Áttekintés
A tizennyolcadik század elején a tűz flógisztonelmélete dominált. A tizennyolcadik század végére azonban a flogisztonelméletet megdöntötte az oxigén égésének új felfogása. A tűz flógisztonelméletének megdöntését gyakran a jó tudomány rossz feletti győzelmének fényes példájaként mutatják be, pedig a történet számos téves kezdetről, téves kísérletről és téves feltételezésről szól. Személyiségek, társadalmi és kulturális hatások, valamint a kísérleti elemzés és a természetes okok új hangsúlyozása együttesen megkérdőjelezték és felváltották a flogisztonelméletet.
Háttér
A görög filozófusok a tüzet a természet egyik alapelemének tekintették, és számos különböző értelmezést kínáltak. Az efezusi Hérakleitosz (i. e. 535-475 körül) a tüzet tette a teremtés egyetemes erejének. Arisztotelész (i. e. 384-322) a tüzet minden dolog egyik nagy alapelvének nevezte. Platón (i. e. 427-347), Arisztotelész tanítója azt sugallta, hogy az éghető tárgyak magukban hordoznak valamilyen gyúlékony elvet, egy olyan anyagot, amely égésre készteti őket, de a középkori európai gondolkodást Arisztotelész elképzelései uralták.
Aristotelésznél a tűz a levegőből, földből, tűzből és vízből álló négyelemű rendszer része volt. Egy olyan anyag, mint a fa, a négy elem kombinációjából állt össze. Amikor égett, a láng a kiszabaduló tűz eleme volt, az esetleges gőz a levegő, a nedvesség a víz, a visszamaradó hamu pedig a föld.
A XVI. századi reneszánsz újra felfedezte Platón műveit, a klasszikus múlt újrafelfedezésének szélesebb körű szellemi mozgalmának részeként. Platón elképzelése az anyagon belüli éghető elvről jól illeszkedett a korszak alkímiai elképzeléseihez. Platón koncepcióját módosították, és az alkimisták a ként vagy “a kén valamilyen homályos szellemét” tekintették gyúlékony elvnek. A kén szinte teljesen elégett, ezért a kénre úgy tekintettek, mint magára a tűzre, vagy valamire, ami szorosan kapcsolódik a tűzhöz. Az elemek új rendszerét építették fel, amelyben az anyagokat a kén, a higany és a só kombinációjával magyarázták. Így a fa égett, mert ként tartalmazott, lángot adott, mert higanyt tartalmazott, és hamut hagyott maga után, mert sót tartalmazott.
A tizenhetedik század közepén Johann Joachim Becher (1635-1682) és tanítványa, Georg Ernst Stahl (1660-1734) megfigyelései, kísérletei és filozófiája alapján a kén új értelmezését javasolták. Azt javasolták, hogy a kén valójában a kénsav és egy új, általuk flogisztonnak nevezett anyag kombinációjából keletkezik. A flogiszton (ejtsd: FLO-jis-ton) valójában nem a kén, hanem a tűz elve volt, és Stahl azt javasolta, hogy a flogiszton minden anyagból felszabadul, amikor égnek. Ezért a fa égésekor a levegőbe flogiszton szabadul fel, hamut hagyva maga után. A hamu tehát a fa volt, mínusz a flogiszton. A kén és az olyan anyagok, mint a faszén és a zsír jól égtek, mert nagy mennyiségű flogisztont tartalmaztak.
Impact
A flogisztonelmélet gyorsan népszerűvé vált, és nagyon szilárd volt, sokféle jelenséget magyarázott. Megmagyarázta a fémek rozsdásodását. Ahogy a fém rozsdásodott, flogisztont bocsátott ki a levegőbe, így a fém a rozsda és a flogiszton kombinációja volt. Az állatok légzését is meg lehetett magyarázni. Ahogy a táplálék “elégett” a testben, a tüdőn keresztül flogiszton szabadult fel és távozott a testből. A flogiszton volt a “tűz mozgató ereje”, a színek alapja, a gyúlékonyság elve, elpusztíthatatlan és “rendkívül finom anyag”. Könnyen lehetett vele magyarázni a kísérletekben megfigyelt eredményeket. A kísérletek például azt mutatták, hogy ha egy fadarabot egy zárt térben, például egy befőttesüvegben elégetünk, rövid idő után az égés megszűnik. Ezt azzal magyarázták, hogy a levegő csak bizonyos mennyiségű flogisztont tartalmazhat, és ha elérte a határértéket, akkor már nem lehetett többé égés.
A flogisztonelmélet nagyon sikeres volt, és olyan széleskörűen elterjedt és elfogadott, hogy a kémiai tudományok egyik első egységesítő hipotézisévé vált. A tudósoknak azonban kezdett gondot okozni néhány új kísérleti eredmény magyarázata. Ennek egyik oka az volt, hogy az elmélet túl sok mindent próbált megmagyarázni. Minél inkább módosították az elméletet a támogatói, hogy megmagyarázzanak egy bizonyos megfigyelt viselkedést, annál nehezebben tudtak megmagyarázni másokat.
A természet kutatásának egész módszere megváltozott. A múltra való támaszkodást új felfedezések és találmányok törték meg. Az ősi tudományt érő kihívások egyidejűleg jelentek meg a hagyományos vallás, a gazdaság, a társadalmi struktúrák és a kormányok kihívásaival. A tizennyolcadik század a forradalmak időszaka volt, beleértve az amerikai forradalmat, a francia forradalmat, és ezek között a kémiai tudományok forradalmát.
Amint a flogiszton elmélet fejlődött, a titokzatos anyag természetét és tulajdonságait különböző módon kezdték leírni. Míg Stahl a flogisztont homályos elvnek tekintette, addig elméletének követői fizikai tulajdonságokat, például a súlyt kezdték hozzárendelni a flogisztonhoz. Ez eleinte csak az elmélet logikáját látszott erősíteni. Amikor a fa elég, egy könnyebb anyagot, hamut hagy maga után. A hiányzó súly tehát a kiszabadult flogiszton. Amikor egy fém, például a vas rozsdásodik, a rozsda könnyebbnek tűnik, tehát a hiányzó súly ismét a kiszabadult flogiszton volt.
A gondos kísérletezők azonban észrevették, hogy miközben a fémek rozsdája könnyebbnek, vagy legalábbis kevésbé sűrűnek tűnik, mint az a fém, amelyből származik, valójában a rozsda többet nyom. Ez további barkácsolást eredményezett az elméleten. Néhány támogató azt állította, hogy a flogisztonnak negatív súlya van, és így amikor elhagy egy anyagot, az eredményt nehezebbé teszi. A flogiszton-elmélet kezdett nehézkessé és túlságosan bonyolulttá válni. A tulajdonságaira adott magyarázatok kezdtek ellentmondásosak lenni. Bizonyos tulajdonságok megmagyarázásához hol nem volt súlya, hol pozitív súlya, hol pedig negatív súlya kellett, hogy legyen.
A flogisztonelmélet további problémáit a gázokkal kapcsolatban végzett új kísérletek és kutatások eredményezték. Kísérletezők nemzetközi csoportja kezdett el foglalkozni a gázokkal, kicserélni a kutatásokat, publikálni és lefordítani a kísérleti eredményeket, mindenki a saját szemléletét és feltételezéseit hozta a megfigyelt eredményekhez.
Az 1770-es évek Angliájában Joseph Preistley (1733-1804) a flogiszton elmélet elkötelezett híve volt, de egyben gondos kísérletező is. Egy új gázt izolált a higany rozsdájának felmelegítésével. a rozsda felmelegítéskor az új gázt bocsátotta ki, és a fém higanyt hagyta hátra. Ez az új gáz fényesebben és tovább égette a dolgokat, mint a normál levegő. Az ezen új gázzal teli üvegekbe zárt egerek hosszabb ideig tudtak lélegezni, mint a normál levegőben. Preistley olyan magyarázatot keresett, amely összhangban marad a flogiszton-elmélettel, ezért azt találgatta, hogy ez az új gáz különösen jól elnyeli a flogisztont. Szerinte a közönséges levegő már tartalmazott némi flogisztont, ezért gyorsan fel lehetett tölteni még több flogisztonnal, ami lehetetlenné tette az égést, a rozsdásodást és a légzést. Ez az új levegő, amelyet Priestley dephlogisztikus levegőnek nevezett, teljesen mentes volt a flogisztontól, így sokkal tovább tartott feltöltődni.
Franciaországban Antoine Lavoisier (1743-1794) hasonló kísérleteket végzett ugyanezekkel az anyagokkal. Ugyanazokat az eredményeket kapta, mint Priestley, de ő az égés új magyarázatát kereste, ezért más szemszögből szemlélte eredményeit. Lavoisier azt javasolta, hogy ahelyett, hogy a fém rozsdásodásakor vagy egy anyag elégésekor flagiszton szabadulna fel, egyszerűbb magyarázat az, hogy Priestley új gázt, amelyet oxigénnek nevezett el, a levegőből szívódik fel.
Míg mindkét elmélet jól magyarázta a megfigyelt eredményeket, Lavoisier magyarázatának volt egy nagy előnye Priestley-ével szemben, hogy mechanizmust adott a rozsdák súlygyarapodására. Egy fém rozsdája a fém oxigénnel egyesülve egy nehezebb anyagot, az úgynevezett oxidot eredményezett. Ez forradalmi megközelítése volt a problémának, szakítva a korábbi, Platónig visszanyúló hagyományokkal. Míg a józan ész azt sugallta, hogy egy tárgy elégetése vagy rozsdásodása azt eredményezi, hogy valami kiszabadul, Lavoisier gondos kísérleti elemzése azt mutatta, hogy valójában oxigén szívódik fel.
Lavoisier azonban nem tudta megmagyarázni a hő és a tűz természetét, és kénytelen volt egy furcsa új anyagot kitalálni, amelyet kalóriának nevezett el. A kaloric számos hasonlóságot mutatott a flogisztonnal abban, hogy a tűz egyik alapelve volt, ahogyan korábban a ként és a flogisztont is.
A további kísérleti munkák más fémekkel, azok rozsdáival és más új gázokkal lassan kezdett kialakulni egy egységesebb kép arról, hogy mi történik a rozsdásodás és az égés során. Egy másik áttörést jelentett az a felismerés, hogy a víz a hidrogén és az oxigén gázok kombinációja. Ha a hidrogént elégetjük, víz keletkezik. Lavoisier elmélete egyre nagyobb támogatást nyert, mivel egyre több kísérlet adott kedvező eredményeket.
Lavoisier fő ellenfele, Priestley túlélte őt, de nem tudta megdönteni Lavoisier “új kémiája” felé mutató tendenciáját. Priestley utolsó, 1796-ban megjelent könyve még mindig határozottan támogatta a flogiszton-elméletet, de tartalmazott egy jegyzetet, amelyben megadta magát mások uralkodó véleményének. Azt írta: “Kevés olyan nagy, hirtelen és általános forradalom volt a tudományban, ha volt egyáltalán, mint a ma általában új kémiai rendszernek vagy az antiphlogisztonok rendszerének a Stahl-tan fölé kerekedése, amelyet egykor a tudományban valaha tett legnagyobb felfedezésnek tartottak.”
Míg sok történész Priestlyt egy elavult elmélet makacs, ostoba védelmezőjeként jellemezte, Lavoisier elképzeléseinek ilyen rövid időn belüli elfogadása sokkal meglepőbb. A kritikusok joggal mutattak rá, hogy Lavoisier elmélete hiányos volt, és nem tudott megmagyarázni minden megfigyelt eredményt. Idővel azonban az elmélet egyre erősebbé és teljesebbé vált, anélkül, hogy elveszítette volna egyszerűségét. Egyesek azzal vádolták, hogy csupán Stahl flogisztonját helyettesítette a saját kalóriájával, egy legalább annyira titokzatos anyaggal. A kalóriának azonban nem volt központi szerepe Lavoisier elképzeléseiben.
Az új égéselméletnek több kulcsfontosságú pontja is volt. Egyszerű volt, következetes, nem hivatkozott negatív súlyokra vagy más, látszólag titkos fogalmakra, és szilárdan a kísérleti elemzésen alapult. Itt-ott maradt néhány támogatója a flogisztonnak, de a Lavoisier elméletét alátámasztó bizonyítékok egyre gyarapodtak. Azonban csak a huszadik században sikerült megmagyarázni a flogiszton utolsó örökségét, Lavoisier kalóriáját. Kiderült, hogy a hő az energia egyik formája, és a kalória és a flogiszton titokzatos és mitikus elképzeléseire többé nem volt szükség.
DAVID TULLOCH
További olvasmányok
Könyvek
Conant, James Bryant. A flogisztonelmélet megdöntése – Az 1775-1789-es kémiai forradalom. Cambridge, MA: Harvard University Press, 1956.
Lavoisier, Antoine. Essays Physical and Chemical. Thomas Henry, ford. 2. kiadás. London: Cass, 1970.
White, John Henry. A flogisztonelmélet története. London: E. Arnold, 1932, reprinted by AMS Press (New York), 1973.
Internetes oldalak
Selected Classic Papers from the History of Chemistry. http://maple.lemoyne.edu/~giunta/papers.html. Lavoisier több tanulmányát is tartalmazza.