Onze lucht bleef lang een onbekende!

Onze kennis over lucht kreeg pas een start in de 16^de eeuw en kent nu als belangrijkste actualiteit de broeikasgassen. De samenstelling van onze lucht is dankzij de moderne analysetechnieken tot en met het kleinste zuchtje bekend. Alle gegevens staan op het internet. Doch hoe men tot deze kennis is gekomen wordt evenwel slechts fragmentarisch beschreven. Zelfs in het onderwijs is geen overzichtelijke geschiedenis van de wetenschappen te vinden. Neem bijvoorbeeld ‘Pascal’, een naam vermeld in elk weerbericht. De juiste context waarin deze beroemde wetenschapper tot de bevinding over de luchtdruk is gekomen volgt hier in volgende tekst. Dit verhaal wil een aanvulling zijn met de nadruk op de evolutie van het wetenschappelijk denken.

‘Horror Vacui’

Het contact met de Arabische wereld via Spanje en Sicilië vanaf de 12^de eeuw bracht tal van nieuwe inzichten. Het luidde in het Westen de start in van de ‘alchemie’, een Arabisch woord voor wat toen nog een blind experimenteren was op allerlei materie. Vanaf de 13^de eeuw werd voornamelijk in de metallurgie een aanzienlijke vooruitgang geboekt. Men gebruikte blaasbalgen om vuur aan te wakkeren zonder enig benul over de natuur van lucht of vuur. Lucht leek een continu ‘fluidum’, vaak gekenmerkt met de Latijnse uitdrukking ‘Horror Vacui’. De vraag hoe vuur in de lucht als het ware verdween bleef onbeantwoord. Tot in de 16^de eeuw dachten velen dat lucht geen gewicht had. Men bleef hangen in de filosofische opvatting van de Oude Grieken, de wereld volgens Plato en Aristoteles opgebouwd uit 4 elementen ‘aarde, water, lucht en vuur’.

Het nieuwe motto ‘meten is weten’ rond 1600

De boekdrukkunst in de 16^de eeuw bracht een revolutionaire spreiding van kennis binnen Europa. Tussen de nog jonge universiteiten groeiden contacten onder meer via de eerste wetenschappelijke tijdschriften. Oude dogma’s weken voor het nieuwe moto ‘meten is weten’. De geslotenheid van de alchemie veranderde nu naar open discussies in wetenschappelijke bijeenkomsten.

- Een bekende pionier is de apotheker uit Vilvoorde, Jan Baptista Van Helmont (1579-1644). Al kwam hij nog niet helemaal los van het idee van transmutatie van metalen, toch deed hij merkwaardige experimenten. Heel bekend werd toen zijn onderzoek over de groei van een wilg. Hij plantte in een bak met droge aarde een wilgenscheutje. Hij woog dit geheel en deed dit na vier jaar opnieuw. Intussen was de enige toevoeging water geweest. Dit was een overtuigend bewijs dat de gewichtstoename alleen kon komen door reacties met het element ‘water’. (Noteer dat fotosynthese pas een paar eeuwen later is ontdekt). Het bijzondere is hier dat hij voor het eerst de balans als meetinstrument gebruikte als doorslaggevend argument. Daarnaast kon hij ook nog enkele luchten waarnemen bij gisting en verrotting van planten, onder andere ‘gas sylvestre’ (bosgas), het gas nu bekend als CO₂. Hij noemde deze luchten ‘gassen’, toen een nieuw woord afgeleid van het Griekse woord voor ‘chaos’. Merkwaardig is ook zijn beschrijving van volgend proefje na een ontmoeting in Londen met een alchemist. Die toonde hoe in een glas omgekeerd in een bakje water een brandende kaars na enige tijd uitdooft. Uiteraard in die tijd alleen een leuk maar onbegrijpelijk curiosum. Later heeft Boyle wel enig licht geworpen op dit fenomeen maar zijn idee over de rol van lucht in de verbranding kreeg geen verdere aandacht.

De vele nieuwigheden in de 17^de eeuw

- Voor velen is de chemie begonnen met de Engelsman Robert Boyle (1627-1691). Ook geïnspireerd door het werk van Van Helmont bekritiseerde hij oude opvattingen in zijn bekend werk ‘the sceptical chymist’ uit 1661. Een van zijn belangrijke experimenten is het volgende. In een U-vormige buis met een korte en een heel lange steel bracht hij een weinig kwik en dichtte dan de korte steel. Dan vulde hij stelselmatig kwik in de lange steel en noteerde telkens het niveau in het inkrimpende luchtgedeelte binnen in de korte steel. Uit het niveauverschil in beide kwikgedeelten stelde hij vast dat de toegenomen druk door het kwikniveauverschil omgekeerd evenredig is met het afnemende volume aan lucht in de korte steel. En eureka, de belangrijke wet ‘PV = constante’ was geboren! Enkele jaren later publiceerde ook de Fransman Edme Mariotte deze formule zonder verder verwijzing of claim naar het werk van Boyle. Vandaar ‘de wet van Boyle-Mariotte’, althans in de Franstalige boeken. Theoretisch was dit een belangrijke ontdekking: Lucht is samendrukbaar en bestaat mogelijks uit losse bewegende deeltjes, elk met een zekere maar beperkte bewegingsruimte. Maar dat er tussen de deeltjes een leegte zou kunnen bestaan, daarover bestond nog grote twijfel. Men dacht eerder aan luchtdeeltjes vergelijkbaar met samendrukbare wollen pluisjes, een voorstelling waaraan zijn tijdgenoot René Descartes (1596-1650) niet vreemd was. Deze bekende Franse filosoof en wiskundige had een atomistische visie over de structuur van de materie, namelijk een poreuze structuur met gaten en puntige vervormbare atomen.

- Die 17^de eeuw bracht heel wat verrassende nieuwigheden. In Florence had de bekende Galileo Galilei (1561-1642) al zijn hoofd gebroken over het feit dat men met waterpompen in mijnen tot 10 meter hoog het water kon aanzuigen. (Te vergelijken met onze oude handpompen voor waterputten!). Zijn leerling Evangelista Torricelli (1608-1647) onderzocht in 1643 dit effect en bedacht volgend experiment. In een meterlange buis, gevuld met kwik en omgekeerd geplaatst in een bak met kwik, zakte het kwikniveau in de buis tot ongeveer 76 cm. Omdat kwik 13,6 maal zwaarder is dan water is dit een vergelijkbaar resultaat met die waterkolom in de pompen (13,6 x 0,76m = 10,4 m). Of dan de lege ruimte boven in deze buis een vacuüm zou zijn bleef lange tijd een discussiepunt. Nog voor de publicatie was dit nieuwtje al tot Parijs en Londen doorgedrongen. De geniale Blaise Pascal (1623-1662), bekend uit onze wiskundelessen onder andere voor zijn getallendriehoek, dacht aan het effect van de lucht op het kwik in het open bad, zoiets als communicerende vaten. Hij liet een test doen aan de voet en aan de top van de Puy-de-Dôme (1648). Het verschil in het kwikniveau toonde duidelijk aan dat dit met luchtdruk te maken had. Ook de dagelijkse variatie in de kwikhoogte was Boyle opgevallen. Daarmee werd even later het gebruik van de Torricelli-buis als barometer de grote nieuwigheid. De naam ‘Pascal’ wordt nu in elk weerbericht vermeld.

- Even bijzonder nieuws kwam uit Maagdenburg in 1654. Een zekere Otto von Geuricke (1602-1686), toen burgemeester van de stad, demonstreerde ‘zijn’ uitvinding, een vacuümpomp, met een spectaculaire show op de grote markt. (Nota: Deze pomp was toen net beschreven door de jonge Robert Hooke rond 1650 en is te vergelijken met onze fietspomp in structuur maar dan als zuiginstrument gebruikt.). Hij bracht twee bronzen halve bollen (ongeveer 50 cm diameter) samen, net als twee goed sluitende deksels met een opening als een ventiel en begon met zijn luchtpomp hieruit lucht weg te zuigen. Dan werden twee stellen paarden aan elk van beide helften vastgeklonken en dan trekken maar. Nu kan elke lezer wel berekenen hoeveel trekkracht nodig zou geweest zijn om deze bollen met een doorsnede van ongeveer 1200 cm² uit mekaar te krijgen, maar wat een spektakel toen!

- Samen met het luchtdrukfenomeen kreeg lucht definitief een gewicht. Door de weging van een grote bokaal, eerst zo luchtledig mogelijk, dan met lucht en vervolgens gevuld met water, was door het verschil in gewicht de relatieve zwaarte van lucht ten opzichte van water te meten. Experimenteel bij 20 °C en met droge lucht geeft dit de verhouding 1:830. Wegens de nog eenvoudige balansen met als kleinste gewichtseenheid de grein (ongeveer 65 milligram) en zonder goede standaardisering (temperatuur, vochtigheid of druk) waren de eerste gegevens sterk variërend tussen 600 en 1300. Het verschil kon amper enkele tienden van een grein zijn. Maar dit was de aanzet tot de latere densiteitsmetingen van gassen. Voorlopig bleef lucht nog een enkelvoudige ondeelbare materie maar nu met een gewicht. Een mogelijke conclusie uit dit gewicht en de beperkte luchtdruk kan men als een bewijs zien dat de ether in het heelal niet overal en oneindig aanwezig is. Dit idee kwam toen nog niet ter sprake en gelukkig maar want dit was net de tijd van de harde inquisitie.

- Heel belangrijk was Boyle’s waarneming dat lucht iets te maken heeft met de verbranding. Mogelijks heeft hij het verhaaltje gehoord van Van Helmont. Meer nog, hij zag in een smidse hoe ijzer na verhitten snel roestte en heel belangrijk toch, dat dit nadien zwaarder weegt! Dus veronderstelde hij dat luchtpartikeltjes zich hebben gebonden op het ijzer. Deze waarneming kwam net toen een andere theorie ingang vond.

De grote theorieën uit de 18^de eeuw

Het vuur als grote onbekende kreeg plots een mogelijke verklaring. De zogenaamde ‘flogiston-theorie’, eerst bedacht door Johann Joachim Becher (1635-1682), later uitgewerkt door Georg Ernst Stahl (1660-1734). Dit ‘flogiston’ betekent ‘het brandbare‘ in elke materie. Het zou dus het gedeelte van de stof zijn dat door verhitting via de vlam door de lucht wordt opgenomen. Zo zal volgens deze theorie bijvoorbeeld een brandende kaars in een gesloten pot uitdoven omdat de lucht verzadigd wordt aan dit flogiston. Dit leek bijzonder logisch. Doch hoe dan te verklaren dat metalen bij het verhitten zwaarder worden? Dit was duidelijk bij enkele voorbeelden als lood en ijzer onweerlegbaar gemeten. Het verzwaren van sommige metalen bij de zogenaamde ‘calcinatie’ (bv. het roesten van ijzer) leek niet te passen in deze theorie. Mogelijks kon het vrijkomende flogiston een negatief gewicht hebben. Of misschien zouden het vuurpartikels zijn die in het metaal kruipen. Ondanks het feit dat zekere waarnemingen een vrij speculatieve uitleg vroegen kreeg deze allereerste algemene theorie over de verbranding overal aanhangers. Voornamelijk in Engeland bloeide deze zogenaamde ‘pneumatische’ chemie heel sterk (pneuma = lucht of wind). Een bijzondere figuur was Joseph Priestley (1733-1804). Hij was een zeer goede experimentator en ontdekker van verscheidene gassen. Zeker de belangrijkste was zijn bereiding van een nieuwe soort lucht die volgens hem totaal ‘gedeflogistikeerd’ is omdat deze veel sterker dan gewone lucht de verbranding kon stimuleren en dus beter het flogiston kan opnemen. In 1774 bezocht Priestley Parijs en de academie voor wetenschappen, ook al stonden toen Engeland en Frankrijk op oorlogsvoet. In 1775 deed Antoine Lavoisier (1743-1794) deze wel bijzondere bereiding uitgaande van kwik over maar dan met een paar extra metingen van de gasvolumes. Eerst zag hij volgens het recept van Priestley hoe zacht verwarmd kwik een rode korst vormde doch merkte tegelijk dat in een aangesloten vat een gedeelte van de lucht werd opgenomen en dit uiteindelijk stopte bij ongeveer 1/5de afname. Hoe kon nu de verwachtte flogiston-afgave bij deze calcinatie ook deze afname in lucht verklaren? Meer nog, bij verder apart verhitten van deze rode stof kwam ook evenveel ‘lucht’ vrij als voordien was opgenomen, de zogenaamde gedeflogistikeerde lucht volgens Priestley. Door de meting van gasvolumes en afzonderlijk onderzoek op de eigenschappen van beide fracties zag Lavoisier een mogelijke verklaring. Zoals bleek bij inademingsproeven met muizen op de twee apart opgevangen luchtfracties zijn dit twee soorten gassen. Een in de verhouding van 4/5 lucht waarin muizen stikken (stikstofgas was al eerder ontdekt) en een gedeelte dat ook bij de mens bij inademen een zeker euforisch gevoel gaf. Bij verbrandingsproeven van koolstof, zwavel of fosfor in deze nieuwe soort lucht werden gassen gevormd die bij opvang in water telkens zuren vormden. Vandaar de naam ‘oxygène’ voor dit nieuwe gas (afgeleid uit het Grieks ‘oxus’ voor zuur en uit het Frans vertaald ‘zuurvormend’ of kortweg zuurstof). Dit gas was dus een normaal gedeelte van lucht. Bij de verbranding wordt dus niet een soort flogiston vrijgesteld maar wordt net andersom een gedeelte lucht, de zuurstof, opgenomen. De vrij koppige Priestley bleef tot aan zijn dood in 1804 een verwoede tegenstander van deze in zijn ogen ‘vermaledijde’ opvatting. Ondanks het aanvankelijk ongeloof van velen werd deze nieuwe verbrandingstheorie vanaf 1800 vrij algemeen aangenomen. Het zette de chemie definitief op het goede spoor.

Start van de moderne chemie

De moderne chemie start volgens velen bij de publicatie van Lavoisier in 1787 over ‘zuurstof’ en met het einde van de flogistontheorie. Lavoisier beschreef zuurstof en stikstof als ’elementen’, stoffen welke niet verder te ontbinden zijn zoals eerder de lucht wel was. Met de nieuwe inzichten over de verbranding werden vanaf nu ’oxidatiereacties’ mogelijk met meetbare volumes zuurstof. Elke stof bleek bij verbranding een bepaald gewicht zuurstof te binden. De Fransman Louis Proust (1754-1826) besloot uit de vele nieuwe gegevens anno 1800, dat elke stof een vaste samenstelling moest hebben. Maar de gerenommeerde landgenoot van Proust, Claude-Louis Berthollet (1748-1822) vond bij oxidatie van onder andere koper toch variabele hoeveelheden zuurstof. Proust kon evenwel bewijzen dat hier sprake was van mengsels. (Koper vormt de verbindingen CuO en ook Cu₂O). Het was John Dalton (1766-1844), aanhanger van de hypothese van Proust, die verder doordacht op het begrip ‘element’. Voornamelijk door zijn studie op de vorming van water, eerder beschreven door Lavoisier, kwam Dalton met een gedurfde voorstelling om de elementen als atomen te beschouwen. (Dat materie uit elementaire deeltjes zou samengesteld zijn, was al eerder voorgesteld door Newton en tijdgenoten in de loop van de 17^de eeuw). Vermits water van welke oorsprong dan ook telkens dezelfde eigenschappen in soortelijk gewicht bezit en met een vaste verhouding tussen de hoeveelheid waterstof en zuurstof bij elke synthese wordt gevormd, zouden ook de kleinste deeltjes van water een vaste samenstelling moeten hebben. Dalton tekende de atomen voor zuurstof en waterstof aanvankelijk als bolletjes. Een decennium later volgde de voorstelling volgens Jöns Jacob Berzelius met de eerste letters van de Latijnse namen, O voor oxygen en H voor hydrogen. Water kreeg nu een eerste voorstelling met een letterformule H_xO_Y maar Dalton ging nog verder. Hij poneerde X=Y=1 als een zuivere hypothese. De formule van water bleef heel lang HO. Dit idee heeft een halve eeuw een onderwerp van discussie geweest waarop we verder ingaan in een ander artikel over ‘Waterstof’. Pas vanaf midden 19^de eeuw kregen de gassen van lucht de formules O₂ en N₂.

Onze bekende lucht

- Stikstof, aanwezig in lucht voor 78%, werd in 1772 als ‘flogistonrijke’ lucht geïsoleerd doch pas in 1840 als element erkend. Als vloeistof bij -196 °C is het een modern koelmiddel met vele toepassingen. De benaming ‘stikstof’ wordt in de media vaak vernoemd maar eigenlijk bedoelt men de verbindingen van stikstof, voornamelijk dan NO₂ als giftig uitstootgas van motoren en ook de nitraten in verband met overbemesting en waterverontreiniging.

- Zuurstof is in normale omstandigheden voor ongeveer 21% aanwezig. Voor onze ademhaling blijkt dat de opname in onze longen sterk afneemt vanaf een gehalte van 14%. Zo zal een persoon in een gesloten ruimte van 4 à 5 kubieke meter deze grenswaarde na 24 uren ervaren en aan zuurstoftekort lijden. Ook op grote hoogte zoals op de ‘Mount Everest’ nemen onze rode bloedlichaampjes te weinig zuurstof op.

- Eind 19^de eeuw werden vele elementen in de lucht ontdekt door middel van nieuwe analysemethoden. Voornamelijk de spectroscopie reveleerde minuscule hoeveelheden van de edelgassen (helium in 1868, neon, xenon en krypton in 1898). Alleen argon bleek voor 0,94 % voldoende aanwezig om al in 1894 ontdekt en geïsoleerd te kunnen worden.

- Het koolzuuranhydride (CO₂) was al vroeg aangetoond in lucht. De eerste grondige studie komt van Joseph Black (1728-1799). Hij toonde de vorming aan bij verhitten van kalksteen. In de lucht vond hij slechts een minieme hoeveelheid maar wel een aanzienlijk gehalte in de uitgeademde lucht. De eenvoudigste proef is de vertroebeling van kalkwater door vorming van het zeer weinig oplosbare calciumcarbonaat.

In de prehistorie van onze aarde (het krijttijdperk) moet het gehalte aan CO₂ bijzonder hoog zijn geweest. Door de algengroei in de toen erg warme wateren werden enorme afzettingen van kalksteen gevormd , nu zo herkenbaar in de kalksteenmassieven van Alpen en Pyreneeën. Sinds de eerste metingen rond 1900 is dit gehalte gestegen van 0,03 volume% gestegen tot 0,04 %. Velen vermoeden dat deze stijging een bedreiging wordt voor ons klimaat omdat dit als broeikasgas voor een stijging van de globale temperatuur kan werken. Dit fenomeen werd voor het eerst beschreven door de Ierse chemicus John Tyndall (1820-1893). Maar volgens hem is waterdamp en dus de luchtvochtigheid veel belangrijker. Zonder waterdamp zouden bij ons de planten in één nacht bevriezen. Dit fenomeen kennen we ook duidelijk in de droge woestijn met zijn grote hitte overdag en zijn vriesnachten. Verzadigde lucht kan ruim 1% vocht (als gasfase) bevatten en bij opwarmen met 5° geeft het verschil in dampdruk van water een toename van 0,3 % (Dit is ruim 3000 ppm wat in orde van grootte veel aanzienlijker is dan de mogelijke stijging aan CO₂)! Wat dit betekent in de toename van de bewolking kan dus enorm zijn. De hamvraag blijft of we door de beperking van onze CO₂-uitstoot dit fenomeen kunnen vermijden? Hopelijk springt de natuur ons ter hulp, want CO₂ kan volledig worden opgenomen in de grote oceanen. Bij een pH rond 8 neemt zeewater het gas op en vormt eerst vrij traag het koolzuur dat dan snel overgaat in het goed oplosbare bicarbonaat. Dit effect moet ook actueel heel sterk meespelen in de klimaatregeling. Een illustratie: Uit berekening van de verbrande hoeveelheid steenkool en petroleum in 2015 (cfr. Google) werd dat jaar 5 ppm CO₂-gas de lucht ingestuurd. Maar de metingen in de lucht geven minder dan 1 ppm stijging aan voor dat jaar. Dit feit komt echter niet in de klimaatrubrieken! (Nota: De omzetting van volumeprocent in gassen naar deeltjesverhouding in ppm of deeltjes per miljoen kan je vinden op Facebook ’ik heb een vraag’).

- Als kleinste in dit verhaal is het vaak vernoemde methaangas. Het is slechts voor 1,8 ppm (of 0,0001 %) aanwezig in de lucht. Met als conotatie dat dit gas een minstens 24 maal sterker broeikasgas is dan CO₂ kan men wel de indruk geven dat de herkauwende koeien grote klimaatbezoedelaars zijn. In het totaalplaatje heeft het toch weinig te betekenen. Het cijfer 24 is zeker niet omdat deze molecule beter de warmte absorbeert want deze apolaire moleculen doen dit veel minder goed. Dit getal is eerder een vrij arbitraire schatting verwijzend naar de langere levensduur van methaan in de atmosfeer vergeleken met CO₂. De meest belangrijke vorming van methaan kan komen van het ontvriezen van de permafrost, in grote oppervlakten aanwezig in het hoge noorden.

- Om het klimaatverhaal te vervolledigen werd ook het afnemend ozongehalte op het eind van vorige eeuw als een bedreiging aanzien. Dit gas zit voornamelijk in de stratosfeer (op 10 à 20 km hoogte) en vangt voornamelijk de schadelijke UV-stralen van de zon op. De laatste decennia blijkt er een herstel te zijn van ozon in het zuidpoolgebied. Men denkt dat de verminderde uitstoot van gechloreerde chemicaliën hiermee te maken heeft.

Arsène Lepoivre