Überblick
Am Anfang des achtzehnten Jahrhunderts dominierte die Phlogiston-Theorie des Feuers. Jahrhunderts wurde die Phlogistontheorie jedoch durch das neue Konzept der Verbrennung von Sauerstoff überwunden. Der Sturz der Phlogistontheorie des Feuers wird oft als leuchtendes Beispiel für den Triumph der guten Wissenschaft über die schlechte dargestellt, doch die Geschichte ist von vielen Fehlstarts, falschen Experimenten und falschen Annahmen geprägt. Persönlichkeiten, soziale und kulturelle Einflüsse sowie die neue Betonung der experimentellen Analyse und der natürlichen Ursachen trugen dazu bei, die Phlogiston-Theorie in Frage zu stellen und zu ersetzen.
Hintergrund
Die griechischen Philosophen betrachteten das Feuer als eines der Grundelemente der Natur und boten eine Reihe unterschiedlicher Interpretationen an. Heraklit von Ephesos (ca. 535-475 v. Chr.) machte das Feuer zur universellen Kraft der Schöpfung. Aristoteles (384-322 v. Chr.) nannte das Feuer eines der großen Prinzipien aller Dinge. Platon (427-347 v. Chr.), Aristoteles‘ Lehrer, schlug vor, dass brennbare Gegenstände in sich ein entflammbares Prinzip enthalten, eine Substanz, die sie zum Brennen bringt, aber es waren Aristoteles‘ Ideen, die das mittelalterliche europäische Denken dominierten.
Aristoteles‘ Feuer war Teil eines Vier-Elemente-Systems, das aus Luft, Erde, Feuer und Wasser bestand. Eine Substanz wie Holz bestand aus einer Kombination der vier Elemente. Wenn es brannte, war die Flamme das entweichende Feuerelement, jeder Dampf war Luft, jede Feuchtigkeit Wasser und die zurückbleibende Asche war Erde.
Die Renaissance im 16. Jahrhundert entdeckte die Werke Platons wieder, als Teil einer breiteren intellektuellen Bewegung zur Wiederentdeckung der klassischen Vergangenheit. Platons Vorstellung von einem brennbaren Prinzip innerhalb einer Substanz passte gut zu den alchemistischen Ideen dieser Zeit. Platons Konzept wurde abgewandelt, und die Alchemisten betrachteten Schwefel oder „irgendeinen vagen Geist von Schwefel“ als das brennbare Prinzip. Schwefel verbrannte fast vollständig, daher wurde Schwefel als das Feuer selbst oder als etwas, das eng mit dem Feuer verwandt war, angesehen. Es wurde ein neues System der Elemente konstruiert, bei dem die Stoffe durch eine Kombination von Schwefel, Quecksilber und Salz erklärt wurden. So brannte Holz, weil es Schwefel enthielt, gab Flammen ab, weil es Quecksilber enthielt, und hinterließ Asche, weil es Salz enthielt.
In der Mitte des 17. Jahrhunderts führten die Beobachtungen, Experimente und die Philosophie von Johann Joachim Becher (1635-1682) und seinem Schüler Georg Ernst Stahl (1660-1734) zu einer neuen Interpretation von Schwefel. Sie schlugen vor, dass Schwefel in Wirklichkeit aus einer Kombination von Schwefelsäure und einer neuen Substanz, die sie Phlogiston nannten, hergestellt wird. Phlogiston (ausgesprochen FLO-jis-ton) war eigentlich das Prinzip des Feuers, nicht des Schwefels, und Stahl schlug vor, dass Phlogiston von allen Substanzen freigesetzt wird, wenn sie brennen. Wenn also Holz verbrennt, wird Phlogiston in die Luft freigesetzt und hinterlässt Asche. Asche war also Holz ohne Phlogiston. Schwefel und Stoffe wie Holzkohle und Fett brannten gut, weil sie viel Phlogiston enthielten.
Wirkung
Die Phlogistontheorie wurde schnell populär, war sehr robust und erklärte eine Vielzahl von Phänomenen. Sie erklärte das Rosten von Metallen. Wenn das Metall rostete, gab es Phlogiston an die Luft ab, so dass ein Metall eine Kombination aus Rost und Phlogiston war. Auch die Atmung von Tieren konnte so erklärt werden. Bei der „Verbrennung“ der Nahrung im Körper wurde Phlogiston freigesetzt und über die Lungen aus dem Körper ausgestoßen. Phlogiston war die „treibende Kraft des Feuers“, die Grundlage der Farben, das Prinzip der Entflammbarkeit, unzerstörbar und eine „äußerst subtile Materie“. Es konnte leicht verwendet werden, um beobachtete Ergebnisse in Experimenten zu erklären. Zum Beispiel zeigten Experimente, dass die Verbrennung eines Holzstäbchens in einem geschlossenen Raum, z. B. einem Gefäß, nach kurzer Zeit aufhörte. Dies wurde damit erklärt, dass die Luft nur eine bestimmte Menge an Phlogiston enthalten konnte, und sobald diese Grenze erreicht war, konnte keine Verbrennung mehr stattfinden.
Die Phlogistontheorie war sehr erfolgreich und so weit verbreitet, dass sie als eine der ersten vereinheitlichenden Hypothesen der chemischen Wissenschaften akzeptiert wurde. Allerdings begannen die Wissenschaftler Probleme zu haben, einige neue experimentelle Ergebnisse zu erklären. Ein Grund dafür war, dass die Theorie versuchte, zu viele Dinge zu erklären. Je mehr die Theorie von ihren Befürwortern modifiziert wurde, um ein bestimmtes beobachtetes Verhalten zu erklären, desto mehr Schwierigkeiten hatten sie, andere zu erklären.
Die gesamte Methode der Erforschung der Natur veränderte sich. Das Vertrauen in die Vergangenheit wurde durch neue Entdeckungen und Erfindungen erschüttert. Die alte Wissenschaft wurde zur gleichen Zeit in Frage gestellt wie die traditionelle Religion, die Wirtschaft, die sozialen Strukturen und die Regierungen. Jahrhundert war eine Zeit der Revolutionen, darunter die Amerikanische Revolution, die Französische Revolution und dazwischen eine Revolution in den chemischen Wissenschaften.
Als sich die Theorie des Phlogistons entwickelte, begannen die Natur und die Eigenschaften der geheimnisvollen Substanz auf unterschiedliche Weise beschrieben zu werden. Während Stahl das Phlogiston als ein vages Prinzip betrachtet hatte, begannen die Anhänger seiner Theorie, dem Phlogiston physikalische Eigenschaften wie das Gewicht zuzuordnen. Dies schien zunächst nur die Logik der Theorie zu untermauern. Wenn Holz verbrennt, hinterlässt es eine leichtere Substanz, die Asche, zurück. Das fehlende Gewicht ist also das entweichende Phlogiston. Wenn ein Metall wie Eisen rostet, erscheint der Rost leichter, also war auch hier das fehlende Gewicht das entweichende Phlogiston.
Allerdings stellten vorsichtige Experimentatoren fest, dass der Rost von Metallen zwar leichter oder zumindest weniger dicht erschien als das Metall, aus dem er stammte, aber in Wirklichkeit wog er mehr. Dies führte dazu, dass an der Theorie weiter gebastelt wurde. Einige Befürworter schlugen vor, dass Phlogiston ein negatives Gewicht habe, so dass es, wenn es eine Substanz verlasse, das Ergebnis schwerer mache. Die Phlogistontheorie begann, unhandlich und übermäßig kompliziert zu werden. Die Erklärungen für die Eigenschaften des Phlogistons wurden immer widersprüchlicher. Um bestimmte Eigenschaften zu erklären, musste es manchmal kein Gewicht haben, manchmal ein positives Gewicht und manchmal ein negatives.
Weitere Probleme für die Phlogistontheorie ergaben sich aus neuen Experimenten und Forschungen über Gase. Eine internationale Gruppe von Experimentatoren begann, sich mit Gasen zu befassen, Forschungen auszutauschen und experimentelle Ergebnisse zu veröffentlichen und zu übersetzen, wobei jeder seine eigene Sichtweise und seine eigenen Annahmen in die beobachteten Ergebnisse einbrachte.
Im England der 1770er Jahre war Joseph Preistley (1733-1804) ein engagierter Anhänger der Phlogistontheorie, aber er war auch ein sorgfältiger Experimentator. Er isolierte ein neues Gas, indem er Quecksilberrost erhitzte, der beim Erhitzen das neue Gas abgab und das metallische Quecksilber zurückließ. Dieses neue Gas ließ Dinge heller und länger brennen als normale Luft. Mäuse, die in Gläsern mit diesem neuen Gas eingeschlossen waren, konnten länger atmen als in normaler Luft. Preistley suchte nach einer Erklärung, die mit der Phlogistontheorie vereinbar war, und vermutete, dass dieses neue Gas besonders gut Phlogiston absorbieren konnte. Gewöhnliche Luft, so vermutete er, enthielt bereits etwas Phlogiston und konnte daher schnell mit mehr Phlogiston aufgefüllt werden, wodurch Verbrennung, Rostbildung und Atmung unmöglich wurden. Diese neue Luft, die Priestley dephlogistonierte Luft nannte, war völlig frei von Phlogiston und brauchte daher viel länger, um sich zu füllen.
In Frankreich führte Antoine Lavoisier (1743-1794) ähnliche Experimente mit denselben Substanzen durch. Er kam zu den gleichen Ergebnissen wie Priestley, suchte aber nach einer neuen Erklärung für die Verbrennung und betrachtete seine Ergebnisse daher aus einer anderen Perspektive. Lavoisier schlug vor, dass nicht Phlogiston freigesetzt wird, wenn ein Metall rostet oder eine Substanz verbrennt, sondern dass Priestleys neues Gas, das er Sauerstoff nannte, aus der Luft absorbiert wird.
Während beide Theorien die beobachteten Ergebnisse gut erklärten, hatte Lavoisiers Erklärung einen großen Vorteil gegenüber der von Priestley: Sie lieferte einen Mechanismus für die Gewichtszunahme von Rost. Der Rost eines Metalls bestand darin, dass sich das Metall mit Sauerstoff verband und eine schwerere Substanz, ein Oxid, bildete. Dies war eine revolutionäre Herangehensweise an das Problem und brach mit den bisherigen Traditionen, die bis zu Plato zurückreichten. Während der gesunde Menschenverstand annahm, dass beim Verbrennen oder Rosten eines Gegenstands etwas entweicht, zeigte Lavoisiers sorgfältige experimentelle Analyse, dass tatsächlich Sauerstoff absorbiert wurde.
Lavoisier konnte jedoch die Natur von Hitze und Feuer nicht erklären und war gezwungen, eine seltsame neue Substanz zu erfinden, die er Kalorik nannte. Caloric hatte eine Reihe von Ähnlichkeiten mit Phlogiston, da es ein Prinzip des Feuers war, so wie Schwefel und Phlogiston zuvor betrachtet worden waren.
Weitere experimentelle Arbeiten mit anderen Metallen, deren Roste und andere neue Gase begannen langsam ein kohärenteres Bild davon zu entwickeln, was beim Rosten und Brennen geschah. Ein weiterer Durchbruch war die Erkenntnis, dass Wasser eine Kombination aus den Gasen Wasserstoff und Sauerstoff ist. Wenn man Wasserstoff verbrennt, entsteht Wasser. Lavoisiers Theorie gewann an Unterstützung, da immer mehr Experimente positive Ergebnisse lieferten.
Lavoisiers Hauptgegner, Priestley, überlebte ihn, konnte aber den Trend zur „neuen Chemie“ von Lavoisier nicht umkehren. In seinem letzten Buch, das 1796 veröffentlicht wurde, vertrat Priestley noch immer nachdrücklich die Phlogistontheorie, musste sich aber den vorherrschenden Meinungen anderer beugen. Er schrieb: „Es hat nur wenige, wenn überhaupt, so große, so plötzliche und so allgemeine Umwälzungen in der Wissenschaft gegeben, wie die Vorherrschaft dessen, was jetzt gewöhnlich das neue System der Chemie oder das der Antiphlogistone genannt wird, über die Lehre von Stahl, von der man einst glaubte, sie sei die größte Entdeckung, die je in der Wissenschaft gemacht worden war.“
Während viele Historiker Priestly als sturen, törichten Verfechter einer veralteten Theorie charakterisiert haben, ist die Akzeptanz von Lavoisiers Ideen in so kurzer Zeit eher überraschend. Die Kritiker wiesen zu Recht darauf hin, dass Lavoisiers Theorie unvollständig war und nicht alle beobachteten Ergebnisse erklären konnte. Im Laufe der Zeit wurde die Theorie jedoch immer stärker und vollständiger, ohne ihre Einfachheit zu verlieren. Einige warfen ihm vor, er habe lediglich Stahls Phlogiston durch seine eigene Kalorik ersetzt, eine Substanz, die mindestens ebenso geheimnisvoll ist. Aber die Kalorik stand nicht im Mittelpunkt von Lavoisiers Ideen.
Die neue Verbrennungstheorie hatte mehrere entscheidende Vorteile. Sie war einfach, konsistent, berief sich nicht auf negative Gewichte oder andere scheinbar obskure Konzepte und beruhte auf einer soliden experimentellen Analyse. Zwar gab es hier und da noch einige Anhänger der Phlogistontheorie, aber die Beweise für Lavoisiers Theorie wurden immer zahlreicher. Erst im zwanzigsten Jahrhundert wurde das letzte Erbe des Phlogiston, die Kalorik von Lavoisier, beseitigt. Wärme erwies sich als eine Form von Energie, und die mysteriösen und mythischen Vorstellungen von Kalorik und Phlogiston waren nicht mehr notwendig.
DAVID TULLOCH
Weiteres zum Thema
Bücher
Conant, James Bryant. Der Sturz der Phlogistontheorie – Die chemische Revolution von 1775-1789. Cambridge, MA: Harvard University Press, 1956.
Lavoisier, Antoine. Essays Physical and Chemical. Thomas Henry, trans. 2. Auflage. London: Cass, 1970.
White, John Henry. The History of The Phlogiston Theory. London: E. Arnold, 1932, nachgedruckt von AMS Press (New York), 1973.
Internetseiten
Ausgewählte klassische Abhandlungen aus der Geschichte der Chemie. http://maple.lemoyne.edu/~giunta/papers.html. Enthält mehrere Arbeiten von Lavoisier.