تاریخ کشف اکسیژن

شکی نیست که هیچ یک از عناصر شیمیایی نقشی پراهمیت‌تر از اکسیژن در توسعه‌ی و پیشرفت علم شیمی ایفا نکرده است. این گاز حیات‌بخش توانست موجب چنان پیشرفت عظیمی در علم شیمی در اواخر قرن هجدهم گردد که پیش از آن هرگز امکان‌پذیر نبود. قبل از هرچیز، اکسیژن نظریه‌ی ذات آتش را، که جاودانه می‌نمود ملغی کرد. با وجود اشتباه بودن این نظریه، می‌توان برای آن اهمیت تاریخی قائل شد. نظریه‌ی ذات آتش در زمان خود باعث شد که مفاهیم شیمی تا اندازه‌ای نظم و ترتیب بیابند. نظریه‌ی یاد شده موجب گردد که فرایندهای گوناگون در طبیعت و آزمایشگاه از دیدگاهی مشترک (اگرچه اشتباه) مورد بررسی قرار گیرند. همین یگانگی در دیدگاهها باعث جهت‌دار شدن پژوهشهای گردید. ئیدروژن و نیتروژن از طریق نظریه‌ی ذات آتش کشف شدند، اما مطالعه‌ی این «انواع هوا» موجب دستیابی به حقایق جدیدی شد که تبیین آنها نیاز به روشی متفاوت داشت. به عبارت دیگر، شیمی نیازمند بازنگری مجدد بود و این امکان را اکسیژن به وجود آورد.
... در تأیید ناسازگاری و انحراف ذات آتش، مکرراً حدسیات مبهمی پیش می‌آید مبنی بر اینکه احتراق ترکیبات اشتعال‌پذیر و تکلیس فلزات ماده‌ای را از هوا جدا می‌سازند در سال 1673، بویل نتیجه گرفت که وقتی سرب و آنتیموان را تکلیس می‌کنیم ذرات بسیار ریزی وارد فلزات می‌شود و با آنها ترکیب می‌گردد. این ذرات باعث افزایش وزن فلز می‌شود. لامانوسوف، 80 سال بعد نوشت: «... اندیشه‌ی بویل عزیز اشتباه است». دانشمند مشهور روسی گفت که هوا در فرایند احتراق شرکت می‌کند. به عبارتی، ذرات هوا با ترکیب در حال تکلیس مخلوط می‌شوند و جرم آن را افزایش می‌دهند.
در عصر رونق شیمی پنوماتیک، شیمیدان فرانسوی، بایان (1)، رساله‌ای نوشت (1774) که در آن به بحث درباره‌ی علل افزایش جرم فلزات در حین تکلیس پرداخت. وی معتقد بود که نوع خاصی از هوا، یعنی سیال انبساط‌پذیر و سنگینتر از هوای معمولی، در فرایند تکلیس به فاز افزوده می‌شود. بایان این سیال را، به وسیله‌ی تجزیه‌ی حرارتی ترکیبات جیوه تهیه کرد. در آزمایش عکس، با افزودن سیال یاد شده به جیوه‌ی خالص ترکیبی قرمز رنگ حاصل شد.
متأسفانه، بایان تنها به ابراز نتایج اکتفا کرد و درصدد پی‌جویی دقیقتر موضوع بر نیامد. به هر حال، خواهید دید که دانشمند یاد شده عملاً با اکسیژن ارتباط داشته است. دو چیز را به خاطر داشته باشید: تاریخ 1774 و ترکیب مشاهده شده توسط بایان – اکسید جیوه‌ی قرمز رنگ. در همان سال، پریستلی همان ترکیب را مورد آزمایش قرار داد. وی مدتی پیش از آن کشف کرده بود که گیاهان سبز هوای ثابت را، که غیرقابل تنفس است، به هوای معمولی و قابل تنفس مبدل می‌کنند. این کار توسط ارگانیسمهای زنده صورت می‌گیرد. این واقعیت نه تنها برای شیمی بلکه برای زیست‌شناسی هم بسیار مهم بود. پریستلی برای اولین بار ثابت کرد که گیاهان اکسیژن آزاد می‌کنند.
در اوایل سال 1770، تقریباً گاز شوره شناخته شده بود. این گاز در واکنش اسید نیتریک رقیق با براده‌های آهن آزاد می‌شد (در نامگذاری جدید به این گاز اکسید نیتروژن می‌گویند). علاوه بر آن،‌ ثابت شد که گاز شوره می‌تواند (در واکنش با پودر آهن) به یکی دیگر از انواع هوا، که غیرقابل تنفس ولی احتراق‌پذیر است، تبدیل شود. بر این اساس، پریستلی یکی دیگر از اکسیدهای نیتروژن (N2O) را کشف کرد و با توجه به منطق ذات آتش آن را گاز شوره‌ی غیر آتشین نامید.
اول اوت 1774، که یکی از روزهای به یادماندنی در تاریخ علم شیمی گردید، برای پریستلی روزی معمولی همراه با کار سخت بود. وی اکسید جیوه‌ی قرمز را داخل یک ظرف سربسته قرار داد و مستقیماً در معرض اشعه‌ی آفتاب گذاشت. برای تمرکز اشعه‌ی خورشید از ذره‌بین بزرگی استفاده کرد. ترکیب شروع به تجزیه شدن کرد و سرانجام جیوه فلزی درخشان و یک گاز حاصل شد (سالها بعد این گاز اکسیژن نام گرفت و سومین عنصر گازی محسوب گردید). برخلاف نیتروژن، اکسیژن اولین بار از هوا بدست نیامد. نوع جدید هوا از ماده جامد استخراج شد. ثابت شد که گاز کشف شده توسط پریستلی برای تنفس مناسب است. شمع افروخته، در مجاورت این گاز بمراتب درخشانتر از هوای معمولی سوخت. پس از مخلوط کردن گاز جدید با هوا چیزی مشاهده نشد ولی وقتی آن را با شوره مخلوط کردند گازی خرمایی رنگ (این گاز NO2 حاصل از NO بود) به دست آمد. از ترکیب شوره با هوای معمولی نیز همین گاز، اما نه چنان خالص، حاصل شد. پریستلی تنها باید می‌گفت که: «گاز جدید یکی از ترکیبات هواست». اما وی هنوز آماده ارائه‌ی چنین نظریه‌ای نبود، و به همین دلیل، این نوع جدید هوا را «هوای غیر آتشین» (2) نامید. این‌گونه تعبیر برای هر فرد پیرو نظریه‌ی ذات آتش طبیعی بود.
پریستلی پس از کشف خود، جهت توضیح آزمایشاتش برای لاووازیه و دیگر دانشمندان فرانسوی عازم پاریس شد. این واقعه یکی از اتفاقات مهم تاریخ کشف اکسیژن است. لاووازیه بیدرنگ اهمیت آزمایش همکار انگلیسی خود را تأیید کرد و بدان ارج نهاد. به هر حال، دانشمند فرانسوی تصور روشنتری نسبت به پریستلی در مورد اکسیژن داشت. اما پریستلی همچنان مفهوم هوای غیرآتشین را در مخیله خود حفظ کرده بود (که دلیل دیگری بر تأثیر نافذ نظریه‌ی ذات آتش است). چون پریستلی قادر به درک عظمت کشف خود نبود، تصور می‌کرد هوای غیرآتشین یک ماده کمپلکس است. تنها در سال 1786، تحت تأثیر عقاید لاووازیه، این ماده را به عنوان عنصری گازی پذیرفت.
بر این اساس، ما کشف اکسیژن را به پایان و پریستلی نسبت می‌دهیم. اما نام سومی نیز باید به آنها افزوده شود. – دانشمند مشهور سوئدی، کارل شله. پس از اینکه دانشمند یاد شده کتاب «رساله‌ی شیمی درباره‌ی هوا و آتش» (3) را منتشر کرد این افتخار از سوی محافل علمی نصیبش گردید. کتاب یاد شده در سال 1775 نوشته شد ولی به خاطر سهل‌انگاری ناشر دو سال دیرتر منتشر شد. این واقعیت تلخ شله را از حق شناخته شدن به عنوان کاشف اکسیژن محروم کرد هر چند که وی زودتر، و در سال 1772، پژوهشهایش را تشریح کرده بود و توضیحاتی بسیار دقیقتر و جامعتر از بایان و پریستلی ارائه داده بود. شله اکسیژن («هوای آتشین») را به طرق گوناگون، از تجزیه‌ی مواد غیرآلی، تهیه کرد. تقطیر شوره با اسید سولفوریک بخار قهوه‌ای رنگی ایجاد می‌کند که در درجه حرارتهای بالا بی‌رنگ می‌شود شله این بخارات را جمع‌آوری کرد و آن را «هوای آتشین» نامید. در مجاورت این گاز، مانند آنچه پریستلی به آن رسیده بود، یک شمع مشتعل درخشانتر از وقتی که در مجاورت هوا قرار گیرد می‌سوزد. شله عقیده داشت که هوای آتشین یکی از ترکیبات تشکیل دهنده‌ی هوای معمولی است. وی از مخلوط کردن این گاز با هوای فاسد یا متعفن راذرفرد مخلوطی به دست آورد که هیچ‌گونه تفاوتی با هوای معمولی نداشت. در واقع، شله دریافته بود که هوای آتمسفری مخلوطی از گازهایی است که بعدها با نام نیتروژن و اکسیژن شناخته شدند. به هر حال، این واقعیت تنها از دید ما که مجموعه‌ای از دانش پیشرفته را در اختیار داریم مطلبی ساده به نظر می‌رسد. شله به خاطر باور عمیق خود نسبت به نظریه‌ی ذات آتش فریب خورد. با سوزاندن هوای اشتعال‌پذیر (ئیدروژن) در یک ظرف و در مجاورت هوا، این دانشمند نتوانست محصول واکنش هوای آتشین با هوای اشتعال‌پذیر را جمع‌آوری کند. وی نتیجه گرفت که این واکنش گرما تولید می‌کند. استدلال شله این بود که حاصل ترکیب هوای آتشین با ذات آتش حرارت است (محصولی که طبق نظریه‌ی شله ماهیت مادی داشت) و تجزیه‌ی آن منجر به تولید هوای آتشین می‌گردد.
شله بدون اینکه چیزی راجع به آزمایشهای پریستلی بداند هوای آتشین را کشف کرد، و در 30 سپتامبر 1774 آن را به اطلاع لاووازیه رساند. متأسفانه نتایج کارهای شله بسیار دیر منتشر شد. اگر این واقعه زودتر اتفاق می‌افتاد روند مشکل و پرپیچ و خم کشف ماهیت عناصر گازی شتاب بیشتری می‌یافت.
در این روند، راهگشای اصلی برای آشکار شدن حقایق لاووازیه بود. این دانشمند یکی از برجسته‌ترین شیمیدانان تمام دورانها محسوب می‌شود. در طی دوره‌ای که نظریه‌ی ذات آتش بر جهان علم حکمفرما بود، حقایق علمی بسیاری کشف شد که باعث تغییراتی جهش‌گونه در دانش شیمی گردید. بیشترین سهم در این رهگذر به لاووازیه تعلق دارد که ماهیت اکسیژن را بوضوح شناساند. انگلس نوشته است: «لاووازیه توانست در اکسیژن تهیه شده توسط پریستلی، تناقضهای نظریه تخیلی ذات آتش را کشف کند و، بنابراین، توانست نظریه‌ی ذات آتش را، به طور کلی، به دریای فراموشی بسپارد. اما این کار، به هیچ‌وجه، همراه با بی‌اعتبار کردن نتایج تجربی حاصل از نظریه‌ی یاد شده نبود. به عکس، نتایج تجربی مذکور ابقا گردید، چه تنها فرمول‌بندی آنها غیر معقول بود. این فرمول‌بندیها از محدوده‌ی نظریه‌ی ذات آتش به زبان شیمی مدرن تغییر یافت و اعتبار خود را حفظ کرد.» (4)
راهی که لاووازیه برای کشف اکسیژن انتخاب کرد مستقیمتر از راهی بود که معاصرانش طی کرده بودند. در ابتدا، دانشمند فرانسوی نیز به نظریه‌ی ذات آتش رجوع کرد، اما هرچه حقایق ملموستری به دست می‌آورد تمایلش به رد نظریه‌ی مذکور بیشتر می‌شد. لاووازیه، در اول نوامبر 1772، گزارش تشریحی آزمایشاتش بر روی احتراق مواد گوناگون موجود در هوا را به اتمام رسانده بود. وی نتیجه گرفت که جرم تمام مواد، از جمله فلزات، در احتراق و تکلیس افزایش می‌یابد.
لاووازیه از اینکه این فرایندها نیاز به مقدار قابل ملاحظه‌ای هوا دارند نتیجه‌ی دیگری گرفت: هوا مخلوطی از گازهایی با خواص مختلف است. قسمت معینی از آن صرف احتراق می‌شود و با ماده‌ی مورد احتراق ترکیب می‌گردد. ابتدا لاووازیه فرض کرد که این نوع هوا مشابه با هوای ثابت بلاک است اما بزودی به اشتباه خود پی برد. این دانشمند نامدار فرانسوی در فوریه‌ی 1774 دریافت، هوایی که طی احتراق با ماده ممزوج می‌شود مناسبترین هوا برای تنفس است. اینجا بود که لاووازیه با اکسیژن روبه‌رو شده اما از اعلام کشف یک گاز جدید خودداری کرد، چه او درصدد انجام بعضی آزمایشات مکمل بود.
پریستلی، در اکتبر 1774، کشف خود را به لاووازیه گزارش داد تا این شیمیدان فرانسوی را در جریان اهمیت یافته‌هایش قرار دهد. وی بلافاصله شروع به آزمایش با اکسید جیوه‌ی قرمز، که مناسبترین تولید کننده‌ی اکسیژن بود، کرد. در آوریل 1775، لاووازیه گزارشی به آکادمی علوم عرضه داشت: «رساله‌ای درباره‌ی ماهیت موادی که به طریق تکلیس با فلزات ترکیب می‌شوند و افزایش وزن می‌یابند» - این رساله در واقع اعلم کشف اکسیژن بود. لاووازیه نوشت که این نوع هوا تقریباً توسط پریستلی، شله، و خود وی به طور همزمان کشف شده است. در ابتدا لاووازیه این گاز را هوای «بسیار سهل‌الاستنشاق» نامید، اما سپس این نام را به هوای «حیات‌بخش یا هوای روح‌بخش» تغییر داد.
همین شیوه‌ی نامگذاری نشان می‌دهد که لاووازیه تا چه حد در درک ماهیت اکسیژن از معاصران خود پیشتر بوده است. هوای روح‌بخش موضوع مطالعاتی جامع و فراگیر گردید. در مرحله‌ی بعدی،‌ لاووازیه نتیجه گرفت که «هوای بسیار سهل‌الاستنشاق» عاملی اسیدساز است و این گاز مهمترین جزء تشکیل دهنده‌ی تمام اسیدهاست. بعدها ثابت شد که این اعتقاد اشتباه بوده است (وقتی که اسیدهای بدون اکسیژن، مانند اسید کلریدریک، برومیدریک،‌ فلورئوریدریک، و یودیدریک شناخته شدند). اما لاووازیه در سال 1779 تصور کرد که برای بیان خاصیت اسیدسازی این گاز بهتر است نام آن را اکسیژن بگذارد که در زبان یونانی به معنی «اسیدساز» است.
تعیین ترکیب آب موجب جهش بزرگی در توسعه‌ی نظریه‌ی اکسیژن گردید. در سال 1781، کوندیش مشاهده کرد که هوای اشتعال‌پذیر به روش احتراق، تقریباً به طور کامل، (همراه با هوای غیرآتشین) تبدیل به آب خالص می‌شود. اما وی تنها در سال 1784 نتایج پژوهشهایش را منتشر کرد. لاووازیه از این آزمایشات آگاه بود و، پس از تکرار آنها، نتیجه گرفت که آب یک ماده‌ی ساده نیست بلکه ترکیبی است از هوای اشتعال‌پذیر (ئیدروژن) و هوای روح‌بخش (اکسیژن). از آنجا که این نتیجه‌گیری در سال 1783 تکوین یافت، بسیاری بر این عقیده‌اند که لاووازیه اولین کسی بوده است که ترکیب آب را شناخته است. اما، در واقع، کوندیش اولین دانشمندی است که به این کشف نایل شده است. تعیین ترکیب آب، بررسی ماهیت ئیدروژن را امکان‌پذیر ساخت.
نکته‌ی جالب توجه در تاریخچه‌ی کشف اکسیژن این است که روند اکتشاف این عنصر اتفاقی منفرد و مجزا از سایر تحولات دنیای علم شیمی نبود. مراحل گوناگونی طی شد: از مشاهده‌ی تجربی اکسیژن تا درک صحیح ماهیت آن به عنوان یک عنصر شیمیایی. ضمناً لازم به تذکر است که کشف اکسیژن (همین طور کشف سایر عناصر گازی) توسط یک شخص صورت نگرفته است. انگلس می‌نویسد: «پریستلی و شله بدون آگاهی از اینکه چه به دست آورده‌اند، اکسیژن را تهیه کردند... و اگرچه لاووازیه نیز، برخلاف ادعای بعدی‌اش، همزمان و مستقل از دو دانشمند دیگر اکسیژن را تهیه نکرد، در مقایسه با دو نفر دیگر، که از ماهیت گازی که تهیه کرده بودند آگاهی نداشتند، کاشف واقعی اکسیژن به شمار می‌رود.»

پی‌نوشت‌:

1. Bayen
2. dephlogisticated air
3. Chemical Treatise About Air and Fire
4. فریدریش انگلس، «مقدمه‌ی قدیمی آنتی دورینگ درباره‌ی دیالکتیک».

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