کشف اکسیژن

کشف آزمایشگاهی اکسیژن را هم به جوزف پریستلی انگلیسی نسبت می‌دهند و هم به کارل ویلهلم شیله سوئدی. شیله اکسیژن را بیش از یک سال قبل از پریستلی کشف کرد اما پس از آن که پریستلی در 1774 میلادی نتیجه‌ی آزمایشات خود را اعلام کرد و ویژگی‌های مرموز «هوا»ی جدیدی را که کشف کرده بود شرح داد شیله نتایج تحقیقاتش را منتشر ساخت. به همین دلیل افتخار این کشف بیشتر نصیب پریستلی شد.
جوزف پریستلی مرد عجیبی بود. در 1773 در فیلدهد، در نزدیکی لیدز انگلستان، به دنیا آمد. او که در یک خانواده‌ی کالوینی مذهبِ سخت‌گیر پرورش یافته بود خود را برای پوشیدن لباس روحانیان آماده می‌کرد، اما عقاید روشن‌فکرانه‌اش باعث شد که نه تنها کلیسای انگلستان بلکه کالوین مذهبان هم او را بدعت‌گذار در دین بخوانند. با این حال در 1767 پریستلی در 34 سالگی پیشوای روحانی یکی از کلیساهای اقلیت‌ها در لیدز شد. او در همین زمان کتاب‌دار و منشی اول شلبرن بود که در دولت ویلیام پیت مقام وزارت خارجه را به عهده داشت.
پریستلی در یکی از چندین سفرش به لندن با بنجامین فرانکلین آشنا شد. فرانکلین علاقه‌ی او به علم را برانگیخت. دوستی آن دو تا آخر عمر ادامه یافت. پریستلی به طور تفننی به شیمی روی آورد اما چیزی نگذشت که بخش عمده‌ای از اوقاتش را به آن اختصاص داد. او تجربه‌گری بود که در مشاهده توانایی زیادی داشت، اما پایه‌ی علمی‌اش ضعیف بود و به همین سبب نتایجی که از آزمایش‌هایش می‌گرفت گاهی نادرست و اغلب بی‌ربط بودند.
خانه‌ی او در لیدز، کنار یک کارگاه آبجوسازی بود و پریستلی کنجکاو شد تا درباره‌ی روش به کار گرفته شده در این کارگاه، به خصوص درباره‌ی گازی که بر بالای مشروب‌های در حالِ تخمیر معلق بود، مطالبی بداند. او دریافت که این، به قول خودش، «هوا»، تراشه‌های مشتعل چوبی را که در مجاورت مایع قرار می‌داد خاموش می‌کرد، و این که مخلوط گاز و دودی که از روی لبه‌های خمره می‌گذشت «به زمین می‌افتاد». وی بر اساس این مشاهده نتیجه گرفت که گاز مزبور (که دی اکسید کربن بود) نسبت به هوای معمولی سنگین‌تر است. او یاد گرفت چگونه این «هوا»ی سنگین را در آزمایشگاه خانگی‌اش تهیه کند، و دریافت که آبی که این گاز در آن حل شده باشد طعم تند و دل‌پذیری دارد. هر کس که به نوشابه‌های گازدار و دیگر انواع آب کربنات‌دار علاقه داشته باشد می‌فهمد که منظور او چه بود. در 1773 نشان انجمن سلطنتی به دلیل اختراع آب سودا به پریستلی اعطا شد.
آزمایش‌هایی که پریستلی بر روی این گاز انجام داد باعث شد به مطالعه‌ی گازهای دیگری که قادر به تهیه‌شان بود کشیده شود. در همین اوان، یک «عدسی سوزان» یا ذره بین درشت به قطر سی سانتیمتر به او داده شد. او به وسیله‌ی آن می‌توانست آفتاب را متمرکز کند و مواد را تا دماهای زیاد گرم کند.‌ یکی از ابداعات پریستلی در زمینه‌ی مطالعه‌ی گازها (یا به قول خودش «هوا»ها) ساخت ابزاری برای جمع‌آوری آنها از روی جیوه بود. او موادی را در ظرف شیشه‌ای سربسته‌ای بر سطح جیوه‌ی مایع، که درون ظرف ریخته بود، می‌گذاشت و با عدسی سوزانش آنها را حرارت می‌داد. اگر گازی تولید می‌شد در بالای جیوه، که برخلاف آب گازها را حل نمی‌کرد، تجمع می‌یافت.
یکی از مواد بسیاری که پریستلی به این ترتیب حرارت داد اکسید جیوه بود که آن را «کلس سرخ جیوه» می‌نامید. وقتی این جامد قرمز رنگ را حرارت داد تجزیه شد و گاز بی‌رنگی بر بالای جیوه‌ی مایع تولید کرد. پریستلی این گاز را با شعله‌ی شمع مورد آزمایش قرار داد. اکثر گازهای دیگری که به دست می‌آورد شعله‌ی شمع را خاموش می‌کردند. پریستلی در کتاب «تجربیات و مشاهداتی در زمینه‌ی انواع گوناگون هوا» که بعداً منتشر کرد توضیح می‌دهد که در مورد این «هوا» چه اتفاقی افتاد: «اما آن‌چه که مرا به حد زایدالوصفی به شگفتی واداشت این بود که شمع در این هوا با شعله‌ی خیره کننده‌ای می‌سوخت. نمی‌توانم بعد از گذشت این همه وقت از انجام آن آزمایش، به خاطر آورم که قصدم از انجام این آزمایش چه بود، اما می‌دانم که به هیچ وجه انتظار چنین نتیجه‌ای را نداشتم. اگر به هر دلیلی در آن موقع شمع روشنی پیش رویم نبود چه بسا هرگز این آزمایش را انجام نمی‌دادم. تکه چوب نیم افروخته‌ای در آن هوا شعله‌ور می‌شد و به شدت می‌سوخت. هیچ نمی‌دانستم این مشاهدات را چگونه توجیه کنم.»
پریستلی در مقدمه‌ی همین کتاب می‌نویسد: «مطالب این مجموعه تصویر روشنی از حقیقت آن‌چه بارها در نوشته‌های فلسفی‌ام متذکر شده‌ام را ارائه خواهد داد. مشخص می‌شود که هرچه از آن گفته شود باز هم کم است و این مسئله بیش از پیش تحقیقات گسترده‌ای را می‌طلبد. آن مسئله این است که در این حرفه، نقش آن‌چه آن را بخت می‌نامیم، یا به زبان فلسفه، نقش مشاهده‌ی روی‌دادهایی که ناشی از علل نامعلوم باشند بیش از هر طرح مدون یا نظریه‌ی از پیش تصور شده‌ای است. من به سهم خود صراحتاً اذعان می‌کنم که به هنگام آغاز آزمایش‌هایی که در این مجموعه نقل کرده‌ام آن‌قدر از ارائه‌ی فرضیه‌ای که پیگیری آن به کشفیاتم منجر شود دور بودم که حتی اگر این فرضیه‌ها را برایم نقل می‌کردند بسیار در نظرم بعید می‌نمودند، و هنگامی که واقعیت‌های مسلم پس از مدت‌ها توجهم را به خود جلب کردند با کندی و درنگ بسیار بود که در مقابل قرائنی که حواسم عرضه می‌کردند سر تسلیم فرود آوردم.»

پریستلی به زودی کشف کرد که «هوا»ی جدید او موشی را دو برابر طولانی‌تر از همان حجم از هوای معمولی زنده نگاه می‌دارد. او نیز این «هوا»ی جدید را استنشاق کرد و گفت: «احساسی که در ریه‌هایم ایجاد کرد تفاوت محسوسی با هوای معمولی نداشت، اما به خیالم احساس می‌کردم سینه‌ام تا مدت‌ها بعد به نحو غریبی سبک و راحت شده است. کسی چه می‌داند، شاید روزی برسد که این هوای پاک، وسیله‌ای تجملی برای انسان‌های مرفه گردد، اما عجالتاً تنها من و دو موش سعادت تنفس آن را داشته‌ایم.»
دو ماه بعد، پریستلی نتایج تحقیقاتش را یا شیمی‌دان مشهور فرانسوی، آنتوان لوران لاوازیه، در میان گذاشت. لاوازیه کارهای پریستلی را تکرار کرد و مطالعات بیشتری روی این گاز جدید انجام داد. او نشان داد که گاز مزبور از اجزای هوای معمولی است، و وقتی فلزات در هوا حرارت داده شوند با آنها ترکیب می‌شود. او آن را عنصر جدیدی دانست و در 1778 نام اکسیژن را برای آن پیشنهاد کرد (که در یونانی به معنی اسیدزا می‌باشد. او به اشتباه فکر می‌کرد در همه‌ی اسیدها اکسیژن وجود دارد).
لاوازیه اولین کسی بود که از ترازوهای حساس برای سنجش تغییر وزن مواد اولیه و محصولات واکنش‌های شیمیایی استفاده کرد. او به همین ترتیب توانست نشان دهد که وقتی اکسید جیوه حرارت ببیند هم‌چنان که اکسیژن آزاد می‌شود وزن از دست می‌دهد، و این وزنِ از دست رفته برابر است با وزن گاز آزاد شده. وی ثابت کرد که عکس این مسئله نیز صادق است، یعنی وقتی فلزی در هوا حرارت ببیند وزنش به اندازه‌ی مقدار اکسیژنِ برداشت شده از هوا افزایش می‌یابد. او این قیبل یافته‌ها را در جمله‌ای خلاصه کرد که به قانون بقای جرم شهرت یافته است: «ماده نه به وجود می‌آید و نه از بین می‌رود بلکه از شکلی به شکلی دیگر تغییر می‌یابد.»
کشف اکسیژن به دست پریستلی، سرنخی به دست لاوازیه داد تا توجیهی حقیقی برای احتراق ارائه دهد و نظریه‌ی آتش‌مایه (فلوژیستون) که پریستلی سرسختانه تا آخر عمر از آن طرف‌داری می‌کرد را شکست دهد. گرچه نظریه‌ی آتش‌مایه درست عکس تفسیر صحیح فرایند احتراق بود اما درحدود یک‌صد سال بر شیمی سیطره داشت. احتراق عبارت است از ترکیب اکسیژن با مواد دیگر نه ترکیب آتش‌مایه‌ی مرموز با هوای جدیدی که پریستلی هوای بدون آتش‌مایه می‌نامید. بسیاری از دانشمندان بر این باورند که لاوازیه با ارائه‌ی نظریه‌ی احتراق و کشف قانون بقای جرم، پایه گذار شیمی امروزی است.
پریستلی دو مشاهده‌ی تصادفی دیگر درباره‌ی اکسیژن داشت. اگرچه ابن مشاهدات فراتر از آنی بودن که پریستلی توانایی تفسیرشان را داشته باشد اما دست کم آنها با را چنان دقتی ثبت کرد که بعدها دیگران توانستند از آن‌ها بهره برند.
قبل از آن که پریستلی در آزمایش‌های خود، گاز مورد بحث را از راه حرارت دادن اکسید جیوه با ذره بین به دست آورد رابطه‌ای میان احتراق، تنفس جانوری، و زندگی گیاهی مشاهده کرد. او دریافت هوایی که در آن شمعی سوخته و به طور خود به خود خاموش شده باشد گرچه مانع زنده ماندن موش‌ها می‌شود اما اگر مدتی گیاهان سبز در آن رشد کنند مجدداً باعث احتراق و نیز زنده ماندن موش‌ها می‌شود. او درواقع تنفس گیاهان را مشاهده کرده بود که در طی آن دی‌اکسید کربن را می‌گیرند و اکسیژن پس می‌دهند. اما مدت‌ها گذشت تا دیگران به ماهیت این فرایند پی بردند.
پریستلی مشاهده‌ی دوم خود را خارق‌العاده‌ترین اکتشاف غیر منتظره‌ی خود نامید. او مشاهده کرد که وقتی «ماده‌ی سبزی» که بر روی دیوارهای شیشه‌ای آزمایشگاهی‌اش وجود داشت در معرض آفتاب قرار می‌گرفت گازی را آزاد می‌کرد. او متوجه شد که این گاز همان گازی است که از حرارت دادن اکسید جیوه آزاد می‌شود، اما نمی‌دانست که برای اولین بار تولید اکسیژن را از راه فوتوسنتز (نورساخت) مشاهده کرده است.در این فرایند، انرژی خورشید صرف ترکیب دی اکسید کربن با آب می‌شود که در طی آن مواد آلی و اکسیژن به دست می‌آیند. بدون فوتوسنتز هیچ‌گونه حیاتی بر روی زمین دوام نمی‌آورد.