kemiske revolution
Fra omkring 1720 til 1780 oplevede kemien en blomstring både teoretisk og eksperimentelt. Det nu herskende kemiske paradigme var den såkaldte flogistonteori, der forklarede alle forbrændingsprocesser ud fra et hypotetisk stof, flogiston, der antoges at være righoldigt til stede i brændbare stoffer, og som blev afgivet under den kemiske proces. Når jern rustede, var der tale om, at jernet afgav flogiston til den omgivende atmosfære, ikke om at jernet optog et stof fra luften. Den engelske naturforsker Henry Cavendish arbejdede inden for flogistonteoriens rammer og opfattede den netop opdagede ‘brændbare luft’ (hydrogen) som vand mættet med flogiston. Ved at opfatte den rene eller ‘vitale’ luft (oxygen) som vand berøvet sit flogiston kunne han forklare dannelsen af vand som
(vand + φ) + (vand – φ) → vand
hvor φ betegner flogiston. For Cavendish var der strengt taget ikke tale om en syntese, men blot om en omfordeling af flogiston.
Den gamle teori om, at vand kan omformes til jordagtige stoffer, holdt sig forbavsende længe og blev i 1600-tallet forsvaret af så fremragende videnskabsmænd som Robert Boyle og Isaac Newton. I 1770 undersøgte den unge franske kemiker Antoine-Laurent Lavoisier sagen omhyggeligt gennem en række kontrollerede forsøg, der fik ham til ganske at afvise teorien. Ganske vist fandt han en rest jord i vand, der gentagne gange var blevet destilleret, men han kunne vise, at vægtmængden af jorden netop svarede til vægttabet af destillationskolben. Det påviste jord stammede altså ikke fra vandet, men fra kolben. På den tid, Lavoisier aflivede den gamle teori om vandets omformelighed, var han stadig tilhænger af flogistonteorien, men få år senere startede han de eksperimenter, der skulle aflive også denne teori og i stedet skabe grundlaget for den moderne kemi.
Som et resultat af den såkaldte kemiske revolution ca. 1775-90 forsvandt flogiston, mens forbrændingsprocesser blev forklaret ud fra det nye grundstof oxygen eller ilt. Blandt de vigtigste forudsætninger for revolutionen var erkendelsen af, at vand ikke er et elementært stof, men derimod en kemisk forbindelse mellem to grundstoffer. I starten af 1780’erne var oxygen og hydrogen velkendte, og man vidste, at de to gasser dannede vanddamp, når de blev udsat for gnister fra en elektrostatisk maskine. For den britiske kemiker og filosof Joseph Priestley og andre betød det, at vand var et sammensat stof – ikke af grundstofferne oxygen og hydrogen, men af oxygen og flogiston. Lavoisier havde en anden forklaring, nemlig at vand er en kemisk forbindelse af de to gasformige grundstoffer, mens flogiston slet ikke eksisterer. Som et argument for denne vigtige konklusion henviste han til forsøg, hvor han reducerede vanddampe til hydrogen ved at lade dem reagere med glødende jern (figur 1.6). Hans logik var, at når hydrogen kan dannes af vand, så må vand indeholde hydrogen.
Figur 1.6
Lavosiers forsøg med spaltning af vand til dets bestanddele. Vanddampen fra venstre bliver ledet gennem en rødglødende jerncylinder, og den resterende hydrogen opsamles i kolben til højre.
Vi får et indtryk af den stadig noget uafklarede situation gennem apotekeren Nicolai Tychsens Chemisk Haandbog fra 1794, der er en af de første danske fremstillinger af kemien. Om vandet skriver han, at det er et “Grundvæsen, hvoraf Legemerne ere sammensatte,” og at det ikke kendes i “dets reneste elementariske Tilstand”. Desuden hævdes det, at “vaade flydende Legemer indeholde og altid en større eller mindre Mængde Vand.” Mens Tychsen her befinder sig på den gamle kemis grund, er han samtidig på vej mod den nye, idet han senere skriver, at “Vandet bestaaer af Syreprincip eller Syrestof (Oxygéne) og Vandprincip eller Vandstof (Hydrogéne), eller af dephlogisticeret og brændbar Luft.” Tychsen argumenterede, at vand ikke er et element eller grundstof, men at det, som vist af Lavoisier, består af gasserne oxygen og hydrogen. At der endnu i 1790’erne var lang vej til moderne forestillinger om vands struktur og egenskaber fremgår af hans bemærkninger om vandets mindstedele, eller hvad vi ville kalde molekyler. Om disse hedder det, at de “ere i og for sig selv tørre”, men at de tiltrækkes af andre legemer, der gør dem våde. Giver det efter nutidige forestillinger mening at beskrive et vandmolekyle som enten tørt eller vådt?
Vandmolekylet
Det, som Tychsen neutralt betegnede som mindstedele, blev nogle år senere mere konkret gennem englænderen John Daltons atomteori, som han fremlagde den i A New System of Chemical Philosophy fra 1808-10. Heri optræder for første gang en formel for vandmolekylet, der viser det som en sammensat struktur af oxygen og hydrogen. Bortset fra at Dalton brugte sit eget symbolsystem – det nuværende alfabetiske system var endnu ikke opfundet – mente han, at vand har formlen HO (i nutidig notation), altså et diatomigt molekyle bestående af et oxygenatom bundet til et hydrogenatom (figur 1.7). Det fremgår af Daltons beskrivelse af vand, at man på den tid havde en ganske omfattende viden om stoffets kemiske og fysiske forhold. Han skriver således, at der i almindeligt vand er opløst ca. 2 % atmosfærisk luft.
Hvad angår vandets kemiske sammensætning, henviser Dalton til eksperimenter, der viser, at 100 vægtdele vand består af 87,4 vægtdele oxygen og 12,6 vægtdele hydrogen. Da der er syv gange så meget oxygen som hydrogen, og da han af simpelhedsgrunde antager, at vand er en binær forbindelse, slutter han, at atomvægten for oxygen må være syv i enheder svarende til H = 1. Dalton var klar over, at “når en elektrisk gnist passerer [en blanding af hydrogen og oxygen], vil der dannes vand ud fra en forening af to rummål hydrogen med et mål oxygen,” men uden at han derfor slutter, at formlen må være H2O. Han var dog klar over, at en ternær forbindelse er en mulighed og nævnte som mulige formler H2O og HO2. I førstnævnte tilfælde vil atomvægten for oxygen være 14, i sidstnævnte 3,5.
Forestillingen om vand som den mest simple sammensætning af oxygen og hydrogen, svarende til HO, holdt i mange år. Omkring 1850 kan man i den kemiske litteratur finde både HO og H2O, endda ofte i samme arbejder. Problemet var ikke så meget bestemmelser af atomvægte, for det stod snart klart, at atomvægten af oxygen er 16 gange så stor som hydrogens; det var snarere den manglende forståelse af molekylbegrebet og erkendelsen af, at grundstoffers mindstedele kan være diatomige molekyler (som H2 og O2), der var problemet. Det var først, da dette problem blev forstået, at det stod klart, at når et vandmolekyle dannes ud fra oxygen og hydrogen, er der tale om en molekylær proces, nemlig
2 H2 + O2 → 2 H2O
På en vigtig konference i Karlsruhe i 1858 enedes ledende europæiske kemikere om et fælles system for atomvægte og en klar distinktion mellem atomer og molekyler, hvilket førte til klarhed i den kemiske nomenklatur. Siden da har der ikke været tvivl om, at vands formel er H2O. Fra omkring samme tid har vi de første primitive molekylmodeller, der især kom til at spille en vigtig rolle i den organiske kemi. For vands vedkommende mente man, at strukturen var lineær, som H-O-H, da man ikke havde grund til at formode andet. At dette ikke er tilfældet, men at de tre atomer udspænder en vinkel på ca. 105 grader, stod først klart i 1920’erne.
Figur 1.7
Daltons grundstofsymboler fra 1808. Nr. 1 angiver hydrogen, nr. 2 nitrogen, nr. 3 carbon og nr. 4 oxygen. Blandt de kemiske forbindelser er nr. 21 “et atom af vand eller damp, bestående af 1 oxygen og 1 hydrogen, holdt i fysisk kontakt af en stærk affinitet.” Nr. 22 forestiller ammoniak, nr. 31 svovlsyre, nr. 33 alkohol og nr. 37 sukker.
Vand er ikke blot et stof, der spiller en afgørende rolle i det moderne samfund både på det sociale, økonomiske og videnskabelige plan, det er også et begreb med en rig historie. Ved at følge hvordan vand er blevet forstået gennem videnskabshistorien, får vi en fornemmelse af, hvor forskellig vores nuværende opfattelse er fra fortidens; men vi indser også, at den moderne opfattelse trods alt skyldes en lang historisk proces, der ofte har været præget af fejltagelser og forkerte teorier. Sådan er videnskabshistoriens melodi.
2
Vands