من در زمان نوشتن چند روز تاخیر دارم، اما 12 نوامبر 2018 دویست و سی و پنجمین سالگرد یک کشف مهم بود. در سال 1783 روزی بود که آنتوان لاووازیه رسماً آب را یک ترکیب و نه یک عنصر اعلام کرد.
235 سال زمان بسیار طولانی به نظر می رسد، احتمالاً خیلی وقت پیش که هیچ کس چیزی نمی دانست. عملا هنوز چشم نیوت، زبان خفاش و زالو برای همه، درست است؟ خوب، نه کاملا. در واقع، در آن زمان علم و مهندسی بسیار خوبی در جریان بود. برای مثال، سالی بود که ژان فرانسوا پیلاتر دو روزیه و فرانسوا لوران اولین پرواز با بالون بدون اتصال را انجام دادند. و شیمی به سرعت در حال حرکت بود: بسیاری از عناصر، از جمله اکسیژن (1771، توسط کارل ویلهلم شیله) و هیدروژن (به طور رسمی توسط هنری کاوندیش در سال 1766، اگرچه دیگران قبل از او آن را مشاهده کرده بودند) جدا شده بودند.
کاوندیش گزارش داده بود که هیدروژن زمانی که با اکسیژن واکنش نشان می‌دهد، آب تولید می‌کند (به ترتیب به عنوان هوای قابل اشتعال و هوای تخلیه‌شده شناخته می‌شد) و دیگران آزمایش‌های مشابهی انجام داده بودند. با این حال، در آن زمان اکثر شیمیدانان از نظریه فلوژیستون (از این رو نام ها) طرفداری می کردند و سعی می کردند نتایج آنها را بر اساس آن تفسیر و توضیح دهند. تئوری فلوژیستون این ایده بود که هر چیزی که می سوزد حاوی عنصر آتش مانندی به نام فلوژیستون است که پس از سوختن ماده “از بین می رود” و “دفلوژیستون” می شود.
کاوندیش، به ویژه، این واقعیت را توضیح داد که هوای قابل اشتعال (هیدروژن) هنگام سوختن در «هوای معمولی» (مواد داخل اتاق) قطرات «شبنم» را از خود به جای می‌گذارد و از نظر فلوژیستون می‌گوید که آب در هر یک از آنها وجود دارد. دو هوا قبل از احتراق.
لاووازیه بسیار مخالف نظریه فلوژیستون بود. او آزمایش‌هایی را در ظروف بسته با دقت بسیار زیادی انجام داد، تا ثابت کند که بسیاری از مواد واقعاً هنگام سوختن سنگین‌تر می‌شوند و آن‌طور که نظریه فلوژیستون می‌گوید، سبک‌تر نمی‌شوند. در واقع، این Lavoisier است که باید به خاطر نام‌های «هیدروژن» و «اکسیژن» تشکر کنیم. هیدروژن در یونانی به معنای “آب ساز” است، در حالی که اکسیژن به معنای “تشکیل دهنده اسید” است.
هنگامی که در ژوئن 1783، لاووازیه از آزمایش کاوندیش مطلع شد، بلافاصله با اکسیژن با هیدروژن واکنش نشان داد تا «آب در حالت بسیار خالص» تولید کند و ثابت کند که جرم آب تشکیل‌شده برابر با جرم ترکیبی هیدروژن و اکسیژن او است. آغاز شد با
او سپس با حرارت دادن مخلوطی از آب و براده های آهن، آب را به اکسیژن و هیدروژن تجزیه کرد. اکسیژن تشکیل شده با آهن ترکیب شد و اکسید آهن را تشکیل داد و او گاز هیدروژن را روی جیوه جمع کرد. لاووازیه به لطف اندازه گیری های دقیق خود توانست نشان دهد که جرم افزایش یافته براده های آهن به اضافه جرم گاز جمع آوری شده دوباره برابر با جرم آبی است که او با آن شروع کرده بود.
البته هنوز بحث هایی وجود داشت (همیشه وجود دارد)، اما نظریه فلوژیستون اساسا محکوم به فنا بود. آب ترکیبی بود که از دو عنصر تشکیل شده بود و فرآیند احتراق چیزی مرموزتر از ترکیب عناصر به روش های مختلف نبود.
به عنوان یک شیمیدان اسکاتلندی الیزابت فولهام در این مرحله شایسته ذکر است تنها چند سال پس از لاووازیه، او از طریق آزمایش نشان داد که بسیاری از واکنش‌های اکسیداسیون تنها در حضور آب رخ می‌دهند. ولی آب در پایان واکنش بازسازی می شود. او امروزه به عنوان شیمیدانی که مفهوم کاتالیز را ابداع کرد، شناخته می شود. (که یک مفهوم بسیار مهم در شیمی است، و با این حال به نظر نمی رسد نام او هرگز مطرح شود…)
به هر حال، زمانی که منبع برق آماده ای داشته باشید، اثبات ترکیب آب بسیار ساده تر می شود. اولین دانشمندی که به طور رسمی این را نشان داد ویلیام نیکلسون در سال 1800 بود. او کشف کرد که وقتی سرنخ های باتری در آب قرار می گیرند، آب شکسته می شود و حباب های هیدروژن و اکسیژن را تشکیل می دهد که می توانند به طور جداگانه در انتهای غوطه ور سیم ها جمع شوند. . این فرآیندی است که ما اکنون به عنوان الکترولیز می شناسیم.
شما به راحتی می توانید الکترولیز آب را در خانه انجام دهید.
در واقع، این یک آزمایش بسیار آسان (و ایمن، قول می‌دهم!) است که می‌توانید خودتان در خانه انجام دهید. من خودم این کار را کردم، با استفاده از یک جعبه خالی TicTac، دو پین طراحی، یک باتری 9 ولت و کمی جوش شیرین (هیدروژن کربنات سدیم) حل شده در آب – شما به این نیاز دارید زیرا آب به خودی خود رسانای ضعیفی است.
پین‌های طراحی از پایین جعبه پلاستیکی فشار داده می‌شوند، جعبه با محلول پر می‌شود و سپس روی پایانه‌های باتری متعادل می‌شود. من در اینجا از چند لوله آزمایش کوچک برای جمع آوری گازها استفاده کرده ام، اما شما می توانید حباب ها را بدون آنها ببینید.
حباب ها بلافاصله شروع به ظاهر شدن می کنند. من حدود یک ساعت و نیم مال خود را رها کردم، در این مرحله لوله آزمایش روی ترمینال منفی (کاتد) کاملاً پر از گاز بود که وقتی آن را روی شعله قرار دادم صدای جیر جیر بسیار رضایت بخشی ایجاد کرد.
الکترود مثبت (آند) به طور کامل با چیزی پوشیده شد که من کاملاً مطمئن هستم که رسوبی از هیدروکسید آهن است (پین های کشش احتمالاً از فولاد اندود شده بودند) که به این معنی بود که اکسیژن بسیار کمی بعد از چند دقیقه اول تولید می شد. به همین دلیل است که در آزمایشات الکترولیز مناسب از گرافیت بی اثر یا حتی بهتر از آن پلاتین، الکترود استفاده می شود. اگر این کار را انجام دهید، نسبت حجمی اکسیژن به هیدروژن 1:2 دریافت خواهید کرد، بنابراین فرمول آب (H2O) همچنین.
بنابراین ما آن را داریم: آب یک ترکیب است و نه یک عنصر. و اگر می خواهید همه را در اطراف میز شام کریسمس سرگرم کنید، می توانید آن را با یک باتری 9 ولتی و چند پین طراحی ثابت کنید. فقط باتری را از اسباب بازی مورد علاقه برادر کوچکتان خارج نکنید، خوب؟ (یا اگر دارید، به او نگویید که این ایده من بوده است.)