Scheikunde rond 1700:theorie en praktijk in de periode 1650-1750H.A.M. Snelders

Inleiding

De scheikunde in de jaren 1650-1750 verkeerde in een overgangsperiodetussen het tijdperk van de alchemie en de'moderne' chemie uit de tweedehelft van de achttiende eeuw. In 1673 bood de Duitse alchemist JohannJoachim Becher (1635-1682) de Staten van Holland en West-Frieslandschriftelijk een proces aan om goud to winnen uit duinzand. Eind 1676of begin 1677 kwam Becher naar ons land om to proberen zijn winstge-vend project to verkopen aan de Staten. Hij meende dat hij met een"eeuwighduyrend berghwerk" uit "Zee ofte Duyn-Sandt" door middel vanbepaalde chemische bewerkingen zoveel goud kon verkrijgen dat deStaten er jaarlijks een behoorlijke winst uit zouden maken. Het procesbestond uit het smelten van bepaalde stoffen tot een glasmassa in doorblaasbalgen aangeblazen ovens. Daarna hield Becher de fijnverdeeldemassa, met metallisch zilver gemengd, lange tijd in gesmolten toestand.Het zilver vormt met het goud een legering en is er uit of to scheiden.Het is duidelijk dat het verkregen goud afkomstig was uit het gebruiktemuntzilver en misschien een beetje uit het zand. Becher was zeker geenbedrieger en geloofde werkelijk in de mogelijkheid van deze omzetting.In december 1678 werd Becher octrooi verleend op zijn proces. De Statenbenoemden nu een commissie, bestaande uit Michiel ten Hove en dewiskundige en burgemeester van Amsterdam Johannes Hudde, om hetproces nader to onderzoeken. Een bedrag van 1200 rijksdaalders werd terbeschikking gesteld en de proef door de Amsterdamse essayeur Keermanin de Kalverstraat in het bijzijn van Becher en de commissie uitgevoerd.Er werd op 246 gram zilver 0,30 gram goud verkregen. De Staten gaventoe dat de proef gelukt was, maar ze bleven wantrouwig. De verdereonderhandelingen werden op de lange baan geschoven en tenslotte af-gebroken.')

De alchemisten uit de zeventiende eeuw waren niet alleen metallurgen diezich bezighielden met de transmutatie van metalen (processen waarbij on-

55

Figuur 1.

De bereiding van zwavel volgens Georgius Agricola (De re metallica, 1556).

56

edele metalen als kwikzilver en lood omgezet werden in de edele metalenzilver en vooral goud) en het zoeken naar de Steen der Wijzen dat ditproces mogelijk moest maken en dat tevens ziekten zou kunnen genezenen het leven verlengen. Naast deze exoterische alchemie, die met metalenin laboratoria werkte, was er ook een esoterische alchemie die zich vooralmet geestelijke, mystieke en religieuze zaken bezighield.

Alhoewel de alchemistische experimenten niet tot het gewenste doelvoerden -al beweerden tal van alchemisten dat het hun gelukt was meta-len to transmuteren- werd er wel veel chemische en metallurgische kennisverworven (figuur 1). De alchemisten ontwikkelden en verbeterden dechemische laboratoriumapparatuur. In de overgangsperiode van alchemienaar de moderne scheikunde speelde Paracelsus (1493-1541) een belang-rijke rol. Hij hervormde zowel de scheikunde als de geneeskunde. Voorhem was het Joel van de alchemie niet het maken van goud en zilver,maar het bereiden van geneesmiddelen (iatrochemie). Daarnaast lukte hetde alchemisten bij het zoeken naar de Steen der Wijzen andere belang-rijke ontdekkingen to doen. Zo verkreeg de Hamburgse alchemist HennigBrand (1682-1719) in 1669 bij de destillatie van ingedampte urine hetfosfor ('lichtdrager') en herontdekte Johann Friedrich Bottger in Meissenals gevangene van August de Sterke in 1708 het porcelein.

Geleidelijk ontstond de chemie als onafhankelijke wetenschap. In dezeventiende eeuw werd ze beoefend in relatie tot alchemie, mineralogie,metallurgie, farmacie en geneeskunde. Weliswaar hielden veel weten-schappers uit die tijd zich bezig met chemische onderwerpen, maar pasin de tweede helft van de achttiende eeuw werd de scheikunde een voorons herkenbare discipline.

De bekendste chemicus (en fysicus) uit die tijd was Robert Boyle (1627-1691), die wel de 'Father of modern chemistry' genoemd wordt.2) Boylewas een van de belangrijkste geleerden uit de zeventiende eeuw. Hij hieldzich met alle gebieden van wetenschap bezig, niet alleen met natuur- enscheikunde, maar ook met sociale en religieuze thema's. In 1660 ver-scheen zijn boek: New Experiments Physico-Mechanicall touching thespring and weight of the Air, and its effects, waarin hi j de recent ontdek-te luchtpomp van Otto von Guericke, burgemeester van Maagdenburg,verbeterde en toepaste om de verschijnselen in lege ruimten to onder-zoeken. Boyle werkte in de geest van Francis Bacon (1561-1626) die inhet begin van de zeventiende eeuw een pleidooi voerde voor waarnemingen experiment als grondslagen van een nieuwe natuurwetenschap (Ad-

57

T H ESCEPTICAL CHYMIST:

ORCHYMICO_PHYSICA L

Doubts & Paradoxes,Touching the

SPAGYRIST'S PRINCIPLEScall1d

HYPOS Tn1TICA.L,As they are wont to be Propos'd and

Defended by the Generality of

A LCHYMISTS.Whereunto is prxmis'd Part of another Difcourfe

relating to the fame Subjc&.

B Y

The Honourable ROBERT BOTLE, Efq;

L O X D O N,printed by y. Cad ell for 1. Crooke, and are to be

Sold at the ship in St. Paul's Church-Yard.Al D CL"1 1.

Figuur 2.

Titelblad van Robert Boyle's The Sceptical Chymist (1661).

58

vancement of Learning, 1605; Novum Organum, 1620). Boyle wilde nagaanhoe verschijnselen als verbranden, koken, voortplanting van het geluiden de inwerking van zuren op metalen veranderen als men de druk vande lucht vermindert. Dit leidde o.a. tot de naar hem genoemde gaswet: hetprodukt van druk en volume van een gas is bij constante temperatuurconstant. Voor de scheikunde is vooral zijn boek The Sceptical Chymistuit 1661 van belang (figuur 2). Hierin bespreekt Boyle de grondproble-men van de scheikunde. Hij doet dat in dialoogvorm tussen twee oudevrienden: Eleuterius, die de opvattingen van de peripatetici (de alchemis-ten) verdedigt en Carneades, Boyle zelf. Het gaat vooral om het probleemvan de chemische elementen. Eleutherius neemt de vier elementen vanAristoteles aan (aarde, water, lucht en vuur); Carneades wit weten wateigenlijk de principiele betekenis van het begrip chemisch element is. Inde loop van de discussie wordt het beroemde experiment van Jan Baptistvan Helmont (1579-1644) besproken. Deze had gedurende vijf jaar eenwilgeboompje in een afgewogen hoeveelheid aarde laten groeien en alleenwater als voedsel toegevoegd. De gewichtstoename die hij vond, is dusalleen to danken aan het water dat omgezet is in aarde. Van Helmontbeschouwde het water als oerelement, maar Boyle twijfelt daaraan. Hijmeent dat de vier aristoteliaanse elementen uit kleine deeltjes zijn op-gebouwd die in onafgebroken beweging zijn. De vier elementen vanAristoteles, maar ook de drie principia van Paracelsus, zijn niet elemen-tair maar samengesteld. Chemische elementen zijn voor Boyle de laatsteanalysegrens, maar zijn 'sceptische' houding laat niet toe dat hij ookonontleedbare stoffen kan aanwijzen. Daardoor leidde zijn empirisme totscepticisme.

Boyles voornaamste doel in de scheikunde was een mechanistisch wereld-beeld van de chemische reacties to geven. Hij bestreed oude begrippenals occulte vormen en kwaliteiten en wilde het gedrag van de materieverklaren in analogie met een machine. De wereld is voor Boyle niet eenorganisme, maar een mechanisme dat hij graag vergeleek met het be-roemde uurwerk van Straatsburg. Voor zijn mechanistische verklaringenmaakte hij gebruik van de in zijn tijd nieuwe corpusculaire filosofie,waarbij hij 'cartesiaanse' deeltjes gebruikte. Ook bier bleef hij sceptischen deed hij geen uitspraak over het al of niet bestaan van absolute ato-men of over de vorm en de bewegingen van de materiedeeltjes. Dit integenstelling tot Isaac Newton (1642-1727), die in de beroemde 'query'31 aan het slot van zijn Opticks: or, a treatise of the reflexions, refrac-tions, inflexions and colours of light (1704) zijn opvattingen over destructuur van de materie uiteenzette. Newton nam aan that God in the

59

,Tic fc Sigur ,u p g. 3.

P.. Cr tf n n.ic (cincmcintictnaurctcn .t ifiitfiratf.i i baron cin crioicnt accomobirtt i(f.t. cr Qtt[ficrim ctfct jII, iin tit nb mictcrr:cttcn(cinbugcri.btctn.ttcrf

t t DcX ittil(ir,t cf.ttft .

D. Qait oalT.itt.r inirtnbia ar;u(:bcn ift.r . ( F i n rc(:fic3ntctt cingmaurr./fcntan rutlcc 3i. ten (tttt.

Figuur 3.

Bereiding van vitrioololie (zwavelzuur) door destillatie van ijzervitriool (ijzer-sulfaat) (J.R. Glauber, Furni Novi Philosophici oder Beschreibung einer Neuerfun-denen Distillir-Kunst, 1648).

60

Beginning form'd Matter in solid, massy, hard, impenetrable, moveableParticles", die hij niet alleen toepaste op de lichttheorie, maar op alle fy-sische en chemische verschijnselen. Een zout is oplosbaar in water, omdatde aantrekkingskracht van zout voor water groter is dan van zout tot zout.IJzer lost op in kopersulfaat, omdat de aantrekking van ijzer tot zwavel-zuur groter is dan van koper tot zwavelzuur, enz.

Boyle is een voorbeeld van een amateurwetenschapper, zoals Engeland erlange tijd veel van kende. Dit in tegenstelling tot het continent vanEuropa, waar de grootste bijdragen tot de scheikunde juist van far-maceutisch of medisch geschoolde geleerden kwamen. In Boyles tijdontstonden ook informele gezelschappen, waar over natuurwetenschap-pelijke onderwerpen werd gesproken, zoals het Invisible College in Ox-ford en Londen. Uit deze informele gezelschappen ontstonden de of-ficiele wetenschappelijke genootschappen (Royal Society, Londen, 1662;Academie Royale des Sciences, Parijs, 1666), die belangrijk bijdroegentot de ontwikkeling van de experimentele natuurwetenschappen. Tussende leden van dergelijke gezelschappen bestonden uitvoerige correspon-denties, waardoor wetenschappelijke kennis snel werd verspreid.

In de achttiende eeuw leidde dit alles tot het onderzoeken van het pro-bleem van de natuur van de verbranding en naar de krachten die dechemische verbindingen samenhouden. De experimentele richting in descheikunde van de achttiende eeuw leidde tot affiniteitstabellen, maar hetwas ook de praktische ervaring van de erts- en muntessayeurs en desalpeter- en aluinzieders die tot verbrandingstheorieen voerde. Beiderichtingen mondden tegen het einde van de achttiende eeuw uit in descheikunde van de Fransman Antoine Laurent Lavoisier (1743-1794).

In de periode 1650-1750 breidde de kennis van de chemische elementenen verbindingen zich sterk uit. Kwantitatieve methoden voor het che-misch onderzoek kwamen steeds meer in gebruik en in het midden vande achttiende eeuw werden de verschillende gassen geidentificeerd engeisoleerd. De scheikundige technologie werd in de zeventiende eeuwvooral door een aantal uit de Duitse staten afkomstige wetenschappersbevorderd: J.R. Glauber, J. Kunckel, J.J. Becher en G.E. Stahl. Deeerste had van 1656 tot zijn overlijden in 1670 een groot chemisch labo-ratorium in Amsterdam waar hij op grote schaal chemische produktenvervaardigde (figuur 3).3)

61

TABLE DES D/FFF_RENT'S RMPORTScntrc dt riutltr ru6stanav.

A,.. d i1 .,.f r/.d rug ,,

ev qf- C( 4-ew >m >m >m r(D- pc 3 9 'T9 e

v I Y e^ >e >e >e Tm, 9S

o.n

I

Erpriir acduAudedL.rd rnaru.

Terra

SM Suhrtnnw.rmetaltquej (JC1.ivre Sot

> A[idi nit. ut.L . Mtrture . P(os,t6 + Erprtt a vcr,ar./e-Q) .ir.n i v .ia/quo . Rcqu/r ra dnti,anir,t . 7r Et.tut o ErrsQ. O Ur. 7 ZNU. © .Id

_ e' r/a(., (a ro(nti/ -- A,yr rt. PC ruruf.a-__`y`

Figuur 4.

Affiniteitstabel van E.F. Geoffroy (Memoires de l'Academie Royale des Sciences,1718).

62

e - 0 & V e, w s t 0 t, 3 4 0>e >ea >e- y-e e 3 n e v

(DA 3L

0V Q . 4 +,untr t! .

-e "-e,

Affiniteitstabellen

De affiniteitsleer ging uit van het adagium'similia similibus', het gelijketrekt het gelijke aan. De scheikundige affiniteit tussen twee stoffen, diemeestal uit de praktijk bekend was, wees op een overeenkomstig be-standdeel in de beide uitgangsverbindingen. Water lost zouten op omdatdeze ook water bevatten.

Met de opgestelde affiniteits- of verwantschapstabellen had men eenmethode om reacties to voorspellen en chemische stoffen to klassificeren,hetgeen van groot belang was voor de technische scheikunde van die tijd.De eerste affiniteitstabel werd in 1718 gepubliceerd door de Parijsehoogleraar in chemie en geneeskunde Etienne-Francois Geoffroy (1672-1731); het hoogtepunt vonden ze vanaf 1780 in het werk van de ZweedTorbern Bergman (1734-1784).°) Geoffroy's Table des differents Rap-ports observes en Chimie entre differentes substances bestond uit zestienkolommen. In iedere kolom neemt de affiniteit ten opzichte van de bo-venste stof of (figuur 4).

Geoffroy sprak van 'differents Rapports', verschillende betrekkingen,tussen scheikundige stoffen. Bewust wilde hi j niet het woord 'affiniteit'gebruiken, omdat dat op animistische opvattingen over de chemischeaantrekking zou kunnen wijzen. Ook het woord 'aantrekking' tussenchemische stoffen wilde hi j niet gebruiken, omdat ook dat een beladenwoord was. Robert Boyle verwierp actio in distans. Chemische ver-eniging, oplossen, maar ook magnetische en elektrische aantrekkingenvinden plaats door direct contact. Isaac Newtons gravitatietheorie bevatteaantrekkende krachten die op afstand werkzaam waren. Newton namechter aan dat chemische krachten verschillend zijn van de zwaarte-kracht.

Geoffroy rangschikte in zijn affiniteitstabel de praktische kennis vanhemzelf en van anderen. Aan het hoofd van een kolom staat de stof diekan reageren met elke stof eronder in afnemende volgorde van affiniteit.Affiniteitstabellen zijn praktisch en niet theoretisch. Het probleem vande invloed van de temperatuur en van de toestand van de reagerendestoffen leidde tot steeds meer verschillende affiniteitstabellen die voorieder praktisch geval werden opgesteld (Bergman). Pas in 1799 onderken-de de Franse chemicus Claude-Louis Berthollet (1748-1822) de invloedvan de massa: de richting waarin een chernische reactie verloopt is af-hankelijk van twee factoren, de affiniteit en de massa. De laatste kan zo

63

groot zijn dat ze de invloed van de affiniteiten kan overwinnen. De leervan de chemische affiniteit speelde nog een boeiende rol in Goethesroman Die Wahlverwandtschaften (1810).

De natuur van de verbranding

Van Georg Ernst Stahl (1659-1734), hoogleraar geneeskunde aan deuniversiteit van Halle waar hi j ook scheikunde doceerde, is de zogenaam-de flog istontheorie afkomstig, welke hij ontleende aan de reeds genoemdeBecher die in zijn Physica subterranea (1669) aannam dat alle stoffen zijnopgebouwd uit aarde, water en lucht. Er zijn drie soorten aarde: smelt-bare of eerste aarde (steen- of glasachtige aarde), terra pinguis of tweedeaarde (vette of brandbare aarde) en mercuriale of derde aarde die metalenhun bijzonder karakter geven. Bij verbranding van een stof ontwijktvolgens Becher de vette of brandbare aarde.

Stahl stelde in 1697 de flog istontheorie op, die net als de zwavel-kwik-theorie van de middeleeuwse alchemisten en de tria prima-theorie (zwa-vel, kwik en zout) van Paracelsus met kwaliteitsdragers werkte en uitgingvan het adagium 'similia similibus'.5)In alle brandbare stoffen zit een brand baarheidsbeginsel, het flogiston,een onzichtbare, nooit in de natuur aangetroffen en uiterst subtiele ma-terie. Bij verbranding ontwijkt het flogiston uit de brandbare stof onderlicht- en vuurverschijnselen. Een metaal geeft daarbij een metaalkalk(later metaaloxyde genoemd) en een niet-metaal een zuur (of beter eenzuurvormend oxyde). Behalve verbrandingsverschijnselen kon Stahl metzijn theorie ook ademhaling, rotting en gisting verklaren.

De flogistontheorie was dus een algemene theorie, die bovendien logischwas. Als verbranding (oxydatie) het ontwijken van flogiston is, dan moetreductie het opnemen van flogiston zijn. De praktijk leerde dat een me-taalkalk met houtskool het metaal teruggaf, waaruit de conclusie werdgetrokken dat koolstof vrijwel zuiver flogiston is. (Het tevens gevormdegasvormige koolstofmonoxyde werd niet waargenomen!)

Met de flogistontheorie waren alle chemische verschijnselen to verklarenzolang men geen waarde toekende aan het wegen: zink wordt bij verhit-ting zwaarder en niet lichter, ondanks het feit dat er flogiston ontwijkt.Voorlopig was dat geen groot probleem (zink wordt bij verhitting welis-waar zwaarder, maar kalksteen juist lichter). Maar dat werd het wet na

64

het midden van de achttiende eeuw toen men de verschillende gassenwist to isoleren en to identificeren.

Hoe kwam Stahl tot zijn theorie?Stahl had grote belangstelling voor chemische processes en was niet te-vreden met alleen praktische kennis. Hij vroeg zich of wat er bij deertsverwerking, de ververij, de salpeterbereiding, de bier- en wijnberei-ding eigenlijk gebeurt. Hij liet zijn studenten onderzoeken hoe men demetaalopbrengst uit ertsen kan verhogen. Het probleem was de rol van dehoutskool dat werd toegevoegd. De ervaring in de metaalsmelterijen entingieterijen leerde dat bij het smelten van ertsen en de reductie van demetaalkalken houtskool een bepaalde en essentiele rol speelde. De practicidachten dat voor het proces zulke hoge temperaturen nodig zijn als alleendoor het houtskool kan worden geleverd, terwijl deze houtskool tevenshet gesmolten metaal bescherming hood voor de trektocht in de ovens(met als gevolg weer oxydatie). Stahl meende dat de koolstof een mate-riele bijdrage aan het proces van de metaalvorming leverde. Er wordt bijhet smelten iets materieels aan het erts toegevoegd, namelijk een bepaaldbestanddeel van de houtskool, dat immers volledig in het proces ver-dwijnt. Dat bestanddeel zit ook in pek, olie en dergelijke stoffen en Stahlnoemde het flogiston naar het Griekse woord phlox (vlam).

Stahls eerste onderzoekingen leidden dus tot een interpretatie van hetreductieproces als een chemisch proces waarin het flogiston zich met demetaalkalk verenigt en het metaal wordt teruggekregen. Dit impliceerdedat het metaal een verbinding is, een samengestelde stof (mixta) vanmetaalkalk en flogiston. Bij verhitting van metalen ontwijkt dus hetflogiston.Stahl interpreteerde dit proces corpusculair. Bij de verbranding ontwijkende loslatende flog istondeeltjes in de lucht, ze brengen de luchtdeeltjes ineen snelle wervelbeweging hetgeen zich uit als hitte, warmte of vlammen.

De flogistontheorie was een algemeen aanvaarde theorie, die pas in detweede helft van de achttiende eeuw op experimentele gronden werdverlaten. Toch was er in ons land weinig belangstelling voor de flogiston-theorie omdat de Leidse geneeskundige en chemicus Herman Boerhaave(1668-1738), die met zijn boek Elementa chemiae (1732) grote invloeduitoefende op de scheikunde in ons land, er geen gebruik van maakte.b)Boerhaave nam de flogistontheorie niet aan en noemde ze zelfs niet inzijn leerboek. Hij nam we] aan dat de metalen samengesteld zijn, maarwilde daarmee de verbrandingsverschijnselen niet verklaren. Daarvoor

65

gebruikte hij een 'pabulum ignis', een voedsel voor het vuur, dat ove-rigens niets to maken heeft met de ook door Boerhaave aangenomen'materia ignis' of vuurstof. Volgens Boerhaave bevatten brandbare stoffeneen brandbaar beginsel, het pabulum ignis, dat niet geidentificeerd magworden met het flogiston van Stahl. Bij het verbranden wordt het pabu-lum ignis door het vuur opgenomen.

In ons land werkte de praktische scheikundige (apotheker en genees-kundige) geheel in de traditie van de empirisch-rationele methode vanBoerhaave die alleen van chemisch onderzoek wilde weten dat geheel opde waarneming berust en waarbij men zich streng rekenschap geeft vanalle verschijnselen en zich vrijhoudt van aprioristische uitspraken.

Boerhaaves opvolger in Leiden Hieronymus David Gaubius (1704-1780)was, evenals de bekende Utrechtse en Leidse natuurkundehoogleraarPetrus van Musschenbroek (1692-1761), wel aanhanger van de flogiston-theorie. Gaubius liet zijn leerlingen praktisch chemische oefeningen doen.Hij onderzocht zelf het'luna fixata Ludemanni', een universeel genees-middel, en bewees met de blaaspijp dat het niets dan zinkkalk (zink-oxyde) is. Om het onderscheid tussen zinkmetaal en zinkbloem (zink-oxyde) to verklaren, nam hij aan dat bij de bereiding van zink de reduc-tie van zinkkalk naar zink veroorzaakt wordt door de opname van flogis-ton.

66

Noten

1. F.M. Jaeger, Over Johann Joachim Becher en zijne relaties met de Nederlan-den', Economisch-Historisch Jaarboek 5 (1919), pp. 60-135; HA.M. Snelders,'Johann Joachim Becher and rein Gold-aus-Sand-Projekt', WolfenbuttelerForschungen, in druk.

2. M. Boas, Robert Boyle and seventeenth-century chemistry (Cambridge, 1958).

3. E. Homburg, 'De 'Gouden Eeuw' van de Nederlandse chemische industrie',Chemisch Magazine, mei 1989, pp. 311-314.

4. HA.M. Snelders, Hoofdstukken uit de geschiedenis van de scheikunde (Am-sterdam, 1979), pp. 13-17.

5. I. Strube, Georg Ernst Stahl (Leipzig, 1984); E. Stroker, Theoriewandel in derWissenschaftsgeschichte. Chemie im 18. Jahrhundert. (Frankfurt am Main,1982).

6. HA.M. Snelders, 'Georg Ernst Stahls Phlogiston and Herman BoerhaavesPabulum Ignis. Eine vergleichende Analyse', Wissenschaftliche Beitrl ge derMartin-Luther-Universitat Halle-Wittenberg 66 (E 73) 1985, pp. 177-187.

67