Översikt
I början av 1700-talet dominerade Phlogistonteorin om eld. I slutet av 1700-talet hade dock Phlogiston-teorin omkullkastats av det nya konceptet om förbränning av syre. Phlogistonteorins omintetgörande presenteras ofta som ett lysande exempel på den goda vetenskapens triumf över den dåliga vetenskapen, men sagan är en saga med många falska starter, falska experiment och falska antaganden. Personligheter, sociala och kulturella influenser och den nya betoningen på experimentell analys och naturliga orsaker kombinerades för att utmana och ersätta Phlogiston-teorin.
Bakgrund
De grekiska filosoferna betraktade elden som ett av naturens grundelement och erbjöd ett antal olika tolkningar. Heraklit från Efesos (ca 535-475 f.Kr.) gjorde elden till skapelsens universella kraft. Aristoteles (384-322 f.Kr.) kallade elden för en av de stora principerna för allting. Platon (427-347 f.Kr.), Aristoteles lärare, föreslog att brännbara föremål innehöll inom sig en antändbar princip, en substans som fick dem att brinna, men det var Aristoteles idéer som dominerade det medeltida europeiska tänkandet.
Aristoteles eld ingick i ett system med fyra element bestående av luft, jord, eld och vatten. Ett ämne som trä bestod av en kombination av de fyra elementen. När det brann var lågan det element av eld som flydde, eventuell ånga var luft, eventuell fukt vatten och askan som blev kvar var jord.
Renässansen på 1500-talet återupptäckte Platons verk, som en del av en bredare intellektuell rörelse för att återupptäcka det klassiska förflutna. Platons föreställning om en brännbar princip i en substans passade väl in i periodens alkemiska idéer. Platons begrepp modifierades och alkemisterna kom att betrakta svavel, eller ”någon vag ande av svavel”, som den brännbara principen. Svavel brann nästan helt och hållet, därför sågs svavel som själva elden, eller något som var nära besläktat med elden. Ett nytt system av grundämnen konstruerades, där ämnen förklarades med en kombination av svavel, kvicksilver och salt. Så trä brann eftersom det innehöll svavel, gav ifrån sig lågor eftersom det innehöll kvicksilver och lämnade aska eftersom det innehöll salt.
I mitten av 1600-talet ledde Johann Joachim Bechers (1635-1682) och hans elev Georg Ernst Stahls (1660-1734) observationer, experiment och filosofi till att de föreslog en ny tolkning av svavel. De föreslog att svavel i själva verket tillverkades av en kombination av svavelsyra och ett nytt ämne som de kallade phlogiston. Phlogiston (uttalas FLO-jis-ton) var egentligen principen för eld, inte svavel, och Stahl föreslog att phlogiston frigjordes av alla ämnen när de brann. När trä brinner släpper det alltså ut phlogiston i luften och lämnar aska efter sig. Aska var därför trä minus phlogiston. Svavel och material som träkol och fett brann bra eftersom de innehöll mycket phlogiston.
Impact
Phlogistonteorin blev snabbt populär och var mycket robust och förklarade en mängd olika fenomen. Den förklarade rostningen av metaller. När metallen rostade avgav den phlogiston till luften, så en metall var en kombination av sin rost och phlogiston. Även djurens andning kunde förklaras. När maten ”brändes” i kroppen frigjordes phlogiston som sedan stöts ut ur kroppen med hjälp av lungorna. Phlogiston var ”eldens drivkraft”, grunden för färg, principen för brännbarhet, oförstörbar och en ”extremt subtil materia”. Den kunde lätt användas för att förklara observerade resultat i experiment. Experiment visade till exempel att om man brände en vedpinne i ett begränsat utrymme, till exempel en burk, skulle förbränningen efter en kort tid upphöra. Detta förklarades genom att man föreslog att luften bara kunde innehålla en viss mängd phlogiston, och när den nådde sin gräns kunde ingen mer förbränning äga rum.
Teorin om phlogiston var mycket framgångsrik, och var så bred i sin räckvidd och acceptans att den blev en av de första förenande hypoteserna inom de kemiska vetenskaperna. Forskarna började dock få problem med att förklara vissa nya experimentella resultat. En anledning var att teorin försökte förklara för många saker. Ju mer teorin modifierades av dess anhängare för att förklara ett visst observerat beteende, desto svårare hade de att förklara andra.
Hela metoden för att undersöka naturen höll på att förändras. Förtroendet för det förflutna krossades av nya upptäckter och uppfinningar. Utmaningar mot den gamla vetenskapen inträffade samtidigt som utmaningar presenterades mot traditionell religion, ekonomi, sociala strukturer och regeringar. 1700-talet var en period av revolutioner, bland annat den amerikanska revolutionen, den franska revolutionen och däremellan en revolution inom de kemiska vetenskaperna.
I takt med att teorin om phlogiston utvecklades började den mystiska substansens natur och egenskaper beskrivas på olika sätt. Medan Stahl hade betraktat phlogiston som en vag princip, började anhängarna av hans teori tilldela phlogiston fysiska egenskaper som t.ex. vikt. Till en början verkade detta bara stärka teorins logik. När trä brinner lämnar det en lättare substans, aska, efter sig. Därför är den saknade vikten den förrymda phlogiston. När en metall som järn rostar verkar rosten lättare, så återigen var den saknade vikten den förrymda phlogiston.
Försiktiga experimentatorer noterade emellertid att även om rost av metaller verkade lättare, eller åtminstone mindre tät, än den metall som den hade kommit från, vägde rosten i själva verket mer. Detta resulterade i mer pyssel med teorin. Vissa anhängare föreslog att phlogiston hade en negativ vikt, så när det lämnade ett ämne gjorde det resultatet tyngre. Phlogistonteorin började bli otymplig och alltför komplicerad. Förklaringarna till dess egenskaper började bli motsägelsefulla. För att förklara vissa egenskaper var den ibland tvungen att inte ha någon vikt, ibland positiv vikt och ibland negativ.
Fler problem för phlogistonteorin uppstod på grund av nya experiment och forskning som utfördes om gaser. En internationell grupp av experimentatorer började arbeta med gaser, utbyta forskning och publicera och översätta experimentella resultat, var och en förde med sig sitt eget perspektiv och sina egna antaganden till de resultat de observerade.
I England under 1770-talet var Joseph Preistley (1733-1804) en hängiven förespråkare av phlogiston, men han var också en noggrann experimentator. Han isolerade en ny gas genom att värma upp rost av kvicksilver. när rosten värmdes upp gav den nya gasen ifrån sig och lämnade kvar metallkvicksilvret. Den nya gasen fick saker att brinna klarare och längre än vanlig luft. Möss som var inneslutna i burkar med denna nya gas kunde andas längre än i vanlig luft. Preistley sökte en förklaring som skulle förbli förenlig med phlogistonteorin, så han spekulerade i att denna nya gas var särskilt bra på att absorbera phlogiston. Vanlig luft, menade han, innehöll redan en del phlogiston och kunde därför snabbt fyllas på med mer phlogiston, vilket skulle göra förbränning, rostning och andning omöjliga. Denna nya luft, som Priestley kallade dephlogisticated air, var helt fri från phlogiston och tog därför mycket längre tid att fylla på.
I Frankrike utförde Antoine Lavoisier (1743-1794) liknande experiment med samma ämnen. Han fick samma resultat som Priestley, men han sökte en ny förklaring till förbränning, så han såg sina resultat ur ett annat perspektiv. Lavoisier föreslog att snarare än att phlogiston avges när en metall rostar eller ett ämne brinner, var en enklare förklaring att Priestleys nya gas, som han kallade syre, absorberas från luften.
Men även om båda teorierna förklarade de observerade resultaten väl hade Lavoisiers förklaring en stor fördel jämfört med Priestleys, den gav en mekanism för den viktökning som uppstår vid rost. Rost på en metall var metallen som kombinerades med syre och gav upphov till en tyngre substans som kallades oxid. Detta var ett revolutionerande sätt att angripa problemet och bröt med tidigare traditioner som sträckte sig tillbaka till Platon. Medan det sunda förnuftet antyder att bränning eller rostning av ett föremål resulterar i att något läcker ut, visade Lavoisiers noggranna experimentella analys att syre i själva verket absorberades.
Hursomhelst kunde Lavoisier inte förklara värmens och eldens natur och tvingades uppfinna en märklig ny substans, som han kallade kalori. Caloric hade ett antal likheter med phlogiston i det att det var en eldprincip, precis som svavel och phlogiston tidigare hade betraktats.
Fortsatt experimentellt arbete med andra metaller, deras rost och andra nya gaser började man långsamt utveckla en mer sammanhängande bild av vad som hände vid rostning och förbränning. Ett annat genombrott kom med insikten att vatten var en kombination av gaserna väte och syre. Om man förbränner väte bildas vatten. Lavoisiers teori fick stöd i takt med att fler och fler experiment gav gynnsamma resultat.
Lavoisiers huvudmotståndare, Priestley, överlevde honom, men kunde inte vända trenden mot Lavoisiers ”nya kemi”. Priestleys sista bok, som publicerades 1796, stödde fortfarande starkt fylogistonteorin, men innehöll en anmärkning av kapitulation inför andras rådande åsikter. Han skrev: ”Det har funnits få, om ens några, revolutioner inom vetenskapen som varit så stora, så plötsliga och så generella som förekomsten av det som nu vanligen kallas det nya kemisystemet, eller antiphlogistonernas system, framför Stahls doktrin, som en gång i tiden ansågs vara den största upptäckt som någonsin hade gjorts inom vetenskapen.”
Om många historiker har karakteriserat Priestly som en envis, dåraktig försvarare av en föråldrad teori, är acceptansen av Lavoisiers idéer på så kort tid mer överraskande. Kritiker påpekade med rätta att Lavoisiers teori var ofullständig och inte kunde förklara alla observerade resultat. Med tiden blev teorin dock starkare och mer komplett, utan att förlora sin enkelhet. Vissa anklagade honom för att bara ha ersatt Stahls phlogiston med sin egen kalori, en minst lika mystisk substans. Men kalori var inte centralt för Lavoisiers idéer.
Den nya förbränningsteorin hade flera viktiga punkter till sin fördel. Den var enkel, konsekvent, åberopade inte negativa vikter eller andra till synes mystiska begrepp och var fast baserad på experimentell analys. Det fanns fortfarande några anhängare av phlogiston här och där, men bevisen för Lavoisiers teori fortsatte att öka. Det var dock inte förrän på 1900-talet som det sista arvet från phlogiston, Lavoisiers kalori, förklarades bort. Värme visade sig vara en form av energi, och de mystiska och mytiska idéerna om kalori och phlogiston var inte längre nödvändiga.
DAVID TULLOCH
Fördjupad läsning
Böcker
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. Andra upplagan. London: Cass, 1970.
White, John Henry. Phlogistonteorins historia. London: E. Arnold, 1932, omtryckt av AMS Press (New York), 1973.
Internetplatser
Selected Classic Papers from the History of Chemistry. http://maple.lemoyne.edu/~giunta/papers.html. Innehåller flera uppsatser av Lavoisier.