Robert Boyle

Galileo Galilei hatte bereits versucht, das Gewicht der Luft zu messen. Otto von Guericke hatte bereits Luft aus geschlossenen Räumen herausgepumpt. Riccioli vermutete, dass die Luftsäule über der Erde etwa 75 km in die Höhe reicht, und Blaise Pascal vermutete, dass der Luftdruck auf hohen Türmen und Bergen geringer als auf der Erde sein müsste.

Robert Boyle verbesserte zusammen mit Robert Hooke die Luftpumpe, und nach ihrer Vollendung 1659 begann er eine Reihe von Experimenten über die Eigenschaften der Luft. Im Jahr 1660 machte Boyle seine wichtigen Versuche zur Bestimmung des Luftdruckes, die er in New Experiments, Physico-Mechanical, touching the Spring of the Air publizierte. Boyle füllte ein einseitig verschlossenes Rohr mit Wasser und stellte das Rohr mit der Öffnung nach unten in eine Sperrflüssigkeit (Wasser, Quecksilber). Einige wenige Luftblasen waren im Rohr vorhanden. Nun brachte er die Anordnung unter eine Glasglocke und saugte mit einer Luftpumpe die Luft heraus. Dabei sank die Füllhöhe der Sperrflüssigkeit im Rohr, weil sich die eingeschlossenen Luftblasen im Rohr ausdehnten. Boyle wandelte die Versuchsanordnung ab, indem er ein U-förmig gebogenes Glasrohr mit ungleich langen Schenkeln benutzte. Er füllte zunächst Quecksilber in das Rohr, dann Wasser. Aufgrund des höheren spezifischen Gewichtes von Quecksilber wurde die Wassersäule heruntergedrückt. Mit dieser Anordnung konnte er das spezifische Gewicht von Quecksilber in Relation zum Wasser bestimmen, der Faktor betrug 13,54.

Boyle nutzte dann das U-förmige Rohr zur Luftdruckmessung, indem er den kurzen Schenkel mit Wachs verschloss und Quecksilber in das Rohr einfüllte. Mit einem aufgeklebten kalibrierten Papierstreifen konnte er so den Luftdruck bestimmen. Mit der Luftpumpe verminderte er nun den Luftdruck und konnte zeigen, dass Luftdruck und Volumen immer umgekehrt proportional sind. Dieses Ergebnis veröffentlichte Boyle 1662. 1676 entdeckte Edme Mariotte unabhängig von Boyle den Zusammenhang noch einmal. Der nach beiden als Gesetz von Boyle-Mariotte benannte Zusammenhang für ideale Gase lautet:

${\displaystyle V=const\cdot {\frac {1}{p}}}$ oder ${\displaystyle \textstyle p\cdot V=const}$ ${\displaystyle \textstyle (p=Druck,V=Volumen).}$

Es ist ein Spezialfall des allgemeinen Gasgesetzes. Bei seinen Versuchen zeigte Boyle auch, dass Schall sich im Vakuum nicht ausbreiten kann.

Boyles Experimente mit der Luftpumpe führten zu einer Kontroverse mit Thomas Hobbes, die möglicherweise religiös-politisch untermauert war. Boyle war an der Beschreibung der Wirkungen interessiert, nicht an den den Fakten zugrundeliegenden Ursachen. Hobbes forderte, dass das neue Wissen kausal und notwendig hergeleitet sein müsse. Die bloß experimentelle Herbeiführung künstlicher Effekte führe – so Hobbes – nicht zu wahrem Wissen, da induktive Schlüsse von der Wirkung auf die Ursachen stets hypothetisch blieben. Auch das Argument Boyles, dass seine Experimente jederzeit wiederholbar seien, konnte Hobbes Skeptizismus gegenüber wissenschaftlichen Instrumenten und der durch sie bedingten Verfälschung der Natur nicht beseitigen.[2]

Titelseite des The Sceptical Chymist (1661).

Im Jahr 1661 veröffentlichte Boyle sein zweites Werk The Sceptical Chymist (Der skeptische Chemiker). Boyle erwähnt in seinem Buch, dass er der deutschen Sprache nicht mächtig sei, so dass in seinem Werk keine deutschen Literaturstellen zur Theorie von Elementen (z. B. von Joachim Jungius) angegeben wurden. In The Sceptical Chymist unterstrich Boyle die Forderung von Francis Bacon, in naturwissenschaftlichen Bereichen gründliche experimentelle Methoden anzuwenden (Empirie). Die Beobachtungen müssten geprüft und erst dann dürften Theorien gemacht werden.

Boyle machte die Erforschung der Eigenschaften der Stoffe zu einer wissenschaftlichen Aufgabe. Er erblickte somit in der Chemie erstmals eine selbstständige Wissenschaft. Er gilt auch als Begründer der analytischen Chemie, das Wort Analyse (Auflösung) wurde von ihm geprägt. Er verwendete Indikatoren (Lackmus, Veilchen) zum Nachweis von Säuren und Basen in Salzen und gab diese Reaktionsprüfung 1662[3] bekannt. Vermutlich entdeckte er bei seinen Destillationen Aceton (durch Erhitzen von Bleiessig) und Methanol (durch Erhitzen von Holz), da noch keine Elementaranalyse entwickelt worden war, gelten spätere Forscher als deren Entdecker. Boyle nutzte auch erstmals eine Vakuumdestillation.

In Abschnitt 3 und 6 seines Buches werden wichtige Fragen zum Elementbegriff gestellt. Wer hat Gold in seine Elemente zerlegt? Wer hat Glas in seine Elemente zerlegt? Waren diese nicht zerlegbaren Stoffe möglicherweise Elemente?

Destillierte Boyle Holz, so erhielt er den Holzessig, eine damals nachweisbare Säure. Wurde Holz aber über Korallen destilliert, so erhält er ein anderes nichtsaures Destillat (etwas Methanol (Holzgeist)). Welche Gründe gab es für die Entstehung unterschiedlicher Stoffe?

Boyle erkannte durch Wägung, dass bei der Metallverkalkung (starke Erhitzung eines Metalls mit Feuer und Luft, dabei entstehen Metalloxide) das Gewicht des salzartigen Stoffes gegenüber dem reinen Metall zunahm. Diese Erkenntnis sprach gegen die später aufgekommene Phlogistontheorie.[4]

Für Boyle war Chemie die Wissenschaft der Zusammensetzung der Substanzen, und er trug zum heutigen Verständnis der chemischen Elemente als die (chemisch) unzerlegbaren Bausteine der Materie bei. Sein Elementbegriff wirkt zwar modern, dahinter stehen aber noch alchemistische Vorstellungen (zum Beispiel glaubte er an eine Materia Prima), und seine Vereinnahmung für moderne Vorstellungen des Aufbaus der Materie ist mit Vorsicht zu betrachten.[5] Da er den Unterschied zwischen Gemisch und Verbindung erkannte, konnte er beträchtliche Fortschritte in der Bestimmung der Bestandteile machen, ein Prozess, den er Analyse nannte (zum heutigen Begriff vgl. unter Kationentrennungsgang, Nachweisreaktion). Er kann daher als Mitbegründer der Analytischen Chemie gelten. Diese nasschemische Analysentechnik wendete er auch auf Erzproben an.

Im Jahr 1660 konnte er zeigen, dass eine Maus in einer geschlossenen Kammer, in der eine Kerze brennt, in demselben Augenblick stirbt, wie die Kerze erlischt. Dem Sauerstoff, dessen Mangel dafür verantwortlich war, kam man erst in den Jahren nach 1770 auf die Spur.

Der experimentell arbeitende Boyle lehnte die auf Empedokles zurückgehende Lehre der vier Elemente – Erde, Luft, Feuer und Wasser – ab, ebenso die Lehre des Paracelsus über die drei Prinzipien (Salz, Schwefel, Quecksilber). Er verfolgte auch das alchimistische Ziel der Elementumwandlung. So glaubte er auch noch an Metalltransmutationen mithilfe des Steins der Weisen und war an Nachrichten über alchemistische „Adepten“, die vorgaben, diese durchführen zu können, sehr interessiert und Zeuge mehrerer solcher Versuche. Ein Auszug aus seinem Dialogue on Transmutation erschien 1678 anonym (A degradation of gold by an anti-elixir). Boyle arbeitete insbesondere mit dem Alchemisten George Starkey zusammen, von dem er eine Substanz erhielt, die er für das von Alchemisten gesuchte philosophische Quecksilber hielt. Mit dieser führte er jahrzehntelang Experimente durch, über welche er in verklausulierter Form 1675 in den Philosophical Transaction der Royal Society berichtete. Boyle korrespondierte mit Alchemisten in ganz Europa – dadurch war er auch einer der Ersten, die im Ausland die Entdeckung des Phosphors durch Hennig Brand aufgriffen. Er erreichte 1689 die Aufhebung eines alten Gesetzes, das Transmutationsexperimente zur Gewinnung von Edelmetallen verbot (erlassen aus Angst vor Geldfälschung). Sein Verhältnis zur Alchemie ist früher wenig beachtet worden, was – ähnlich wie bei Isaac Newton – durch einen Hang zur Geheimhaltung von Seiten Boyles in diesen Fragen gefördert wurde, und ist erst später durch Studien insbesondere von Lawrence M. Principe und William R. Newman in ein neues Licht gerückt worden.

Nach dem Tode Boyles entstand eine Korrespondenz zwischen Isaac Newton und John Locke um eine mysteriöse Hinterlassenschaft Boyles, die sie als „red earth“ (rote Erde) bezeichneten. Boyle schrieb ihr die Fähigkeit zu, Metalle zu „transmutieren“. Am 21. Januar 1692 schrieb Newton an Locke und bat um die Rücksendung seiner „Two Notable Corruptions“. Worum es sich hierbei handelte, lässt sich aus der Antwort Lockes schließen, die einen Teil von Boyles „red earth“ und deren Herstellungsrezept enthalten haben soll. Nach dem Empfang schrieb Newton: „This receipt I take to be that thing for the sake of which Mr. B. produced the repeal of the Act of Parliament against Multipliers“ (Newton bezog sich hier auf ein Gesetz von König Heinrich IV, das die Transmutation von Metallen in Gold oder Silber verbot). Am 2. August 1692 schrieb Newton einen Brief an Locke, wobei er den Begriff „red earth“ benutzte. Aus der veröffentlichten Korrespondenz wird klar, dass Newton niemals versucht hat, mit der „red earth“ Gold herzustellen, dass er jedoch ein Jahr später, im August 1693, einen Selbstversuch gewagt und etwas von der „red earth“ eingenommen hat, was in den folgenden Wochen einen emotionalen Zusammenbruch herbeiführte[6].

Boyle entwickelte eine Vorstellung, nach der es eine Vielzahl von kleinsten Teilchen gäbe, die in verschiedener Weise kombinierbar seien und eine Form bildeten, die er „Korpuskel“ (corpuscles) nannte. Die umfassende Theorie hierzu nannte er corpuscularian theory[7], von deren Einfachheit bei gleichzeitiger Universalität er ausging, so dass man keinerlei Befürchtungen hegen müsse, dass sie je durch eine andere physikalische Hypothese abgelöst werden würde.