TIETOPAKETTI KAASULAKIEN KEHITTÄJISTÄ Robert Boyle

Transkriptio

1 TIETOPAKETTI KAASULAKIEN KEHITTÄJISTÄ Robert Boyle Irlantilainen kemisti Robert Boyle (s k Lontoo) syntyi Lismoren linnassa, Irlannin Munsterissa, Corkin jaarlin 14. lapsena. Robertin syntyessä isänsä oli 60- vuotias ja äiti 40 vuotias. Perhe lähetti kuitenkin Robertin vanhempien veljien tapaan kasvatettavaksi paikalliseen perheeseen ja tämän vuoksi hän oppi jo nuorena iirin kielen. Erittäin varakkaan perheen lapsena häntä koulutettiin kotioloissa ja mannermaalla. Hänet lähetettiin veljensä kanssa Etonin Collegeen v. 1635, joka oli sen ajan merkittävin koulu, johon tärkeät ihmiset lähettivät poikiaan. Eton Collegen rehtori oli heidän isänsä ystävä, joten veljekset saivat asua hänen luonaan. Lisämaksusta pojat saivat opetusta myös ranskan kielessä, tanssissa ja musiikissa yksityisopettajalta. Rehtorin vaihtuessa isä otti pojat pois koulusta v ja opiskelu jatkui yksityisesti. Jo 12-vuotiaana Robert lähetettiin opiskelemaan Eurooppaan. Genevessä alkoi yksityisesti ranskan, latinan sekä uskonnon opiskelu. Mikä tärkeintä samaan aikaan alkoi myös matematiikan opiskelu. Opiskellessaan Italiassa v Robert tutustui ja ihastui Galileon Galilein filosofiaan, jossa korostettiin luonnontieteen kokeellisuuteen ja havaintoihin perustuvaa tutkimista perinteisen pohdinnan sijaan. Sen aikainen katolilainen kirkko oli täysin eri kannalla. Kirkko piti Galileon kokeita harhaoppisuutena. Englannin sisällissodan ( ) takia isä ei pystynyt lähettämään pojalleen rahaa, joten Robert jäi Geneveen ja eli siellä opettajansa tuella. Myytyään omia jalokiviään hän matkusti Englantiin, mutta sodan takia hän palasi Ranskaan opiskelemaan kuudeksi vuodeksi. Sisällissodan viimeisen vuoden Robert vietti Oxfordissa, lukien ja suorittaen kokeita assistenttiensa ja kollegoidensa kanssa. Tämä ryhmä oli sitoutunut uuteen filosofiaan, joka arvosti tarkkailua ja kokeilujen suorittamista vähintäänkin yhtä paljon kuin loogista ajattelua tarkan tieteellisen ymmärryksen kehittymisessä. Brittiläisen monarkian restauraation aikaan vuonna 1660 Boyle vaikutti siihen, että vasta muodostettu Royal Society omaksui myös tämän filosofian.

2 Aristoteleen maailmankuvan ( 300 ekr.) mukaan maailma koostui neljästä alkuaineesta: maasta, ilmasta, tulesta ja vedestä. Kaikki havaittavat muutokset voitiin selittää näiden alkuaineiden avulla. Tunnettu alkemisti Paracelsius ( ) puolestaan piti kaiken perustana olevina kolmena alkuaineena suolaa, rikkiä ja elohopeaa. Keskiajan alkemistien tavoitteena oli valmistaa kultaa ja uskossaan he tukeutuivat oppiin neljästä alkuaineesta. Toisin kuin Aristoteles Boyle kuitenkin kannatti atomismin muotoa, jossa todellisuutta tarkasteltiin hiukkasina ja niiden liikkeinä. Hän uskoi, että kemialliset kokeet voivat näyttää tämän atomismin toteen. Hän määritteli alkuaineet Sceptical Chymist (1661)-julkaisussa "certain primitive and simple, or perfectly unmingled bodies; which not being made of any other bodies, or of one another, are the ingredients of which all those called perfectly mixt bodies are immediately compounded, and into which they are ultimately resolved." Boyle luki saksalaisen Otto von Guericken kehittämästä tyhjiöpumpusta vuonna 1657 ja alkoi assistenttinsa Robert Hooken kanssa kehittää keksintöä edelleen. Kahden vuoden kehitystyön tuloksena syntyi pneumaattinen pumppu (machina Boyleana), jolla hän alkoi tehdä koesarjaa ilman ominaisuuksista. Yhdessä kokeista Boylella oli J:n muotoinen lasiputki, jonka toinen pää oli umpinainen. Umpinaisessa päässä oli ilmaa ja muutoin putki oli täytetty nestemäisellä elohopealla. Boyle tutki paineen muutoksen vaikutusta umpinaisessa päässä olevan kaasun tilavuuteen. Kuva 1. Boylen lasinen J-putki

3 Kokeiden tuloksena syntyi vuonna 1660 julkaistu: New Experiment Physico-Mechanicall, Touching the Spring of the Air, and its Effects. Tämä oli Boylen ensimmäinen tieteellinen julkaisu ja se sai osakseen kritiikkiä, johon hän vastasi kirjansa toisessa painoksessa (1662). Pohtiessaan vastauksia kritiikeissä nousseisiin kysymyksiin hän havaitsi riippuvuuden kaasuntilavuuden ja paineen välillä, mutta hän ei ymmärtänyt syytä havaintonsa takana. Tämä havainto nimettiin myöhemmin Avogadron toimesta Boylen laiksi. Boylen laki v.1662 (p = paine ja V= tilavuus) eli Kuvaaja 1. Kaasun paineen riippuvuus tilavuudesta Robert Boyle laati 24 mahdollista tulevaisuuden keksintöä käsittävän toivelistan, johon hän listasi mm. elämän pidentämisen, lentämisen taidon, loputtoman valon, erittäin kovan ja kevyen haarniskan sekä erilaisten lääkkeiden valmistamisen. Listan keksinnöistä vain muutama on tällä hetkellä toteutumatta. Boylen tieteellinen työ oli hyvin laaja-alaista. Hän havaitsi mm. ilmalla olevan osansa äänen kuulumisessa, teki sähköön, väreihin ja kristalleihin liittyviä kokeita ja tutki veden lämpölaajenemista. Boyle oli kuitenkin koko ikänsä alkemian kannattaja eli hän uskoi vakaasti transmutaatioon eli kullan muodostamiseen muista alkuaineista. Myös muut tieteenlajit saivat hänen huomionsa eli hän tutki fysiologiaa, filosofiaa ja erityisesti teologia oli hänen sydäntään lähellä. Hänelle jopa tarjottiin mahdollisuutta pappisvihkimykseen ja hän rahoitti raamatun kääntämisen iirin kielelle. Boylen henkilökohtainen uskomus oli, että kaikki

4 ihmiset ulkonäköön katsomatta maan päällä polveutuivat Aatamista ja Eevasta, mikä oli ristiriidassa silloisen yleisen näkemyksen kanssa. Boylen testamentissa jätettiin rahaa luentoja varten, joissa kristinuskoa puolustettiin muita uskontoja vastaan. Hänen kuoltuaan halvaukseen, luentoja pidettiin miltei vuosittain 1930-luvulle asti, mutta tapa on 2000-luvulla herätetty uudelleen henkiin. Nimellä the Boyle lectures tunnetut luennot pidetään nykyisin helmikuussa St Mary-le-Bow-kirkossa, Lontoossa. Jacques Charles Jacques Alexandre Cécar Charles ( ) oli alun perin valtiovarain ministeriön virkamies, mutta siirtyi myöhemmin tieteelliselle uralle. Hän sai koulutusta ainoastaan perusmatematiikassa, muutoin hänelle ei koskaan opetettu luonnontieteitä. Tämän vuoksi suurin osan Charlesin julkaisuista koskevat juuri matematiikkaa, mutta hän oli monilla osa-alueilla kunnostautunut tutkija ja keksijä. Alkusysäyksenä Charlesin kiinnostukselle luonnontieteisiin oli Benjamin Franklinin Pariisin-vierailu vuonna1779. Franklin oli vastamuodostettujen ( ) Yhdysvaltojen lähettiläs ja Charles innostui lukemaan hänen suorittamistaan sähköön liittyvistä kokeista. Hän toisti onnistuneesti monia Benjamin Franklinin sähköön liittyviä kokeita ja ne saivat hänet opiskelemaan lisää luonnontieteitä. Jo puolentoista vuoden opintojen jälkeen Charles piti julkisia luentoja opiskelemistaan aiheista sekä suunnitteli monia tieteellisiä laitteita, kuten hydrometrin (tiheyksien mittaamiseen) ja goniometrin (kristallien kulmien mittaamiseen). Lisäksi hän paranteli monia aiempia keksintöjä. Montgolfierin veljekset loivat vuoden 1782 heinäkuussa ensimmäisen kuumailmapallon, jolla jo seuraavana vuonna lennätettiin ensimmäisen kerran ihmisiä. Pallo koreineen oli toki kiinnitettynä maahan pitkällä narulla koko lennon ajan. Tästä seurasi kuitenkin suuri yleinen mielenkiinto lentämistä kohtaan.

5 Charles oli tutkinut Boylen, Henry Cavendishin, Joseph Blackin ja Tiberius Cavallon julkaisuja ja oli niiden pohjalta tullut johtopäätökseen, että vety olisi kuumaa ilmaa parempi täyte palloon. Hän suunnitteli aluksen, mutta tarvitsi käytännön toteutukseen avukseen kaksi Robertin veljestä, sillä vetyä varten oli kehitettävä kaasunpitävä pallo. Ratkaisuna oli liuottaa kumia tärpättiin ja päällystää saadulla liuoksella silkistä tehty pallo. Yhteistyön tuloksena syntynyttä vetypalloa lennätettiin ensimmäisen kerran 1783 nykyisen Eiffel-tornin paikalla ja mukana tapahtumaa seuraavassa suuressa väkijoukossa oli mm. Benjamin Franklin. Pallon täyttämiseen tarvittu vety oli tehty kaatamalla 250 kg rikkihappoa puoleen tonniin romurautaa, mutta syntyvän kaasun kerääminen palloon oli yllättävän vaikeaa. Ensimmäinen pallo pystyi nostamaan vain 9 kg ja se lensi 21 km pieneen maalaiskylään, jossa kauhistuneet asukkaat tuhosivat sen veitsillä ja talikoilla. Robertsin veljekset ja Charles rakensivat seuraavaksi suuremman pallon ja seuraavana tavoitteena olikin saada ihminen matkustajaksi. Pallo oli ympäröity verkolla, johon matkustajien kori oli kiinnitetty. He lisäsivät palloon Charlesin kehittämän yksisuuntaisen venttiilin (uusi keksintö) vedyn määrän säätelyä varten ja hiekkasäkit painoiksi säätelemään korkeutta. Lentoonlähtöä oli seuraamassa arviolta ihmistä eli noin puolet Pariisin silloisesta väestöstä. Charles oli itse lentäjänä tällä lennolla ja onnistui avustajansa kanssa lentämään 36 km matkan 550 m korkeudessa. Pienen välipysähdyksen jälkeen hän halusi jatkaa matkaa, mutta koska pallon vedyn määrä oli vähentynyt, hän jätti avustajansa maan pinnalle ja lähti lennolle yksin. Nyt kevyempi pallo kohosi nopeasti 3km korkeuteen, missä Charles kuvaili tunteneensa kipua korvissaan, joten hän päätti laskeutua päästämällä vetyä pois pallosta. Tämä jäi hänen viimeiseksi lennokseen. Koelentoja jatkoivat Robertsin veljekset. Charlesin mielenkiinto ilmaan ja kaasuihin jatkui koesarjalla talvella 1787, jolloin hän tutki happea, typpeä, vetyä ja hiilidioksidia. Hän täytti viisi ilmapalloa kunkin yhdellä näistä kaasuista ja havaitsi niiden tilavuuden muutosten olevan identtisiä lämmitettäessä niitä 80 asteeseen. Hän ei kuitenkaan pitänyt saamiaan tuloksia julkaisemisen arvoisena, mutta myöhemmin niiden pohjalta muodostettiin Charlesin kaasulaki. Lain muodosti Gay-Lussac ja sen mukaan vakiotilavuudessa kaasun paine on suoraan verrannollinen sen absoluuttiseen lämpötilaan. Lain pohjalta kuitenkin kaasujen tilavuuden tulisi tippua nollaan absoluuttisessa nollapisteessä, joten Gay-Lussac itse rajasi lain ulkopuolelle hyvin matalat lämpötilat. Samalla hän määritteli absoluuttisen lämpötilan eli paineen ja lämpötilan kuvaaja vakiotilavuudessa leikkaa aina x-akselin -273,15 C kohdalla. Charlesin laki v.1787

6 Kuvaaja 2. Kaasun paineen riippuvuus lämpötilasta Vaikka Jacques Charlesilla ei ollut käytännössä lainkaan muodollista koulutusta, vuonna 1793 hänet valittiin Ranskan tiedeakatemiaan ja fysiikan professoriksi. Hän kuoli Pariisissa vuonna Joseph Gay-Lussac Ranskalainen kemisti ja fyysikko Joseph Louis Gay-Lussac (s St-Leonard k Pariisi) kasvoi sekä Ranskan ( ) että kemiallisen vallankumouksen aikaan. Hän sai koulutusta katolisessa luostarissa ja myöhemmin yksityisesti Dumonteilin luostarin apotin huostassa. Vuonna 1798 hänet hyväksyttiin 20-vuotiaana opiskelemaan juuri perustettuun École Polytechniqueen, mutta samoihin aikoihin hänen tuomarin virkaa hoitanut isänsä vangittiin. Syynä oli Maximillian Robespierren politiikka, jonka seurauksena teloitettiin valtava määrä ihmisiä, mm. Ranskan kuningas ja kuningatar Marie-Antoinette.

7 Ranskan vallankumousta edeltävänä aikana luonnontieteellinen koulutus tapahtui lähes yksinomaan armeijan akatemioissa, mutta vallankumouksen jälkeen haluttiin panostaa luonnontieteiden kehittämiseen ja siksi École Polytechnique perustettiin. Kolmen vuoden opintojen jälkeen hän oli jo aikeissa astua insinöörin opintojen pariin, kun C.L. Berthollet tarjosi hänelle avustajan paikkaa. Berthollet pian vakuuttui avustajansa kyvyistä ja tarjoutui toimimaan hänen tieteellisenä isänään Gay-Lussac pääsi demonstraattoriksi École Polytechiqueen ja tällöin hän julkaisi ensimmäiset tuloksensa kaasujen fysikaalisista ominaisuuksista. Hän oli tehnyt saman huomion kuin Jacques Charles 15 vuotta aiemmin ja antoikin kunnian havaintojensa pohjalta muotoilemastaan kaasulaista Charlesille. Gay-Lussacin muotoileman Charlesin lain mukaan vakiopaineessa olevien samanmassaisten kaasujen tilavuuksien muutos on suhteessa lämpötilan muutokseen eli jokainen kaasu laajenee lämmitettäessä yhtä paljon. École Polytechniquessa Gay-Lussac osallistui professori Louis Jacques Thénardin kanssa elektrokemialliseen tutkimukseen, jossa he tutkivat sen avulla löydettyjä alkuaineita. He myös hajoittivat boorihappoa käyttäen kaliumia, jolloin he löysivät alkuaine boorin. He myös osallistuivat väittelyihin, jotka muokkasivat Lavoisierin aiemmin esittämiä käsityksiä hapoista ja edistivät hänen ohjelmaansa orgaanisten yhdisteiden happi- ja vetymäärien analysoinnista Gay-Lussac sai suojelijansa Bertholletin ja J.E. Chaptalin avulla käyttöönsä ilmapallon, jolla hän lähti tekemään kokeita ilmakehässä. Hän onnistui nousemaan jopa 7km korkeuteen, missä hän teki havaintoja magnetismista, lämpötilasta ja ilman kosteudesta sekä keräsi ilmanäytteitä eri korkeuksilta. Saamiensa tulosten pohjalta hän päätteli, että magneettisen kentän vahvuuden samaksi kaikissa mitattavissa korkeuksissa, eikä hän myöskään havainnut eroja ilmankoostumuksessa eri korkeuksissa Gay-Lussac lähti Alexander von Humboltin kanssa suurelle tieteelliselle matkalle Sveitsiin, Italiaan ja Saksaan, jonka aikana hän ehti mm. tutkia pelottomasti purkaumassa olevaa Vesuvius-tulivuorta. Matka kuitenkin katkesi kesken vuonna 1806, kun tiedeakatemian eräs jäsen kuoli. Gay-Lussac riensi Pariisiin kiireen vilkkaa, sillä hän halusi tulla valituksi vapautuneelle paikalle ja näin kävikin. Charlesin lain muodostamisen yhteydessä Gay-Lussac jatkoi kaasuihin liittyviä kokeitaan ja hän havaitsi riippuvuuden kaasun tilavuuden ja lämpötilan välillä paineen pysyessä vakiona. Kokeidensa pohjalta hän muodosti Gay-Lussacin lain, jonka mukaan siis paineen ollessa muuttumaton, pysyy tilavuuden ja lämpötilan suhde vakiona. Nyt Gay-Lussac eteni ensin kemian professoriksi vanhassa opinahjossaan ja toimi samalla myös Sorbonnen yliopiston fysiikan professorina Tämän jälkeen hän siirtyi kemian professoriksi Jardin des Plantesiin. Tässä vaiheessa elämää hän päätyi myös naimisiin kangaskaupan myyjän kanssa, jonka hän oli nähnyt salaa kassan alla lukevan

8 kemian oppikirjaa. Avioliitto kesti Gay-Lussacin kuolemaan asti ja heille syntyi yhteensä viisi lasta, joiden jälkeläisiä löytyy vielä tänäkin päivänä. Vuoden 1809 aikoihin hänen tutkimuksensa siirtyi enemmän kohti aineiden kemiaa ja tämä johti kilpailutilanteeseen Sir Humphry Davyn kanssa. He mm. kilpailivat parhaimmasta tavasta eristää kaliumia ja kiistelivät oksimuriaanihapon (tunnetaan nykyään kloorina) luonteesta. Kun Davy läpikulkumatkallaan Pariisin halki onnistui todistamaan jodin alkuaineeksi, jääräpäinen Gay-Lussac paneutui uuden alkuaineen tutkimiseen ja julkaisi laajan artikkelin sen ominaisuuksista. Tässä vaiheessa Gay-Lussac oli Pariisin johtavia tiedemiehiä ja hänen apuaan kaivattiin monin tavoin, minkä vuoksi puhtaasti tieteelliselle työllä jäi vähemmän aikaa. Hänet nimitettiin mm. ruudin ja salpietarin hallintoon, missä hän toi tieteellisen tarkkuuden työskentelyyn ja paransi työtapoja huomattavasti. Gay-Lussacilla oli kuitenkin aikaa tutkia orgaanista analyysiä yhdessä Thénardin ja Justus Liebigin kanssa, jolla oli käyttöoikeus hänen laboratorioonsa. Gay-Lussac onnistui kehittämään lisäksi titrauksen, jota voitiin nyt käyttää tarkkaan pitoisuuksien määrittämiseeen. Tämä keksintö toi hänelle lisää työtä rahapajassa, missä oli hyvin tärkeää pystyä määrittämään jalometallien pitoisuudet mahdollisimman tarkasti. Lisäksi hän kehitti kemian teknologiaa muokkaamalla ja parantamalla tutkimusvälineistöä, mm. kehittämällä byretin, jota käytetään tänäkin päivänä. Gay- Lussacin laki v.1802 Kuvaaja 3. Kaasun tilavuuden riippuvuus lämpötilasta V= tilavuus ja T= lämpötila (Kelvin)

9 Lisätietoa Ylläesitellyt lait tunnetaan eri maissa eri nimillä. Charlesin lakia voidaan kutsua mm. Gay- Lussacin 1. laiksi ja Charlesin lakia Gay-Lussacin laiksi. Tämä johtuu juuri lakien historiallisesta syntyperästä ja siksi eri lähteistä saatavien tietojen kanssa on oltava perillä, millä nimellä mitäkin lakia lähteessä kutsutaan. Ylläolevat lait on esitelty käytössämme olleiden oppikirjojen mukaan ja mm. suomenkielisessä wikipediassa niitä käsitellään eri nimillä. Näistä kolmesta laista johdettiin kaasujen yleinen tilanyhtälö. Mieti miten voisit havainnollistaa kutakin kaasulakia esim. kotoa löytyvien välineiden avulla?