Overzicht
Aan het begin van de achttiende eeuw overheerste de flogistontheorie van vuur. Tegen het einde van de achttiende eeuw was de flogistontheorie echter omvergeworpen door het nieuwe concept van de verbranding van zuurstof. De omverwerping van de Phlogiston theorie wordt vaak voorgesteld als een lichtend voorbeeld van de triomf van de goede wetenschap over de slechte, maar de sage is er een van vele valse starts, valse experimenten, en valse veronderstellingen. Persoonlijkheden, sociale en culturele invloeden, en de nieuwe nadruk op experimentele analyse en natuurlijke oorzaken hebben samen de Phlogiston theorie in twijfel getrokken en vervangen.
Achtergrond
De Griekse filosofen beschouwden vuur als een van de basiselementen van de natuur, en boden een aantal verschillende interpretaties. Heraclitus van Ephese (ca. 535-475 v. Chr.) maakte vuur tot de universele kracht van de schepping. Aristoteles (384-322 v. Chr.) noemde vuur een van de grote beginselen van alle dingen. Plato (427-347 v. Chr.), Aristoteles’ leermeester, suggereerde dat brandbare voorwerpen een ontvlambaar principe in zich droegen, een stof die ze deed branden, maar het waren Aristoteles’ ideeën die het middeleeuwse Europese denken domineerden.
Aristoteles’ vuur maakte deel uit van een vier-elementen-systeem bestaande uit lucht, aarde, vuur en water. Een stof als hout bestond uit een combinatie van deze vier elementen. Als het brandde was de vlam het element van het vuur dat ontsnapte, de damp was lucht, het vocht water, en de as die overbleef aarde.
De zestiende-eeuwse Renaissance herontdekte de werken van Plato, als onderdeel van een bredere intellectuele beweging van herontdekking van het klassieke verleden. Plato’s idee van een brandbaar principe binnen een substantie paste goed bij de alchemistische ideeën van die tijd. Plato’s concept werd gewijzigd en alchemisten gingen zwavel, of “een of andere vage geest van zwavel”, beschouwen als het ontvlambare principe. Zwavel brandde bijna volledig, daarom werd zwavel gezien als vuur zelf, of iets dat nauw verwant was aan vuur. Er werd een nieuw systeem van elementen geconstrueerd, met stoffen die werden verklaard door een combinatie van zwavel, kwik en zout. Dus hout brandde omdat het zwavel bevatte, gaf vlammen af omdat het kwik bevatte, en liet as achter omdat het zout bevatte.
In het midden van de zeventiende eeuw brachten de waarnemingen, experimenten en filosofie van Johann Joachim Becher (1635-1682) en zijn leerling Georg Ernst Stahl (1660-1734) hen ertoe een nieuwe interpretatie van zwavel voor te stellen. Zij stelden voor dat zwavel eigenlijk werd gemaakt van een combinatie van zwavelzuur en een nieuwe stof die zij phlogiston noemden. Phlogiston (uitgesproken als FLO-jis-ton) was eigenlijk het principe van vuur, niet van zwavel, en Stahl stelde voor dat phlogiston door alle stoffen werd vrijgemaakt wanneer zij verbrandden. Als hout brandt, komt er dus flogon vrij in de lucht, dat as achterlaat. As was dus hout zonder phlogiston. Zwavel en materialen als houtskool en vet brandden goed omdat ze veel flogiston bevatten.
Impact
De flogistontheorie werd al snel populair, en was zeer robuust, en verklaarde een grote verscheidenheid aan verschijnselen. Het verklaarde het roesten van metalen. Als het metaal roestte, gaf het flogiston af aan de lucht, zodat een metaal een combinatie was van zijn roest en flogiston. De ademhaling van dieren kon ook worden verklaard. Bij de “verbranding” van voedsel in het lichaam kwam flogon vrij, dat door de longen uit het lichaam werd gedreven. Flogiston was de “drijfkracht van het vuur”, de basis van kleur, het principe van ontvlambaarheid, onverwoestbaar, en een “uiterst subtiele materie”. Het kon gemakkelijk gebruikt worden om de resultaten van experimenten te verklaren. Uit experimenten bleek bijvoorbeeld dat als je een stok hout verbrandde in een afgesloten ruimte, zoals een kruik, de verbranding na korte tijd ophield. Dit werd verklaard door te suggereren dat lucht slechts een bepaalde hoeveelheid flogiston kon bevatten, en zodra het zijn limiet had bereikt, kon er geen verbranding meer plaatsvinden.
De theorie van flogiston was zeer succesvol, en was zo breed in zijn bereik en acceptatie dat het een van de eerste verenigende hypotheses van de chemische wetenschappen werd. Wetenschappers begonnen echter problemen te krijgen met het verklaren van sommige nieuwe experimentele resultaten. Een van de redenen was dat de theorie te veel dingen probeerde te verklaren. Hoe meer de theorie door haar aanhangers werd aangepast om één bepaald waargenomen gedrag te verklaren, hoe meer moeite zij hadden om andere te verklaren.
De hele methode van onderzoek naar de natuur was aan het veranderen. Het vertrouwen op het verleden werd verbrijzeld door nieuwe ontdekkingen en uitvindingen. De oude wetenschap werd op hetzelfde moment uitgedaagd als de traditionele religie, economie, sociale structuren en regeringen. De achttiende eeuw was een periode van revoluties, waaronder de Amerikaanse Revolutie, de Franse Revolutie, en daartussen een revolutie in de chemische wetenschappen.
Naarmate de theorie van fistlogon zich ontwikkelde, begonnen de aard en de eigenschappen van de mysterieuze stof op verschillende manieren te worden beschreven. Terwijl Stahl flogiston als een vaag principe had beschouwd, begonnen de aanhangers van zijn theorie fysische eigenschappen, zoals gewicht, aan flogiston toe te kennen. Aanvankelijk leek dit de logica van de theorie alleen maar te versterken. Wanneer hout brandt laat het een lichtere substantie, as, achter. Het ontbrekende gewicht is dus het ontsnapte flogon. Wanneer een metaal zoals ijzer roest, lijkt de roest lichter, dus opnieuw was het ontbrekende gewicht de ontsnapte flogiston.
Hoewel zorgvuldige experimenteerders opmerkten dat hoewel de roest van metalen lichter leek, of op zijn minst minder dicht, dan het metaal waaruit het afkomstig was, in feite de roest meer woog. Dit resulteerde in meer gesleutel aan de theorie. Sommige aanhangers suggereerden dat flogon een negatief gewicht had, en dus, wanneer het een stof verliet, het resultaat zwaarder maakte. De flogistontheorie begon onhandelbaar en te ingewikkeld te worden. De verklaringen van de eigenschappen werden tegenstrijdig. Om bepaalde eigenschappen te verklaren, moest het soms geen gewicht hebben, soms een positief gewicht, en soms een negatief.
Verdere problemen voor de phlogiston theorie kwamen voort uit nieuwe experimenten en onderzoek naar gassen. Een internationale groep experimenteerders begon te werken aan gassen, wisselde onderzoek uit, en publiceerde en vertaalde experimentele resultaten, waarbij ieder zijn eigen perspectief en veronderstellingen inbracht in de resultaten die zij waarnamen.
In het Engeland van de jaren 1770 was Joseph Preistley (1733-1804) een toegewijd aanhanger van phlogiston, maar hij was ook een zorgvuldig experimentator. Hij isoleerde een nieuw gas door de roest van kwik te verhitten. Bij verhitting gaf de roest het nieuwe gas af, en liet het metaal kwik achter. Dit nieuwe gas deed dingen helderder en langer branden dan normale lucht. Muizen verzegeld in potten met dit nieuwe gas konden langer ademen dan in normale lucht. Preistley zocht naar een verklaring die in overeenstemming zou blijven met de flogistontheorie, dus speculeerde hij dat dit nieuwe gas bijzonder goed was in het absorberen van flogiston. Gewone lucht, zo suggereerde hij, bevatte al wat flogon, en kon dus snel worden opgevuld met meer flogon, waardoor verbranding, roesten en ademhalen onmogelijk werden. Deze nieuwe lucht, die Priestley dephlogisticated air noemde, was geheel vrij van phlogiston, zodat het veel langer duurde voordat hij vol was.
In Frankrijk voerde Antoine Lavoisier (1743-1794) soortgelijke experimenten uit met dezelfde stoffen. Hij kreeg dezelfde resultaten als Priestley, maar hij zocht een nieuwe verklaring voor de verbranding, dus hij zag zijn resultaten vanuit een ander perspectief. Lavoisier stelde voor dat het nieuwe gas van Priestley, dat hij zuurstof noemde, uit de lucht werd geabsorbeerd, in plaats van dat er flogiston vrijkwam wanneer een metaal roestte of een stof verbrandde.
Weliswaar verklaarden beide theorieën de waargenomen resultaten goed, maar de verklaring van Lavoisier had één groot voordeel ten opzichte van die van Priestley: zij gaf een mechanisme voor de gewichtstoename van roest. De roest van een metaal was het metaal gecombineerd met zuurstof, waarbij een zwaardere substantie, een oxide genaamd, ontstond. Dit was een revolutionaire benadering van het probleem, die brak met de voorgaande tradities, die teruggingen tot Plato. Terwijl het gezond verstand suggereerde dat het verbranden of roesten van een voorwerp tot gevolg had dat er iets ontsnapte, toonde Lavoisier’s zorgvuldige experimentele analyse aan dat er in feite zuurstof werd geabsorbeerd.
Lavoisier kon echter de aard van hitte en vuur niet verklaren en was gedwongen een vreemde nieuwe stof uit te vinden, die hij calorisch noemde. Caloric had een aantal overeenkomsten met phlogiston in die zin dat het een principe van vuur was, net zoals zwavel en phlogiston eerder waren beschouwd.
Verder experimenteel werk met andere metalen, hun roesten, en andere nieuwe gassen begon langzaam een meer samenhangend beeld te ontwikkelen van wat er gebeurde tijdens het roesten en branden. Een andere doorbraak kwam met de realisatie dat water de combinatie was van de gassen waterstof en zuurstof. Als je waterstof verbrandt, ontstaat er water. Lavoisier’s theorie kreeg steun naarmate meer en meer experimenten gunstige resultaten opleverden.
Lavoisier’s belangrijkste tegenstander, Priestley, overleefde hem, maar was niet in staat de trend naar de ‘nieuwe chemie’ van Lavoisier om te buigen. Priestley’s laatste boek, gepubliceerd in 1796, steunde nog steeds krachtig de Phlogiston Theorie, maar bevatte wel een noot van overgave aan de heersende meningen van anderen. Hij schreef: “Er zijn weinig of geen omwentelingen in de wetenschap geweest die zo groot, zo plotseling en zo algemeen waren als de overheersing van wat nu gewoonlijk het nieuwe systeem van scheikunde wordt genoemd, of dat van de Antiphlogistons, over de leer van Stahl, waarvan op een gegeven moment werd gedacht dat het de grootste ontdekking was die ooit in de wetenschap was gedaan.”
Terwijl veel historici Priestly hebben gekarakteriseerd als een koppige, dwaze verdediger van een verouderde theorie, is de acceptatie van Lavoisiers ideeën in zo’n korte tijd verrassender. Critici wezen er terecht op dat de theorie van Lavoisier onvolledig was, en niet alle waargenomen resultaten kon verklaren. Mettertijd werd de theorie echter sterker en vollediger, zonder haar eenvoud te verliezen. Sommigen beschuldigden hem ervan Stahl’s flogiston te hebben vervangen door zijn eigen calorische stof, een stof die minstens even mysterieus is. Maar calorische stof stond niet centraal in de ideeën van Lavoisier.
De nieuwe verbrandingstheorie had verschillende belangrijke punten in haar voordeel. Zij was eenvoudig, consistent, beriep zich niet op negatieve gewichten of andere schijnbaar geheimzinnige begrippen, en was stevig gebaseerd op experimentele analyse. Er bleven hier en daar nog wat aanhangers van de flogiston theorie, maar het bewijs voor Lavoisier’s theorie werd steeds groter. Pas in de twintigste eeuw werd de laatste erfenis van het flogon, de calorie van Lavoisier, verklaard. Warmte bleek een vorm van energie te zijn, en de mysterieuze en mythische ideeën van calorische en phlogiston waren niet langer nodig.
DAVID TULLOCH
Verder lezen
Boeken
Conant, James Bryant. The Overthrow of the Phlogiston Theory-De Chemische Revolutie van 1775-1789. Cambridge, MA: Harvard University Press, 1956.
Lavoisier, Antoine. Essays Physiques et Chemiques. Thomas Henry, trans. 2e druk. Londen: Cass, 1970.
White, John Henry. De geschiedenis van de flogiston-theorie. Londen: E. Arnold, 1932, herdrukt door AMS Press (New York), 1973.
Internet Sites
Selected Classic Papers from the History of Chemistry. http://maple.lemoyne.edu/~giunta/papers.html. Bevat verschillende papers van Lavoisier.