چگونگی کشف عناصر هوا و آب

کشف ئیدروژن، نیتروژن، و اکسیژن مکان ویژه‌ای در تاریخ کشف عناصر به خود اختصاص داده است. درک خواص واقعی این عناصر فرایندی پیچیده، پرتناقض، و طولانی بود. با وجود کشف محصولات گازی جدید در روند واکنشهای شیمیایی (ئیدروژن، نیتروژن، و اکسیژن)، دانشمندان هنوز نمی‌دانستند با عناصر شیمیایی جدیدی روبه‌رو هستند.
از اعصار گذشته تنها یک نوع گاز، موسوم به هوا، شناخته شده بود؛ این گاز در حوزه‌ی علم فیزیک مورد مطالعه قرار گرفته بود و در محدوده‌ی علم شیمی قرار نداشت. دانشمندان تصور می‌کردند محصولات گازی که طی فرایندهای گوناگون تشکیل می‌شدند (مثلاً تخمیر یا گندیدگی) شکلهای مختلف هوا باشند. مفهوم «گاز» تنها در شروع قرن هفدهم ابداع گردید. این اصطلاح توسط وان هلمونت (1)، دانشمند مشهور در علوم طبیعی، عرضه شد. وی این کلمه را واژه‌ی یونانی «چائوس» (2) گرفته بود. هلمونت طی یک عمل احتراق با سوزاندن شصت و دو پوند چوب تنها یک پوند خاکستر به دست آورد. باقیمانده‌ی چوب به چه چیز تبدیل شده بود؟ وی معتقد بود که قسمت اعظم چوب به «روح چوب» مبدل شده است. هلمونت می‌نویسد که وی این روح ناشناخته را یا واژه‌ای جدید موسوم به گاز نامگذاری کرده است. امروزه می‌دانیم که این دانشمند دی اکسید کربن را، که یکصد سال بعد توسط بلاک (3)، فیزیکدان انگلیسی نیز تهیه شد، به دست آورده بود. اما هلمونت کشف خود را درک نکرد: وی در «روح چوب» تنها شکلی دیگر از هوا را می‌دید.
بنابراین، ما حق نداریم اصطلاح «کشف یک عنصر جدید» را، به مفهوم جدید آن، به اجزای تشکیل دهنده‌ی هوا و آب اطلاق کنیم. به عبارت دیگر، کشف ئیدروژن، نیتروژن، و اکسیژن با کشف تصادفی که در دوران پیش از تولد علم انجام می‌گرفت فرق دارد. اولاً، در قرن هجدهم نظریه‌ای پیشرفته موسوم به «نظریه ذات آتش» رایج بود. ثانیاً، می‌رفت که، بالاخره، حالت گازی ماده، توسط هلمونت، موضوع مطالعه‌ی علم شیمی قرار گیرد، و موجب تولد بخش جدیدی از علم شیمی با روشهای پژوهشی و تجهیزات آزمایشگاهی این دانشمند بشود. این بخش جدید، شیمی پنوماتیک بود. به عبارت دیگر، کشف عناصر گازی در سایه‌ی تحقیقات تجربی و عملی هدف‌دار و براساس مفاهیم نظری امکان‌پذیر گردید. و قبل از اینکه ما داستان این عناصر را شروع کنیم، باید به نظریه «ذات آتش» و شیمی پنوماتیک بپردازیم.
در اصل، نظریه‌ی «ذات آتش» بسیار ساده بوده و، به واسطه‌ی همین سادگی، کاملاً قانع کننده به نظر می‌آمد. این نام از کلمه‌ی یونانی «فلوژیتسوس»، به معنای «قابل احتراق» مشتق شده است. نظریه‌ی یاد شده مبین فرایندهایی بود که طی آن احتراق، تکلیس فلزات، و تنفس صورت می‌گیرد: اما جوهر آن فرایند نامشخص بود. بنابراین، تنها ایده‌ی وجود ماده‌ای که در تمام فرایندهای فوق نقش اصلی را ایفا می‌کرد و «فلوژیستون» نامیده می‌شد ارائه شده بود.
اگرچه عقاید مربوط به «مواد آتشین» (4) توسط دانشمندان گوناگون به شکلهای مختلف بیان شده است، از شیمیدان و فیزیکدان آلمانی، گئورگ اشتال (5)، به عنوان بنیانگذار نظریه‌ی «ذات آتش» یاد می‌شود. دانشمند مزبور به این شکل استدلال می‌کرد که: تمام اجسام براساس وجود ذات آتش در آنها می‌توانند بسوزند. هرچه یک ماده حاوی ذات آتش بیشتری باشد، فعالیت سوختن آن بیشتر است. زغال نمونه‌ای از موادی است که تقریباً یک ماده‌ی آتشین خالص است. فلزات در اثر تکلیس «ذات آتش» خود را از دست می‌دهند و به خاک تبدیل می‌شوند. افزودن ذات آتش به فلز تکلیس شده منجر به تولید دوباره‌ی فلز خالص می‌گردد. تکلیس خرده‌های فلز با زغال نمونه‌ی خوبی از این دست است. این فرایند حتی برای فلزکاران دوران قدیم نیز شناخته شده بود.
از دیدگاه شیمی جدید، تمام این نظریات بدین معناست که طی واکنش اکسیداسیون (مثلاً تشکیل اکسید طی تکلیس فلز) ذات آتش از بین می‌رود. و به عکس، در واکنش احیا (واکنش تکلیس اکسید فلز با زغال) ذات آتش حاصل می‌گردد. همه چیز ساده و روشن است و هر فرد مبتدی در علم شیمی هم می‌فهمد که نظریه‌ی ذات آتش یک اشتباه بوده است. از این نظریه چنین بر می‌آید که وزن ماده در حین احتراق می‌بایست کاهش یابد نه اینکه بر آن افزوده شود. به عبارتی، یک اکسید فلز معین می‌بایست از فلز مربوطه‌ی خود سبکتر باشد. بر طبق نظریه‌ی ذات آتش، بایستی فلزات را به عنوان مواد مرکب (یعنی فلز به اضافه‌ی اصل آتش)، و اکسید آنها (خاک) را به صورت ماده‌ی ساده (فلز منهای ذات آتش) در نظر گرفت.
با وجود این، نظریه‌ی ذات آتش برای مدت یک قرن از جانب دانشمندان مشهور آن زمان مانند کوندیش (6)، پریستلی (7)، وشله (8)، که نامشان با کشف عناصر هوا و آب همراه است، به طور جدی حمایت می‌شد. در مراحل اولیه‌ی کشفیات این دانشمندان، مفهوم نظریه‌ی ذات آتش نقش مهمی ایفا می‌کرد.

مطالعه‌ی گازها منجر به گسترش و پیشرفت شیمی پنوماتیک گردید، و این دومین قدم مؤثر در جهت کشف ئیدروژن، نیتروژن، و اکسیژن بود. شکی نیست که مطالعه‌ی گازها در گذشته‌های دور، به دلیل در اختیار نبودن روشهای مناسب برای تهیه و جمع‌آوری آنها، یا برای پژوهش در مورد خواصشان، با مشکل روبه‌رو بود. مثانه‌ی حیوانات، تقریباً تنها ظرف آزمایشگاهی برای جمع‌آوری و وزن کردن گازهای آزاد شده بود. بر این اساس، مطالعه‌ی گازها از مطالعه‌ی جامدات و مایعات بسیار مشلکتر بود.

در آغاز قرن هجدهم، هالز (9)، دانشمند انگلیسی. یک حمام بادی (پنوماتیک) اختراع کرد. در این دستگاه قسمتی که درون آن گاز تشکیل می‌شد (یک دستگاه تقطیر با یک مخلوط کن شیمیایی)، از جمع کننده‌ی گاز آزاد شده جدا می‌گردید. جمع کننده عبارت از بالونی بود که وارونه قرار داشت و با آب پر می‌شد. با نفوذ حبابهای گاز در بالون، آب بتدریج خالی می‌شد و این ظرف با ذرات گاز مورد مطالعه پر می‌گشت.
بلاک (شیمیدان انگلیسی و یکی از بنیانگذاران شیمی پنوماتیک) نیز برای مطالعه‌ی ترکیباتی که از پیش شناخته شده بودند از حمام بادی (پنوماتیک) استفاده کرد. از جمله موادی که این دانشمند مورد مطالعه قرار داد آهک و منیزی سفید (کربناتهای کلسیوم و منیزیوم) بود. از تکلیس این مواد یا ترکیب آنها با اسید، گاز حاصل می‌گردد. امروزه به آسانی می‌توانیم حدس بزنیم که این گاز همان «روح چوب» است که هلمونت آن را از سوزاندن زغال به دست آورده بود. به هر حال، هلمونت، فراتر از نتیجه‌ای که به دست آورده بود نرفت و تنها اندیشه‌ای پیچیده و غامض عرضه کرد. اما بلاک در کار خود جلوتر رفت و ابراز داشت ترکیباتی که در اثر تکلیس یا ترکیب با اسید حاصل می‌شوند، می‌توانند به حالت اولیه تبدیل شوند.
در عصر حاضر، یک شیمیدان می‌تواند فعل و انفعلات فوق را چنین تفسیر کند: بلاک کار خود را با واکنش تجزیه‌ی کربنات به اکسید و دی اکسید کربن شروع کرده و با واکنش برگشت، یعنی افزودن دی اکسید کربن به اکسید حاصل، مواد اولیه را به دست آورده بود. جرم مواد حاصل کاملاً مساوی جرم موادی بود که در ابتدای آزمایش به کار رفته بود. ملاحظه می‌شود که بلاک در پژوهشی به موفقیت دست یافت که دیگران در آن با شکست مواجه شده بودند.
بلاک مقداری گاز را به حالت بسته، به عنوان هوای «ثابت» یا «بسته»، وزن کرد. گاز طی فرایندهای تخمیر یا احتراق زغال سنگ آزاد شده بود اما قابل تنفس یا احتراق نبود. بلاک معتقد بود این گاز جزء مستقل تشکیل دهنده‌ی هوای آتمسفر است.
لذا، در سال 1754 دی اکسید کربن تحت نام هوای «ثابت» کشف گردید. این اتفاق برای کشف گازهای دیگر اهمیت ویژه‌ای داشت، بخصوص به این علت که پس از محاسبات و بررسیهای تردیدناپذیر، دانشمندان تمایل یافتند که دی اکسید کربن را، نه به عنوان شکلی از هوا، بلکه به عنوان ماده‌ای که در بسیاری از جامدات نیز وجود دارد در نظر بگیرند. شیمیدانان با افزودن دی اکسید کربن به اکسیدها دریافتند که جرم محصول به دست آمده افزایش می‌یابد و، بر این اساس، اصلی‌ترین باور نظریه‌ی «ذات آتش» زیر سؤال رفت. به هر حال، این اتفاق سالها پیش از اینکه بشر به اهمیت این اصل مسلم پی ببرد، صورت پذیرفت و هنوز نظریه‌ی «ذات آتش» به عنوان تنها مبنا برای توجیه بسیاری از تجربیات «شیمی پنوماتیک» قلمداد می‌شد.

پی‌نوشت‌:

1. .Van Helmont
2. . Chaos
3. . Black
4. . Materia ignea
5. . Stahl
6. . Cavendish
7. . Priestley
8. . Scheele
9. . Hales

منبع مقاله :
تریفونوف، دیمیتری نیکولایویچ ، تریفونوف، ولادیمیر؛ (1390)، تاریخچه‌ی کشف عناصر شیمیایی، برگردان: عبدالله زرافشان، تهران: شرکت انتشارات علمی و فرهنگی، چاپ چهارم