Douglas Palmer - Big Ideas. Das Wissenschafts-Buch

Joseph Black(sitzend) lässt sich von dem Mechaniker James Watt in dessen Werkstatt in Glasgow eines seiner dampfgetriebenen Geräte demonstrieren.

Joseph Black

Der in Bordeaux geborene Joseph Black studierte Medizin in Glasgow und Edinburgh und führte dabei die ersten Versuche zur quantitativen Chemie durch. In seiner Dissertation von 1754 zeigte Black, dass Magnesit (Magnesiumkarbonat), wenn es zu Magnesia (Magnesiumoxid) erhitzt wird, kein »feuriges Prinzip« aufnimmt, wie allgemein geglaubt, sondern stattdessen Gewicht verliert. Black erkannte, dass ein Gas dafür verantwortlich sein musste, da weder feste noch flüssige Produkte entstanden. Er nannte es »fixe Luft«, denn es musste im Magnesia fixiert sein. Er zeigte auch, dass die fixe Luft (Kohlendioxid) im Atem enthalten ist.

1756 wurde Black Medizinprofessor in Glasgow. Dort führte er historische Versuche zur Wärme durch. Er veröffentlichte die Ergebnisse zwar nicht, teilte sie aber seinen Studenten mit. Nach dem Umzug nach Edinburgh 1766 stellte er seine Forschungen ein, hielt nur noch Vorlesungen und riet in der beginnenden Industriellen Revolution zu chemischen Innovationen in Industrie und Landwirtschaft.

IM KONTEXT

GEBIET

Chemie

FRÜHER

1661Robert Boyle definiert das »chemische Element«, eine Grundlage der Chemie.

1754Joseph Black identifiziert ein Gas (Kohlendioxid), das er »fixe Luft« nennt.

SPÄTER

1772–1775Joseph Priestley und (unabhängig von ihm) Carl Scheele isolieren Sauerstoff, der seinen Namen von Antoine Lavoisier erhält. Priestley entdeckt ferner Stickstoffmonoxid, Distickstoffoxid und Chlorwasserstoff, er experimentiert mit Sauerstoffinhalationen und stellt Sodawasser her.

1799Humphry Davy behauptet, Distickstoffoxid ließe sich als Narkosemittel einsetzen.

1844Distickstoffoxid (Lachgas) wird von dem amerikanischen Zahnarzt Horace Wells erstmals für eine Narkose verwendet.

Joseph Black hatte 1754 die »fixe Luft« (das heutige Kohlendioxid, CO 2) beschrieben. Er war nicht nur der Erste, der ein einzelnes Gas identifizierte, sondern er zeigte auch, dass es verschiedene Arten »Luft« (Gase) gab.

Zwölf Jahre später berichtete der englische Naturforscher Henry Cavendish, aus den Metallen Zink, Eisen und Zinn ließe sich »durch Lösen in Säure eine brennbare Luft erzeugen«. Er nannte das Gas »brennbare Luft«, weil es – anders als die gewöhnliche oder die »fixe Luft« – leicht entflammbar war. Heute heißt es Wasserstoff (H 2). Es war das zweite neue Gas und das erste neu entdeckte gasförmige chemische Element. Cavendish bestimmte das Gewicht einer Gasprobe, indem er den Gewichtsverlust der Zink-Säure-Mischung während der Reaktion maß. Außerdem fing er alles Gas in einer Blase auf und wog sie ebenfalls, einmal leer und einmal voll. Mit dem bekannten Volumen berechnete er die Dichte. Demnach war brennbare Luft elfmal leichter als gewöhnliche Luft.

Die Entdeckung dieses Gases mit geringer Dichte führte zu Ballonen, die leichter als Luft waren. 1783, knapp zwei Wochen nach den Brüdern Montgolfier mit ihrem Heißluftballon, startete der Erfinder Jacques Charles mit einem Wasserstoffballon.

»Es scheint nach diesen Versuchen, dass diese Luft, wie andere entzündliche Substanzen, nicht ohne die Hilfe gewöhnlicher Luft brennen kann. «

Henry Cavendish

Cavendish mischte auch genau bemessene Proben seines Gases in Flaschen mit Luft und zündete sie mit einem brennenden Papierstreifen an. Bei einem Verhältnis von neun Teilen Wasserstoff zu einem Teil Luft gab es eine ruhige, stetige Flamme. Mit steigendem Anteil von Wasserstoff explodierte die Mischung immer gewaltiger, purer Wasserstoff jedoch ließ sich nicht entzünden. Cavendishs Denken war noch durch die alte, alchemistische Vorstellung geprägt, dass bei Verbrennungen ein feuerartiges Element (»Phlogiston«) freigesetzt werde. Doch seine Beobachtungen und Berichte sind sehr präzise: »Es scheint, dass 432 Teile brennbarer Luft ausreichen, 1000 Teile gewöhnlicher Luft zu phlogisieren; und dass die verbleibende Menge an Luft nach einer Explosion nur ein wenig mehr als vier Fünftel der beteiligten gewöhnlichen Luft beträgt. Wir können schließen, dass fast die gesamte brennbare Luft und etwa ein Fünftel der gewöhnlichen Luft … sich als Tau am Glasgefäß niederschlagen.«

Obwohl Cavendish noch den Begriff »phlogisieren« verwendete, konnte er zeigen, dass als einzige neue Substanz Wasser entstand. Er schloss, dass zwei Teile brennbarer Luft sich jeweils mit einem Teil Sauerstoff verbanden. Mit anderen Worten: Er erkannte die Zusammensetzung von Wasser, H 2O. Obwohl er Joseph Priestley seine Erkenntnisse mitteilte, war Cavendish so zurückhaltend, was ihre Veröffentlichung betraf, dass 1783 James Watt die Formel als Erster publizierte.

Zu Cavendishs vielen Erkenntnissen gehört auch die Zusammensetzung von Luft: »ein Teil dephlogisierte Luft [Sauerstoff], gemischt mit vier Teilen phlogisierte Luft [Stickstoff]«. Aus diesen beiden Gasen bestehen, wie wir heute wissen, 99 Prozent der Erdatmosphäre.

Der erste Wasserstoffballon, inspiriert von Cavendish, wird begeistert gefeiert. Wegen der Explosionsgefahr sind moderne Ballons mit Helium gefüllt.

Henry Cavendish

Er war einer der brillantesten Pioniere der Chemie und Physik im 17. Jahrhundert: der 1731 in Nizza als Sohn einer reichen Adelsfamilie geborene Exzentriker Henry Cavendish. Nach seinem Studium in Cambridge lebte und arbeitete er zurückgezogen in seinem Haus in London. Er war wortkarg und menschenscheu. Seine Mahlzeiten soll er durch Zettel bestellt haben, die er den Dienstboten hinlegte.

Über 40 Jahre lang besuchte er die Treffen der Royal Society, und er assistierte Humphry Davy an der Royal Institution. In bahnbrechenden Forschungen zu Chemie und Elektrizität beschrieb er das Wesen der Wärme und bestimmte die Erddichte (er »wog die Welt«), veröffentlichte aber zeitlebens nur wenige Aufsätze und kein einziges Buch. 1874 benannte die Universität Cambridge ihr neues Physikinstitut nach ihm.