29 Ağustos 2017 Salı

Atmosferimiz: Havanın Tanımı ve Keşfi (2014)


Every Breath We Take: Understanding Our Atmosphere (BBC)
Kimyager Gabrielle Walker'ın sunduğu BBC yapımı bir belgesel. Havanın yapısı, fonksiyonu ve keşif süreci deneyler ve tarihsel perspektifle verilmiş. Özellikle tarihi açıdan temel bir bilgi veriyor. Basit gibi gözükse de önemli bir konu. 


NOTLAR
Dev gibi ağaçların aslında havadan ortaya çıkmış olması
Tree uses Co2 from the air, to build the molecules that make up everything from its mighty trunk to its delivate branches. Nitrogen that has passed from air into soil, nourishes the tree. Its leaves release O2.

Today, we know the air around us contains the raw materials from which life is made.

Peki hiçbir şey gibi gözüken bir boşluktaki maddeleri nasıl keşfettik?
Chance encounters, sheer blind luck, hard work, genius

Gabrielle Walker, trained chemist 
Air is a mixture of gases.
Ancient Greeks’ten beri havanın tek bir element olduğu düşünüldü. Entire and indivisible with no constituent parts.

First telescopes revealed worlds that had been hidden from our sight. Microscopes uncovering miniature kingdoms. A new breed of thinkers emerged. Passive observation evriliyor. Probing ve testing başlıyor. Kendilerine natural philosophers diyorlar.




A discovery made entirely by accident. 1754’te a Scottish doctor named Joseph Black. Bladder stones’a çare arıyor. Excruciating pain. 18yy da tek çare cerrahi ve anestezi falan yok. Bayağı açıyorlar hastaları ve taşları minik kazma küreklerle çıkartıyorlar. Joseph Black daha iyi bir çözüm arıyor.

Magnesia alba ile başladı. Bir salt. Corrosive properties ile tanınıyor. Taşları eritebileceğini düşünüyor. O zamanlar büyüteçlerle ısıtılıyor (şimdi blowtorch var). Rising bubbles of air dikkatini çekti. Bu havayı test etmeye karar verdi. İlginç sonuçlara ulaştı. Normal hava olan yerde 15 dakika yaşayan fare bu havanın olduğu yerde saniyeler içinde ölüyordu. Mum yanmıyordu. Gazın ilk tanımlanması. Black buna “fixed air” adını taktı. Sebebi Magnesia alba’nın içine sıkışmış olmasıydı. Bugün CO2 dediğimiz gazdı bu. Tabii Black bunu anlayamadı. Farklı bir hava olarak değerlendirdi. Common air’den farklı bir air saydı. Ama kafalarda soru işaretleri başladı. Niye fare ya da mum “fixed air” içinde farklı davranıyordu?



Brrr..! Böbrek taşı ameliyatı









Black çözemedi. Asistanı medical student Daniel Rutherford. O da yeni bir gaz buldu. O daha da sert. Mum hiç yanmıyor. Fare hemen ölüyor. Adına “noxious air” koydu. Aslında bulduğu nitrojen’di. Soluduğumuz havanın yaklaşık %80’ini oluşturan nitrojen. 22 yaşındaydı. Kafalar iyice karıştı. Combustion, respiration, air arasındaki ilişki?

Başkaları da bu konuda çalışıyor. 1783’ten bir manuscript. Teoriler var. “Inflammable air may be made from liquid substances containing phlogiston”. Phogiston havadaki bir ateş benzeri element olarak düşünülüyor. Yanan her şey de olduğu teorisi.

Phlogiston teorisi. When the candle burns, it gives off that fiery substance, phlogiston, if I cover the candle, phlogiston builds up inside the jar untill eventually theres no room for any more. And the candle goes out. Kalabalık bir odaya daha fazla insan alınamaması gibi. That’s why the combustion stops. Phlogiston canlılarda var olarak kabul ediliyordu. Nefesimizle dışarı çıkıyor mesela. Bizi de fanus altına koysalar, aynı şey olacak. Dışarı çıkan phlogiston a yer kalmayacak ve öleceğiz. Bu teori yaygın kabul gören açıklamaydı combustion ve respiration için. Fixed ve noxious air’in normal air’den daha fazla phlogiston içerdiğini düşünüyordu Rutherford. Oysa gerçek çok farklıydı. Oksiensiz kaldoğı için sönüyordu mum ve ölüyordu fare.

Oksijenin keşfiyle phlogiston teorisi çökmüş oldu.
Identfication of oxygen. A contentious issue. There are 3 contenders. An innovative Swedish pharmacist. A wealthy Parisian aristocrat. An ordinary working class Englisman Joseph Priestley.
Priestly farklı bir natural philosopher. Disorganized. Lacked focus. Bilgin demezsin ama çok yaratıcı. Diğerlerinin göremediği bağlantıları gördü. Hikaye brewery’de başladı. Most unlikely place. Brewery vats’den dışarı çıkan thick heavy air dikkatini çekti. Bir mum koydu. Çıkan havanın söndürdüğünü fark edince Black’in fixed air dediği hava olduğunu düşündü. Deneyler yapmaya başladı. Gazla suyu karıştırıp tadına baktı. Tingly tad. He had invented the world’s first fizzy drink. Gazlı içecek. Soda water.

İrlandalı bir cerrahtan fanus içinde rotting meat’ten fixed air çıktığını duymuştu. Ya meat fixed air’ini kaybettiği için bozuluyorsa diye düşündü. Acaba fixed air’i tekrar meat’e koyarsam bozulmasını önleyebilir miyim fikri geldi aklına. Ama insan etinin bozulmasını. Çünkü 18 yy da insan etini çürüten hastalıklar çok yaygındı. Gangrene. Yellow fever. Scurvy (sailor’s nemesis). Scurby’den ölen denizcilerin sayısı savaşta ölenlerden fazla.

Early 19th century protrayal of scurvy sufferers. Putrefying flesh.
Not: Aslında büyük buluşlara götüren sorgulamalar son derece basit. Sanıldığı gibi karmaşık formüllerin içinden çıkmıyor.  

Kaptan James Cook’tan scurvy’yi soda water ile tedaviyi denemesi istendi. Avustralya seferinde denedi ama işe yaramadı. Priestley’nin ilgisini çekmişti gazlarla çalışmak. Priestley ne doktordu ne de akademisyen. Sadece merakının peşinden yürüyen bir adam.

Characteristic of Priestley’s disorganized, scatter-gun approach to experimenting, one day, for no particular reason, he tried heating some mercury. İlginç bir şey olmadı, sadece turuncu ir toz çıktı O zamanlar buna mercury calyx diyorlar. Priestley bunu da ısıttı. Bubbles of gas çıkmaya başladı. Bunları topladı ve çeşitli testler yaptı. Fixed air’de ateş sönüyordu, oysa calyx’den elde edilen havada ateş daha da güçlü yanmaya başlıyordu. Fareler normal havada olduğundan iki katı fazla yaşıyordu. Kendi de denedi ve fantastik bir his olduğunu söyledi. “Up until now, only 2 mice and I have had the privilege of breathing it”

Bulduğunun özel bir hava olduğunu anladı. Aslında oksijeni keşfetmişti. Ama yine phlogiston teorisine bağlayarak yanlış yola saptı. Kendi bulduğu havada phlogiston olmadığı sonucuna vardı. Fareler bu yüzden ölmüyor, ateş yanmaya devam ediyordu. Böylece bu havaya “dephlogisticated air” adını verdi. Priestley oksijeni izole etmişti.














Scurvy













Swedish pharmacist Carl Scheele’de benzer deneyler yapıyor. 1771’de, Priestley’den 3 yıl önce, labında maddeleri karıştırırken farklı bir gaz buldu. Ama Scheele bulgularını çok sonra yayınladı. Scheele ilk bulan, Priestley ise ilk person to document it.

Artık bulundu, sıra anlaşılmasında which requires the mind of a visionary.
France. Revolution in the air. High taxes. Famine rife. Civil unrest close to boiling point.
Antoine Lavoisier. Only son and heir of one Paris’ most distinguished families. Absurdly wealthy and bright person. He has only one passion: natural philosophy. Daha 29 yaşında her konuda yayınları var. Paris’in su kanallarından, meteorların muhteviyatına kadar. Precision ve accuracy tutkunu. O dönem kullanılan standartlaşmamış karışık ölçüm sistemleri deli ediyor. He developed a new orderly system of grams and kg. The metric system. 18yy daki çoğu bilgin gibi maddeleri ısıtıp değişimleri gözlemlemeyi seviyor. Başta phlogiston teorisine inanıyor. Ama kafasına takılan bir konu var. Isıyla maddeler phlogiston salıyorsa bu hafiflemelerini gerektirirsi, ama öyle olmuyordu. Önce bir kurşunun ağırlığını ölçtü. Sonra ısıttı. Toz olana kadar (lead calyx) ısıttı. Calyx’i tarttığında baştaki lead’den daha ağır olduğunu gördü. Pivotal moment. Demek ki phlogiston teorisi yanlıştı. Weights ve measures üzerine ilgisi işine yaradı bunu açıklarken.

Bu sefer önce lead’i bir teraziye koydu. Sonra o teraziyi başka bir teraziye koydu. Sonra da üzerini fanuslakapattı. Lead’i dışarıdan ısıttı. Isındıkça ağırlığı arttı. Ama en dıştaki ağırlıkta bir değişiklik yoktu. Demek kI jar içindeki bir başka madde ağırlık yapıyor. Hava lead içine giriyordu demek ki.  

Lead içinden o maddeyi çıkarıp incelemek istedi ama yapamadı. İngiliz bilgin Priestley Paristeydi. Onunla buluştular. Kimya konuştular. Civa ile yaptığı deneyleri anlattı Priestley. Mercury absorbed air when heated. But crucially, unlike lead, when it was heated a second time, it released the air, it had observed. And not just any air. Dephlogisticated air.

Lavoisier deneyine mercury ile devam etti.
He heated mercury until it turned to mercury calyx and he measured how much air went into it. Then he heated mercury calyx until it turned into mercury and measured how much air came out. It was exactly the same amount.

The mercury had absorbed a part of ordinary air when heated. And that same part had been released again. The air released was the gas priestley called dephlogisticated air. He thought that should be part of ordinary air. Ground-breaking discovery. He called the gas  “oxygen”. 1774’da açıkladı keşfini. Scheele şaşkınlık çindeydi. Priestley kendi buluşu olduğunu iddia etti.
Bir şey bulmanın yanında bulduğunu anlamak da lazım. Tartışmalar.

Fixed air was CO2, Noxious air was nitrogen. They were found to be parts of the air too. Air was made up of mixture of gases. Artık hava raw materials içeren bir madene benziyordu insanlık için.











Oxygen could be bubbled through molten iron to remove impurities. And pure iron allowed them to make steel which paved the way building railways, ships and factories that powered the ind rev. Manufacturing those gases is still big business today.

Air separation plant
Sadece bu fabrikada günde 2000 ton hava ayrıştırılıyor. Sucked in, compressed, and then cooled to cryogenic temps so the gases become liquids.

Kaba liquid nitrogen döktü. Şişik balonu içine koydu. Balonun içindeki gaz kondense olur. Soğur. A liquid nitrogen bath is -196C. -185’de oxygen in the baloon should be condensed from gas to liquid. Balonun dibinde sıvı birikti ve tamamen pörsüdü. Çıkarttığında ısı yükselince svı gaza dönüşüyor yavaş yavaş ve yine şişmeye başlıyor balon.

Because nitrogen becomes liquid at a lower temp than oxygen, cooling the air makes it possible to separate out the two gases. A process that transforms invisible air to tangible raw materials we can use.

Oxygen is used in hospitals to save lives. Also an ingredient in modern plastics. It powers the rockets.
Nitrogen makes the fertilizers that nourish crops. Its used in packaging ind to keep our food fresh.
The relationship between the air and living things? Havanın gaz karışımı olduğu anlaşıldıktan sonra sıradaki soru bu oldu.










Yine ilk adımları Lavoisier attı. Kullandıkları oksijeni ölçebiliyordu kabinlere koyarak ama verdikleri ısıyı nasıl ölçecekti? Dahiyane bir alet yaptı. Lavoisier’nin kullandığı aletler sergileniyor günümüzde. Calorymeter aleti. Guinea pig düşünülerek yapılmış. Hayvan içeri konuyor. Haznenin hacmi biliniyor. Böylece kullanılan oksijen ölçülebiliyor. Dış chambers buzla dolduruldu. Hayvanın sıcaklığıyla bu buzlar eriyecek ve toplanan su miktarından ısı bu şekilde ölçülecekti.  Lavoisier deneyi burning charcoal ile tekrarlandı. Charcoal ve guinea pig aynı oranda oksijen kullanmış ve aynı miktarda buz eritmişti. Hayvanın oksijen tüketimiyle yanma olayı birbirine bağlanmış oldu. Combustion ve respiration’ın aynı süreç olduğu gösterilmiş oldu. Yemeğin yakılmasının aynı şey olduğu anlaşıldı. 

Respiration temeli. Burning and Breathing.   
O lung da olduğunu düşünse de tüm hücrelerde gerçekleşen bir süreçti.
Bu deney Lavoisier’nin son çalışmalarında oldu. Respiration konusundaki bulguları onu değiştirdi. İnsan ne kadar enerji harcarsa, o kadar yemeğe ihtiyacı olmalıydı. Oysa o dönem Fransa’da manual labor tabakası en kötü beslenen kesimdi. Lavoisier doğuştan çok zengin olmasına karşın bu dengesizliği net görmeye başladı. Devrim günleri. Diğer zengin aristokrat arkadaşları gibi Fransa’dan kaçmadı. Oysa isyankar kalabalığın hçbir şey umurunda değildi. O da zenginlerden, burjuva elitlerindendi. 1794’te Place de la Revolution’da giyotinle öldürüldü.

A fellow scientist said: “it took them only an instant to cutoff his head and a hundred years may not produce another like it.”











Place de la Revolution

His life ended but his legacy lived on.
All the major gases (O2 CO2 Nitrogen) had been identified.
A niggling question revealing that oxygen, the gas of life, had a darker side.

Sorunu İngiltere’deki sıradan bir öğretmen olan John Dalton fark etti. Hava durumuna meraklıydı. Kırsalda yürüyüşlere çıkar sıcaklığı ve nemi ölçerdi.Lavoisier’nin buldukları büyüleyiciydi. Kafasında bir soru dönüyordu. Havayı oluşturan gazlar nasıl occupy the same space at the same time, when solid bodies obviously could not?

Farklı gazların parçacıklardan meydana geldiğini düşündü. Ancak bu yolla iç içe geçebilirlerdi. Over time, Dalton fine-tuned his theory. All things were made of particles. Sadece gazlar değil. Bir gazın parçacıkları diğerininkilerden farklıydı. Bu parçacıklara atom adını verdi. Atomic theory.

CO2 – carbon atoms stuck to two oxygen atoms. Nitrogen – twonitrogen atoms tightly bounded together. Artık farklı gaz tarace’leri olduğunu da biliyoruz havada: Argon, water vapor,
Oksijen yörüngesindeki 6 elektronu 8 e tamamlamak için her şeyle reaksiyona girebiliyor. When oxygen atoms react, they release the elixir of life itself: energy.












Deney
Liquid oxygen. İçine bisküvi batırılıyor. Çıkarttıktan sonra kibriti yaklaştırınca şiddetle yanmaya başlıyor. Oxygen is ripping and tearing electrons from the atoms in the digestive biscuit and releasing all that energy. Aynı şekilde vücudumuzdaki gıdalar da yakılıyor.

Oxygen’s spectacularly reactive nature sayesinde vücudumuz enerji buluyor. Ama bunun bir bedeli var. Ateşle oynuyoruz aslında. Ateşteki tahtalar gibi biz de yanıyoruz. Her reaksiyonunda rips and tears the electrons it needs. Elaborate bir süreç değil. Bu süreç sonunda free radicals oluşur. Free radicals are some of the most destructive and powerful particles on the planet. Flames are full of free radicals. And so are our bodies every time we breath. They tear through our molecules and cells. 
Over time that damage accumulates. And in the end, it is that damage why we grow old and die.
With every breath we take, oxygen is slowly killing us.

Göl diplerindeki balçıkta yaşayan bakteriler için oksijen zehirli. O yüzden suyun altında yaşıyorlar. Oksijen yerine sudan sülfat alıyorlar. Ama bu çok daha etkisiz bir alternatif. Dolayısıyla tek hücreden ötesine geçecek enerji elde edemiyorlar. Sadece oxygen-breathers bu enerjiyi karşılayabileceği için, afford, multicellular big bodies şeklinde evrilebiliyor.

Without oxygen, we’d all be pond slime.

Walking, running, flying, and thinking can only be done with oxygen’s energy.  










Hiç yorum yok:

Yorum Gönder

Related Posts Plugin for WordPress, Blogger...