Joseph Black

Latente: materie absorbeert warmte terwijl de temperatuur gelijk blijft

Joseph Black 1728-1799

Joseph Black werd geboren in Bordeaux als zoon van een wijnhandelaar en studeerde aan de universiteiten van Belfast en later Glasgow. In Glasgow was de bekende scheikundige William Cullen zijn studiebegeleider, al groeide hun relatie al spoedig uit tot die van professor en medewerker. Cullen verrichtte vernieuwend werk op het gebied van de scheikunde en de classificering van ziekten, waarbij hij vier hoofdcategorieën onderscheidde, maar stond vooral bekend om zijn onorthodoxe manier van doceren en om zijn inspirerende colleges. Zeker inspireerden ze de jonge Black, die de scheikunde een stevige wetenschappelijke fundering zou geven, al is er tijdens zijn leven nooit werk van hem gepubliceerd.

De herontdekking van kooldioxide

Hoewel Jan Baptist van Helmont al een eeuw voor Joseph Black in het voetlicht trad en het bestaan van andere gassen dan lucht had ontdekt, was er daarna weinig meer gedaan om voort te bouwen op diens waarnemingen. Om deze reden krijgt de Schotse wetenschapper vaak de eer van de ontdekking van kooldioxide, al was Van Helmont zich zeker ook al bewust van het bestaan ervan. Black was echter wel de eerste die de eigenschappen van kooldioxide doorgrondde en kwantificeerde, waarmee hij de fundamenten legde van de moderne scheikunde.

Het belang van de methode

De benadrukking door Black van het belang van kwantitatieve experimenten betekende ook een belangrijke stap voorwaarts in de richting van een nieuw scheikundig tijdperk. Door de toepassing van deze methode kwam hij tot de resultaten die in zijn belangrijkste tekst staan, Experi-ments upon magnesia alba, quicklime, and some other alcaline substances (1756). Hij omschreef de cyclus van chemische veranderingen in een van de toonaangevendste experimenten in de geschiedenis van de scheikunde. Black nam waar hoe kalksteen (calciumcarbonaat) bij verhitting ongebluste kalk (calciumoxide) en `fixed air’ (kooldioxide) produceerde. Daarna mengde hij de ongebluste kalk met water, wat gebluste kalk (calciumhydroxide) opleverde, en door dat resultaat weer met kooldioxide te combineren, verkreeg hij weer kalksteen (plus water). Vooruitlopend op de ontdekkingen van Antoine Lavoisier van een eeuw later concludeerde Black dat kooldioxide een apart gas was, anders dan ‘normale’ (atmosferische) lucht, en tevens in kleine hoeveelheden een van de samenstellende delen ervan. Ook toonde hij aan dat door kooldioxide uit kalksteen te halen, de laatste basischer werd, met een omgekeerd effect wanneer er weer kooldioxide werd toegevoegd. Zo ontdekte hij de zure eigenschappen van het gas. Black bewees ook dat kooldioxide ontstond door ademhaling, door het verbranden van houtskool en door gisting, maar dat er geen kaars in het gas kon branden en dat dieren er niet in bleven leven.

De fysica van warmte

Later richtte Black zijn aandacht op de natuurkunde, op welk terrein hij ook belangrijke vondsten deed. Dankzij nauwgezet uitgevoerde experimenten en metingen kwam hij op het idee van de ‘latente warmte’, de mogelijkheid van materie om warmte te absorberen zonder van temperatuur te veranderen. Het beste voorbeeld hiervan is de verandering van ijs in water bij een temperatuur van 0°C. Er is warmte nodig om water te vormen, maar de gevormde vloeistof heeft dezelfde temperatuur. Hetzelfde principe gaat op bij de overgang van water in waterdamp en bij de overgang van alle vaste stof in vloeistof en vloeistof in gas. Black heeft altijd een onderscheid gemaakt tussen warmte en temperatuur. De experimenten met latente warmte leverden meteen resultaat, want James Watt, die van deze ontdekkingen gebruikmaakte om zijn stoommachine te ontwikkelen, was een vriend van Black.

Verdere wapenfeiten

Black heeft ook vele andere bevindingen tot uitdrukking gebracht die met warmte te maken hadden. Zo formuleerde hij de theorie van ‘specifieke warmte’, de theorie die stelt dat verschillende hoeveelheden warmte nodig zijn om gelijke massa’s van verschillende materialen op dezelfde temperatuur te krijgen. Hieruit ontwikkelde hij de calorimetrie, de eerste nauwkeurige methode om warmte te meten, die nog steeds, in gewijzigde vorm, wordt toegepast, en een apparaat dat hierbij de warmte kan meten, de calorimeter.

1746-1750 Black studeert scheikunde aan de Universiteit van Edinburgh. 1754 Presenteert zijn idee over de cyclus van scheikundige reacties. 1756-1766 Professor in de geneeskunde en docent scheikunde aan de Universiteit van Glasgow. 1757 Ontdekt het begrip ‘latente warmte’. 1766 Hoogleraar in de scheikunde in Edinburgh, wat hij tot zijn dood in 1799 zou blijven.