Vielä 1700-luvulla pärjättiin ilman happea
Sitten sen keksikin kolme miestä kolmessa eri maassa.


 TEKSTI:Kathy Wasström ja Markku Sundberg

Vielä 1700-luvulla pärjättiin ilman happea
Sitten sen keksikin kolme miestä kolmessa eri maassa.

Julkaistu Tiede-lehdessä 4/2003

Niiden hylkääminen ei ollut helppoa, mutta kokeiden näyttämiä väistämättömiä tosiasioita ei voinut kiertää: hapen reaktiot pakottivat nostamaan alkemian hyllylle. Mutta kuka hapen löysi - vai pitäisikö kunnia jakaa?


 


Hapen löytymiseen liittyy paljon kysymyksiä ja epäselvyyksiä. Kärjessä oli kolme miestä kolmessa eri maassa.

Ruotsalainen Karl Wilhelm Scheele (1742-1786) oli apteekkari ja innokas tutkija, joka teki paljon keksintöjä. Tuloksien julkaiseminen jäi kuitenkin taka-alalle.

Englantilainen Joseph Priestley (1733-1804) ehti julkaista tuloksensa ennen Scheeleä.

Ranskalainen Antoine Laurent Lavoisier (1743-1794) oli kuullut ainakin Priestleyn löydöstä häneltä itseltään ja oli saanut Scheeleltä happea käsittelevän kirjeen, mutta hän teki kokeita myös itse. Scheele ja Priestley eivät olleet ymmärtäneet löytönsä merkitystä. Vasta Lavoisier pystyi päättelemään, mistä oli kyse.

Kolme miestä hapen kimpussa samoihin aikoihin, mutta kuka heistä olisi saanut Nobelin kemianpalkinnon, jos nobeleita olisi jo silloin jaettu?






Näin flogistonilla selitettiin palaminen

Flogiston, tai maailmaneetteri, otettiin käyttöön 1700-luvun alussa, kun kemistit yrittivät selittää yhdenmukaisella tavalla, mitä palaminen on. Flogiston on kirjai-mellisesti tuliainetta, sillä kreikan kielen floks tarkoittaa liekkiä.

Palaminen selitettiin siten, että palavasta aineesta poistuu flogistonia, koska samalla näkyy usein liekkejä. Kun kaikki flogiston on lähtenyt, palaminen päättyy ja jäljellä on vain tuhkaa.


Priestley löysi "paremman ilman"

Priestley eristi happea ensimmäisen kerran 1771 kuumentamalla elohopeaoksidia suurella polttolasilla, mutta hän luuli oksidista erkautuvaa kaasua typen oksidiksi. Samoin kävi, kun hän uudestaan eristi sitä kolme vuotta myöhemmin. Tämän jälkeen ei kuitenkaan kestänyt kauankaan ennen kuin hänelle selvisi, että tämä ilma oli jotakin muuta kuin typpioksidia.

Priestley julkaisi tuloksensa uuden ilman ominaisuuksista elokuussa 1774. Maaliskuussa 1775 hän raportoi, että uusi ilma oli parempaa kuin tavallinen ilma.

Toukokuussa Priestley antoi flogistonteorian vankkana kannattajana tälle "paremmalle" ilmalle nimen deflogistoitunut ilma ja totesi sen olevan tavallista ilmaa, josta kaikki flogiston oli poistettu. Saman vuoden syksynä hän julkaisi lopulliset tuloksensa.

Priestley tutki kasveja ja huomasi, että hiilidioksidi reagoi kasvin vihreän osan kanssa vapauttaen deflogistoitunutta ilmaa, eli siis happea. Hän sanoi kasvien parantavan pilaantunutta ilmaa, jota muodostui, kun eläimet hengittivät. Tavallaan hän keksi yhteyttämisen. Kokeissaan käyttämänsä hiilidioksidin hän sai eräästä panimosta, missä sitä syntyi oluen käymisessä.

Priestley joutui pakenemaan mellakoivaa väkijoukkoa Uuteen maailmaan, Amerikkaan, koska hänen epäiltiin kannattavan Ranskan vallankumousta.

Scheele havaitsi hapen alkuaineeksi

Scheele oli saanut koulutuksensa Saksassa, mutta työskenteli apteekkarina Ruotsissa. Hänelle tarjottiin monia professorin virkoja eri yliopistoista, mutta hän ei ottanut niitä vastaan, sillä apteekkarina hänellä oli enemmän aikaa tehdä kemian tutkimuksiaan. Hän löysi monia alkuaineita, hapen ohella esimerkiksi typen, kloorin ja mangaanin, mutta hän ilmoitti tuloksistaan aina niin myöhään, että muut ehtivät julkaista omat tuloksensa ennen häntä.

Scheele teki happitutkimuksensa vuosina 1771-1772 ja sai niitä koskevat kirjoituksensa valmiiksi 1775. Valitettavasti ne julkaistiin vasta kaksi vuotta myöhemmin, jolloin Priestley oli jo julkaissut omat tuloksensa. Ehkä Scheele ei pitänyt julkaisemista kovinkaan tärkeänä.

Scheele tutki myös orgaanisia yhdisteitä. Hän puhdisti monia orgaanisia happoja, kuten bentsoehappoa ja oksaalihappoa. Ongelmana oli tehokkaiden menetelmien puuttuminen. Aineiden tunnistamisessa ja puhtauden tarkistamisessa luotettiin hyvin paljon maistamiseen. Uskotaankin, että Scheele kuoli myrkytykseen.

Lavoisier oivalsi hapen toiminnan

Syksyllä 1774 Priestley oli käynyt Pariisissa, missä hän oli tavannut Lavoisier’n sekä muita kemistejä. Hän oli kertonut hapesta, jota hän oli valmistanut elohopean tai lyijyn punaisesta oksidista kuumentamalla. Samoihin aikoihin Scheele oli kirjoittanut Lavoisier’lle kirjeen, jossa hän luultavasti oli maininnut happitutkimuksistaan.

Ei tiedetä, kummalta Lavoisier ensin sai tietää uudesta ilmasta, mutta hän väitti keksintöä omakseen. Näin oli käynyt aiemminkin. Toisaalta Lavoisier näytti ymmärtävän sekä toisten keksinnöistä että omista keksinnöistään enemmän kuin muut.

Scheele oli yrittänyt muuttaa flogistonteoriaa, jotta hänen happensa, jota hän kutsui tuli-ilmaksi, sopisi siihen. Nämä muutokset Lavoisier sivuutti heti. Hänestä Scheele muutti vanhoja ideoita liikaa.

Lavoisier toisti Priestleyn elohopeaoksiditutkimukset maaliskuussa 1775. Hän käytti silloin hyvinkin kvantitatiivisia menetelmiä ja näytti huhtikuussa 1775 vakuuttavasti, että kun oksideja kuumennettiin, kaasua muodostui aina, olipa mukana hiiltä tai ei. Kvantitatiivisten tutkimusten avulla hänelle myös selvisi, että kun hiili ja ilman puhdas osa, happi, yhdistyivät, muodostui hiilidioksidia.

Lavoisier toi kemiaan johdonmukaisuutta ja tarkkuutta, joka siitä oli aikaisemmin puuttunut. Tarkkuus oli tärkeää hapen löytymiselle. Kun hapen rooli alkoi selvitä, Lavoisier oivalsi, että hengityksen tarkoitus ei ollut veren jäähdyttäminen, kuten aikaisemmin oli uskottu, vaan hengitystä tarvittiin hiilen ja vedyn hitaaseen palamiseen.

Lavoisier’n elämä päättyi traagisesti, kun hän joutui syyttömänä giljotiiniin.






Johdonmukainen happiteoria

Flogistonteoria oli järkeenkäypä, mutta siinä oli pari kiusallista ongelmaa.

Jos metallista poistui palaessa flogis-tonia, niin miksi jäljelle jäänyt metalli-oksidi painoi alkuperäistä metallimäärää enemmän? Se selitettiin siten, että flo-gistoni oli painoltaan negatiivista eli pyrki pakenemaan maasta.

Toinen ongelma oli, ettei flogistonia kyetty havaitsemaan suoraan, paitsi eh-kä liekkeinä.

Happiteoria selitti, mikä reagoi: happi pystyttiin havaitsemaan, toisin kuin flogiston.


Flogiston jouti historiaan

Flogistonin tuhoon lopulta johtaneita tutkimuksia Lavoisier teki jo syksyllä 1772. Silloin hän poltti fosforia ilmassa ja huomasi, että reaktiossa muodostui valkoista savua. Tämän täytyi hänen mielestään olla flogistonia.

Savu painoi kuitenkin enemmän kuin alkuperäinen fosfori. Lavoisier yritti selittää tuloksensa flogistonteorian avulla, mutta myöhemmin tämä seikka rupesi vaivaamaan häntä. Hän oli myös tutkinut metalleja ja tiesi, että joko ilma tai osa siitä yhdistyi metalleihin, kun oksideja muodostui. Hän ei kuitenkaan vielä tiennyt, mikä tämä osa oli, eikä hän pystynyt yhdistämään metallien ja fosforin reaktioita.

Lavoisier tutki metallien palamisreaktioita sekä hiilen läsnä ollessa että ilman hiiltä. Hän huomasi, että näissä reaktioissa vapautui erilaista ilmaa. Toisessa reaktiossa vapautuva ilma liukeni veteen, mutta toisessa reaktiossa ilma ei liuennut. Toista ilmaa hengittävät eläimet kuolivat, mutta toista oli vielä helpompi hengittää kuin tavallista ilmaa. Kynttilät eivät palaneet toisessa ilmassa, vaikka ne toisessa paloivat kirkkaasti.

Näistä ilmoista toinen tunnettiin. Sen tiedettiin olevan hiilidioksidia, mutta toisella oli aivan päinvastaiset ominaisuudet. Se vaikutti olevan puhtaampaa kuin tavallinen ilma. Se oli happea.

Lavoisier’n uusi teoria oli kuin flogistonteorian vastakohta. Metallien ja muiden aineiden hapettuminen oli ennen selitetty flogistonin vapautumiseksi. Uuden teorian mukaan reaktiossa ilman happi yhdistyi metalliin. Tämä oli kuitenkin monelle kemistille liian suuri muutos.






Uutta teoriaa vieroksuttiin

Happiteoria pystyi myös selittämään, kuinka paljon kutakin ainetta osallistuu reaktioon. Sen sijaan se ei selittänyt, miksi toiset aineet reagoivat kun taas toisille ei tapahtunut mitään.

Flogistonteorialla oli ollut selitys tähän: reaktiota ei voinut tapahtua, jos ilma oli jo kyllästetty flogistonilla, koska silloin flogistonia ei voinut irtautua aineesta.

Sen sijaan happea tiedettiin olevan ilmas-sa niin paljon, ettei se voinut loppua, joten sen puute ei selittänyt, miksi hapettumista ei aina saatu aikaan.

Emme siis voi suoralta kädeltä tuomita flogistonin kannattajia vanhoillisiksi jäärä-päiksi, sillä heillä oli perustellut, oman aikansa tietämykseen pohjautuvat syyt puolustaa flogistonia.


Kenen havainto oli tärkein?

Hapen keksimisen voisi tiivistää näin: Scheele tunnisti hapen uudeksi aineeksi. Priestley huomasi tärkeimmät erot hapen ja tavallisen ilman välillä. Lavoisier taas ymmärsi keksinnön tarkoituksen ja tärkeyden. Hän keksi, että tämä uusi aine oli itse asiassa alkuaine, ja sai sen myös sopimaan jonkinlaiseen kokonaisuuteen. Syytettiinpä häntä mistä tahansa, hänellä oli ainutlaatuinen päättelykyky. Yksinkertaisten kokeiden perusteella hän pystyi täysin muuttamaan aikansa käsityksen kemiasta.

Kenelle kunnia hapen keksimisestä pitäisi antaa? Tätä on vuosien kuluessa mietitty paljon. Kukaan ei ole keksinyt tarkkaa vastausta kysymykseen.

Vuonna 2001 Carl Djerassi ja Roald Hoffmann julkaisivat näytelmän Oxygen, jossa yritetään selvittää juuri tätä ongelmaa ja lopettaa 230 vuotta kestänyt riita. Näytelmässä keskustellaan muun muassa siitä, onko Scheele saanut tarpeeksi kunniaa hapen keksimisestä. Tästä kolmikosta hän ensimmäisenä eristi happea, mutta häntä ei muisteta tässä yhteydessä yhtä usein kuin kolmikon kahta muuta herraa.

Toisaalta, onko kunnia tärkeintä?


 


KATHY WASSTRÖM on orgaanisen kemian opiskelija Helsingin yliopistossa.


 


MARKKU SUNDBERG on Helsingin yliopiston epäorgaanisen kemian dosentti.

Kätevä sana on valunut moneen käyttöön.

Makea vesi kuuluu elämän perusedellytyksiin. Siksi tuntuu itsestään selvältä, että vesi-sana kuuluu suomen kielen vanhimpiin sanastokerroksiin.

Se ei kuitenkaan ole alun perin oma sana, vaan hyvin vanha laina indoeurooppalaisista kielistä, samaa juurta kuin saksan Wasser ja englannin water.

Suomensukuisissa kielissä on toinenkin vettä merkitsevä sana, jota edustaa esimerkiksi saamen čáhci, mutta sen vastine ei syystä tai toisesta ole säilynyt suomessa. Ehkäpä indoeurooppalainen tuontivesi on tuntunut muodikkaammalta ja käyttökelpoisemmalta.

Tarkemmin ajatellen vesi-sana on monimerkityksinen. Luonnon tavallisimman nesteen lisäksi se voi tarkoittaa muunkinlaisia nesteitä, kuten yhdyssanoissa hajuvesi, hiusvesi tai menovesi.

Vesiä voi erotella käsittelyn tai käyttötarkoituksen mukaan, vaikka Suomen oloissa juomavesi, kasteluvesi ja sammutusvesi ovatkin usein samaa tavaraa. Sade- ja sulamisvesistä tulee varsinkin asutuskeskuksissa viemäröitävää hulevettä. Murteissa hulevesi tarkoittaa tulvaa tai muuta väljää vettä, esimerkiksi sellaista, jota nousee sopivilla säillä jään päälle.

Luonnon osana vesi voi viitata erilaisiin vedenkokoumiin, etenkin järviin. Suomen peruskartasta löytyy satoja vesi-loppuisia paikannimiä, joista useimmat ovat vesistönnimiä, kuten Haukivesi, Hiidenvesi tai Puulavesi.

Useat vesien rannalla olevat asutuskeskukset ovat saaneet nimensä vesistön mukaan. Vesi-sana ei enää suoranaisesti viittaa veteen, kun puhutaan vaikkapa Petäjäveden kirkosta tai Ruoveden pappilasta.

Vesi-sanasta on aikojen kuluessa muodostettu valtava määrä johdoksia ja yhdyssanoja. Näistä suuri osa on vanhoja kansanomaisia murresanoja, kuten vetelä, vetinen, vetistää ja vettyä.

Vesikosta on muistona enää nimi, sillä tämä vesien äärellä ja vedessä viihtyvä näätäeläin on hävinnyt Suomesta 1900-luvun kuluessa. Myyttisiä veden asukkaita ovat olleet vetehinen ja vesu eli vesikyy, jotka mainitaan myös Kalevalassa.

Antiikista 1700-luvun loppupuolelle asti uskottiin veden olevan yksi maailman alkuaineista. Sitten selvisi, että se onkin vedyn ja hapen yhdiste. Oppitekoinen uudissana vety tuli suomen kielessä tarpeelliseksi kuitenkin vasta 1800-luvun puolimaissa, kun luonnontieteistä alettiin puhua ja kirjoittaa suomeksi.

Kaisa Häkkinen on suomen kielen emeritaprofessori Turun yliopistossa.

Julkaistu Tiede-lehden numerossa 11/2018

Hirmun anatomia on selvinnyt sääsatelliittien mikroaaltoluotaimilla. Ne näkevät pilvien läpi myrskyn ytimeen ja paljastavat ukkospatsaat, joista myrsky saa vauhtinsa. Kuva: Nasa/Trimm

Pyörivät tuulet imevät energiansa veden lämmöstä.

Trooppiset rajuilmat tappoivat vuosina 1995–2016 lähes 244 000 ihmistä, koettelivat muuten 750 miljoonaa ihmistä ja tuhosivat omaisuutta runsaan 1 000 miljardin dollarin arvosta, enemmän kuin mitkään muut mullistukset, esimerkiksi tulvat tai maanjäristykset.

Näin arvioi maailman luonnonkatastrofeja tilastoiva belgialainen Cred-tutkimuslaitos raporteissaan, joissa se laskee katastrofien pitkän aikavälin inhimillistä hintaa.

Myrskytuhot ovat panneet myrskytutkijat ahtaalle. Kaikki tahtovat tietää, mistä näitä rajuilmoja tulee. Lietsooko niitä ilmastonmuutos?

Lämpö alkaa tuntua

Näihin asti tutkijapiireissä on ollut vallalla käsitys, jonka mukaan hirmuista ei voi syyttää ilmastonmuutosta vielä kotvaan. Se alkaa voimistaa myrskyjä vasta pitkällä aikajänteellä.

Nyt hurjimpia myrskyjä on kuitenkin alettu kytkeä ilmaston lämpenemiseen. Esimerkiksi alkusyksystä 2017 Maailman ilmatieteen järjestö WMO arvioi, että lämpeneminen todennäköisesti rankensi elokuussa Houstonin hukuttaneen Harvey-myrskyn sateita.

Jotkut tutkijat ovat puhuneet kytköksistä jo vuosia.

Esimerkiksi Kerry Emanuel, Massachusettsin teknisen yliopiston myrskyspesialisti, laski 2005, Katrinan runnottua New Orleansia, että Atlantin ja Tyynenmeren myrskyt ovat nykyään 60 prosenttia voimakkaampia kuin 1970-luvulla.

Keväällä 2013 Nils Bohr -instituutin Aslak Grinsted raportoi, että lämpenemiskehitys vaikuttaa myrskyissä syntyviin tulva-aaltoihin.

Kun maapallon keskilämpötila nousee 0,4 astetta, myrskytulvien määrä tuplaantuu. Tämä rajapyykki on jo ohitettu. Kun lämpötila nousee kaksi astetta, tulvat kymmenkertaistuvat. Silloin superrajuja myrskyjä hyökyy Atlantilta joka toinen vuosi. Tähän asti niitä on nähty kerran 20 vuodessa.

Meri lämpenee otollisesti

Tärkein myrskyjä ruokkiva muutosvoima löytyy sieltä, mistä myrskyt ammentavat energiansa ja mihin ilmastonmuutoksen nähdään vaikuttavan: meriveden lämpötilasta. Se kehittyy myrskyille otolliseen suuntaan.

Esimerkiksi Meksikonlahdella, hurrikaanien voimanpesässä, on mitattu jopa pari astetta tavallista korkeampia meriveden lämpötiloja.

Kun Haiyan, yksi kaikkien aikojen kovimmista taifuuneista, marraskuussa 2013 jätti kaksi miljoonaa filippiiniläistä kodittomiksi, meri oli myrskyn syntyalueella vielä sadan metrin syvyydessä kolme astetta normaalia lämpimämpi.

Meressä tapahtuu muutakin epäedullista: pinta nousee. Se kasvattaa myrskyjen nostattamia tulva-aaltoja, jotka usein saavat aikaan pahinta tuhoa.

 

Näin hirmumyrsky kehittyy

Hirmun syntymekanismi on sama kaikkialla, vaikka nimitykset vaihtelevat. Atlantilla ja Amerikan puoleisella Tyynellämerellä puhutaan hurrikaaneista, Aasian puolella taifuuneista ja Intian valtamerellä ja Oseaniassa sykloneista. Grafiikka: Mikko Väyrynen

 

Trooppisia hirmumyrskyjä syntyy päiväntasaajan molemmin puolin 5. ja 25. leveyspiirin välillä. Päiväntasaajalla niitä ei muodostu, sillä sieltä puuttuu coriolisvoima, jota myrsky tarvitsee pyörimiseensä

Kehittyäkseen myrsky vaatii tietynlaiset olot. Suursäätilan pitää olla laajalla alueella epävakaa ja ukkossateinen ja meriveden vähintään 26 asteista 50 metrin syvyydeltä. Lisäksi tuulien pitää puhaltaa heikosti 12 kilometrin korkeuteen asti. Voimakkaissa virtauksissa myrskynpoikanen hajoaa.

1. Merestä nousee lämmintä, kosteaa ilmaa. Se kohoaa nopeas­ti ja tiivistyy ukkospilviksi, jotka kohoavat 10–15 kilometrin korkeuteen. Samalla vapautuu lämpöä, mikä ruokkii matalapainetta.

2. Fysiikan säilymislakien mukaan ylös kohoavan ilman tilalle virtaa ympäriltä korvausilmaa, jolloin ilmanpaine alueella laskee.

3. Lämpöä kohoaa ylös yhä laajemmalti, ukkospilvien jono venyy, ja ilman virtausliikkeet voimistuvat. Ilmanpaine laskee lisää, ja alueelle syntyy liikkuva matalapaineen keskus.

4. Paine-ero tuottaa voiman, joka alkaa pyörittää tuulia kiihtyvää vauhtia. Maan pyörimisliikkeestä aiheutuva coriolisvoima kiertää niitä spiraalin lailla vastapäivään kohti matalan keskusta. Kun tuulen sekuntinopeus nousee yli 33 metrin, on syntynyt trooppinen hirmumyrsky.

Hurjimmissa myrskyissä tuulen nopeus nousee 70–90 metriin sekunnissa. Pyörteen halkaisija vaihtelee puolestaan 400 kilometristä 1 000 kilometriin.

5. Myrskyn voimistuessa sen ylle muodostuu korkeapaine, joka pyörii tuulia vastaan. Laskeva ilmavirtaus kuivattaa ja lämmittää keskusta, ja se seestyy myrskynsilmäksi.

6. Silmää kiertävät tuulet sekoittavat tehokkaasti meren pintaa 50–100 metrin syvyydeltä. Kun lämmintä vettä painuu syvyyksiin ja viileää kohoaa pintaan, ”lämpövoimala” jäähtyy ja hitaasti liikkuva myrsky voi heikentyä. Nopeaan myrskyyn jarru ei ehdi vaikuttaa, ja silloin kumpuava vesi voi loppumatkasta muuttua vaaralliseksi.

7. Kun ranta lähestyy ja meri madaltuu, tuulet pakkaavat vettä myrskyn tielle tulva-aalloksi, joka syöksyy myrskyn mukana maalle tuhoisin seurauksin.

Maalle saavuttuaan myrsky laantuu, kun se ei enää saa käyttövoimaa meren lämmöstä.

 

Tuula Kinnarinen on Tiede-lehden toimitussihteeri.

Julkaistu Tiede-lehdessä 1/2014. Päivitetty 12.9.2018.