20ου. Το σθένος συνδέεται με την έννοια του χημικού δεσμού, με τον Περιοδικό Πίνακα των στοιχείων, με το ηλεκτρόνιο (ηλεκτρόνια σθένους), συμβάλλει στην ονοματολογία και γραφή των χημικών τύπων των ενώσεων, τον αριθμό οξείδωσης, αριθμό φορτίου και είδη χημικών δεσμών. Διαμορφώνονται οι ηλεκτρονικές θεωρίες σθένους για την ερμηνεία των ενώσεων και δίνεται η χρήση τουαριθμού οξείδωσης για την πρόβλεψη των προϊόντων μιας αντίδραση οξειδοαναγωγικής, προσθήκης σε ακόρεστες οργανικές ενώσεις, απόσπασης κι αντικατάστασης. Η χημική συγγένεια ως όρος συναντιέται στη χημική συγγένεια της αντίδρασης, ως ηλεκτρονιακή συγγένεια και ως συγγένεια ενζύμου κι υποστρώματος.