Overview
Na początku XVIII wieku dominowała teoria ognia Phlogistona. Do końca XVIII wieku teoria Flogistonu została jednak obalona przez nową koncepcję spalania tlenu. Obalenie flogistonowej teorii ognia jest często przedstawiane jako błyskotliwy przykład triumfu dobrej nauki nad złą, ale ta saga to jeden z wielu fałszywych początków, fałszywych eksperymentów i fałszywych założeń. Osobowości, wpływy społeczne i kulturowe oraz nowy nacisk na analizę eksperymentalną i przyczyny naturalne połączyły się, by podważyć i zastąpić teorię Flogistonu.
Tło
Greccy filozofowie uważali ogień za jeden z podstawowych elementów natury, oferując wiele różnych interpretacji. Heraklit z Efezu (ok. 535-475 p.n.e.) uczynił ogień uniwersalną siłą sprawczą stworzenia. Arystoteles (384-322 p.n.e.) nazwał ogień jedną z wielkich zasad wszechrzeczy. Platon (427-347 p.n.e.), nauczyciel Arystotelesa, sugerował, że palne obiekty zawierały w sobie jakąś łatwopalną zasadę, substancję, która sprawiała, że płonęły, ale to idee Arystotelesa zdominowały średniowieczną myśl europejską.
Arystotelesowski ogień był częścią czteroelementowego systemu składającego się z powietrza, ziemi, ognia i wody. Substancja taka jak drewno składała się z kombinacji tych czterech elementów. Kiedy się paliło, płomień był elementem uciekającego ognia, wszelka para była powietrzem, wilgoć wodą, a pozostały popiół ziemią.
Szesnastowieczny renesans ponownie odkrył dzieła Platona, jako część szerszego intelektualnego ruchu ponownego odkrywania klasycznej przeszłości. Platońska koncepcja spalającej się zasady wewnątrz substancji dobrze pasowała do alchemicznych idei tego okresu. Koncepcja Platona została zmodyfikowana i alchemicy zaczęli uważać siarkę, lub „jakiś niejasny duch siarki”, za łatwopalną zasadę. Siarka paliła się prawie całkowicie, dlatego postrzegano ją jako ogień sam w sobie, lub coś ściśle z nim związanego. Stworzono nowy system pierwiastków, w którym substancje tłumaczono kombinacją siarki, rtęci i soli. Tak więc drewno paliło się, ponieważ zawierało siarkę, dawało płomień, ponieważ zawierało rtęć, a pozostawiało popiół, ponieważ zawierało sól.
W połowie XVII wieku obserwacje, eksperymenty i filozofia Johanna Joachima Bechera (1635-1682) i jego ucznia Georga Ernsta Stahla (1660-1734) doprowadziły ich do zaproponowania nowej interpretacji siarki. Zaproponowali oni, że siarka powstała z połączenia kwasu siarkowego i nowej substancji, którą nazwali flogistonem. Phlogiston (wymawiane FLO-jis-ton) był w rzeczywistości zasada ognia, a nie siarki, a Stahl zasugerował, że phlogiston był uwalniany przez wszystkie substancje, gdy spalają. Stąd, jak drewno spala uwalnia flogiston do powietrza, pozostawiając popiół. Popiół był więc drewno minus flogiston. Siarka i materiały takie jak węgiel drzewny i tłuszcz spalały się dobrze, ponieważ zawierały dużo flogistonu.
Wpływ
Teoria flogistonu szybko stała się popularna i była bardzo solidna, wyjaśniając wiele różnych zjawisk. Wyjaśniała ona rdzewienie metali. Gdy metal rdzewiał, wydzielał flogiston do powietrza, więc metal był połączeniem rdzy i flogistonu. Można było również wyjaśnić oddychanie zwierząt. Podczas „spalania” pokarmu w organizmie, flogiston był uwalniany i wydalany z organizmu przez płuca. Flogiston był „siłą napędową ognia”, podstawą koloru, zasadą łatwopalności, niezniszczalnością i „niezwykle subtelną materią”. Mógł być łatwo użyty do wyjaśnienia zaobserwowanych wyników w eksperymentach. Na przykład, eksperymenty wykazały, że jeśli spalić kij drewna w zamkniętej przestrzeni, takich jak słoik, po krótkim czasie spalanie zatrzyma. Wyjaśniono to, sugerując, że powietrze może zawierać tylko pewną ilość flogistonu, a gdy osiągnie swój limit, to spalanie nie może już mieć miejsca.
Teoria flogistonu odniosła wielki sukces i była tak szeroka w swoim zakresie i akceptacji, że stała się jedną z pierwszych hipotez jednoczących nauki chemiczne. Jednak naukowcy zaczęli mieć problemy z wyjaśnieniem niektórych nowych wyników eksperymentalnych. Jednym z powodów było to, że teoria próbowała wyjaśnić zbyt wiele rzeczy. Im bardziej teoria była modyfikowana przez jej zwolenników, aby wyjaśnić jedno konkretne zaobserwowane zachowanie, tym większe mieli oni trudności z wyjaśnieniem innych.
Zmieniała się cała metoda badania przyrody. Poleganie na przeszłości było rozbijane przez nowe odkrycia i wynalazki. Wyzwania dla starożytnej nauki pojawiły się w tym samym czasie, co wyzwania dla tradycyjnej religii, ekonomii, struktur społecznych i rządów. Osiemnasty wiek był okresem rewolucji, w tym rewolucji amerykańskiej, rewolucji francuskiej, a pomiędzy nimi rewolucji w naukach chemicznych.
Jak teoria flogistonu rozwijała się, natura i właściwości tajemniczej substancji zaczęły być opisywane na różne sposoby. Podczas gdy Stahl uważał flogiston za niejasną zasadę, zwolennicy jego teorii zaczęli przypisywać flogistonowi właściwości fizyczne, takie jak ciężar. Początkowo wydawało się to tylko wzmacniać logikę teorii. Kiedy drewno się pali, pozostawia po sobie lżejszą substancję, popiół. Zatem brakujący ciężar to uciekający flogiston. Kiedy metal, taki jak żelazo, rdzewieje, rdza wydaje się lżejsza, więc ponownie brakującą wagą był uciekający logiston.
Jednakże ostrożni eksperymentatorzy zauważyli, że podczas gdy rdza metali wydawała się lżejsza, a przynajmniej mniej gęsta, niż metal, z którego pochodziła, w rzeczywistości ważyła więcej. Spowodowało to dalsze majstrowanie przy teorii. Niektórzy zwolennicy sugerowali, że flogiston ma ujemną masę, a więc kiedy opuszcza jakąś substancję, czyni ją cięższą. Teoria flogistonu zaczęła stawać się nieporęczna i nadmiernie skomplikowana. Wyjaśnienia jego właściwości zaczęły być sprzeczne. Aby wyjaśnić pewne właściwości, czasem musiał on nie mieć wagi, czasem mieć wagę dodatnią, a czasem ujemną.
Dalsze problemy dla teorii flogistonu wynikały z nowych eksperymentów i badań prowadzonych nad gazami. Międzynarodowa grupa eksperymentatorów rozpoczął pracę na gazach, wymiany badań i publikowania i tłumaczenia wyników eksperymentalnych, każdy przynosząc własne perspektywy i założenia do wyników, które obserwowali.
W Anglii w 1770s Joseph Preistley (1733-1804) był oddanym zwolennikiem flogiston, ale był również ostrożny eksperymentator. On wyizolowany nowy gaz przez ogrzewanie rdzy mercury.When ogrzewane rdzy dał nowy gaz, i pozostawił za sobą metal rtęci. Ten nowy gaz sprawił, że rzeczy palą się jaśniej i dłużej niż normalne powietrze. Myszy zamknięte w słoikach z tym nowym gazem mogły oddychać dłużej niż w normalnym powietrzu. Preistley szukał wyjaśnienia, które pozostałoby zgodne z teorią flogistonu, więc spekulował, że ten nowy gaz był szczególnie dobry w pochłanianiu flogistonu. Zwykłe powietrze, jak sugerował, zawierało już pewną ilość flogistonu, a więc szybko mogło zostać wypełnione większą ilością flogistonu, uniemożliwiając spalanie, rdzewienie i oddychanie. To nowe powietrze, które Priestley nazwał zdephlogisticated air, było całkowicie wolne od flogistonu, więc jego napełnienie trwało znacznie dłużej.
We Francji Antoine Lavoisier (1743-1794) przeprowadził podobne eksperymenty z tymi samymi substancjami. Uzyskał takie same wyniki jak Priestley, ale szukał nowego wyjaśnienia spalania, więc spojrzał na swoje wyniki z innej perspektywy. Lavoisier zasugerował, że zamiast wydzielać flogiston, gdy metal rdzewieje lub substancja się pali, prostszym wyjaśnieniem było to, że nowy gaz Priestleya, który nazwał tlenem, był absorbowany z powietrza.
Pomimo że obie teorie dobrze wyjaśniały zaobserwowane wyniki, wyjaśnienie Lavoisiera miało jedną istotną przewagę nad wyjaśnieniem Priestleya, podawało mechanizm przyrostu masy rdzy. Rdza metalu polegała na tym, że metal łączył się z tlenem, tworząc cięższą substancję zwaną tlenkiem. Było to rewolucyjne podejście do problemu, zrywające z dotychczasowymi tradycjami, które sięgały aż do Platona. Podczas gdy zdrowy rozsądek podpowiadał, że spalenie lub zardzewienie przedmiotu powoduje ucieczkę czegoś, staranna analiza eksperymentalna Lavoisiera wykazała, że w rzeczywistości tlen był absorbowany.
Jednakże Lavoisier nie mógł wyjaśnić natury ciepła i ognia, i był zmuszony wynaleźć dziwną nową substancję, którą nazwał kaloryczną. Kaloria miała wiele podobieństw do flogistonu w tym, że była zasadą ognia, tak jak wcześniej uważano siarkę i flogiston.
Dalsza praca eksperymentalna z innymi metalami, ich rdzą i innymi nowymi gazami powoli zaczęła rozwijać bardziej spójny obraz tego, co działo się podczas rdzewienia i spalania. Kolejnym przełomem było uświadomienie sobie, że woda jest połączeniem gazów: wodoru i tlenu. Jeśli spalasz wodór, powstaje woda. Teoria Lavoisiera zyskała poparcie, ponieważ coraz więcej eksperymentów dawało korzystne wyniki.
Główny przeciwnik Lavoisiera, Priestley, przeżył go, ale nie był w stanie obalić tendencji do „nowej chemii” Lavoisiera. Ostatnia książka Priestleya, opublikowana w 1796 roku, nadal silnie wspierała teorię flogistonu, ale zawierała nutę poddania się dominującym opiniom innych. Napisał: „Niewiele było, jeśli w ogóle, rewolucji w nauce tak wielkich, tak nagłych i tak powszechnych, jak przewaga tego, co teraz zwykle określa się mianem nowego systemu chemii lub systemu Antyflogistonów, nad doktryną Stahla, która swego czasu była uważana za największe odkrycie, jakiego kiedykolwiek dokonano w tej nauce.”
Podczas gdy wielu historyków scharakteryzowało Priestly’ego jako upartego, niemądrego obrońcę przestarzałej teorii, akceptacja idei Lavoisiera w tak krótkim czasie jest bardziej zaskakująca. Krytycy słusznie wskazywali, że teoria Lavoisiera była niekompletna i nie mogła wyjaśnić wszystkich zaobserwowanych wyników. Jednak z czasem teoria ta stawała się coraz mocniejsza i pełniejsza, nie tracąc przy tym swojej prostoty. Niektórzy zarzucali mu, że po prostu zastąpił flogiston Stahla swoim własnym kalorycznym, substancją co najmniej równie tajemniczą. Ale kaloryczność nie była kluczowa dla idei Lavoisiera.
Nowa teoria spalania miała kilka kluczowych punktów na swoją korzyść. Była prosta, spójna, nie odwoływała się do ujemnych ciężarów ani innych pozornie tajemnych pojęć i opierała się na analizie eksperymentalnej. Pozostało kilku zwolenników flogistonu tu i ówdzie, ale dowody na rzecz teorii Lavoisiera wciąż rosły. Jednak dopiero w XX wieku ostatnia spuścizna flogistonu, kaloryczność Lavoisiera, została wyjaśniona. Ciepło zostało ujawnione jako forma energii, a tajemnicze i mityczne idee kalorii i flogistonu nie były już potrzebne.
DAVID TULLOCH
Dalsza lektura
Książki
Conant, James Bryant. The Overthrow of the Phlogiston Theory-The Chemical Revolution of 1775-1789. Cambridge, MA: Harvard University Press, 1956.
Lavoisier, Antoine. Essays Fizyczne i chemiczne. Thomas Henry, przeł. 2nd edition. London: Cass, 1970.
White, John Henry. The History of The Phlogiston Theory. London: E. Arnold, 1932, przedrukowany przez AMS Press (New York), 1973.
Strony internetowe
Selected Classic Papers from the History of Chemistry. http://maple.lemoyne.edu/~giunta/papers.html. Obejmuje kilka prac Lavoisiera.
.