7. marts 2008

Niels Bjerrum

Kilde: Mosaik 7, 1997

 

Niels Bjerrum (1879-1958) var kemiker, mag.scient. og blev ansat ved Københavns Universitet i 1902 og blev professor ved Den Kgl. Veterinær- og Landbohøjskole i 1914. Han var direktør for KVL i perioden 1939 til 1946. Niels Bjerrum var medlem af Videnskabernes Selskab, bestyrelsen for Rask Ørsted Fondet, The American Scandinavian Foundations danske komité, Carlsbergfondets direktion, formand for Carlsberg Laboratorium, medlem af bestyrelsen for De Danske Sukkerfabrikker mm. Niels Bjerrum var æresdoktor ved universiteterne i Göttingen, Åbo og Danmarks Tekniske Højskole.

 

 

Anita Kildebæk Nielsen, Institut for Videnskabshistorie, Aarhus Universitet skrev i Dansk Kemi, 82, nr. 5, 2001 følgende artikel:

Niels Janniksen Bjerrum var i begyndelsen af det 20. århundrede på flere måder Danmarks måske mest innovative og internationalt orienterede kemiker. Han opnåede ikke at blive nobelpristager, men han var ganske tæt på - tættere end nogen anden dansk kemiker før 2. verdenskrig. Niels Janniksen Bjerrum er af den amerikanske kemiker og kemihistoriker Ralph Edward Oesper blevet karakteriseret som »The Dean of Danish Physical Chemists«, og som det efterfølgende vil vise, var det ikke uden en vis berettigelse. Bjerrum var uddannet magister i kemi ved Københavns Universitet i 1902. Syv år senere forsvarede han sin doktorafhandling,og det var i forbindelse med dette arbejde, at han første gang gjorde sig internationalt bemærket.

De stærke elektrolytter

I efteråret 1908 konkurrerede J.N. Brønsted og Bjerrum om at opnå det tredje professorat i kemi ved universitetet. I en af de forelæsninger, Bjerrum holdt i den forbindelse, foreslog han, at stærke elektrolytter var totalt dissocierede, idet vandige opløsninger af dem altid havde den samme farve uanset koncentrationen. Dette var i modstrid med Arrhenius klassiske teori for opløsninger af elektrolytter fra 1880erne, som antog, at ingen elektrolytter kunne være fuldstændig ioniserede. Der var imidlertid ingen, der lagde mærke til den revolutionerende ide i konkurrencens hede. Det var der til gengæld, da den blev gentaget året efter i London på en konference om anvendt kemi, hvor Arrhenius også deltog. Han var stærkt imod ideen, mens andre konferencedeltagere var mere positive. Det var dog først syv år senere, at ideen rigtig fængede i det internationale kemikersamfund. Ved det 16. skandinaviske naturforskermøde kunne Bjerrum fremlægge bevis for, at Arrhenius teori ikke kunne redegøre for de stærke elektrolytters opførsel i vandig opløsning. Blandt beviserne var en figur, der demonstrede, at hvis man tog hensyn til den såkaldte Milnereffekt, ville man opnå en langt bedre overensstemmelse med de eksperimentelle målinger af det osmotiske tryks fald som funktion af koncentrationen af en stærk elektrolyt (KCl). Milnereffekten er den formindskelse i det osmotiske tryk, som ionerne i opløsningen frembringer på grund af deres elektriske ladning. Overensstemmelsen mellem forsøgsresultaterne og Milners teori støttede derfor entydigt, at elektrolytten måtte være fuldstændigt dissocieret - eller hundrede procent ioniseret, som Bjerrum senere anbefalede at rette udtrykket til. Debye-Hückel-teorien fra 1923 kunne nemlig påvise, at ionerne i en vandig opløsning af stærke elektrolytter vekselvirker elektrostatisk med hinanden og danner regelmæssige strukturer, således at ingen ioner i realiteten flyder frit omkring i opløsningen. 

Tidlig kemisk fysik

I 1910 var Walther Nernst inviteret til København af Selskabet for Naturlærens Udbredelse og Den polytekniske Læreanstalt for at holde foredrag. Under besøget tilbød Nernst Bjerrum et job som forskningsassistent i Berlin, og Bjerrum og familien tilbragte følgelig 1911 i Tyskland.De første Berlinstudier blev gjort vha. den såkaldte eksplosionsmetode med det formål at bestemme dissociationsgraden af forbrændingsprodukterne og molekylernes varmefylde. En analyse af forsøgsresultaterne fik Bjerrum til at studere absorptionsspektra af molekylære gasser i det infrarøde område. Ud fra Einsteins varmefyldeteori var det klart, at absorptionsspektrene skulle indeholde bånd eller linier som resultat af molekylernes rotation og vibration svarende til atomsvingningernes frekvens. Det springende punkt var at associere den infrarøde absorption af en gas med Plancks kvanter i varmefyldeligningen for derigennem at opnå to sæt sammenlignelige frekvenser. Faktisk lykkedes det Bjerrum at opnå god overensstemmelse mellem de beregnede og målte tre frekvenser for CO2 - imidlertid på grundlag af flere gale antagelser, der lykkeligvis ophævede hinanden - men selve ideen var både korrekt og nyskabende. Som Ballhausen har skrevet, så var »dette...det tidligst kendte eksempel på en korrelering af en makroskopisk kvantitet, nemlig en varmefylde, med molekylære størrelser som vibrationsfrekvenser«3. På den første fysiske Solvay-konference i 1911, der bl.a. var arrangeret af Nernst, forelæste Nernst netop over anvendelsen af Plancks kvanteteori og Einsteins massefyldeformel og nævnte Bjerrums resultater, uden at det dog påvirkede forskningsudviklingen i synderlig grad. Bjerrum så også på kvantiseringen af molekylers rotationsenergi, især i forbindelse med hydrogenchloridgas og opnåede også her brugbare kvalitative resultater. Det er interessant, at Bjerrum i disse arbejder omkring 1914 ikke benyttede nogle af de elementer, som snart kunne findes i Bohrs atomteori - selvom netop Bohr og Bjerrum var bekendte og senere blev nære venner. Bjerrum endte med at forlade denne del af forskningsfronten, da han blev professor ved Den Kgl. Veterinær- og Landbohøjskole (KVL) i 1914 og vendte ikke senere tilbage. Arbejderne fra Berlin viser Bjerrum som en innovativ og original tænker, der var en betydelig bedre funderet matematiker end hans samtidige kemi-kolleger. Udlandsopholdet resulterede også i flere ven- og bekendtskaber blandt toppen og den kommende top af den videnskabelige elite. 

På KVL

Selvom stillingen på KVL naturligt medførte en del undervisningsforpligtelser, så blev der også mellem 1914 og ca. 1930 tid til en del forskning. Opløsningers kemi havde stadig hans store interesse. I 1914 kom en monografi om titrering, hvori det såkaldte Bjerrum-diagram blev indført i det afsnit, der handlede om farveindikatorer4. Den anden halvdel af bogen behandlede på et seriøst, teoretisk og praktisk grundlag de mange fejlkilder, der er i forbindelse med titrering. I 1905 havde Bjerrum været på besøg i Ostwalds laboratorium, og derfra fik han interesse for måling af hydrogenioner i opløsninger og en viden om hydrogenelektroden. Bjerrum var ikke bare tidligere ude på det felt end S.P.L. Sørensen på Carlsberg Laboratoriet, han lagde også mindst lige så meget arbejde i det. Naturligt nok også på KVL, hvor han bl.a. sammen med Jens Kjær Gjaldbæk publicerede artikler om jords syre-/base-egenskaber. Det var Bjerrums undervisning, der inspirerede Karl A. Hasselbalch til at lave hydrogenionmålinger af jordprøver. Det var jo forresten også Bjerrum, der indførte betegnelsen pKa i 1917 som en analog til pH-begrebet. Endelig slog Bjerrum sit navn fast i biokemikerkredse i 1920erne med sit forslag om, at aminosyrer og proteiner i vandige opløsninger i større eller mindre grad eksisterer som zwitterioner. Som en konsekvens af erkendelsen gen-beregnede han dissociationskonstanterne for aminosyrerne, idet disse er stærkt afhængige af, om molekylerne er elektrisk ladede eller ej. Fra midten af 1930erne blev Bjerrum i stadig stigende grad involveret i administrativt arbejde, bl.a. i Carlsbergfondet, som formand for Carlsbergs bryggeriråd, og som rektor for KVL. Det var derfor først, da han blev pensioneret i 1949, at tiden igen blev til forskning - hvad den så var alle de sidste år af hans liv. Men inden vi forlader forskeren Bjerrum, skal jeg vende tilbage til vurderingen af nogle af hans resultater, nemlig den forskning, han af to omgange blev indstillet til Nobelprisen i Kemi for.

Nobel-nomineringer

Det er en udbredt myte, at Bjerrum af biokemikere skulle være blevet nomineret til Nobelprisen for sin´zwitterion-artikel fra 1923. Det er imidlertid en kendsgerning, at det arbejde hverken er nævnt af de forskere, der indstillede Bjerrum eller i de rapporter, der blev udarbejdet af Nobelkomiteen i Kemi. Det er også en gengiven myte, at Brønsted og Bjerrum skulle have været tæt på at dele en Nobelpris i årene op til 2. verdenskrig. Det er et rygte, der sågar fandt vej til Politiken efter Bjerrums død i 1958. Men ikke blot har Brønsted og Bjerrum aldrig været indstillet til at dele en pris, de blev ikke indstillet af de samme personer og ikke engang de samme år. Det er måske i den forbindelse værd at bemærke, at hverken Brønsted eller Bjerrum blev indstillet af danskere, men kun af udlændinge. Det kan få en til at spekulere over, hvordan det indbyrdes forhold var mellem professorerne i Danmark, men det vil jeg ikke forfølge her. Hvad der er faktum er, at Bjerrum to gange blev indstillet til Nobelprisen i kemi, nemlig i 1927 og 1931. Den første nominering kom fra Fritz Weigert i Leipzig, som Bjerrum havde lært at kende under opholdet i Berlin. Weigert foreslog, at Bjerrum blev tildelt Nobelprisen for sin teori om de stærke elektrolytter og forholdet mellem farve og dissociation. Weigert beskrev i detaljer, hvordan disse arbejder dannede grundlaget for Debye-Hückelteorien. En passant blev Bjerrums pionerarbejder med kvanteteorien dog også nævnt, især at disse lå forud for Bohrs arbejder. Den bredtfavnende svenske kemiker Ludwig Ramberg blev sat til at udarbejde en nærmere undersøgelse af Bjerrums resultater i Nobelkomiteen i Kemi. Rambergs meget lange og detaljerede rapport brugte dog det meste af pladsen på at give et historisk rids fra Arrhenius og op til 1927. Med hensyn til originaliteten, rigtigheden og nytteværdien (for den videre forskning på feltet) af Bjerrums arbejder, så pointerede Ramberg, at Bjerrum ikke havde været den første på banen med en idé om fuldstændig dissociation. Men på den anden side var Bjerrums udformning af teorien i højeste grad original og den havde, medgav han, været en stor inspirationskilde for andre kemikere. Hvad angik både det formelle system bag teorien og underideen om inter-ioniske kræfter, så foreslog Ramberg at se tiden an - han kunne ikke helt overskue deres rigtighed, og der udkom til stadighed nye artikler, og hermed sluttede behandlingen af Bjerrums nominering afventende, omend forholdsvis positiv, i 1927. Fire år senere var det så en anden god ven fra Berlin-dagene, der indstillede ham. Arnold Thomas Eucken, der korresponderede flittigt med Bjerrum, sad i 1931 i Göttingen. Hans indstilling var forslaget om en delt pris mellem Bjerrum og Peter Debye for deres udvikling af teorien for stærke elektrolytter, hvor man kan sige, at Bjerrum og Debye repræsenterede henholdsvis første og anden generation i teoriens udvikling. Debye var på dette tidspunkt allerede blevet nomineret flere gange i både fysik og kemi. Igen udarbejdede Ramberg en omfattende rapport. Han slog fast, at de sidste års udvikling af kemien havde været positivt influeret af teorien, og at nomineringen derfor stod stærkt. Vha. citater fra lærebøger og artikler demonstrerede Ramberg, at han langt fra stod alene med det synspunkt. Derfor måtte den naturlige konsekvens ifølge Ramberg være »att förslaget om det kemiska Nobelprisets delning mellan Bjerrum och Debye tillhör dem, som i allra främsta rummet måsta tagas i övervägande vid dette års prisutdelning«. Med andre ord en meget sikker anbefaling af de to forskere, som dermed kom et skridt nærmere en tildeling. Men den samlede Nobelkomité valgte at se bort fra Rambergs anbefaling, eller måske snarere at lægge større vægt på en anden. I hvert fald konkluderede komiteen, at der var andre, der burde »belønnes« først, og valget faldt på Carl Bosch og Friedrich Bergius, der var ansat på I.G. Farbenindustrie A.G., og som i første række havde udviklet en højtryksmetode til storskala-fremstilling af ammoniak under 1. verdenskrig. Bjerrum var uden tvivl den danske kemiker, der før 2. verdenskrig var tættest på en Nobelpris, selv om han ikke var den hyppigst indstillede (det var S.P.L. Sørensen). Det er meget tænkeligt, at endnu en eller flere indstillinger kunne have båret frugt, men de kom ikke. Bl.a. fordi ingen danske kemikere indstillede ham, trods muligheden.

Niels og Niels

Som tidligere nævnt var Bjerrum og Niels Bohr gode venner. Sammen med medicineren Ole Chievitz og ingeniøren Holger Hendriksen købte de bl.a. i 1920erne en sejlbåd. Lad mig slutte af med en Bjerrum-Bohr-historie, som siger nok så meget om Bohr som om Bjerrum. I hvert fald eksisterer der andre lignende historier om Bohr. Inden Bohr flyttede ud i Carlsbergs æresbolig, boede han og Bjerrum ikke så langt fra hinanden nord for centrum i København. Når de begge havde deltaget i et møde, f.eks. i Videnskabernes Selskab, plejede de at følges hjemad på gåben, beretter Bjerrum i nogle upublicerede erindringer om Bohr.

»Vi havde altid saa meget at tale om, at det var vanskeligt at skilles. Først fulgte jeg Bohr ud ad Ryvangs allé, og saa fulgte Bohr mig tilbage, og det kunde gentage sig flere gange, og naar jeg saa endelig var kommet hjem og i seng, kunde telefonen ringe, selv om det var sent. Det var Bohr, som maatte føje noget til det, han havde sagt paa vor hjemtur«.

1) Artiklen er baseret på afsnit 6.2 i Anita Kildebæk Nielsen, The Chemists: Danish Chemical Communities and Networks, 1900-1940, ca. 570 sider. Ph.d.-afhandlingen kan erhverves ved henvendelse til Institut for Videnskabshistorie, Aarhus Universitet: 8942 3512, ivhlk@ifa.au.dk, og koster 150 kr. ekskl. forsendelse (et kort resumé på dansk eller engelsk kan læses på www.ifa.du.dk/ivh/personer/anita_kildebk_nielsen.dk.html).

Læseren henvises generelt til dette værk for kildehenvisninger.

2) Bjerrum, Niels (1918) De stærke Elektrolytters Dissociation. Forhandlinger ved de skandinaviske Naturforskeres 16. Møte i Kristiania den 10.-15. Juli 1916 (Kristiania), 229.

3) Ballhausen, C.J. (1984) Kemien og Placks Kvanteteori. Naturens Verden, 68, 179-86.

4) Bjerrum, Niels (1914) Die Theorie der alkalimetrischen und azidimetrischen Titrierungen (Stuttgart: Verlag von Ferninand Enke). Så vidt jeg har kunnet opspore, så bliver termen »Bjerrum-diagram« forstået i hele Norden, men jeg har ikke været i stand til at få afklaret, hvad denne type kurver hedder uden for Skandinavien, hvis de da hedder noget specifikt.

5) Se også Østergaard, Knud (1998) Carl Bosch - Kemiingeniør - Industrileder - Nobelpristager. Dansk Kemi, 79, nr. 12, 14-17. Peter Debye modtog senere (i 1936) Nobelprisen i kemi for sine molekylstrukturstudier, se det elektroniske Nobelmuseum på www.nobel.se/index.html.