Antoine Lavoisier - hur den moderna kemin grundades
När Antoine Lavoisier i slutet av 1700-talet var på väg att motbevisa en felaktig kemisk teori fick han flera motståndare. En av motståndarna ville visa att Lavoisier hade fel genom ett eget experiment. Men försöket misslyckades. Experimentet visade tvärtom att Lavoisier hade rätt och dessutom krossades en teori som levt kvar ända sedan antiken. Lavoisier, som räknas som en grundare till modern kemi, hade även andra intressen och blev mycket förmögen – något som till sist kostade honom huvudet.
Antoine Lavoisier var den förste som började röja upp i den oöverskådliga djungel de kemiska namnen var på hans tid. Till hjälp hade han sin fru Mari-Anne, som gifte sig med Lavoisier 14 år gammal. Det var hon som tecknade bilderna i makens kemibok. Målning av Jacques-Louis David, 1788.
Under 1700-talet började flera kemister på allvar studera vad olika substanser egentligen bestod av. Sedan antiken hade teorin om att allt på jorden var uppbyggt av de fyra elementen luft, eld, jord och vatten stått fast. Allt som fanns på jorden ansågs vara en blandning av dessa fyra element i olika proportioner.
Men i början av 1700-talet började det stå klart att teorin inte stämde riktigt. Kemiska experiment visade att det var något galet någonstans, men ingen visste riktigt vad. Flera försök - många fantasifulla - gjordes för att passa in de nya upptäckterna i den gamla teorin som stöttes av Aristoteles.
Elden och förbränningen
Idag vet vi att när järn rostar, bildas en oxid, järnoxid - den kallar vi rost. Andra metaller än järn bildar också oxider, men de har andra namn. Kopparoxid kallas exempelvis ärg. Oxid är en förening av syre och ett annat ämne. Men detta, som för oss är självklart, var en gåta för 1700-talets kemister.
ANNONS
Data och fakta
1743: Antoine Lavoisier föds i Frankrike.
1756: Joseph Black upptäcker koldioxid och visar därmed att det finns andra gaser än luft.
Ca 1770: Lavoisier kan visa att antikens teori om de fyra elementen är felaktig.
1772: Rutherford upptäcker en gas som kväver de djur som vistas i den. Han tror att gasen bildats genom att luft har upptagit den mystiska substansen flogiston.
1774: Priestley upptäcker en gas som han tror är flogistonfri luft.
1776: Engelsmannen Cavendish upptäcker en gas som han felaktigt tror vara flogiston.
Ca 1777: Lavoisier kan visa att vad som dittills har varit känt som gasen luft är en blandning av flera gaser. Vad Priestley upptäckt är syre, och vad Rutherford upptäckt är kväve.
1781: Cavendish försöker bevisa att han upptäckt flogiston genom att låta väte brinna i syre. Men vad som bildas är vatten. Lavoisier upprepar Cavendishs experiment och kan bevisa att flogiston inte existerar; därför måste flogistonteorin vara felaktig.
1789: Lavoisiers Elementär kemi utkommer. För första gången görs en lista över grundämnen.
1794: Lavoisier avrättas under franska revolutionen, eftersom han även varit generalförpaktare med rätt att ta upp tull.
En sak som speciellt förbryllade kemisterna var vad som hände när något brann. Om du kastar ett trästycke på elden, så brinner det upp - men varför brinner inte en sten? För att förklara detta utvecklades teorin om flogistonet - en sorts osynlig substans. De ämnen som kunde brinna sades innehålla flogiston. Det var därför de brann, menade kemisterna.
Efter förbränningen fanns inget flogiston kvar. Det som återstod, exempelvis aska efter en träbit, kunde därför inte brinna alls.
Idén lades bland annat fram av den tyske forskaren Georg Stahl (1659-1734). Han ansåg att även metaller innehöll flogiston. Beviset för det var att de rostade. Järn innehöll enligt Stahl mycket flogiston, eftersom det rostade så lätt. När allt flogiston gått upp i luften, fanns det bara rost kvar. Stahl såg rostande som en långsam förbränning. Brinnande trä förlorade sitt flogiston så snabbt att det uppstod lågor, medan det gick långsammare för järnet.
Teorin om flogiston förklarade mycket som tidigare inte hade kunnat förklaras inom kemin. Men det fanns ett problem. När järn rostade, blev det tyngre. Varifrån kom den extra vikten, om metallen gett ifrån sig flogiston till luften? Järnet borde väl ha blivit lättare?
För att komma till rätta med detta bekymmer kläckte en del kemister tanken att flogiston hade negativ vikt. Ett kilo metall som rostat hade t ex förlorat ett halvt kilo flogiston och skulle alltså därefter väga ett och ett halvt kilo. Men ingen kunde förklara varför det var tvärtom med trä. När det hade brunnit, var ju askan lättare än trästycket hade varit.
Levde på mjölk
I Paris arbetade under 1700-talet kemisten Antoine Lavoisier (1743-1794), som också var advokat och anställd i skattedepartementet. Han fick tidigt rykte om sig att vara oerhört noggrann. När Lavoisier fick uppdraget att fundera ut ett bra sätt att lysa upp Paris gator tillbringade han sex veckor i ett rum med fördragna gardiner endast upplyst av de olika lampor han arbetade med.
Arbetet bar frukt, och med sin lösning blev han omedelbart berömd. När Lavoisier var upptagen av ett problem, gav han sig inte tid att äta ordentligt - en period sägs han ha levt enbart av mjölk, eftersom det var det enda han kunde svälja så kvickt att han inte slösade bort tiden.
Magiker och alkemister
Exakta mätningar hade införts inom fysiken av Galileo Galilei nästan 200 år tidigare, men ingen hade kommit på tanken att även kemister kunde ha användning för sådana. Lavoisier var dock av en annan uppfattning. Han införde noggranna mätningar även när det gällde kemiska experiment.
Kemi hade tidigare varit en sysselsättning för magiker och alkemister som försökte framställa guld. Eftersom Aristoteles lärde ut att alla ämnen kunde framställas, om de fyra elementen blandades rätt, måste det ju också gå att göra guld. Många härskare hade i fåfängt hopp om omätlig rikedom betalat alkemister som påstått att de var på rätt väg.
ANNONS
Ett försök Lavoisier gjorde skakade teorin om flogiston. Lavoisier lade lite tenn i en behållare som han stängde till och upphettade sedan han vägt den. Det bildades en vit hinna - en oxid - på tennet. Nu visste man ju att metall som hade oxiderat skulle vara tyngre än ren metall, och förklaringen till detta gav ju flogistonteorin. Men när Lavoisier noggrant vägde sin behållare, upptäckte han att det inte skett någon viktförändring. Om tennet blivit tyngre, måste alltså något annat ha förlorat i vikt. Lavoisier trodde att luften i behållaren på något sätt sugits med i tennet och att det nu måste finnas ett tomrum i kärlet. Det stämde. När Lavoisier öppnade behållaren, rusade luft in, och vikten ökade med exakt lika mycket som oxiden hade ökat tennets vikt.
Lavoisier kunde dra slutsatsen att tennet fått en hinna - oxiderat - på grund av att metall hade bildat en kombination med luft - inte på att metallen avgivit flogiston till luften. Såvitt Lavoisier förstod existerade inte flogiston.
Hans teori hade en svag punkt - all luft försvann ju inte ner i tennet.
Black, Rutherford och Priestley
Luften betraktades som ett odelbart element och var länge den enda gas man över huvud taget kände till. Att luft kunde bestå av flera ämnen hade ingen tänkt på.
Men år 1756 hade kemisten Joseph Black upptäckt gasen koldioxid, som han döpte till "stelnad luft". Det fanns alltså flera gaser än luft! Black lät också ett ljus brinna i en sluten behållare med luft. Efter en stund slocknade ljuset, men det fanns fortfarande luft kvar.
Blacks elev Daniel Rutherford arbetade vidare på upptäckten. Möss som sattes in i en behållare där ett ljus fått brinna tills det slocknat dog, och ett nytt tänt ljus som sattes in slocknade genast.
Detta tolkades enligt flogistonteorin så att ljuset avgivit flogiston till luften tills den blivit helt mättad och inte kunde ta emot mera. Rutherford kallade denna luft för "flogisterad luft".
I Storbritannien hade prästen och amatörkemisten Joseph Priestley, som gjort många berömda upptäckter, också undersökt luft. Han trodde sig 1774 ha upptäckt att luft också kan tömmas på flogiston. När han inandades sin "flogistonfria luft", kände han sig lätt till sinnes, och försöksdjur skuttade livligt omkring sedan de andats in "flogistonfri luft".
Lavoisier fick reda på Priestleys experiment och insåg att något måste vara fel. Lavoisier hade ju bevisat att flogiston inte existerade. Att tömma luft på flogiston måste därför vara omöjligt - Priestley måste ha dragit fel slutsats av sina försök.
Flera gaser i luft
Men fortfarande hade Lavoisier inte klart för sig att luft består av flera gaser. 1777-1778 kom han på lösningen och kunde visa att luften består av ungefär 1/5 syre och 4/5 kväve. Dessutom ingår omkring 1 procent ädelgaser, men det upptäcktes först senare.
Den gas som förbrukades när ljus brann i en behållare döpte Lavoisier till oxygene - grekiska för "surhetsalstrare". Lavoisier trodde felaktigt att gasen måste ingå i syror. På svenska heter gasen syre.
ANNONS
ANNONS
De fyra femtedelar som blev kvar i behållaren - där försöksdjur dog och inget kunde brinna - kallade Lavoisier azote - grekiska för "inget liv". Vi kallar gasen kväve, något som kväver. Rutherfords "flogisterade luft" är alltså grundämnet kväve. Priestleys "flogistonfria luft" är grundämnet syre.
Priestley har fått äran av att ha upptäckt syre men den svenske kemisten Carl Wilhelm Scheele upptäckte syret två år före Priestley. Priestley publicerade dock sin upptäckt före Scheele (se faktaruta).
Carl Wilhelm Scheele (1742-1786) var en svensk kemist med världsrykte. Den fattige apotekargesällen från Stralsund (han förblev tysktalande hela sitt liv) kom 1770 till Uppsala. Genom självstudier och laborationer upptäckte han bl.a. syret, även om engelsmannen Priestley kom före med publiceringen 1774. Likaså upptäckte han andra grundämnen som fluor, klor och mangan.
Scheele var en tillbakadragen person och föredrog att stanna som apotekare i Köping, dit han flyttat 1775.
Viktförändringar?
Lavoisier kunde nu förklara vad som skedde vid förbränning. Det som brann förenades med syret i luften och bildade de föreningar vi kallar oxider. En del oxider, exempelvis de som bildades när trä brann, var gaser och blandades med luften. Andra oxider var fasta. En sådan var järnoxid - som vi i dagligt tal kallar rost - vilket gav en förklaring till att metaller blev tyngre.
Men anhängarna till flogistonteorin gav inte upp. Många menade att Lavoisier bara hade vänt på teorin - träet upptog syre i stället för att avge flogiston.
Lavoisiers enda möjlighet att övertyga tvivlarna om att hans teori var riktig var att bevisa att vikten var avgörande. Hans teori kunde förklara viktförändringar vid rostande och förbränning - det gjorde inte flogistonteorin.
Men när Lavoisier skulle bevisa att vikten av de substanser som ingick i en kemisk process totalt sett alltid var densamma, misslyckades han.
Lavoisier försökte mäta det syre en människa andades in och jämföra med den koldioxid hon andades ut. Men det stämde aldrig. En del syre tycktes ha försvunnit. Det syre som fanns i koldioxiden som andades ut var mindre än det syre som andades in.
ANNONS
ANNONS
Teorin bevisad av misstag
Lavoisier kunde inte bevisa sin teori förrän forskaren Henry Cavendish (1731-1810) av misstag slutgiltigt hade tagit död på flogistonteorin när han egentligen tänkte bevisa den.
Henry Cavendish var oerhört folkskygg, och den tjänarinna som var oförsiktig nog att låta sig ses av sin husbonde avskedades omedelbart. Cavendish hade ärvt en stor förmögenhet och ägnade sig åt kemiska experiment som tidsfördriv. År 1776 hade han upptäckt en gas som bildades när syra sprutades på en metall. Gasen var mycket lätt och eldfarlig, och Cavendish började fundera på om han inte till sist hade hittat rent flogiston.
Priestley sa ju sig ha upptäckt att luft som tömts på flogiston hade effekten att den som andas in den blir lätt till sinnes.
Cavendish räknade ut att om han tillförde sitt flogiston till Priestleys "flogistontömda luft", skulle först vanlig luft bildas och sedan "flogisterad luft". Och Cavendish skulle ha bevisat att han upptäckt flogiston.
Han fyllde en behållare med "flogistontömd luft" och lät den gas han själv upptäckt brinna inne i behållaren.
Men det bildades ingen ny gas. Vad som hände var att det bildades en vätska - vanligt vatten.
Cavendish hade tvärtom mot vad han tänkt sig tagit död på flogistonteorin. Dessutom hade han visat att vatten inte är ett odelbart element utan en oxid - idag skriver vi dess formel H2O.
Lavoisier fick höra talas om experimentet och upprepade det. Cavendishs gas döpte han till hydrogene - vattenalstrare. På svenska heter den väte - nära besläktad med ordet väta.
Cavendishs gas är alltså väte, och Priestleys "flogistontömda luft" är syre - tillsammans ger det vatten.
Bild: Okänd Lavoisier försökte mäta det syre en människa andades in och jämföra med den mängd koldioxid hon andades ut. Han ville visa att en kemisk process alltid totalt sett innehöll samma mängd av olika ämnen. Här för hans fru anteckningar. Experimentet misslyckades gång på gång ända tills Lavoisier kom på att även vatten innehåller syre.
ANNONS
ANNONS
Tre upptäckter
När Lavoisier upprepade Cavendishs experiment fick han tre viktiga bevis:
Vatten var inget grundämne utan en förening av väte och syre. Antikens teori om de fyra elementen gick i graven för gott.
Luften kunde inte vara ett enda ämne med olika egenskaper beroende på den mängd flogiston luften innehöll. Om flogistonteorin var riktig, hade ju Cavendishs experiment som slutresultat gett "flogisterad luft" - alltså den gas vi i dag kallar kväve. Det var också vad Cavendish väntat sig. Men eftersom slutresultatet blev vatten måste luft vara en blandning av flera ämnen. Det var den enda förklaring som stämde med Cavendishs, Blacks, Rutherfords och Lavoisiers egna experiment.
Till sist kunde Lavoisier förklara varför han misslyckats att få det syre en människa andades in att stämma med den koldioxid hon andades ut. Den föda som människan åt och förbrände innehöll kol och väte. En del av det inandade syret förenade sig med kolet och blev koldioxid. En annan del förenade sig med vätet och blev vatten. Det var det syre som fanns i vattnet människan utsöndrade med svett och urin Lavoisier tidigare missat. Nu stämde hans teori med mätningarna.
Lavoisier tillskrev sig hela äran av upptäckten utan att nämna Cavendish - och i flera andra fall handlade han likadant. Men hans bedrägerier har eftervärlden upptäckt.
En banbrytande bok
Under Lavoisiers tid var de kemiska föreningarnas namn ett virrvarr av olika fantasifulla beteckningar.
Alkemisterna hade skapat namn som algarothpulver, sal alembroth och colcothar, som inte sa ett dugg om vad föreningen innehöll.
Lavoisier ville att alla kemiska föreningar skulle ha namn efter vad de innehöll.
Lavoisier hade dock svårt att övertyga sina kolleger. Om alla föreningar döptes om, skulle ju de gamla skrifterna efter hand bli helt obegripliga, eftersom ingen skulle förstå vilka substanser som avsågs.
Motståndarna fick ge sig. Idag har olika kemiska föreningar namn efter vad de innehåller - dock enligt ett annat system än det Lavoisier föreslog. Vattnets kemiska namn är diväteoxid. Det betyder alltså att vatten består av väte och syre. Förledet di- berättar att vattenmolekylen innehåller två väteatomer och en syreatom. Koldioxid består enligt samma princip av en kolatom och två syreatomer.
1789 utkom Lavoisiers bok Elementär kemi. Den är på sitt område lika banbrytande som Vesalius, Galileis och Linnés arbeten.
ANNONS
ANNONS
I boken räknar Lavoisier upp 33 grundämnen och avlivar för gott föreställningen att allt på jorden består av fyra element. Det var första gången en lista på grundämnen, som enligt Lavoisier var ämnen som inte kunde delas upp, publicerades. Men endast 23 av ämnena var grundämnen enligt modernt synsätt. Lavoisier tog också med värme och ljus, vilket visar att inte ens Lavoisier kunde frigöra sig från antikens idéer.
Franska revolutionen
Samma år som Lavoisiers bok publicerades utbröt franska revolutionen. Flera år tidigare, 1768, hade han köpt en andel i ett syndikat bestående av personer som mot att betala en viss summa till franska staten fick rätt att ta upp skatt på tobak, salt och en del drycker. De kunde också ta tull vid Paris stadsportar och i hamnarna. 1775 blev han chef för all framställning av krut i Frankrike. 1779 blev Lavoisier invald i syndikatets ledning.
Dessa personer kallades generalförpaktare, och de ansågs allmänt som ytterligt giriga. Lavoisier själv hade blivit mycket förmögen.
Under revolutionen beslagtogs Lavoisiers förmögenhet, men själv trodde han sig säker. Men 1793 arresterades han tillsammans med flera andra generalförpaktare.
Lavoisier lyckades fly och höll sig gömd under flera dagar. Eftersom han fruktade att hans flykt skulle öka problemen för de andra, överlämnade han sig själv till de styrande.
Lavoisiers uppoffring var dock förgäves. Både han och hans medåtalade dömdes vid en snabb rättegång till döden och avrättades samma dag.
När domaren fick sig påpekat att Lavoisier var en framstående forskare, fällde han den ryktbara repliken:
- Frankrike har inget behov av vetenskapsmän.
Efter Lavoisiers avrättning sa matematikern Lagrange:
- Det tog ett ögonblick att hugga av hans huvud, men ett likadant kan vi inte få på kanske hundra år.
Varför har två av de gaser Lavoisier undersökte fått namnen kväve och syre?
Varför heter den gas som Cavendish upptäckte väte?
När Lavoisier kunde visa att syre och väte bildar vatten, bevisade han också att teorin om de fyra elementen var oriktig. Varför?
Varför avrättades Lavoisier?
Vad innebar flogistonteorin?
Med hjälp av noggranna mätningar kunde Lavoisier visa att luften minskade i vikt när en bit tenn oxiderade i en sluten behållare. Varför bevisade det att flogistonteorin var oriktig?
Vad händer vid förbränning?
Hur borde enligt Lavoisier alla kemiska föreningar namnges?
Litteratur: Daniel J Boorstein, The Discoverers, Random House, 1983 Rom Harré, Great Scientific Experiments, Oxford University Press, 1983 Roy Porter (red.), Man Masters Nature, BBC Books, 1987 David Eliot Brody och Arnold R Brody, Upptäckterna som förändrade världen och människorna bakom dem, Wahlström & Widstrand, 1999
FÖRFATTARE
Text: Kaj Hildingson, journalist och läromedelsförfattare
Julia, Mattias och Kristoffer pratar om franska revolutionens orsaker. Vad är en revolution? Vilka orsaker låg bakom franska revolutionen? Här berättas bland annat om upplysningens idéer, franska krig och höjda skatter, om ståndssamhället och hur tredje ståndet krävde rättigheter.
