S.P.L. Sørensen og pH-værdien - Danmarks Tekniske Universitet
Transcription
S.P.L. Sørensen og pH-værdien - Danmarks Tekniske Universitet
S.P.L. Sørensen og pH-værdien Et portræt af den danske kemiker S. P. L. Sørensen AF BØRGE RIIS LARSEN I 1909 – altså for godt hundrede år siden – indførte kemikeren S.P.L. Sørensen (1868-1939) størrelsen pH, som i dag anvendes over hele verden til at angive en opløsnings surhedsgrad. Sørensen er tilsyneladende den danske kemiker, som flest gange har været indstillet til Nobelprisen – uden dog at få den. I starten af dette århundrede blev Nobel-arkiverne åbnet, så vi kan se, hvor mange gange han er blevet nomineret og af hvem. Og hvad gemmer der sig bag de to bogstaver pH? Det er der for godt ti år siden kommet et alternativt bud på. Et interessant spørgsmål er, om størrelsen pH vil overleve, eller om det vil være bekvemt med en anden måde at angive en opløsnings surhedsgrad på. I denne lille oversigtsartikel ser vi – ud over på Sørensens liv og virke generelt – på disse tre ting. De fleste – også personer uden kemiske kundskaber – kender begrebet pH-værdi. Mange ved, at en neutral opløsning har pH-værdien 7, sure opløsninger har pH-værdier under 7 og basiske opløsninger har pH-værdier over 7. På varede1 klarationer kan vi læse, at remoulade og majonæse har pHværdien 4,5 og altså er svagt surt, mens vine normalt har pHværdier lidt over 3. Såvel Coca Colas som husholdningseddikes pH-værdi er lidt over 2 og dermed en kende mere surt. I praksis går pH-skalaen fra lidt under 0 til lidt over 14 i vandige opløsninger ved stuetemperatur. Indenfor sundhedssektoren er pH en meget vigtig størrelse. I humant blod skal pH-værdien være 7,4; nogle hundrededele mindre i venerne end i arterierne. pH-værdien kan kun ændres nogle få tiendedele, før der op- står en livstruende tilstand. Dette vil således eksempelvis ske for en person med type 1-diabetes, der ikke har fået sin insulin og derfor ikke kan lukke glucose ind i cellerne til forbrændingen. I stedet forbrændes fedtstof, som giver nogle sure affaldsprodukter – de såkaldte ketonstoffer. Tilstanden er heldigvis let at ændre til det positive, men umiddelbart kan man undre sig over, at en ændring af pH nedad på få tiendedele kan give denne tilstand. For at forstå det, skal man vide, at pH er et udtryk for koncentrationen (egentlig aktiviteten) af hydroner, H+ i opløsningen. Hydronen gør en opløsning sur. Jo større koncentrationen af den er, jo mere sur er opløsningen, og jo mindre er pH. Den skala, som Sørensen indførte, er logaritmisk. Det vil sige, at bliver koncentrationen af hydroner ti gange så stor, falder pH med 1. Falder pH derfor 0,3, svarer det til, at koncentrationen af hydroner bliver dobbelt så stor: tag logaritmen til 2 på lommeregneren – resultatet bliver netop 0,3! S.P.L. Sørensens indsats for biokemien i Danmark kan næppe overvurderes. Hans resultater fik afgørende betydning for dette fags udvikling til en kvantitativ videnskab og har haft stor betydning indenfor kemi, biologi, medicin og landbrugsvidenskab. Men hans liv begyndte fjernt fra den videnskabelige verden. Han blev født på en gård mellem Havrebjerg og Øster Stillinge i 1868 nogle få km fra Slagelse i retning mod Kalundborg. Det var forældrenes mening, at han som den ældste af syv børn en dag skulle overtage gården, men han var ikke stærk som barn, han stammede og var i øvrigt bange for dyr. Det sidste var ikke godt, hvis man dengang skulle drive landbrug. Han startede i landsbyskolens yngste klasse i januar 1875, og allerede i november året efter rykkede han op i ældste klasse. Fagrækken var læsning, skrivning, reg- ning og religion. Landsbylæreren var imponeret over Sørensens boglige evner, og han fik i 1879 forældrene til at sende drengen i Slagelse Realskole. Denne skole blev grundlagt i 1853 – året efter Slagelse lærde Skole blev nedlagt - og havde fra 1857 til huse i en endnu bevaret bygning i Skolegade 8. Da Sørensen var elev, talte skoleforløbet syv klasser samt en forberedelsesklasse, i hvilken undervisningen i de fleste fag faldt sammen med undervisningen i 1. klasse. Antallet af elever var lidt under 100, og lærerkollegiet bestod af 11 lærere. Af de faste lærere var der flere med kandidatgrader og et par seminarister. Fagrækken var noget større end landsbyskolens. Ud over i modersmålet blev der til eksamen eksamineret i tysk, engelsk, fransk, historie, geografi, naturhistorie, naturlære, aritmetik og geometri. Denne skole fik i 1927 en sproglig 1.g-klasse og blev dermed forløberen for Slagelse Gymnasium. Efter tre år her kom Boks 1. Definition af pH Den definition, som vi kan læse i nutidige kemilærebøger, er: Man forestiller sig, at hydronen, H+, i vandig opløsning har bundet sig til et vandmolekyle, H2O, og har dannet den såkaldte oxonium, H3O+. Vi dividerer den aktuelle stofmængdekoncentrationen af oxonium med enheden , så vi tager logaritmen til et tal. Da de fleste oxoniumkoncentrationer er mindre end 1 , sættes minus foran logaritmen, og pH bliver derved en positiv størrelse. 2 Sørensen i 1882 til Sorø Akademis lærde Skole og Opdragelsesanstalt, hvor han startede i tredje klasse. Sørensen skulle være student, og det kunne man ikke blive i Slagelse på det tidspunkt. Forløbet i den lærde skole – forløberen for vore dages gymnasium – var på den tid seksårigt, idet man i 1871 skar de to nederste klasser bort fra det tidligere otteårige forløb. Og fra et vist niveau var undervisningen delt i en matematisknaturvidenskabelig og en sproglig-historisk retning. På den tid var kemi ikke en del af naturvidenskabsundervisningen, men hans lærer i fysik – Eugen Ibsen (1834-1902) – gennemgik lidt uorganisk kemi med interesserede elever uden for den egentlige undervisningstid. Og interesseret i kemi var Sørensen, som deltog heri. Ved studentereksamen i 1886 var han den i sin klasse, der klarede sig bedst. Han fik flere ug’er, topkarakteren, og hans laveste karakter var et mg i fransk – omkring 7 efter nutidens skala. Da han forlod Sorø, var han godt klædt på til et universitetsstudium. Først læste han medicin, men skiftede efter kort tid til kemi. Hele to gange fik han universitetets guldmedalje for prisopgaver i kemi. Figur 1. S.P.L. Sørensen Signeret foto af S.P.L. Sørensen i færd med at udkrystallisere ægge-albumin, som han i 1917 var den første til at fremstille i ren form, og som dannede afsæt for hans mange studier over proteinets struktur. (Fra forfatterens billedsamling). 3 FORSKNING Efter sin magister- og doktorgrad samt ansættelse ved Polyteknisk Læreanstalt, der i dag hedder Danmarks Tekniske Universitet, blev han i 1901 laboratorieforstander ved Carlsberg. I Carlsbergfondets statutter står, at laboratorieforstanderen skal arbejde med problemer, der har med ølbrygning at gøre. Sørensen, hvis videnskabelige arbejde indtil da havde været indenfor den uorganiske kemi, kastede sig derfor over biokemien og arbejdede derefter med den type stoffer, vi kalder proteiner eller æggehvidestoffer. I de første år på Carlsberg arbejdede han med at fremstille aminosyrer syntetisk. Den tyske kemiker Emil Fischer (18521919) havde i slutningen af 1890’erne påvist dannelsen heraf ved nedbrydning (hydrolyse) af proteiner. Sørensen studerede metoder til at følge disse forbindelsers nedbrydning, hvilket førte frem til udarbejdelsen af den såkaldte formoltitrering til bestemmelse af carboxylsyregrupper i aminosyrer. Metoden beskrev han i en større afhandling, som udkom på fransk og senere på tysk. Den blev årtier herefter brugt – ikke mindst i mange klinisk-biokemiske laboratorier til bestemmelse af ammoniumudskillelsen i urin. I 1909 - udkom hans store afhandling om enzymer Études Enzymatiques med undertitlen II. Sur la mesure et l’importance de la concentration des ions hydrogène dans les réactions enzymatiques, som også udkom i en tysk udgave. Det var i denne, han indførte størrelsen pH. Men han præsenterede også meget andet heri. En af de væsentligste ting var begrebet stødpude, som kemikere i dag ofte kalder en puffer eller buffer. Det er sædvanligvis en vandig opløsning af en saltblanding, hvis surhedsgrad, pH, kun ændres uvæsentligt ved tilsætning af små mængder syre eller base – eller ved fortynding. Flere tyske stødpudeopløsninger fik senere på etiketten tilføjet nach Sörensen – altså fremstillet efter Sørensens forskrift. Det centrale i afhandlingen var det klare og utvetydige bevis på, at enzymernes aktivitet – dvs. hvor hurtigt de arbejder – foruden af temperaturen også afhænger af forsøgsopløsningens pH. Det har næppe været almindelig kendt, hvad Sørensens forbogstaver stod for. Det nytter ikke at kikke i Kraks Blå Bog, for her bliver han også benævnt S.P.L. Sørensen. Men nogle af hans medarbejdere på Carlsberg Laboratoriet må have vidst det; engang gav de nemlig tre forsøgshunde navnene Søren, Peter og Lauritz, uden at deres chef lod sig mærke med det. I de bevarede skoleprotokoller fra Havrebjerg Landsbyskole bogstaveres hans navne lidt anderledes: Søren Peder Laurits. HVAD STÅR p I pH FOR? I det berømte arbejde fortæller Sørensen ikke, hvad det lille p i pH står for. Et p foran en størrelse i kemi betyder i dag, at man skal tage minus logaritmen til størrelsen. Den danske kemiker Niels Bjerrum (1879-1958) gjorde det for en række kemiske 4 konstanter nogle få år senere. Begrundelsen herfor var, at mange af disse er meget store eller meget små. Ved at tage den negative logaritme får man nogle ”pænere” tal. Koncentrationen af hydroner i menneskeligt blod er omkring 0,00000004 mol/L. Det er ulig lidt mere brugervenligt at fortælle, at det svarer til en pH-værdi på 7,4 (10 opløftet til potensen −7,4 giver netop tallet for den anførte koncentration). Ordet potens begynder faktisk med bogstavet p på en række sprog: Potenz (tysk), power (engelsk), puissance (fransk) og pondus (latin). H’et i pH står naturligvis for hydronen. For nogle år siden fremkom tidligere lektor ved Biofysisk Institut ved Aarhus Universitet Jens G. Nørby med en anden forklaring på det lille p. Efter at have gennemlæst Sørensen afhandling bemærkede han, at der blev arbejdet med to opløsninger, som blev betegnet p og q. Opløsning q var en standardopløsning, mens den anden opløsning fik koncentrationssymbolet C p . Herfra mente Nørby, at det lille p stammer. NOBELPRISEN I 1974 valgte Nobelstiftelsen at gøre arkivmateriale, der var mere end 50 år gammelt, tilgængeligt. Vi kan her se, at den hyppigst nominerede dansker var Georg Brandes (1842-1927) med mere end 100 nomineringer. Han fik aldrig prisen, idet han havde en modstander i ko- miteen, der kunne godtgøre, at hans store skriftlige produktion savnede ”sand idealitet”. Fysikeren Niels Bohr (1885-1962), som fik prisen i 1922, fik 22 nomineringer fra udenlandske forskere. Selv havde han succes med sine nomineringer af udenlandske – aldrig danske – forskere. Hans far, Christian Bohr (1855-1911), blev nomineret i såvel 1907 som 1908 for sine arbejder indenfor respirationsfysiologien. I alt blev 50 danskere nomineret i perioden, og tretten fik en pris. Herom kan vi læse i den grundige fremstilling fra 2001 af H. Nielsen og K. Nielsen [3]. Hvert efterår, når vi nærmer os tiden for offentliggørelsen af, hvem der får årets nobelpriser, kan man i aviserne læse om hvem, der har fået og især ikke fået prisen. De to danske forfattere Henrik Pontoppidan (18571943) og Karl Gjellerup (18571919) delte litteraturprisen i 1917, og mange har siden stillet spørgsmålstegn ved, om den sidste var berettiget til at få den. I Dansk Biografisk Leksikon kan vi således læse, at ”G. var ingen stor kunstner”. I 1926 fik den danske læge Johannes Fibiger (1867-1928) prisen i Fysiologi eller Medicin for en senere tilbagevist opdagelse af årsagen til mavekræft hos rotter. Han var nomineret til prisen hele 16 gange mellem 1922 og 1927. Der er for mig ingen tvivl om, at det var berettiget at give Fibiger prisen. At man så senere har kunnet stille spørgsmålstegn ved den forskning, der bevirkede, at han fik den, er en anden sag. Herudover er det også en opfattelse hos mange, at Karen Blixen (1885-1962), som faktisk blev blevet nomineret hertil i 1950 uden at få den, skulle have haft den. De to danskere, der var tættest på at få kemiprisen var J.N. Brønsted (1879-1947) og (især) Niels Bjerrum (18791958), hvis navne selv i dag er nævnt i kemilærebøgerne. Men de fik den ligeledes ikke – lige så lidt som komplekskemikeren S.M. Jørgensen (1837-1914), som blev nomineret i 1907. S.P.L. Sørensen deler altså skæbne med den russiske kemiker Dimitri Mendeleev (18341907), som vi husker som ham, der i 1869 opstillede grundstoffernes periodesystem. Han blev nomineret i 1906, men måtte se sig slået af den franske kemiker Henri Moissan (1852-1907), som var den første, der fremstillede gassen difluor, F 2 . Nobelinstitutionen blev oprettet i 1900, og indehaverne af de danske lærestole i kemi fik indstillingsret til den pris, som institutionen uddeler. I de første årtier herefter var det langt fra Figur 2. Etiket fra pufferopløsning Etiket fra det tyske firma E. Merck, som på flere sprog fortæller, at pufferopløsningen er fremstillet efter Sørensens forskrift. 5 reglen, at danske kemikere indstillede deres landsmænd. Sørensen var som den eneste danske kemiker centrum for en indenlandsk indstillingskampagne, og han er endvidere den danske kemiker, der er blevet indstillet til prisen flest gange. I årene 1921-35 blev han således indstillet hele 19 gange til prisen i Kemi og seks gange i Fysiologi eller Medicin. Men han modtog den altså aldrig. Over for den komité, der behandlede indstillinger af kemikere, blev det foreslået, at Sørensen fik prisen for arbejderne med bestemmelse af pH’s betydning for enzymkatalyserede reaktioner og for udredningen af metoder til bestemmelse af pH. Men her mente man altså ikke, at disse arbejder var tilstrækkeligt originale til at udløse en pris. Også for sine studier af proteiner blev Sørensen indstillet, og her var den kemiske komité mere venligt stemt. Men de havde dog svært ved at vurdere resultaternes blivende værdi for biokemisk forskning. Komiteen for prisen i Fysiologi eller Medicin mente ikke, at disse arbejder var af dybtgående betydning. Og så er det også værd at påpege, at ifølge Nobelstiftelsens fundats kan man ikke modtage en pris for sin samlede forskning – kun for et nærmere afgrænset forskningsresultat. Vi skal helt op til 1997, før en dansker fik kemiprisen. Det var lægen, professor, dr.med. Jens Chr. Skou (f. 1918), der delte prisen med to andre forske- re. Skou fik den for sin opdagelse af den såkaldte natriumkaliumpumpe, dvs. det iontransporterende enzym: Na+,K+ATPase, mens kemikeren, professor, civ.ing. & dr.phil. Henrik Dam (1895-1976) i 1943 modtog en halv pris i Fysiologi eller Medicin for opdagelsen af vitamin K. pH I LÆREBØGERNE Når der gøres fundamentale opdagelser eller skabes nye begreber indenfor en videnskab, kan der gå lang tid, før der kan læses herom i elementære lærebøger. Læren om pH er i dag en del af den elementære kemiundervisning. Der gik dog nogle år fra indførelsen, til den optrådte i gymnasielærebøgerne. I 1929 omtaler hovedfagsmatematikeren og rektor for Frederiksborg Statsskole L.J. Ring (1873-1949) en brintioneksponent i første udgave af sin lærebog Kemi for Gymnasiet, og fire år senere får vi i anden udgave den definition, som vi stort set også bruger i dag. Professor i kemi ved Københavns Universitet Julius Petersen (1865-1931) skrev en bog med samme titel, som udkom i ti udgaver i årene 1907-44. End ikke i den sidste nævnes pH. Man skal helt frem til den femte udgave af Hans Rasmussens tilsvarende bog med samme titel, som i 1937 endelig indfører benævnelsen pH. Når pH først kom ind i den gymnasiale undervisning på et sent tidspunkt, er der flere grunde. Der var i første del af 19006 tallet ikke mange cand.mag.’er med kemi som hovedfag ansat i gymnasieskolen. Ville man være professionel kemiker, blev man normalt civilingeniør, mag. scient. eller eventuelt farmaceut. Og de fleste med skoleembedseksamen med kemi som hovedfag, søgte sjovt nok ansættelse uden for skolen. Herudover udgjorde den uorganiske og den organiske kemi den væsentligste del af det gymnasiale kemipensum helt op til starten af 1960'erne. Den fysiske eller almene kemi var først senere et område, der blev anset for centralt. I grundskolen var det først i 1960'erne, at der for alvor kom gang i debatten om miljø og sundhed, og den folkeskolelov, der så dagens lys i 1975, blev fulgt op af en række faghæfter. Fra nu af fik eleverne mulighed for at stifte nærmere bekendtskab med pH, idet de lærte om skalaen og om, hvordan størrelsen kunne måles med indikatorpapir – altså ikke blot med lakmuspapir, som kan fortælle, om en opløsning er sur, basisk eller neutral, men med strimler, der kan angive en mere nøjagtig talværdi. Det kom næppe på tale, at eleverne skulle beregne pH. På universitetet var det anderledes. Allerede i 1918 kunne man læse om størrelsen i kemiprofessor Einar Biilmanns (1873-1946) lærebog. Men selv om størrelsen ikke har optrådt i en lærebog, kan kemikere nok have kendt til den, ligesom der også kan have været undervist i stoffet. Sørensen havde jo skrevet herom både i 1909afhandlingen og i Fysisk Tidsskrift, som blev læst af kemikere på den tid. Valby ved København. Men jeg 3. H. Nielsen og K. Nielsen (red.): Historien om tretten danske Nobelpriser. Nabo til savner en mere markant markeNobel. Århus Universitetsforlag, 2001. ring. Hvorfor har vi ikke fået et 4. B. Riis Larsen ”Hvad lavede de første cand.mag.er med kemi som hovedfag?”, frimærke med et portræt af SøKemi 79 nr. 4 (1998) 18-19. rensen og måske hans formel til 5. Dansk B. Riis Larsen: Otte kapitler af kemiunderberegning af størrelsen? Og var visningens historie. Træk af den gymnasiale kemiundervisnings historie gennem 400 det ikke en god idé at opkalde en år. Historisk-kemiske skrifter nr. 9, Dansk vej eller plads efter ham? Ikke Selskab for Historisk Kemi, 1998. mindst i Tyskland har man i 6. B. Riis Larsen: pHorenkling pHremmer pHorståelsen. I: Jul i Slagelse. 1999. pp. årtier været flinkere til at hædre 14-17. deres store naturvidenskabs7. B. Riis Larsen: pH – en dansk idé. Histomænd. risk-kemiske skrifter nr. 11, Dansk Selskab I forbindelse med 90-året for for Historisk Kemi, 2000. indførelsen af pH afholdt Dansk 8. B. Riis Larsen, ”Den tredje rejsende kemiker på cykeltur”, Dansk Kemi 81 nr. 3 Selskab for Historisk Kemi et (2000) 24-26. stort symposium på Carlsberg 9. B. Riis Larsen: Niels Bjerrum og skolen. I: A. Kildebæk Nielsen (red.): Niels Bjerrum Laboratoriet. De enkelte bidrag (1879-1958). Liv og værk. Historiskherfra er senere samlet i bogkemiske skrifter nr. 15 udgivet af Dansk form. Desuden skrev dette esSelskab for Historisk Kemi, 2004. s. 225238. says forfatter i 1999 og 2000 to mindre artikler, som især foku- 10. P.V. Rubow: Karl Gjellerup. I: Dansk Biografisk Leksikon bd. 5. s. 199-201, serer på S.P.L. Sørensens barn1980. 11. S.P.L. Sørensen: Études Enzymatiques. II. og ungdom. Sur la mesure et l’importance de la conPå Tingstedet i Løve nord centration des Ions hydrogène dans les for Slagelse finder man minderéactions enzymatiques,1909. sten over en række personer fra lokalområdet. Den største er rejst til ære for S.P. L. Sørensen. Indskriften fortæller imidlertid Forsideillustration: ikke, at han indførte pH. VIL pH LEVE VIDERE? I forbindelse med, at vi markerede 100-året for indførelsen af pH, skrev den norske kemiprofessor, dr.philos. Ragner Bye en lille tidsskriftartikel, hvor han blandt andet diskuterede dette spørgsmål. For andre end kemikere er det næppe indlysende, at en opløsning med pH = 3,7 er ”dobbelt så sur” som en anden opløsning med pH = 4,0. Man kunne derfor forestille sig, at man angav surhedsgraden som oxoniumkoncentrationen i mol/L med passende SIpræfikser, som milli-, mikro-, nano- osv. Dette er korrekt nok; men da de målbare oxoniumkoncentrationer går over 14-15 størrelsesordener, måtte man benytte hele skalaen af præfikser: deci-, centi-, milli-, mikro-, nano-, pico- og femto-. Man kunne således angive surhedsgraden i humant blod til 40 Børge Riis Larsen, Ph.D., er nmol/L (nanomol pr. liter). At lektor ved Slagelse Gymnasium dette skulle være at foretrække, og forfatter. stillede Bye sig meget tvivlende [email protected] overfor. AFSLUTNING 100-året for indførelsen af pH blev markeret blandt andet ved forelæsninger herom ved Kemisk Forenings årsmøde på Syddansk Universitet i Odense og på Carlsberg Laboratoriet i 1. 2. R. Bye, ”pH er i år 100 år”, Kjemi 7-8 (2009) 17f. A. Kildebæk Nielsen og T. Andersen: Dansk kemi fra 1920 til 1960’erne. I: H. Nielsen og K.H. Nielsen: Viden uden grænser 1920-1970. Dansk Naturvidenskabs Historie bd. 4., Århus Universitetsforlag, 2006. pp. 67-84. 7 N.P. Dorphs maleri af S.P.L. Sørensen og medarbejdere malet i 1923. Maleriet var en større del af udsmykningen til den gamle nationalbanks hovedsæde, der er fra 1922, og det symboliserer Videnskaben. Ved nedrivningen af bygningen blev det i 1982 skænket til De forenede Bryggerier og hænger i dag på Carlsberg Forskningscenter i Valby. Sørensen bar aldrig kittel, hvilket ellers var blevet almindeligt for kemikere i starten af 1900-tallet for at beskytte tøjet. På billedet ses fra højre cand.polyt. Margrethe Sørensen (18841954), S.P.L. Sørensens hustru og assistent, professor S.P.L. Sørensen med en opløsning af serumalbumin. Med ryggen til dr.phil. K. Linderstrøm- Lang (1896-1959), der senere afløste S.P.L. Sørensen som professor for den kemiske afdeling, og ved siden af ham kemiingeniør Gotfred Hougaard. I den modsatte side assistent Hans Jessen Hansen (1860-1934) og dr.phil. Carsten Olsen (1891-1974) . Yderst til venstre en studerende fra Agricultural College, Kyoto University, senere professor K. Kondo. . I de fleste fremstillinger er billedet beskåret, så Kondo ikke er kommet med. Men her gengives hele maleriet. Tak til arkivar Ulla Nymand og assistent Søren Larsen for kopien af billedet med oplysningerne og til professor Jens Duus for tilladelse til at bringe det. Figur 3. Mindesten over S.P.L. Sørensen Denne artikels forfatter ved mindestenen over S.P.L. Sørensen på tingstedet i Løve nord for Slagelse. Indskriften fortæller ikke, at det var Sørensen, der i 1909 indførte størrelsen pH. (Foto: Martin Riis Larsen) 8