प्राणवायूचा शोध (Discovery of Oxygen)

प्राणवायूचा शोध  - भाग १ (शील आणि प्रेस्टली) 

जरी आपल्या डोळ्यांना हवा दिसत नसली तरी ती श्वासोच्छ्वासामधून आपल्या शरीरात ये जा करत असते आणि वाऱ्याच्या झुळुकेने आपल्याला तिचे अस्तित्व जाणवते. वारा आगीला मदत करतो म्हणून आपण चूल पेटवतांना तिला फुंकणी किंवा पंख्याने जास्तीची हवा देतो. शुद्ध हवेला कसलाही गंध नसला तरी काही ठिकाणच्या दूषित हवेला घाण वास येतो, तसेच धूर आणि वाफ हवेत पसरतांना दिसतात. जगातली सगळी हवा एकसारखी नसते, तिच्यात काही वायू मिसळलेले असतात असे यावरून दिसते.

माणसाच्या शरीरात संचार करणाऱ्या प्राण, अपान, व्यान आदि निरनिराळ्या वायूंचा आपल्या शास्त्रांमध्ये उल्लेख आहे. पण प्राचीन काळातल्या वाङमयातल्या या 'प्राण' नावाच्या वायूची संकल्पना वेगळी होती. त्या प्राणवायूने निर्जीव वस्तूमध्ये प्रवेश केला की ती वस्तू सजीव होते आणि सजीव प्राण्याला त्याचा प्राण सोडून गेला की तो जीव निर्जीव होतो अशी ती कल्पना होती. निर्जीव अशा हवेमधील ऑक्सीजन या (निर्जीव) घटकाची जीवनासाठी नितांत आवश्यकता मात्र असते म्हणून कोणा विद्वानाने त्याला मराठी भाषेत 'प्राणवायू' असे नाव दिले. अशा या प्राणवायू म्हणजेच ऑक्सीजन या वायूच्या शोधाचा इतिहास या लेखात दिला आहे.

सतराव्या शतकातल्या शास्त्रज्ञांनी हवा या विषयावर वैज्ञानिक संशोधन सुरू केले. हवेला वजन असते, त्यामुळे आपल्यावर हवेचा दाब पडत असतो हे इटालियन शास्त्रज्ञ टॉरिसेलीने दाखवून तो दाब मोजण्याचे साधन तयार केले. पास्कल आणि बॉइल या शास्त्रज्ञांनी हवेच्या दाबाचे काही महत्वाचे मुख्य गुणधर्म दाखवून दिले आणि त्यानुसार चालणारी प्रेस आणि कॉंप्रेसरसारखी यंत्रे तयार झाली, तसेच हवेवर अधिकाधिक प्रयोग होऊ लागले.

ज्वलन आणि श्वसन या क्रियांसाठी हवेची गरज असते हे माहीत होतेच. रॉबर्ट बॉइल, रॉबर्ट हूक आदि शास्त्रज्ञांनीही त्यावर प्रयोग करून तसे सिद्ध केले. जॉन मेयो या शास्त्रज्ञाने सन १६६८ मध्ये त्यावर अधिक प्रयोग करून पाहिले. त्याने यासाठी एक पेटलेली मेणबत्ती आणि जीवंत उंदीर यांना काचेच्या हंडींखाली ठेवून पाहिले. थोड्याच वेळात मेणबत्ती विझली आणि उंदीर तडफडून मेला, पण त्यानंतरही हंडीमधल्या हवेचा मोठा भाग अजून शिल्लक होताच. त्यामुळे हवेतला फक्त काही भागच त्यांच्यासाठी उपयोगाचा असतो आणि तो भाग संपला की मेणबत्तीचे ज्वलन थांबते आणि उंदराचे आयुष्य संपते असेही त्यावरून त्याने सिद्ध केले. त्याशिवाय काचेच्या हंडीच्या बाहेरच्या परातीमधले पाणी आत शिरून त्याने सुमारे पाव हिस्सा जागा व्यापली होती. त्यावरून हवेतला फक्त तेवढाच भाग या कामांसाठी उपयोगी आणि बाकीचा निरुपयोगी असतो असेही सिद्ध झाले. 

सुमारे शंभर वर्षांनंतर सन १७७१-७२ च्या सुमाराला स्वीडिश शास्त्रज्ञ कार्ल विल्हेम शील (Carl Wilhelm Scheele) याने प्रयोगशाळेत काही रसायने तापवून त्यामधून प्राणवायू म्हणजे ऑक्सीजन हा एक वेगळा वायू तयार केला होता. त्याला त्याने अग्निवायू ("fire air") असे नाव दिले होते. त्याला कदाचित त्या संशोधनाचे महत्व समजले नसेल. तो दूर स्वीडनमधल्या एका लहानशा जागी आपले प्रयोग करत होता आणि त्या काळातल्या प्रमुख शास्त्रज्ञांच्या संपर्कात नव्हता. या नव्या वायूचे आणि इतर काही पदार्थांचे गुणधर्म तपासून त्याने आपले संशोधन १७७५ मध्ये छापायला दिले आणि १७७७ मध्ये ते प्रसिद्ध झाले. त्यादरम्यान सन १९७४ मध्ये ब्रिटिश शास्त्रज्ञ जोसेफ प्रीस्टली (१७३३ ते १८०४) याने एका काचबंद पात्रामध्ये मर्क्यूरिक ऑक्साइड (mercuric oxide (HgO)) हे रसायन ठेऊन ते सूर्यकिरणांनी तापवले आणि विशिष्ट प्रकारची वेगळी हवा तयार केली. या खास हवेत मेणबत्तीचा उजेड प्रखर होतो आणि उंदराला जास्त चैतन्य येते हेसुद्धा त्याने दाखवले. त्यामुळे प्राणवायूच्या शोधाचे श्रेय प्रीस्टलेला दिले गेले. प्रीस्टलेने या हवेला डीफ्लॉजिस्टिकेटेड हवा ("dephlogisticated air") असे नाव दिले.

प्रीस्टलेचा जन्म इंग्लंडमधल्या एका सुधारक कुटुंबात झाला होता, पण लहानपणीच वडील वारल्यानंतर त्याचे बालपण इतर नातेवाइकांकडेच गेले. त्याने आधी अनेक भाषा, व्याकरण, धर्मशास्त्रे, तत्वज्ञान, इतिहास इत्यादींचा सखोल अभ्यास केला आणि त्यावर लेखन आणि अध्यापनही केले. १७६७ साली त्याने विजेचा इतिहास लिहायला घेतला आणि त्या निमित्याने तो विज्ञानाकडे वळला. त्याने इतर शास्त्रज्ञांच्या संशोधनाचा अभ्यास करता करता स्वतःही काही प्रयोग करून पाहिले. निरनिराळ्या पदार्थांमधून वीज किती वाहते यावर प्रयोग करून फक्त धातू आणि पाणी यामधून विजेचे वहन होते आणि लाकूड, कागद वगैरेंमधून ते होत नाही हा अत्यंत महत्वाचा शोध त्याने लावला.

प्रीस्टले हा एक कष्टाळू आणि अभ्यासू शास्त्रज्ञ होता. त्यानंतर त्याने रसायनशास्त्र, ज्वलन आणि हवेवरील संशोधनाकडे लक्ष दिले. त्याने अनेक रसायनांना प्रयोगशाळेमधील उपकरणांमध्ये तापवून किंवा जाळून निरनिराळे वायू तयार केले. प्राणवायू हा त्यातलाच एक होता. त्याशिवाय नायट्रस ऑक्साइड, नायट्रिक ऑक्साइड, अमोनिया वगैरे काही इतर वायू त्याने तयार केले होते, पण त्या काळी त्यांची ओळख पटलेली नव्हती आणि त्यांना आताची नावे दिलेली नव्हती. प्रीस्टले या सर्वांना वेगवेगळ्या प्रकारची हवा असे म्हणत असे. कार्बन डायॉक्साइड वायूला फिक्स्ड हवा (Fixed Air) असे म्हणत. प्रीस्टलेने त्या फिक्स्ड हवेला पाण्यात विरघळवून सोडा वॉटर तयार करण्याचे तंत्र शोधून काढले. त्यामुळे त्याला शीतपेयांचा जनक (Father of Soft drinks) असेही मानतात. त्याने प्रकाशकिरण आणि खगोलशास्त्रावरसुद्धा काम केले.

प्रीस्टलेने इंग्लंडमधील तत्कालिन धर्मकारणात आणि राजकारणात बंडखोर किंवा क्रांतिकारकांच्या बाजूने सक्रिय भाग घेतला होता. त्याचा त्याला तत्कालिन समाजाकडून झालेला बराच त्रास भोगावा लागला. अखेर त्याने सन १७९४ मध्ये इंग्लंड सोडून अमेरिकेला स्थलांतर केले आणि अखेरची दहा वर्षे पेन्सिल्व्हानियामध्ये काढली.

अठराव्या शतकातल्या त्या काळात ज्वलन या विषयावर बरीच चर्चा आणि संशोधन चालले होते. एकादा पदार्थ जळतो म्हणजे नेमके काय होत असेल? काही पदार्थ पूर्णपणे जळून नाहीसे होतात तर काही अर्धवटच जळतात आणि त्यांचा उरलेला भाग आणि त्याची राख मागे राहते असे का होते? यावर तर्क केले जात होते. त्या काळातल्या बहुतेक विद्वानांना असे वाटले की ज्वलनशील पदार्थांमध्ये फ्लॉजिस्टॉन नावाचे एक अदृष्य असे अग्नीतत्व असते. ते अग्नीच्या संपर्कात आले की पदार्थाबाहेर पडून हवेत मिसळते आणि उरलेला भाग शिल्लक राहतो. बंद बरणीत ज्वलन केले तर तिथे मर्यादित हवाच उपलब्ध असते. त्यामुळे त्यात थोडेच फ्लॉजिस्टॉन मिसळू शकते आणि त्यानंतर ती आग विझते. अशा हवेला म्हणजेच नायट्रोजन वायूला त्याचे संशोधक डॅनियल रूदरफोर्ड आणि हेन्री कॅव्हेंडिश यांनी फ्लॉजिस्टिकेटेड एअर असे नाव दिले. प्रीस्टलेने तयार केलेल्या वायूमध्ये जास्तच जोरात ज्वलन होत होते याचा अर्थ ती जास्त प्रमाणात फ्लॉजिस्टॉन घेऊ शकत होती म्हणून त्याने तिला डीफ्लॉजिस्टिकेटेड हवा ("dephlogisticated air") असे नाव दिले. त्यांचाच समकालिन संशोधक अँटनी लेवोजियर याने आपल्या संशोधनामधून ही फ्लॉजिस्टॉनची थिअरीच चुकीची आहे असे सिद्ध करून तिला रद्दबातल केले.

--------------------------------------------------------------------------------

प्राणवायूचा शोध  - भाग २ : अँटनी लेवोजियर

अँटनी लेवोजियर (१७४३ ते १७९४) (Antoine Lavoisier) (फ्रेंच उच्चार - ऑंत्वों लेव्होज्जी) या थोर फ्रेंच शास्त्रज्ञाचा जन्म एका धनाढ्य कुटुंबात झाला होता. त्याने पॅरिस विद्यापीठात विज्ञानाचे शिक्षण घेतले आणि पुढील आयुष्यातही त्या विषयाचा अभ्यास चालू ठेवला. वैज्ञानिक संशोधनासाठी प्रयोगशाळा बांधल्या आणि गरजू विद्यार्थ्यांना त्या उपलब्ध करून दिल्या. त्याने जन्मभर फ्रेंच समाजाच्या प्रगतीसाठी धडपड केली, रस्त्यावरील दिवे, सार्वजनिक स्वच्छता, पाणीपुरवठा, आरोग्यसेवा यासारख्या समाजाला आवश्यक असणाऱ्या सुधारणांवर लक्ष देऊन त्यासाठी खूप काम केले.

अँटनी लेवोजियर याने ज्वलनाच्या संशोधनावर लक्ष केंद्रित केले होते. फॉस्फोरसचे ज्वलन होतांना त्यात चंबूमधली बरीच हवा खर्च होते, जळल्यानंतर त्याच्या वजनात वाढ होते आणि त्यापासून आम्ल तयार होते हे त्याने पाहिले आणि इतर पदार्थांबरोबरसुद्धा तसे होत असणार अशा विचार केला. पण कुठल्याही पदार्थाला जाळल्यामुळे त्याच्या वजनात वाढ होणे फ्लॉजिस्टॉनच्या थिअरीमध्ये बसत नव्हते. त्यामुळे लेवोजियरचा हा विचार तत्कालिन रूढ समजुतीच्या विरुद्ध होता. त्याने कथील आणि शिसे यांना बंद डब्यात भाजून त्यांचेही वजन वाढत असल्याचे सिद्ध केले. ज्वलन होत असतांना हवेमधील एका वायूच्या संयोगामुळे ही वाढ होत असणार असा योग्य निष्कर्ष त्याने काढला आणि जगाला सांगितला. प्रीस्टलेने तयार केलेला वायू लेवोजियरनेही तयार करून त्यावर ज्वलनाचे प्रयोग केले, हा वायू हवेमध्ये असतो आणि हवेमधल्या या वायूमुळेच कशाचेही ज्वलन होते हे सगळे सिद्ध करून दाखवले. इसवी सन १७७७ मध्ये त्याने या वायूला 'ऑक्सीजन' असे वेगळे नाव दिले. हेन्री कॅव्हेंडिश याने हैड्रोजन वायू तयार करून त्याला "ज्वालाग्राही हवा (Inflammable Air)" असे नाव दिले होते, पण त्याच्या ज्वलनामधून पाणी तयार होते हे पाहून लेवोजियर याने त्याला 'हैड्रोजन' हे नाव दिले. कोळसा, गंधक, हैड्रोजन वायू किंवा एकादा धातू यातल्या कशाचेही ज्वलन होते तेंव्हा तो पदार्थ ऑक्सीजनला ग्रहण करतो हे लेवोजियर याने सप्रयोग दाखवून दिले.

रासायनिक क्रिया (Chemical Reaction) या संकल्पनेची सुरुवातच इथून झाली. त्यापूर्वी रासायनिक क्रिया म्हणजे किमया किंवा चमत्कार असे समजले जात असे. लेवोजियर याने त्याला शास्त्रीय रूप दिले. त्यानंतर फ्लॉजिस्टॉनची थिअरी आपोआपच रद्द झाली. शील, प्रीस्टली, कॅव्हेंडिश वगैरे शास्त्रज्ञांनी केलेले प्रयोग लेवोजियरने पुन्हा काळजीपूर्वक स्वतः करून पाहिले आणि त्यातून तयार होणाऱ्या नव्या वायूंचे कसून निरीक्षण केले. हवा हे एकच मूलद्रव्य नसून त्यात नायट्रोजन, ऑक्सीजन, कार्बन डायॉक्साईड, पाण्याची वाफ वगैरे वायूंचे मिश्रण असते हे या शास्त्रज्ञांनी केलेल्या प्रयोगांवरून सिद्ध झाले.

आपल्याकडे जशी पंचमहाभूतांची संकल्पना आहे, त्याप्रमाणेच जमीन, पाणी, हवा आणि अग्नि या चार मुख्य द्रव्यांपासून हे सारे जग निर्माण झाले आहे असे पूर्वीचे युरोपियन विद्वान सांगत आले होते. लेवोजियर याने त्यात बदल करून मूलद्रव्यांची एक वेगळी नवी संकल्पना मांडली आणि तेंव्हा ठाऊक असलेले धातू आणि शोधल्या गेलेल्या नव्या वायूंसकट जगामधील सर्व पदार्थांची मूलद्रव्ये (Elements), संयुगे (Compounds) आणि मिश्रणे (Mixtures) या तीन प्रकारांमध्ये विभागणी केली. लेवोजियरनेच गंधक हे एक मूलद्रव्य असल्याचे दाखवले, त्या काळी माहीत असलेल्या रासायनिक मूलद्रव्यांची पहिली यादी तयार केली. घनरूपापासून द्रवरूप, वायूरूप अशा भौतिक बदलानंतरही कुठल्याही पदार्थाचे वजन तितकेच राहते आणि दोन पदार्थांमध्ये झालेल्या रासायनिक क्रियेनंतर त्यामधून तयार होणाऱ्या नव्या पदार्थांचे एकूण वजन तितकेच राहते असे प्रतिपादन केले. या मूलभूत नियमाला वस्तुमान संरक्षण (conservation of mass) असे म्हणतात. लेवोजियरने वजने आणि मापे यांचे प्रमाणीकरण करण्याच्या दृष्टीने दशमान पद्धतीची सुरुवात करून दिली. त्याने रसायनशास्त्रामध्ये केलेल्या इतक्या विस्तृत आणि मौलिक कामगिरीमुळे त्याला आधुनिक रसायनशास्त्राचा तसेच रसायनशास्त्रातल्या क्रांतीचा जनक समजले जाते.

लेवोजियर हा न्यूटनच्या तोडीचा अत्यंत तल्लख बुद्धीचा, विद्वान आणि अभ्यासू शास्त्रज्ञ होता आणि त्याने विज्ञानाच्या प्रगतीसाठी आणि समाजासाठी अत्यंत महत्वपूर्ण काम केले होते. त्याला तत्कालिन विद्वान आणि राजसत्ता यांच्याकडून त्यानुसार मानसन्मान आणि प्रतिष्ठाही मिळाली होती. पण फ्रान्समधल्या राज्यक्रांतीत झालेल्या धामधुमीत दुर्दैवाने त्याचा नाहक बळी दिला गेला. त्याच्या अशा अकाली जाण्यामुळे विज्ञानक्षेत्राचे फार मोठे नुकसान झाले.

हवेमध्ये भरपूर प्रमाणात प्राणवायू असतो हे समजले असले तरी त्या काळी त्याला हवेपासून वेगळा करण्याचे साधन नव्हते. शील, प्रीस्टले आणि लेवोजियर यांनी प्रयोगशाळांमध्ये काही रसायने तापवून त्यांच्यामधला थोडासा प्राणवायू मुक्त केला होता. विजेचे उत्पादन सुरू झाल्यानंतर पाण्याचे विघटन करून त्यामधून अधिक प्रमाणात प्राणवायू तयार करणे शक्य झाले, पण हवेला अतीशय थंड करून तिच्यामधील प्राणवायूला वेगळा करण्याचे तंत्रज्ञान मात्र सव्वाशे वर्षांनंतर म्हणजे एकोणीसाव्या शतकाच्या अखेरीला निघाले.

प्राणवायूचे संशोधक शील, प्रीस्टले आणि लेवोजियर हे तीघेही आपापल्या परीने दुर्दैवी ठरले हा एक अजब योगायोग म्हणता येईल. शीलच्या संशोधनाकडे दुर्लक्ष झाले, प्रीस्टलेला देशोधडी जावे लागले आणि लेवोजियरला तर त्याचे प्राण गमवावे लागले.