Je Nový rok 1922. Mladý vědec si ani na tenhle slavnostní den nedá pokoj. Bádal koneckonců i přes válku, jak to jen šlo, tak proč by zrovna teď měl odpočívat. Možná proto je i přes svůj nízký věk (je mu teprve málo přes třicet let) už docent Karlovy Univerzity…

Už tři roky se pachtí s měřením, které neposkytuje žádné rozumné výsledky – zkoumá povrchové napětí rtuti, přesněji řečeno zkouší, jak rychle odkapává rtuť, když je na ni vložené elektrické napětí. Dnes má ale nápad. Nebude měřit jen napětí a hmotnost rtuti, ale i elektrický proud, který elektrodou prochází. Ještě neví, že až se mu to za pár dnů podaří, bude to první krok k Nobelově ceně. Mladý vědec se totiž jmenuje Jaroslav Heyrovský.

***

K tomu, abychom pochopili, co se mu vlastně podařilo vymyslet, je potřeba si stručně zopakovat něco o chemických reakcích. Základní atomy všech látek se skládají z jádra, složeného z určitého počtu kladně nabitých protonů a neutrálních neutronů. Okolo jádra jsou ve vrstvách uspořádány záporně nabité elektrony, stejný počet, jako je protonů, aby byl v součtu celý atom nabitý neutrálně.

Problém je v tom, že jen málo atomů je spokojeno se svým počtem elektronů; nejvíc se jim líbí, když nemají žádnou poloprázdnou vrstvu, ale naopak všechny vrstvy zaplněné. Atomy situaci řeší tím, že svoje vrstvy překryjí, některé z elektronů mají dohromady, a každému z nich se zdá, že jich má o něco víc – právě tolik, kolik na doplnění svých vrstev potřebuje. Společné elektrony je pak drží pohromadě – vznikla chemická vazba a sloučenina.

Někdy se může stát, že je pro atom výhodnější svoji vrchní vrstvu vyprázdnit – bude mít sice o jednu vrstvu méně, ale hlavně že všechny, co zůstanou, budou akorát zaplněné. Proto svoje elektrony půjčí atomu, který svoji vrstvu doplňuje. Oba atomy potom budou nabité, ten, co má elektronů víc než by měl mít, bude nabitý záporně, ten co jich má méně, bude nabitý kladně, a tím budou zase držet u sebe, jako dva malé magnety.

Obě varianty sdílení elektronů se dají v různé míře kombinovat. No a právě tohle čachrování s elektrony a jejich vyměňování – kdo s kým si je vymění, kdo s kým je bude mít dohromady – to jsou chemické reakce.

***

V pokusu (tehdy) docenta Heyrovského hrál roli ještě jeden faktor – elektrický proud. Elektrický proud je taky tvořený elektrony a proto chemické reakce vyvolává a ovlivňuje. V původním Heyrovského uspořádání jsou do roztoku s různými chemickými látkami ponořené dvě elektrody, jedna je tvořená rtutí, kapající z tenké skleněné trubičky, druhá může být ledasjaká – loužička rtuti, velký platinový plíšek nebo (většinou) různé speciální elektrody připravené právě pro tenhle účel.

Na elektrody umíme z nějakého vnějšího zdroje, třeba baterie, vkládat napětí a dokážeme mezi nimi měřit proud. Co se tedy bude dít? Rtuťová elektroda je zapojená jako katoda a z baterie do ní tudíž přicházejí elektrony (druhá elektroda, anoda, je zase musí odevzdávat). Katoda se těchto elektronů snaží zbavit, přesněji řečeno, nacpat je některé z látek, co okolo ní plavou v roztoku, a tím je přinutit k reakci. Čím je větší vložené napětí, tím větší přebytek elektronů má a tím větší silou je okolním látkám vnucuje.

Na obrázků je polarogram, tedy záznam tohoto děje, kde můžeme vidět, jak se jí to daří. Na začátku je napětí malé, energie málo a žádná reakce neprobíhá, proud je proto jen velice malý. Napětí se postupně zvyšuje a při nějaké hodnotě dosáhne dostatečné velikosti k tomu, aby začalo docházet k reakci s některou z okolních látek, v našem případě s thalnými ionty – katoda jim předá elektron a stává se z nich kovové thalium.

Další zvyšování napětí reakci usnadní, víc a víc thalných iontů reaguje a proud stoupá. Potom ale – ouha – stoupat přestane. V okolí elektrody thalné ionty došly a elektroda na dálku elektrony předávat nemůže, proud je tedy omezen tím, kolik jich doplave z hloubi roztoku. Pak začne reagovat další látka, kademnaté ionty, a celý děj se opakuje, proud je způsobený reakcí thalných i kademnatých iontů.

Dříve či později má elektroda takové napětí, že přinutí k reakci některou z hlavních složek roztoku, třeba vodu. Ta už se v okolí elektrody vyčerpat nemůže, proud už bude pořád jen stoupat a překryje všechny případné následující reakce. Měření skončilo. (Pravidelné vlnky v průběhu měření jsou způsobené odkapáváním a opětovným narůstáním rtuťové kapičky.)

Na druhou z elektrod odevzdávají elektrony jiné složky roztoku, dochází tam k jiné reakci. To se nám ale na křivce moc neprojeví – druhá elektroda je veliká a proud procházející roztokem příliš neovlivní. I přesto existují finty, jak pomocí speciální konstrukce elektrody tento vliv ještě potlačit, abychom se jím nemuseli zbývat.

***

Tímhle jediným měřením jsme tedy zjistili: za prvé, že v roztoku jsou thalné a kademnaté ionty, protože napětí, při kterém začíná reakce, je pro každou látku charakteristické; za druhé, že tam nejsou žádné další látky, které reagují při podobných hodnotách napětí, protože není vidět vzestup proudu (takzvaná vlna) patřící k jiné reakci; za třetí, kolik je obou iontů v roztoku, protože výška vlny stoupá se stoupajícím množstvím látky v roztoku.

To je velké množství informací; kdyby v té době chtěl někdo stejné údaje získat tradičním způsobem, musel by provádět mnoho různých pokusů. Dnes už podobné, ba i lepší kombinace údajů dokáže poskytnout mnoho metod, ale ve své době to byla revoluce.

Zkoumáním zákonitostí reakcí na elektrodách strávil profesor Heyrovský se svými spolupracovníky (za všechny jmenujme Dionýze Ilkoviče a Masuzo Shikatu) další roky a jeho zjištění se stala jádrem celé elektrochemie.

***

Neméně důležitý byl ale i jeho přínos k samotnému provádění analýzy. Prvotní měření byla zdlouhavá a obtížná, málo prakticky použitelná. Proto je zautomatizoval. Opět, v dnešní době elektroniky, přístrojů a robotů to nezní jako nic převratného. V době bez elektroniky byl ale první, komu se to podařilo – celé generace chemiků musely každou jednotlivou operaci udělat vlastníma rukama a průběh sledovat vlastníma očima.

Podstata přístroje je vlastně velice jednoduchá. Využívá toho, že tehdejší měřiče proudu většinou neukazovaly na čísla ručičkou, ale místo toho na stupnici vychylovaly zrcátkem světelný paprsek. Jak tedy přístroj vypadá? Na ose, kterou otáčí hodinový strojek, je přidělaný válec s natočeným odporovým drátem, po kterém se pohybuje elektrický kontakt.

Napětí vkládané na elektrodu závisí na tom, jak daleko už se kontakt po drátu pootočením válce posunul. Současně je na ose přidělaný druhý válec, tentokrát s fotografickým papírem. Na něj dopadá světelný paprsek a vykresluje tím křivku. Míra pootočení papíru udává vložené napětí, vychýlení světelného paprsku proud. Rtuť odkapává gravitací a nic jiného vlastně není potřeba.

Po vyvolání fotografie získáme nejen celou sadu dosažitelných informací, ale navíc nám zůstane celý záznam – když to bude potřeba, může být vyhodnocen znovu nebo jinak. Na stejném principu začala přístroje profesionálně vyrábět Zbrojovka Brno. Výsledek jejích snažení je ukázán na dalším obrázku – pro lepší orientaci upozorňuji, že mu chybí všechny „externí“ díly, čili zejména lampička jako zdroj kreslícího paprsku a nádobka s elektrodami.

***

S postupujícím rozvojem elektrotechniky se otevřely další možnosti. Když profesor Heyrovský přebral v Norsku Nobelovu cenu, zajel se na zpáteční cestě podívat do Kodaně, kde vyráběli první přístroje schopné křivku zakreslovat perem (odpadla tedy nutnost vyvolávat fotografie). Jeden přístroj si dovezl, vyzkoušel a zřejmě byl spokojen, protože vzápětí jich objednal ještě několik. Jeden z těchto strojů je na Přírodovědecké fakultě UK stále ještě v provozu, i když už jen jako názorná ukázka.

A vývoj šel dál. Rtuť už není zdaleka jediný materiál na elektrody, používá se uhlík, nejrůznější kovy, směsi prášků a umělých hmot. Vymýšlejí se různé rafinované posloupnosti vkládání potenciálů a odečítání proudu. Měří se reakce složitých molekul, třeba i DNA. Český podíl na této práci je ještě stále výrazný. A úplně na začátku všeho stál mladík s nefungujícím pokusem…

PS: V popisech pokusů je použito několik zjednodušení, respektive jsem přešla mlčením některé aspekty, které jsou pro praktické provedení důležité, ale pro pochopení hlavního principu mají jen malý význam. Mám za to, že můj spis je dost komplikovaný i bez nich. Osobám s hlubším zájmem můžu na požádání popisy doplnit.