Verenigingen

Waterstof: een historische bron van ideeën

KVCV | vrijdag 9 oktober 2020

Waterstof als propere energiebron is volop in de actualiteit. Arsène Lepoivre grasduint in de geschiedenis ervan, vooral omdat waterstof in de ontwikkeling van de chemie een belangrijke bron van nieuwe inzichten is geweest.

Een eerste vermelding over de vorming van een ontvlambaar gas staat beschreven in een farmaceutisch handschrift uit 1572 van Theodore de Mayerne. Robert Boyle (1627-1691) gaf in 1660 een meer uitvoerige beschrijving. In een fles met gebogen hals bracht hij verdund zwavelzuur waarin bij toevoegen van ijzeren nageltjes een geweldige gasontwikkeling ontstond. Aan de gebogen hals bond hij een soort gummiblaas waarmee hij het gas opving om te kunnen achterhalen of het hier eventueel ‘bosgas’ kon zijn, toen nog niet gekend als CO2.

De brandbaarheid en het vluchtige karakter bewezen het tegendeel en deden Boyle denken aan een nieuwe soort kunstmatige lucht, mogelijks gevormd door een transmutatie uit het metaal of uit het water of mogelijks uit het zuur. In die tijd was het geloof in de transmutatie van metalen geen algemeen credo meer, maar dit merkwaardig verschijnsel was toen helemaal onverklaarbaar en zaaide nog enige twijfel.

Knalgas en de flogistontheorie

In 1700 wilde Nicolas Lemery (1645-1715) dit nieuwe gas onderzoeken, maar kwam er met de schrik vanaf. Zijn proeven bij de brandbaarheidstest eindigden meestal met een knal. Veiligheidshalve deed hij verdere experimenten in het lab achter een klein muurtje. Samen met andere onderzoekers groeide het idee dat dit gas kon komen uit het metaal en niet uit het water of het zuur. Dit paste in een nieuwe hypothese dat in veel stoffen een zeker brandbaarheidsgedeelte zit ingesloten. Onderzoekers trachtten hiermee voor de eerste keer een algemeen beeld te krijgen van de verbranding of wat we nu in de moderne chemie oxidatiereacties noemt. In die visie was het vrijgestelde gas het brandbare in het metaal. Het ijzer werd omgezet tot roest door verlies van zijn ‘flogiston’ (een Griekse benaming voor brandbare stof). Lucht was slechts het medium om dit flogiston rechtstreeks of via een vlam op te nemen.

Nieuwe gassen

De studie van nieuwe soorten lucht waren de hete topics in de tweede helft van de 18de eeuw. Drie belangrijke Engelse onderzoekers waren Joseph Black (1728-1799), Joseph Priestley (1733-1804) en Henry Cavendish (1731-1810), allen verstokte vrijgezellen en alleen getrouwd met de chemie. Black deed een belangrijke studie over de vorming van CO2 door sterk verhitten van kalksteen (CaCO3). Terwijl Priestley eeuwige roem verwierf voor de bereiding van zuivere zuurstof wat hij ‘gedeflogistikeerde’ lucht noemde.

Cavendish was een rijk man van aristocratische afkomst, thuis in allerlei wetenschappen doch eerder een zondagse hobbyist. Maar zijn beperkt aantal publicaties getuigen van een zeer degelijke aanpak. Hij was de eerste die bij de bereiding van gassen die door een buis liet passeren gevuld met droge kaliumcarbonaatkorrels die sterk water absorberen, om dan met vrij nauwkeurige wegingen de densiteit van die ‘droge’ gassen te meten. Waterstof was toen nog het onbekende flogiston. Dit bleek elf keer lichter te wegen dan lucht, een resultaat dat gelet op de mogelijkheden van die tijd wel heel goed was.

Cavendish was gefascineerd door explosieve reacties. Zo liet hij een arme sukkel het waterstofgas inademen en dan aan een kaarsvlam uitblazen. De explosie was zo hevig dat deze man vreesde al zijn tanden te hebben verloren. Heel bijzonder was de waarneming dat op een pot met koud water, gehouden boven een waterstofvlam, de waterdruppels eraf liepen. Een resultaat dat aan andere tijdgenoten was ontgaan. Cavendish veronderstelde dat dit water een reactieproduct kon zijn van de gedeflogistikeerde lucht met het zuivere flogiston. Dit idee heeft later Lavoisier geïnspireerd voor zijn grondige analyse.

Cavendish stond toen eveneens bekend om zijn ‘zwarte kunst’. Hij liet in de huiskamer een soort rubberballon vullen met dat flogiston, waarna die ballon miraculeus tot tegen het plafond snel opsteeg. Dit verhaal inspireerde een zekere dr. Jacques Charles om in Parijs anno 1783 een ballon met dat waterstofgas te vullen, hiermee zelf op te stijgen en drie kwartier later buiten de stad te landen (zie het gedenkbordje hiervoor op de foto). Wat een spektakel voor de vele honderden toeschouwers. De nieuwe praktische bereiding van waterstofgas volgens Lavoisier was hier niet vreemd aan. Na 1796 waren ook de militairen in deze luchtballon geïnteresseerd.

Het element waterstof

Intussen had de beroemde Lavoisier (1743-1794) grote twijfels over de flogistontheorie. Hij kreeg in 1783 bezoek van een zekere Charles Blagden, een assistent van Cavendish. Aldus vernam hij de vlamproef met de vorming van water. Daarop deed Lavoisier een merkwaardige test, wellicht na een ervaring in een smidse bij het koelen van roodgloeiend ijzer in water. Hij liet water druppelen op gloeiend ijzer en kon hierbij zuiver waterstof opvangen. Daarmee bewees hij dat het zogenoemde flogiston wel degelijk uit het water komt. Flogiston kreeg van toen de nieuwe naam ‘waterstof’ (Frans: hydrogène, geboren uit water).

Van Priestley had Lavoisier ook geleerd om zuiver gedeflogistikeerde lucht te bereiden en hij kon nadien bewijzen dat dit een aanzienlijk gedeelte van de lucht is. Hij gaf dit gas de nieuwe naam ‘zuurstof’, omdat het met zwavel, koolstof of fosfor bij opvangen in water zuren vormt. Met een groot volume aan waterstof en zuurstof demonstreerde hij de explosieve vorming van zuiver water. Beide stoffen waren volgens Lavoisier elementaire stoffen; stoffen die niet verder te ontbinden zijn tenzij later het tegendeel zou worden aangetoond. Het geloof in de flogistontheorie verloor toen langzaam zijn aanhangers. Experimenteel bleek uit de synthese van water en van andere reacties met het nieuwe gas zuurstof dat de totale massa voor en na de reacties dezelfde is. Er ging blijkbaar niks verloren. Dit werd de wet van het behoud van massa.

Arsène Lepoivre

Lees volgende maand deel 2 over de rol van waterstof in de wetenschappelijke geschiedenis.

KVCV

Lid worden van de KVCV? Ontdek de voordelen!

Logo KVCV

KVCV Facebook

De KVCV is ook op Facebook te vinden:

facebook