19. Die Chemie und die Physik treten in engere Wechselbeziehungen.
Sehr viele von den Errungenschaften, die auf chemischem und physikalischem Gebiete zu Beginn der neueren Zeit gewonnen wurden, knüpfen sich an den Namen Gay-Lussacs, so daß es gerechtfertigt erscheint, diese Forschergestalt unter den vielen, die sich um den Ausbau und die Verknüpfung der genannten Wissenszweige verdient gemacht haben, besonders hervortreten zu lassen.
Louis Joseph Gay-Lussac wurde am 6. September 1778 in einer kleinen Stadt[486] des mittleren Frankreichs geboren. Da er zu den ausgezeichnetsten Schülern der École polytechnique gehörte, wählte ihn der Chemiker Berthollet zu seinem Gehilfen. Die ersten Lorbeeren, die sich Gay-Lussac auf dem Felde der Wissenschaft verdiente, hatte er einem eigentümlichen Umstande zu verdanken. Durch die alltägliche Beobachtung, daß der Rauch unter dem Einfluß warmer Luft im Kamin emporsteigt, waren die Gebrüder Montgolfier auf den Gedanken gekommen, eine Papierhülle durch ein darunter befindliches Feuer zum Emporsteigen zu bringen. Ihrem berühmt gewordenen Versuch vom Jahre 1783, bei dem sich eine derartige Hülle von 22000 Kubikfuß Rauminhalt durch ein darunter befindliches Strohfeuer auf eine Höhe von etwa 2000 Metern erhob, waren zahlreiche, von mehr oder weniger Erfolg begleitete Aufstiege gefolgt. Der Physiker Charles war noch in demselben Jahre zur Füllung der Ballons mit Wasserstoff übergegangen. Trotzdem blieb eine Luftreise bei dem Fehlen der heutigen Sicherheitsvorrichtungen zunächst ein sehr gewagtes Unternehmen. Als sich die Pariser Akademie im Anfang des 19. Jahrhunderts entschloß, Aufstiege zu wissenschaftlichen Zwecken zu veranstalten, galt es daher, einige jüngere, beherzte Forscher zu gewinnen. Die Wahl fiel auf Gay-Lussac und Biot, die im Sommer des Jahres 1804 einen gemeinschaftlichen Aufstieg unternahmen, dem bald darauf eine von Gay-Lussac allein ausgeführte Luftreise folgte. In der von dem letzteren erreichten Höhe von 7000 Metern betrug die Temperatur -9,5°, während zur selben Zeit in Paris ein im Schatten befindliches Thermometer +27,5° zeigte. Die atmosphärische Luft war nach den Analysen Gay-Lussacs in den oberen Schichten der Atmosphäre von derselben Zusammensetzung wie in der Nähe der Erdoberfläche. Auch wies Gay-Lussac nach, daß die Luft nicht etwa in größeren Höhen einen Gehalt von dem so leichten Wasserstoffgas besitze, wie einige Physiker zur Erklärung des Gewitters, das in Knallgasexplosionen bestehen sollte, angenommen hatten. Insbesondere war die Aufmerksamkeit Gay-Lussacs auf das Verhalten gerichtet, welches die Magnetnadel in größerer Entfernung vom Erdboden zeigt. Die angestellten Schwingungsbeobachtungen ergaben, daß ein Höhenunterschied von mehreren tausend Metern die magnetische Kraft nicht merklich beeinflußt. »Biots und Gay-Lussacs Luftfahrten«, schrieb später Arago[487], »werden im Andenken der Menschen fortleben als die ersten derartigen Unternehmungen, die behufs Lösung wissenschaftlicher Aufgaben mit entschiedenem Erfolge ausgeführt wurden«.
Die Analyse der atmosphärischen Luft und die Zuverlässigkeit der hierfür benutzten Mittel waren zu der Zeit, als Gay-Lussac seine Tätigkeit begann, viel umstritten. Insbesondere war der Glaube verbreitet, daß der Gehalt an Sauerstoff schwankend und für die Güte der Luft bestimmend sei. Die zur Ermittlung des Sauerstoffgehaltes ersonnenen Apparate wurden daher Eudiometer (Luftgütemesser) genannt. Das erste Eudiometer rührt von Priestley her. Es beruhte auf dem Verhalten von Stickoxyd gegen Sauerstoff[488] und wurde von Fontana (1774) verbessert. Weit bessere Ergebnisse erhielt man bei dem von Lavoisier in Vorschlag gebrachten Verfahren[489]. Es besteht darin, daß eine gemessene Luftmenge über Quecksilber abgesperrt und mit Phosphor in Berührung gebracht wird. Durch die langsame Oxydation dieser Substanz wird der Sauerstoff völlig gebunden, und die Luft erleidet eine entsprechende Volumverminderung. Aber selbst Lavoisiers Versuchsfehler waren noch so groß, daß er für den Sauerstoffgehalt Schwankungen von 18 auf 25% annahm. Im wesentlichen auf dem gleichen Prinzip beruht das von Volta vorgeschlagene Eudiometer. Die zu untersuchende Luft wird mit Wasserstoff zusammengebracht. Ist dieses Gas in hinreichender Menge vorhanden, so reißt es bei der durch einen elektrischen Funken bewirkten Explosion des Gasgemisches den gesamten Sauerstoff der Luft an sich und verbindet sich damit zu Wasser.
Auch Alexander von Humboldt beschäftigte sich mit eudiometrischen Bestimmungen. Nachdem er in Paris mit Gay-Lussac bekannt geworden war, schlossen beide, ihrer außerordentlichen Leistungen wegen gefeierten Männer ein enges Freundschaftsbündnis. Die schönste Frucht desselben war eine gemeinsame, im Jahre 1805 veröffentlichte Arbeit über die eudiometrischen Mittel und über das Verhältnis der Bestandteile der Atmosphäre[490]. Diese Arbeit ergab, daß Voltas Eudiometer das schätzbarste Instrument für die Analyse der Luft ist. Ein wichtiges Nebenergebnis war der Nachweis, daß sich der Sauerstoff mit dem Wasserstoff nach dem unveränderlichen und einfachen Volumverhältnis 1 : 2 verbindet. Nach den früheren Versuchen von Cavendish schien dies Verhältnis kein einfaches zu sein.
Während sich der vielseitige von Humboldt neuen Aufgaben zuwandte, vertiefte sich Gay-Lussac in das Studium der Gase, über deren chemisches und physikalisches Verhalten wir ihm eine Fülle von Entdeckungen verdanken. Seine erste Arbeit über diesen Gegenstand war im Jahre 1802 auf Berthollets Anregung entstanden. Diese Arbeit handelte von der Ausdehnung gas- und dampfförmiger Körper[491] und lieferte den nicht nur in praktischer Hinsicht, sondern auch für die Theorie sehr wichtigen Nachweis, daß »alle Gasarten und Dämpfe bei derselben Temperaturerhöhung, unter im übrigen gleichen Umständen, in gleichem Grade ausgedehnt werden.« Gay-Lussacs Untersuchung erstreckte sich auf Sauerstoff, Wasserstoff, Stickstoff, Ammoniak, Schwefeldioxyd Kohlendioxyd und Ätherdampf. Nach seinen Messungen beträgt die Volumzunahme dieser Gase bei einer Temperaturerhöhung von 0 auf 100 Grad 0,375 des ursprünglichen Volumens. Durch spätere Bestimmungen ist dieser Ausdehnungskoeffizient zu 0,366 (oder für eine Temperatursteigerung von 0° auf 1° zu 0,00366 = 1/273) ermittelt worden.
Gay-Lussacs Untersuchung über die Ausdehnung der Gase war älteren Untersuchungen gegenüber besonders deshalb ein großer Fortschritt, weil er die gasförmigen Körper, an denen er Messungen anstellen wollte, vorher vermittelst Chlorkalzium trocknete und damit eine wesentliche Fehlerquelle beseitigte. Daß Gay-Lussacs Bestimmung dennoch mit einem nicht unerheblichen Fehler behaftet blieb, ist darauf zurückzuführen, daß das Trocknen der Gefäße und der Gase noch in nicht genügendem Maße stattfand.
Das von Gay-Lussac beim Messen des Ausdehnungskoeffizienten eingeschlagene Verfahren wird aus der beistehenden, seiner Abhandlung entnommenen Abbildung ersichtlich. Der Ballon D wird über Quecksilber mit dem zu untersuchenden Gase gefüllt. Der ganze, in Abb. [57] dargestellte Apparat wird in ein Wasserbad getaucht und auf 100° erhitzt. Dabei entweicht ein Teil des Gases durch das zweimal gebogene Rohr B, dessen Öffnung durch Quecksilber gesperrt ist. Hat der Ballon die Temperatur des siedenden Wassers angenommen, so wird die Glasröhre B entfernt und das Wasserbad auf die Temperatur des schmelzenden Eises abgekühlt. Das Quecksilber steigt dann, entsprechend der Zusammenziehung des Gases, den graduierten Hals des Ballons hinauf. Man erhält so die Größe des Luftvolumens, das durch die Erwärmung aus dem Ballon von bekanntem Inhalt entwichen ist.
Abb. 56. Apparat Gay-Lussacs zur Bestimmung des Ausdehnungskoeffizienten der Gase.