V. فلوژیستون: نظریه و آزمایش

زمانی که فیلسوفان طبیعی در حال گمانه‌زنی درباره‌ی قوانین ریاضی بودند، اولین شیمیدان‌ها در آزمایشگاه‌های خود در تلاش برای استفاده از نظریه‌های شیمیایی برای توضیح واکنش‌های شیمیایی سوختن که مشاهده می‌کردند بودند. شیمی‌پزشک‌ها توجه ویژه‌ای به سولفور و نظریات پاراسل‌سوس داشتند. در نیمه‌ی دوم قرن 17، پزشک، اقتصاد‌دان و شیمیدان آلمانی یوهان یوچیم بشر یک سیستم شیمیایی مربوط به این اصل ساخت. او متذکر شد که وقتی یک ماده‌ی آلی می‌سوزد به نظر می‌رسد که یک ماده‌ی فرار ماده‌ی در حال سوختن را ترک می‌کند. شاگرد او، جورج ارنست اشتال، این نکته را نکته‌ی اصلی نظریه‌ای قرار داد که موفق شد حدود یک قرن در میان محافل شیمیایی پیروز شود.

اشتال فرض کرد که وقتی چیزی می‌سوزد، قسمت قابل سوختن آن به هوا منتقل می‌شود و او این قسمت را از روی کلمه‌ای یونانی به معنای اشتعال پذیر، فلوژیستون نامید. زنگ زدن فلزات نیز مشابه سوختن بود و بنابراین، از دست دادن فلوژیستون را شامل می‌شد. گیاهان فلوژیستون را از هوا جذب می‌کردند و بنابراین از این ماده غنی بودند. گرما دادن به کلسیم اکسید یا اکسیدهای فلزات توسط زغال چوب، فلوژیستون را دوباره در آن‌ها ذخیره می‌کرد. این مطلب از این اصل پیروی می‌کرد که کلسیم اکسید یک عنصر و فلز یک ترکیب بود. این نظریه همچنین کاملا وارون نظریه‌ی مدرن اکسیداسیون-احیا بود، ولی شامل انتقال چرخه‌ای مواد بود- حتی اگر در جهت نادرست بود- و بعضی از پدیده‌های مشاهده شده می‌توانست توسط آن توضیح داده شود. البته مطالعات اخیر بر روی نوشته‌های شیمی آن دوره نشان می‌دهد که تعبیر فلوژیستون تاثیر اندکی بر روی شیمیدان‌ها داشته تا زمانی که توسط شیمیدان‌ ثروتمند و تازه‌کار فرانسوی آنتوان لورنت لاوازیه در ربع پایانی قرن 18 مورد حمله قرار گرفت.

A.     قرن 18

در همان زمان، مشاهدات دیگری سبب پیشرفت‌هایی در فهم شیمی شد. هرچه بیشتر و بیشتر مواد شیمیایی مورد مطالعه قرار می‌گرفتند، شیمیدان‌ها مشاهده کردند که مواد مشخصی راحت‌تر با یک ماده‌ی شیمیایی ترکیب می‌شوند یا تمایل بیشتری نسبت یه یک ماده‌ی شیمیایی نسبت به باقی مواد دارند. جداول با جزییات برای نشان دادن تمایل نسبی مواد وقتی با هم مخلوط می‌شوند کشیده شدند. با استفاده از این جداول پیش بینی بسیاری از واکنش‌های شیمیایی قبل از آزمایش آن‌ها در آزمایشگاه ممکن شد.

تمامی این پیشرفت‌ها در قرن 18 سبب کشف فلزات جدید و ترکیبات و واکنش‌هایشان شد. روش‌های آنالیزی کیفی و مقداری شروع به گسترش کرد و علم شیمی‌تجزیه متولد شد. با این وجود تا زمانی که نقش گازها فقط فیزیکی بود، گستره‌ی شیمی قابل شناسایی نبود.

مطالعه‌ی شیمیایی گازها، که عموما هواها خوانده می‌شد، بعد از اینکه فیزیولوژیست بریتانیایی استفان هیلز ظرف پنوماتیکی (ظرف گازی) را برای جمع‌آوری و اندازه‌گیری حجم گازهای آزاد شده بر روی آب حاصل از گرما دادن جامدات مختلف در یک سیستم بسته گسترش داد اهمیت یافت. ظرف پنوماتیکی یک وسیله‌ی ارزشمند برای جمع‌آوری و مطالعه‌ی گازهایی شد که توسط هوای معمولی آلوده نمی‌شدند. مطالعه‌ی گازها به سرعت پیشرفت کرد و  سبب مرحله‌ای جدید از فهم گازهای مختلف شد.

فهم اولیه‌ی نقش گازها در شیمی در سال 1756 در ادینبرگ به وقوع پیوست، زمانی که شیمیدان بریتانیایی ژوزف بلک مطالعاتش را بر روی واکنش‌های منیزیم و کلسیم کربنات‌ها منتشر کرد. زمانی که این ترکیبات گرما داده می‌شدند، گاز آزاد می‌کردند و یک باقیمانده از چیزی که بلک آن را منیزی کلسینه یا کلسیم اکسید نامید باقی می‌گذاشتند. کلسیم اکسید همراه با قلیا (سدیم کربنات) واکنش می‌داد تا نمک‌های اولیه را دوباره تولید کند. از این رو، گاز کربن دی اکسید که بلک آن را هوای ثابت می‌نامید در واکنش‌های شیمیایی دخیل می‌بود. این نظریه که گاز نمی‌تواند وارد یک واکنش شیمیایی شود از بین رفت، و خیلی زود تعدادی از گازهای جدید به عنوان مواد متمایز موجود شناخته شدند.

فیزیک‌دان بریتانیایی هنری کاوندیش هوای قابل اشتعال (هیدروژن) را در دهه‌ی بعدی جدا کرد. او همچنین استفاده از جیوه را به جای آب به عنوان مایع محبوس کننده‌ی گاز در جمع‌آوری گازها معرفی کرد و جمع‌آری گازهایی که در آب حل می‌شوند را ممکن ساخت. این تغییر توسط شیمیدان و متخصص الهیات ژوزف پریستلی کسی که یک جفت گاز جدید را کشف و مطالعه کرد به طور گسترده مورد استفاده قرار گرفت. مهمترین کشف پریستلی اکسیژن بود، و او به سرعت متوجه شد که این گاز ترکیبی از هوای معمولی بوده که عامل اشتعال و سوختن است و تنفس حیوانات را ممکن می‌سازد. البته او دلیل این که مواد قابل سوختن با انرژی بیشتری در این گاز می‌سوزند و فلزات آسان‌تر کلسیم اکسید را تشکیل می‌دهند را عاری بودن آن از فلوژیستون بیان کرده بود. بنابراین این گاز فلوژیستون موجود در مواد قابل سوختن یا فلزات را آسان‌تر از هوای معمولی که همواره به صورت جزیی دارای فلوژیستون است قبول می‌کند. او این گاز جدید را هوای فلوژیسته نشده (dephlogisticated air) نامید و از این اعتقاد تا آخر عمرش دفاع کرد.

در این اثنا در شیمی پیشرفتی سریع در فرانسه به خصوص در آزمایشگاه لاوازیه ایجاد شده بود. او با این واقعیت که وزن فلزات وقتی در هوا گرما داده می‌شوند افزایش پیدا می‌کند در حالی که احتمالا آن‌ها در حال از دست دادن فلوژیستون بودند با مشکل مواجه شده بود.

در سال 1774، پریستلی به فرانسه رفت و به لاوازیه درباره‌ی کشفش مربوط به هوای فلوژیسته نشده گفت. لاوازیه به سرعت مفاهیم این ماده را درک کرد و راه برای انقلاب شیمیایی که شیمی مدرن یا جدید را محقق کرد باز شد. او اسم اکسیژن به معنای تشکیل دهنده‌ی اسید را استفاده کرد.

B.     تولد شیمی مدرن

لاوازیه توسط یک سری آزمایش‌های فوق‌العاده نشان داد که هوا شامل 20 درصد اکسیژن است و سوختن به دلیل ترکیب ماده‌ی قابل سوختن با اکسیژن می‌باشد. زمانی که کربن سوزانده می‌شود، هوای ثابت (کربن دی اکسید) تولید می‌شود. بنابراین فلوژیستون وجود ندارد. نظریه‌ی فلوژیستون به سرعت توسط این دیدگاه که اکسیژن هوا با ترکیبات مواد قابل سوختن ترکیب می‌شود تا اکسیدهای عناصر ترکیبات را تشکیل دهد جایگزین شد. لاوازیه از ترازوی آزمایشگاهی به عنوان یک تکیه‌گاه مقداری برای تحقیقش استفاده کرد. او عناصر را به عنوان موادی که توسط وسایل شیمیایی قابل تجزیه نیستند معرفی کرد و قانون پایستگی جرم را قویا ثابت کرد. او نظام نام‌های شیمیایی قدیمی را (که هنوز بر پایه‌ی استفاده‌های کیمیاگری بود) توسط نامگزاری شیمی منطقی که امروزه استفاده می‌شود جایگزین کرد و همچنین به تولید اولین روزنامه‌ی شیمی کمک کرد. بعد از مرگ او به وسیله‌ی گیوتین در سال 1974، همکاران او کار او را در برقراری شیمی مدرن ادامه دادند. کمی بعد شیمیدان سوئدی جانس جاکوب برزیلیوس پیشنهاد نشانه‌گزاری اتم‌های عناصر توسط حروف ابتدایی یا جفت حروف از اسم‌های آن‌ها را داد.