زندگینامه الساندرو ولتا

نوشته پی‌یر لویجی بولدینی

ترجمه علی ضرغامی

بسیاری از پیشرفت‌های شیمی در طی نیمه دوم سده هیجدهم، ناشی از مطالعه و تفکیک هواها بود. این مطالعات مجموعه عظیمی از اطلاعات را فراهم آورد که مستقیما بر ضد فرضیه فلوژیستون (عنصری فرضی که پیش از کشف ماهیت احتراق، عامل اصلی این پدیده به شمار می‌رفت) بود و از این راه، تکامل شیمی جدید به وسیله لاووازیه امکانپذیر شد. اولین کار مهم در تحلیل گازها به توسط شیمیدان اسکاتلندی جوزف بلیک (۱۸۲۷- ۱۷۹۹) انجام شد. او در سال ۱۷۵۷ کشف کرد که گرچه گاز دی اکسید کربن در هوا وجود دارد، اما ماده گازی کاملا متفاوتی است. سپس، در حدود سال ۱۷۷۰، کاوندیش (هنری کاوندیش، ۱۷۳۱- ۱۸۱۵ شیمیدا و فیزیکدان انگلیسی که وزن مخصوص ئیدروژن و دی اکسید کربن را تعیین کرد. اکتشافات دیگری نیز در شیمی و فیزیک دارد)، پریستلی (جوزف پریستلی ۱۷۳۳- ۱۸۰۴ شیمیدان انگلیسی که اکسیژن را کشف کرد و مطالعات زیادی نیز درباره الکتریسیته داشت) و شیله (کارل ویلهلم شیله ۱۷۴۲- ۱۷۸۶ شیمیدان سوئدی کاشف کلر، باریوم، منگنز، اکسیژن (مستقل از پریستلی) و نیز ترکیباتی مانند آمونیاک، گلیسیرین، اسید تارتاریک)، تقریبا به طور همزمان و مستقل از یکدیگر، درباره موضوعات مشابهی کار کردند و به اکتشافات مشابه نایل شدند. آنها هوای قابل احتراق (ئیدروژن)، کلر، نیتروژن، اکسیژن، اکسید نیتریک و بسیاری چیزهای دیگر را کشف کردند.

گاز مرداب و تپانچه الکتریکی

ولتا، در پاییز سال ۱۷۷۶، هنگامی که در برکه ماگیوره به قایقرانی مشغول بود، گاز مرداب را یافت. او متوجه شد که به ویژه در مناطق کم عمق پرلجن، حباب‌هایی به سطح دریاچه می‌آیند. به خصوص موقعی که کف دریاچه در نزدیکی ساحل به هم زده می‌شد حباب‌ها زیاد می‌شدند. ولتا مقدار از این گاز را از سطح دریاچه جمع‌آوری کرد و به قابل احتراق بودن آن پی برد. مطالعات او بر روی گاز مرداب به صورت ۷ نامه، در خلال سال‌های ۱۷۷۶ و ۱۷۷۷ منتشر شد، برخی از این نامه‌ها به فرانسه و آلمانی ترجمه شدند. از میان این نامه‌ها، سه نامه بسیار جالب توجه هستند. در اولین آنها، ولتا آزمایش‌هایی را شرح می‌دهد که برای مشخص کردن ویژگی‌های «هوای» جدید انجام داده است. در دومین نامه، منشا گاز مرداب (متان) را از فساد مواد حیوانی و گیاهی می‌داند (این نظر بعدا تایید شد) و تفاوت هایی میان این هوا و ئیدروژن را توضیح می‌دهد، و در نامه دیگر احتراق متان را در یک لوله باز، که به توسط جرقه الکتریکی در دهانه لوله آغاز می‌شود، شرح می‌دهد.

در سال ۱۷۴۵ آزمایشی مشابه به وسیله شیمیدان و فیزیکدان انگلیسی ویلیام واتسون (۱۷۱۵- ۱۷۸۷) انجام گرفت. او در پی آن بود که رابطه‌ای میان آتش شیمیایی و الکتریکی بیابد و وقتی ئیدروژن را مورد آزمایش قرار داد، انفجاری برابر با شلیک یک تپانچه بزرگ، را به دست آورد. ولتا این آزمایش را به دلیل کاملا متفاوتی انجام داد. او تلاش کرد که مطلوب‌ترین نسبت میان هوا و گاز جدید را برای ایجاد بهترین انفجار تعیین کند. از این رو، در ادامه آزمایش‌هایش، تصمیم گرفت که مخلوط هوا- متان را در لوله‌های بسته با جرقه‌های الکتریکی آتش بزند. اصلاحاتی که ولتا در آزمایش‌های خود به عمل آورد منجر به آن شد که او تپانچه الکتریکی خود را به کار اندازد. اساس کار ساده بود: برای تعیین دقیق بهترین انفجار (و به این ترتیب بهترین نسبت میان دو گاز) کافی بود که فاصله پیموده شده به توسط گلوله بررسی شود. اولین آزمایش‌ها با گیراندن مخلوط به وسیله آتش انجام شد. سپس ولتا کوشید تا مخلوط را با یک جرقه الکتریکی در داخل لوله، و نه در دهانه آن، آتش زند: انفجار بزرگی لوله را خرد کرد.

با استفاده از تپانچه الکتریکی جدید، ولتا می‌توانست نسبتی را که برای سوختن کاملا مطلوب این مخلوط لازم است به طور کمی تعیین کند. او به هنگام آزمایش با ئیدروژن، دریافت که بهترین نسبت عبارت است از یک حجم ئیدروژن در برابر دو حجم اکسیژن و به هنگام استفاده از گاز مرداب، بهترین نسبت یک حجم متان در برابر ۸ تا ۱۲ حجم اکسیژن. این نتایج بسیار مهم بودند. ولتا دریافت که وقتی متان سوزانده شود، در مقایسه با سوزاندن ئیدروژن، لازم است از نسبتی چهار برابر بیشتر استفاده شود. به بیان جدید، یک مول ئیدروژن به وسیله نیم مول اکسیژن اکسیده می‌شود، در حالی که سوختن یک مول متان به دو مول اکسیژن نیاز دارد. از روی قانون آوودگادرو (که در زمان ولتا هنوز کشف نشده بود) مول‌های گازهای مختلف، اگر در دما و فشار مشابهی باشند حجم مشابهی دارند، بنابراین استفاده از حجم یا مول نتایج یکسانی در بر دارد. روشن است که نسبت‌های تعیین شده به وسیله ولتا کمیت‌های مقایسه‌ای برای اکسیده شدن کامل هستند.

بعدا ولتا اصل تپانچه الکتریکی را در مورد اودیومتر (وسیله سنجش تغییر حجم گازها هنگام احتراق مخلوطی از دو یا چند گاز) به کار برد و نامه‌ای به پریستلی نوشت که در آن دستگاه جدید را تشریح کرده بود. او در این نامه نتایج کار را در ۱۲ نکته جمع‌بندی کرده است، که موارد جالب آنها چنین است:

1. ئیدروژن به تنهایی نمی‌سوزد،
2. حجم اندکی از هوا برای سوختن ئیدروژن لازم است: کمتر از نصف حجم ئیدروژن کافی است.
3. زیاد بودن ئیدروژن یا هوا، انفجار را بسیار ضعیف می‌کند
4. وقتی ئیدروژن اضافی وجود دارد، فقط بخشی از آن می‌سوزد، اگر هوای بیشتری اضافه شود بخش دیگر آن هم می‌سوزد.
5. اگر هوای اضافی وجود داشته باشدف با اضافه کردن ئیدروژن احتراق‌های پی‌درپی رخ می‌دهد.
6. یک نسبت معین هوا- ئیدروژن سبب بزرگ‌ترین انفجار و فقط یک انفجار می‌شود.
7. پس از سوختن، کاهشی در حجم روی می‌دهد که میزان آن متغیر، ولی همواره زیاد است.
8. آن نسبت هوا- ئیدروژن که سبب بزرگ‌ترین انفجار و بیشترین کاهش حجم می‌شود، پسمانده غیر قابل احتراقی پس از سوختن به جا می‌گذارد.

در دومین نامه به پریستلی در دسامبر ۱۷۷۷، ولتا درباره ماهیت پسمانده‌ای که بعد از سوختن هوا- ئیدروژن مشاهده کرد، نوشت. وی می‌گوید: می‌خواهم آزمایش را در مقیاسی بزرگ انجام دهم و اودیومتر را با جیوه ببندم. به این ترتیب همه پس مانده… در جدارهای اودیومتر یا بر روی سطح جیوه باقی خواهد ماند». سپس در نامه‌ای به تاریخ اوت ۱۷۷۹ و خطاب به ژان سنبیه، ولتا باز می‌گوید: «….. به خصوص برای هوای قابل اشتعال، که من در جستجوی کشف قسمت‌های ترکیب کننده آن هستم. کاملا لازم است که برای حساس کردن به دست آوردن آنچه در طول اشتعال هوا ته‌نشین می‌شود، فرایند را بر روی جیوه، و نه بر روی آب، انجام داد. و این است که آ«چه تاکنون نتوانسته‌ام انجام دهم و آنچه در تحقیقات من راهم را بسته است. اما ولتا هرگز میزان کافی جیوه نداشت که این آزمایش را انجام دهد!

لازم است اشاره شود که ولتا، در نتیجه اعتقاد عمیقش به فرضیه فلوژیستون، احتمالا ترکیب آب را مورد توجه قرار نمی‌داد. چنانکه لاووازیه چند سال بعد این کار را کرد. در واقع، در آغاز ولتا با لاووازیه مخالفت کرد و فقط وقتی چند دلیل تعیین کننده پدیدار شد او نظرات خود درباره اصل فلوژیستون را عوض کرد. اما، بسیار مهم است اشاره شود که اودیومتر ولتا دومین ابزار (ترازو اولین آنها بود) برای تجزیه کمی شیمیایی بود و به اصلاح بزرگی در آزمایشگاه‌های شیمیایی منتهی شد. فقط با انجام اندازه‌گیری‌های کمی امکان داشت که فرضیه‌های جدید و دقیق تر ارائه شود. در سال ۱۸۰۵ وقتی هومبولت و گی لوساک بیان کردند که برای ترکیب آب، دقیقا دو حجم ئیدروژن و یک حجم اکسیژن لازم است، آنان از یک اودیومتر ولتا استفاده کردند و نوشتند: «بدین صورت فیزیکدان برجسته ولتا، که در فیزیک زیباترین کشفیات را انجام داده است، می‌توانست این افتخار را داشته باشد تا برای شیمی درست‌ترین و ارزشمندترین وسیله را برای تجزیه شیمیایی ارائه دهد.

الکتریسیته

غیر ممکن است بدون بحث درباره پیل ولتا در مورد وی صحبت کرد. در سال ۱۷۹۹ ولتا انرژی را، به شکل الکتریسیته، از یک منبع شیمایی به دست آورد. این اولین منبع جریان بادوام و بدون زحمت بود. او اثبات کرد که ایجاد بار الکتریکی به آرایشی نسبی فلزات مختلف بستگی دارد. قانون تماس‌های پی‌درپی ولتا بیان می‌کرد که وقتی چند فلز همدما با هم تماس داشته باشند، به طوری که زنجیری پیوسته را تشکیل دهند. اختلاف پتانسیل فلزات در دو انتها مستقل از فلزات میانی است و مثل آن است که آنها در تماس مستقیم باشند. روشن است که فلزات می‌توانند در یک توالی عددی مشخصی مرتب شوند. ولتا اولین رشته از این نوع را به دست داد:

گرافیت +Zn Pb Sn Fe Cu Ag Au Graphite

اختلاف میان هر دو فلز مجاور از نظر عددی تعیین شد و ولتا دریافت که اختلاف میان هر دو فلز در هر کجای این رشته مساوی مجموع بارهای حد فاصل بین تمام فلزاتی است که در بین آن دو فلز قرار دارند. این یکی از قوانین اساسی الکتروشیمی است و حدود ۲۰ سال بعد از طریق آزمایش‌های مایکل فارادی (۱۷۹۱- ۱۸۶۷) تایید شد.

ولتا متوجه شد که با خشک شدن رطوبت صفحات خیس شده از آب شور، که هر جفت فلز غیر مشابه تشکیل دهنده پیل را از هم جدا می‌سازد، قدرت دستگاه او رو به کاهش می‌رود. برای حفظ طولانی‌تر رطوبت، ولتا ابزاری نو طراحی کرد و اولین آزمایش‌ها را در الکتروشیمی انجام داد. این طرح شامل یک رشته ظروف دهان‌گشاد شیشه‌ای یا استکان‌هایی نیمه‌پر و محتوی نمک یا آب قلیایی بود. او برای متصل کردن استکان‌های مجاور، از یک سیم مسی یا برنزی استفاده می‌کرد. هر استکان به استکان‌های مجاور متصل بود و در خود یک جفت صفحه ساخته شده از فلزات متفاوت را داشت. در تشریح این دستگاه، ولتا اشاره می‌کند که سیم متصل کننده صفحات بی‌اهمیت است و فقط خود صفحات، هر یک با مساحت در حدود ۱ اینچ مربع، اهمیت اساسی دارند. از این کار استثنایی سیلی از اکتشافات و اختراعات جدید جریان یافت. در نتیجه جنگ‌های ناپلئون، گزارش کامل ولتا هنوز به انگلستان نرسیده بود که در ماه مه ۱۸۰۰، ویلیام نیکولسن (۱۷۷۵- ۱۸۱۵) و آنتونی کارلایل (۱۷۶۸- ۱۸۴۰) پس از مطالعه بخش اول گزارش او به جامعه سلطنتی، آب را به عناصر آن تجزیه کردند و نسبت حجمی واقعی اکسیژن و ئیدروژن را تعیین نمودند. به این ترتیب علم الکتروشیمی بنیان نهاده شد. چند ماه بعد (ژوئیه ۱۸۰۰) ویلیام کرویک شنکس (۱۷۴۵- ۱۸۰۰) اولین آبکاری را انجام داد و مشخص کرد که مایع حوالی قطب‌های متصل به سیم مثبت پیل قلیایی و مایع حوال سیم منفی اسیدی می‌شود. چند سال بعد سر هامفری دیوی (۱۷۷۸- ۱۸۲۹) با استفاده از یک پیل بزرگ، تجزیه الکترولیتی را بررسی کرد و برای اولین بار باعث شد که دو الکترود زغالی با تابشی همانند آفتاب بسوزند، و به این ترتیب اولین چراغ الکتریکی را به وجود آورد.

در سال ۱۸۶۱، به یاد یکی از درخشان‌ترین مغزهای انسانی، موسسه سلطنتی علوم و ادبیات لومباردی (که در سال ۱۸۰۳ ولتا به ریاست آن انتخاب شده بود) تمامی دستنویس‌ها، ابزار و دستگاه‌های علمی موجود ولتا را جمع‌آوری کرد. کاخ بررا در میلان انتخاب شد تا این گنجینه‌های علمی را در خود جای دهد.

در سال ۱۸۸۱، کنگره بین المللی برق در پاریس، اصطلاح ولتا را برای اندازه‌گیری نیروی محرکه الکتریکی پیشنهاد کرد.

در سال ۱۸۹۹، طی جشن‌های اولین سده پیدایش پیل ولتا در کومو، وقوع آتش‌سوزی بزرگی، مهم‌ترین قطعات مورد نمایش را از بین برد، اما خوشبختانه فقط بخشی از میراث موسسه سلطنتی علوم و ادبیات به نمایشگاه کومو فرستاده شده بود.