Yleiskatsaus
Kahdeksannentoista vuosisadan alussa flogiston-teoria tulista oli vallalla. Kahdeksastoista vuosisadan loppuun mennessä flogistoniteoria oli kuitenkin kumottu uudella käsityksellä hapen palamisesta. Phlogistonin paloteorian kumoaminen esitetään usein loistavana esimerkkinä hyvän tieteen voitosta huonosta tieteestä, mutta saagassa on kuitenkin monia vääriä lähtökohtia, vääriä kokeita ja vääriä olettamuksia. Persoonallisuudet, sosiaaliset ja kulttuuriset vaikutteet sekä kokeellisen analyysin ja luonnollisten syiden uusi korostaminen yhdistivät voimansa haastaakseen ja syrjäyttääkseen flogistoniteorian.
Tausta
Kreikkalaiset filosofit pitivät tulta yhtenä luonnon peruselementeistä ja tarjosivat useita erilaisia tulkintoja. Efesolainen Herakleitos (noin 535-475 eaa.) teki tulesta luomakunnan universaalin voiman. Aristoteles (384-322 eaa.) kutsui tulta yhdeksi kaikkien asioiden suurista periaatteista. Platon (427-347 eaa.), Aristoteleen opettaja, esitti, että palavat esineet sisälsivät sisällään jonkin syttyvän periaatteen, aineen, joka sai ne palamaan, mutta juuri Aristoteleen ajatukset hallitsivat keskiajan eurooppalaista ajattelua.
Aristotelesin tuli oli osa neljän alkuaineen järjestelmää, joka koostui ilmasta, maasta, tulesta ja vedestä. Aine, kuten puu, koostui näiden neljän alkuaineen yhdistelmästä. Kun se paloi, liekki oli pakenevaa tulielementtiä, mahdollinen höyry oli ilmaa, mahdollinen kosteus vettä ja jäljelle jäävä tuhka oli maata.
Kuudennellatoista vuosisadalla renessanssissa löydettiin uudelleen Platonin teokset osana laajempaa älyllistä liikettä, jossa klassisen menneisyyden uudelleen löytäminen oli tavoitteena. Platonin käsitys aineen sisällä olevasta palavasta periaatteesta sopi hyvin yhteen tuon ajan alkeemisten ajatusten kanssa. Platonin käsitettä muutettiin, ja alkemistit alkoivat pitää rikkiä tai ”jotain epämääräistä rikkihenkeä” syttyvänä periaatteena. Rikki paloi lähes täydellisesti, joten rikkiä pidettiin itse tulipalona tai jollakin tulta lähellä olevalla tavalla. Rakennettiin uusi alkuainejärjestelmä, jossa aineet selitettiin rikin, elohopean ja suolan yhdistelmällä. Puu siis paloi, koska se sisälsi rikkiä, antoi liekkiä, koska se sisälsi elohopeaa, ja jätti tuhkaa, koska se sisälsi suolaa.
Johann Joachim Becherin (1635-1682) ja hänen oppilaansa Georg Ernst Stahlin (1660-1734) havainnot, kokeet ja filosofia saivat heidät 1600-luvun puolivälissä ehdottamaan uutta tulkintaa rikistä. He ehdottivat, että rikki oli itse asiassa syntynyt rikkihapon ja uuden aineen, jota he kutsuivat flogistoniksi, yhdistelmästä. Phlogiston (lausutaan FLO-jis-ton) oli itse asiassa tulen, ei rikin, periaate, ja Stahl ehdotti, että phlogistonia vapautui kaikista aineista, kun ne paloivat. Näin ollen puun palaessa se vapauttaa flogistonia ilmaan ja jättää jälkeensä tuhkaa. Tuhka oli siis puuta ilman flogistonia. Rikki ja sellaiset aineet kuin puuhiili ja rasva paloivat hyvin, koska ne sisälsivät paljon flogistonia.
Impact
Flogiston-teoriasta tuli nopeasti suosittu, ja se oli hyvin vankka selittäen monenlaisia ilmiöitä. Se selitti metallien ruostumisen. Kun metalli ruostui, se vapautti ilmaan flogistonia, joten metalli oli ruosteen ja flogistonin yhdistelmä. Myös eläinten hengitys voitiin selittää. Kun ruoka ”paloi” elimistössä, flogistonia vapautui ja poistui elimistöstä keuhkojen kautta. Flogistoni oli ”tulen liikkeellepaneva voima”, värin perusta, syttyvyyden periaate, tuhoutumaton ja ”äärimmäisen hienojakoinen aine”. Sitä voitiin helposti käyttää selittämään kokeissa havaittuja tuloksia. Kokeet osoittivat esimerkiksi, että jos puupalaa poltettiin suljetussa tilassa, kuten purkissa, palaminen loppui lyhyen ajan kuluttua. Tämä selitettiin esittämällä, että ilma voi sisältää vain tietyn määrän flogistonia, ja kun se saavutti rajansa, palamista ei enää voinut tapahtua.
Flogistoniteoria oli hyvin menestyksekäs, ja se oli soveltamisalaltaan ja hyväksymiseltään niin laaja, että siitä tuli yksi kemiantieteiden ensimmäisistä yhdistävistä hypoteeseista. Tutkijoilla alkoi kuitenkin olla ongelmia joidenkin uusien kokeellisten tulosten selittämisessä. Yksi syy oli se, että teoria yritti selittää liian monia asioita. Mitä enemmän teorian kannattajat muokkasivat teoriaa selittääkseen yhtä tiettyä havaittua käyttäytymistä, sitä enemmän heillä oli vaikeuksia selittää muita.
Koko luonnon tutkimisen menetelmä oli muuttumassa. Uusien löytöjen ja keksintöjen myötä luottamus menneisyyteen murtui. Haasteita muinaiselle tieteelle esitettiin samaan aikaan, kun haasteita esitettiin perinteiselle uskonnolle, taloudelle, yhteiskuntarakenteille ja hallituksille. Kahdeksastoista vuosisata oli vallankumousten aikaa, johon kuuluivat Amerikan vallankumous, Ranskan vallankumous ja näiden välissä kemiantieteiden vallankumous.
Flogistoniteorian kehittyessä salaperäisen aineen luonnetta ja ominaisuuksia alettiin kuvata eri tavoin. Kun Stahl oli pitänyt flogistonia epämääräisenä periaatteena, hänen teoriansa seuraajat alkoivat osoittaa flogistonnille fysikaalisia ominaisuuksia, kuten painoa. Aluksi tämä näytti vain vahvistavan teorian logiikkaa. Kun puu palaa, se jättää jälkeensä kevyempää ainetta, tuhkaa. Näin ollen puuttuva paino on karannutta flogistonia. Kun metalli, kuten rauta, ruostuu, ruoste näyttää kevyemmältä, joten jälleen kerran puuttuva paino oli karannutta flogistonia.
Huolelliset kokeilijat kuitenkin huomasivat, että vaikka metallien ruoste näytti kevyemmältä tai ainakin vähemmän tiheältä kuin se metalli, josta se oli peräisin, itse asiassa ruoste painoi enemmän. Tämä johti siihen, että teorian kanssa alettiin puuhastella lisää. Jotkut kannattajat ehdottivat, että flogistonilla oli negatiivinen paino, joten kun se poistui aineesta, se teki tuloksesta raskaamman. Flogistoniteoriasta alkoi tulla hankala ja liian monimutkainen. Selitykset sen ominaisuuksista alkoivat olla ristiriitaisia. Tiettyjen ominaisuuksien selittämiseksi sillä täytyi joskus olla olematon paino, joskus positiivinen paino ja joskus negatiivinen paino.
Lisäongelmia flogistoniteorialle aiheuttivat uudet kokeet ja kaasuja koskevat tutkimukset. Kansainvälinen kokeilijoiden ryhmä alkoi työskennellä kaasujen parissa, vaihtaa tutkimuksia sekä julkaista ja kääntää koetuloksia, ja kukin toi havaitsemiinsa tuloksiin oman näkökulmansa ja oletuksensa.
Englannissa 1770-luvulla Joseph Preistley (1733-1804) oli flogistonin vannoutunut kannattaja, mutta hän oli myös huolellinen kokeilija. Hän eristi uuden kaasun kuumentamalla elohopearuostetta. kuumennettaessa ruoste vapautti uutta kaasua ja jätti jälkeensä metallisen elohopean. Tämä uusi kaasu sai asiat palamaan kirkkaammin ja pidempään kuin tavallinen ilma. Tätä uutta kaasua sisältäviin purkkeihin suljetut hiiret pystyivät hengittämään pidempään kuin tavallisessa ilmassa. Preistley etsi selitystä, joka pysyisi sopusoinnussa flogistoniteorian kanssa, joten hän arveli, että tämä uusi kaasu oli erityisen hyvä absorboimaan flogistonia. Hänen mukaansa tavallinen ilma sisälsi jo jonkin verran flogistonia, joten se saattoi nopeasti täyttyä lisää flogistonia, mikä teki palamisen, ruostumisen ja hengittämisen mahdottomaksi. Tämä uusi ilma, jota Priestley kutsui deflogistiseksi ilmaksi, ei sisältänyt lainkaan flogistonia, joten sen täyttyminen kesti paljon kauemmin.
Ranskassa Antoine Lavoisier (1743-1794) teki samanlaisia kokeita samoilla aineilla. Hän sai samat tulokset kuin Priestley, mutta hän etsi uutta selitystä palamiselle, joten hän tarkasteli tuloksiaan eri näkökulmasta. Lavoisier ehdotti, että sen sijaan, että flogistonia vapautuisi metallin ruostuessa tai aineen palaessa, yksinkertaisempi selitys oli se, että Priestleyn uusi kaasu, jota hän kutsui hapeksi, imeytyi ilmasta.
Kaikki teoriat selittivät hyvin havaitut tulokset Lavoisierin selityksessä oli yksi merkittävä etu Priestleyn selitykseen nähden, se antoi mekanismin ruosteiden painonlisäykselle. Metallin ruoste oli metallia, joka yhdistyi hapen kanssa, jolloin syntyi raskaampi aine, jota kutsuttiin oksidiksi. Tämä oli vallankumouksellinen lähestymistapa ongelmaan, sillä se rikkoi aiemmat perinteet, jotka ulottuivat aina Platoniin asti. Vaikka terveen järjen mukaan esineen polttaminen tai ruostuttaminen johtaa siihen, että jotain karkaa, Lavoisierin huolellinen kokeellinen analyysi osoitti, että itse asiassa happea imeytyy.
Lavoisier ei kuitenkaan kyennyt selittämään lämmön ja tulen luonnetta, ja hän joutui keksimään oudon uuden aineen, jota hän kutsui kaloriksi. Kaloriikilla oli useita yhtäläisyyksiä flogistonin kanssa siinä mielessä, että se oli tulen periaate, aivan kuten rikkiä ja flogistonia oli aiemmin pidetty.
Jatkokokeet muilla metalleilla, niiden ruosteilla ja muilla uusilla kaasuilla alkoivat hiljalleen muodostaa yhtenäisempää kuvaa siitä, mitä ruosteessa ja palamisessa tapahtui. Toinen läpimurto tapahtui, kun huomattiin, että vesi oli vety- ja happikaasujen yhdistelmä. Jos vetyä poltetaan, syntyy vettä. Lavoisierin teoria sai tukea, kun yhä useammat kokeet antoivat suotuisia tuloksia.
Lavoisierin päävastustaja Priestley eli häntä kauemmin, mutta ei kyennyt kumoamaan Lavoisierin ”uuden kemian” suuntausta. Priestleyn viimeisessä, vuonna 1796 julkaistussa kirjassa tuettiin edelleen vahvasti flogistoniteoriaa, mutta se sisälsi alistumisen muiden vallitsevien mielipiteiden edessä. Hän kirjoitti: ”Tieteessä on ollut vain harvoja, jos yhtään, niin suuria, äkillisiä ja yleisiä vallankumouksia kuin se, että se, mitä nykyään tavallisesti kutsutaan uudeksi kemian järjestelmäksi tai antiflogistien järjestelmäksi, on voittanut Stahlin opin, jota pidettiin aikoinaan suurimpana löytönä, joka tieteen alalla oli koskaan tehty.”
Vaikka monet historioitsijat ovat luonnehtineet Priestlyä vanhentuneen teorian itsepäiseksi ja typeräksi puolustajaksi, Lavoisier’n ajatusten hyväksyminen näin lyhyessä ajassa on yllättävämpää. Kriitikot huomauttivat oikeutetusti, että Lavoisierin teoria oli epätäydellinen, eikä se pystynyt selittämään kaikkia havaittuja tuloksia. Ajan myötä teoria kuitenkin vahvistui ja tuli täydellisemmäksi menettämättä kuitenkaan yksinkertaisuuttaan. Jotkut syyttivät häntä siitä, että hän vain korvasi Stahlin flogistonin omalla kalorilla, joka oli vähintään yhtä salaperäinen aine. Kalori ei kuitenkaan ollut Lavoisierin ajatusten kannalta keskeistä.
Uudella palamisteorialla oli useita keskeisiä puolia. Se oli yksinkertainen, johdonmukainen, ei vedonnut negatiivisiin painoihin tai muihin salaperäisiltä vaikuttaviin käsitteisiin, ja se perustui vankasti kokeelliseen analyysiin. Muutamia flogistonin kannattajia jäi tänne ja tänne, mutta todisteet Lavoisierin teorian puolesta lisääntyivät jatkuvasti. Vasta 1900-luvulla saatiin kuitenkin selitettyä flogistonin viimeinen perintö, Lavoisierin kalori, pois. Lämpö paljastui energian muodoksi, eivätkä salaperäiset ja myyttiset ajatukset kalorista ja flogistonista olleet enää tarpeen.
DAVID TULLOCH
Lisälukemista
Kirjat
Conant, James Bryant. The Overthrow of the Phlogiston Theory-The Chemical Revolution of 1775-1789. Cambridge, MA: Harvard University Press, 1956.
Lavoisier, Antoine. Essays Physical and Chemical. Thomas Henry, trans. 2. painos. Lontoo: Cass, 1970.
White, John Henry. Phlogiston-teorian historia. London: E. Arnold, 1932, uusintapainos AMS Press (New York), 1973.
Internet Sites
Selected Classic Papers from the History of Chemistry. http://maple.lemoyne.edu/~giunta/papers.html. Sisältää useita Lavoisierin kirjoituksia.