Joseph Priestley

Joseph Priestley urodził się w 1733 r. w Fieldhead, niedaleko Leeds, jako syna sukiennika, zmarł w Ameryce w 1804 r. Jako młody człowiek był chorowity, przez co jego kształcenie przez pewien czas uległo zahamowaniu. Wstąpił do Dissenting Academy (szkoły, uczelnie i seminaria prowadzone przez angielskich dysydentów, którzy nie zgadzali się z kościołem angielskim) w Daventry. Tutaj nauczył się języka hebrajskiego, greckiego i łaciny, co dzięki dogłębnej znajomości teologii pozwalało mu wygrywać spory z ortodoksyjnymi przedstawicielami akademii.

Priestley rozpoczął swoje eksperymenty naukowe w Nantwich w 1758 r. Znajomość zawarta w 1766 r. z dr. Richardem Pricem, Johnem Cantonem i Benjaminem Franklinem - człowiekiem, jak mówi H. G. R. Mirabeau, „zdolnym powstrzymać zarówno pioruny, jak i tyranów” - zwrócił uwagę Priestleya na badanie elektryczności. W roku 1767 opublikował swoją History of Electricity, w której antycypuje dowód H. Cavendisha, dotyczący oddziaływania elektrostatycznego ładunków, metodą zasugerowaną przez B. Franklina, polegającą na uwzględnieniu zależności od braku sił elektrostatycznych wewnątrz pustego, naładowanego przewodnika. W 1767 r. Priestley przeprowadził się do Leeds, gdzie rozpoczął eksperymenty na gazach, w czym niewątpliwie dopomogło mu zamieszkanie w pobliżu browaru, gdzie zauważył, że w kadziach fermentacyjnych zbierało się ustalone powietrze. Wcześniej brał udział w wykładach poświęconych chemii wygłoszonych w Warrington przez dr Matthewa Turnera z Liverpoolu, ale w owym czasie jego wiedza na ten temat była niewielka. W tekście Directions for Impregnating Water with Fixed Air (Londyn, 1772) ogłosił swój wynalazek wody sodowej, czym wzbudził spore zainteresowanie. W Leeds J. Priestley zatrudnił się w 1773 r. u Lorda Shelburne'a (potem pierwszego markiza z Lansdowne i premiera w 1782 r.), otrzymując dobrą pensję, i mając dostęp do doskonale wyposażonej biblioteki, odrębnym czasem na eksperymenty i zagwarantowaną emeryturą w wysokości 150 funtów po przejściu na emeryturę. To właśnie w wiejskiej rezydencji Lorda Shelburne'a, Bowood, niedaleko Caine w Wiltshire, odkrył tlen. Niedługo potem wybrał się w podróż z lordem Shelburne na kontynet gdzie jesienią 1774 roku, w Paryżu, poznał A. Lavoisiera.

Po upływie siedmiu lat J. Priestley i lord Shelburne rozstali się, a w 1780 r. Priestley zamieszkał w Birmingham, gdzie kontynuował swoje eksperymenty. Sprzęt i fundusze na swoje badania zawdzięczał zdunowi Josiahowi Wedgwoodowi. W wyniku swobodnie wyrażanych liberalnych opinii Priestley stał się obiektem nienawiści zarówno zwykłych ludzi, jak i osób na wysokich stanowiskach, a 14 lipca 1791 r., kiedy w Birmingham odbyła się kolacja z okazji upadku Bastylii, motłoch, podżegany przez władzę, przystąpił do plądrowania jego domu i laboratorium. Grabieży dokonano z tak silnie wyrażanym patriotyzmem i entuzjazmem, że przez trzy dni Birmingham było miejscem orgii przemocy politycznej i bestialstwa. „Ludzie, tak zwani dżentelmeni” szperali w papierach Priestleya w próżnej nadziei znalezienia obciążających go dokumentów. Priestley złożył protest co spowodowało, że  kilkoro przywódców tłumu zostało potraktowanych z całą surowością prawa. On sam uznał za konieczne ucieczkę w przebraniu do Worcester, a następnie udał się do Londynu, gdzie przez pewien czas mieszkał spokojnie, choć został wykluczony z Royal Society; stwierdzenie, że sam zrezygnował jest błędne. W kwietniu 1794 r. wyjechał do Ameryki gdzie zmarł w 1804 roku. Dzięki prezentom od przyjaciół i pensji od lorda Shelburne'a Priestley miał wystarczające środki na badania naukowe.

W życiu prywatnym J. Priestley był uprzejmym dżentelmenem. Jego pisma teologiczne i polityczne przyczyniły mu wielu wrogów, choć kwestia, czy wina leżała po jego stronie, czy po stronie przeciwników, była kwestionowana. Z jednej strony to, że jedynym celem jego działania było osiągnięcie tego, co uważał za prawdę, nie może być kwestionowane. Był człowiekiem niezwykle aktywnym: jak sam mówi, pisał do tego momentu aż już nie był w stanie utrzymać pióra; w 1800 roku zaczął uczyć się chińskiego, a w 1802 eksperymentował z nowo odkrytą baterią woltaiczną. Opublikował wiele prac teologicznych. W nauce był trochę amatorem, a jego powierzchowna znajomość analizy chemicznej narażała go na wiele błędów. Był jednak bardzo sprytnym i pomysłowym eksperymentatorem w dziedzinie badaniu gazów, a kiedy popełniał błędy w eksperymentach, przyznawał się do nich bez chwili zwłoki. Chociaż był heterodoksyjny w sprawach religii, był ortodoksyjny w chemii, i do końca wytrwale trzymał się teorii flogistonu, którą jego własne eksperymenty obaliły.

Aparatura J. Priestleya; rycina na okładce Experiments and Observations on Different Kinds of Air, vol. 1, 1774Eksperymenty chemiczne Priestleya zostały głównie zawarte w Experiments and Observations on Different Kinds of Air (3 tomy, Londyn, 1774–77), i ich kontynuacji Experiments and Observations relating to Various Branches of Natural Philosophy (3 tomy, t. I Londyn, t. II-III Birmingham, 1779–86). Tłumaczenie francuskie ukazało się w latach 1777–80. Zmienione i skrócone wydanie całości zostało opublikowane jako Experiments and Observations on Different Kinds of Air and other Branches of Natural Philosophy (3 tomy, Birmingham, 1790). Opublikował także Considerations on the Doctrine of Phlogiston and the Decomposition of Water (Filadelfia, 1796) oraz Doctrine of Phlogiston Established and that of the Composition of Water Refuted (Northumberland, USA, 1800; 2 edycja Northumberland i Filadelfia, 1803). W 1770 r. Priestley wysłał list do swojego przyjaciela ks. T. Lindseya, z którym korespondował do końca życia, pisząc: „Teraz podejmuję pytania dr Halesa dotyczące powietrza”. Jego pierwszy artykuł o chemii dotyczył węgla drzewnego.

W 1772 r. opublikował ważny artykuł „Observations on Different Kinds of Air”. Opisuje w nim wannę pneumatyczną z półką do gromadzenia gazów nad wodą, ​​a także metody zbierania i manipulacji gazami, i otrzymywanie kilku nowych gazów. Powietrze azotowe (tlenek azotu, otrzymany wcześniej przez Boyle'a) uzyskany z miedzi i rozcieńczonego kwasu azotowego(V); flogistonowane powietrze (azot); opary azotowe (dwutlenek azotu) wytworzony z miedzi lub bizmutu i stężonego kwasu azotowego(V); „ograniczone powietrze azotowe” wytworzone przez żelazo lub mieszaninę żelaza i siarki (głównie podtlenek azotu); kwaśne powietrze (kwas chlorowodorowy), które, ponieważ było bardzo dobrze rozpuszczalne w wodzie, zostało zebrane nad rtęcią, i gaz, który okazał się tlenkiem węgla. H. Cavendish zbierał gazy nad wodą i rtęcią już w 1766 r., a azot odkrył przed 1772 rokiem.

W 1772 r. Priestley zmierzył „dobroć” powietrza, mieszając znaną objętość powietrza z powietrzem saletrzanym (tlenkiem azotu) nad wodą i odnotowując zmianę objętości wynikającą z usunięcia tlenu i roztworzenia powstałych wyższych tlenków azotu w wodzie. Metoda ta daje bardzo niepowtarzalne wyniki, o ile nie jest przeprowadzana w standardowych warunkach, jak później pokazali Cavendish  i Dalton, w związku z czym Priestley początkowo błędnie sądził, że „dobroć” powietrza różni się znacznie w zależności od miejsca i od czasu, podczas gdy wartość taka jak ją definiował jest praktycznie stałe.

Dzięki wypełnieniu wanny rtęcią J. Priestley był w stanie zebrać gazy rozpuszczalne w wodzie. Opisuje je w swojej książce Experiments and Observations on Different Kinds of Air, a mianowicie. powietrze alkaliczne (amoniak, 1773-1774); powietrze kwasu witriolowego (dwutlenek siarki, listopad 1774 r.), którego odkrycie było wynikiem przypadku, gdy rtęć została wyciągnięta z wanny do naczynia, w którym podgrzewał stężony kwas siarkowy(VI), mocno poparzył wtedy ręce; i kwaśne powietrze fluorowe (fluorek krzemu, przed listopadem 1775 r .; po raz pierwszy otrzymany przez C. Scheele w roku 1771). Tlen został odkryty w 1774 r., chociaż uzyskano go już w 1771 r., nie rozpoznając jego charakteru (ogrzewając saletrę uzyskano gaz wspomagający palenie). Pewien rodzaj palnego powietrza (tlenek węgla) został otrzymany w 1772 r., a od znanego palnego powietrza, wytwarzanego z metali i kwasów, odróżniał go rodzaj płomienia; w 1785 r. i 1799 r. (już w Ameryce) uzyskał go prażąc węgiel drzewny z tlenkami żelazofosforowymi (z kuźni), ale Priestley nie odróżniał tego gazu od wodoru.

W 1771 r. Priestley zauważył, że powietrze zanieczyszczone procesami gnicia, oddychaniem zwierząt lub paleniem świec ożywia rośliny zielone, a wiosną 1778 r. znalazł tlen w pęcherzach wodorostów. W czerwcu i kolejnych miesiącach 1778 roku odkrył, że rośliny wodne rosnące w wodzie zawierającej rozpuszczone ustalone powietrze (dwutlenek węgla) wydzielają tlen. Pisze: „Wpływ jaki jest nieustannie wywierany na atmosferę przez oddychanie tak dużej liczby zwierząt ... jest przynajmniej częściowo naprawiany przez warzywa.” Prawie to samo zostało zawarte w notatce napisanej około 1773 roku. Priestley początkowo nie zdawał sobie sprawy z roli jaką odgrywa światło w procesie zwanym obecnie fotosyntezą. Opublikował swoje odkrycie dopiero w 1781 r., chociaż już w 1779 r. przewidywał to Jan Ingenhousz holenderski chemik i biolog. Jean Senebier w 1782 roku wykazał, że rośliny zielone pod wpływem światła przekształcają ustalone powietrze w powietrze pozbawione ognia. Priestley nie miał pewności aż do września 1779 r. co do tego, że „zielona materia wytwarzająca czyste powietrze była żywą materią roślinną utworzoną z niewidzialnych nasion w atmosferze, i że wszystkie rośliny dają ten efekt, gdy są zdrowe”, i nigdy wcześniej nie wspominał o specyficznym działaniu światła.

W 1775 roku J. Priestley pisze, że chociaż elementarna natura powietrza była filozoficzną maksymą, w trakcie swoich eksperymentów „wkrótce przekonał się, że powietrze atmosferyczne nie jest niezmienną rzeczą”. Otrzymał tlen 1 sierpnia 1774 r., ogrzewając czerwony tlenek rtęci przez soczewkę skupiającą, i wykazał, że (1) był on praktycznie nierozpuszczalny w wodzie, (II) podtrzymywał palenie świecy bardzo jasnym płomieniem. Zgodnie z jego opisem eksperymentu odbyło się to tak.

Priestley trzymał dużą wypukłą soczewką skupiającą, i przy jej pomocy próbował wydobyć „powietrze” ze zbioru chemikaliów przygotowanych mu przez jego przyjaciela Johna Warltire'a. Wśród tych chemikaliów znajdował się czerwony osad lub mercurius calcinatus per se, otrzymany przez ogrzewanie rtęci na powietrzu, którego natura od dawna była zagadką dla chemików. Substancje ogrzewał, skupiając na niej promienie słoneczne, w małych fiolkach wypełnionych rtęcią, i odwróconych.

„Po zastosowaniu soczewki o średnicy dwunastu cali i odległości ogniskowej dwudziestu cali z wielką chęcią przystąpiłem do zbadania za jej pomocą, jaki rodzaj powietrza zawiera wiele różnych substancji, naturalnych i sztucznych [tj. sztucznie przygotowanych] dałoby się wydzielić. . . . Za pomocą tego urządzenia, po wielu innych eksperymentach ... 1 sierpnia 1774 r. starałem się wydobyć powietrze z mercurius calcinatus per se; i obecnie stwierdzam, że za pomocą tej soczewki powietrze bardzo szybko zostało z niej wydalone. Miało około trzy lub cztery razy więcej powietrza niż większość moich materiałów, uznałem, że to woda ale stwierdziłem, że się myliłem. Ale tym, co mnie zaskoczyło bardziej niż potrafię to wyrazić, było to, że świeca płonęła w tym powietrzu niezwykle silnym płomieniem. ... zupełnie nie wiedziałem, jak to wytłumaczyć.”

Na początku 1775 r. Priestley odkrył, że mysz żyje dwa razy dłużej w nowym powietrzu niż w tej samej ograniczonej objętości normalnego powietrza, a potem ożywa po wyjęciu. Oddychał nim sam i wyobrażał sobie, że „jego pierś stała się wyjątkowo lekka i łatwo było oddychać przez jakiś czas później” - dlatego zalecił stosowanie tego powietrza w medycynie. „Kto może wiedzieć” - mówi - „ale z czasem to czyste powietrze może stać się modnym artykułem luksusowym. Do tej pory tylko dwie myszy i ja mieliśmy przywilej oddychania nim.” Mówi jednak, że „powietrze, które zapewniła nam Natura, jest tak dobre, jak na to zasługujemy”. Tak naprawdę Priestley uzyskał tlen w 1771 r. ogrzewając saletrę, ale pomylił go z powietrzem atmosferycznym. W swoim artykule na temat obserwacji różnych rodzajów powietrza pisze: „W jednej objętości [powietrza], którą otrzymałem z saletry, świeca nie tylko płonęła, ale płomień wzmógł się i było słychać coś jak syczenie, podobne do rozkładu saletry w otwartym ogniu”; a kiedy przedrukował to w pierwszym tomie swoich Experiments and Observations on Different Kinds of Air (1774, s. 155), napisał: „Eksperymenty, o których mowa w drugiej części tej pracy, pokazują, że jest to prawdopodobne aby świeca płonęła jeszcze bardziej niż w zwykłym powietrzu ... W momencie pierwszej publikacji nie miałem pojęcia, że w naturze jest to możliwe.”

Priestley przejął z nauk G. Stahla, że płonąca świeca wydziela flogiston i po pewnym czasie gaśnie w zamkniętym naczyniu, ponieważ powietrze nasyca się flogistonem. Dlatego zwykłe powietrze wspomaga spalanie, ponieważ jest tylko częściowo nasycone flogistonem i może wchłonąć go więcej. Substancje palą się w powietrzu jedynie umiarkowanym płomieniem, podczas gdy w nowym powietrzu płomień jest znacznie żywszy. Priestley doszedł zatem do wniosku, że nowy gaz musi zawierać niewiele flogistonu lub nie zawierać go wcale, i dlatego nazwał go pozbawionym ognia powietrzem. Gaz pozostały po wypaleniu ciał w zwykłym powietrzu nazwano, z podobnego powodu, odflogistonowanym powietrzem:

Flogistonowane powietrze [azot] = powietrze + f (zepsute powietrze Scheele'go)

Zdeflogistonowane powietrze [tlen] = Powietrze – f (Ogniste powietrze Scheele’go).

Sugerowano, że Priestley w sierpniu 1774 r. uznał nowy gaz za tlenek azotu(I), którego właściwości uznał wcześniej za wspomagające spalanie. Jeśli tak, musiał przeoczyć dwie ważne różnice między tymi dwoma gazami, a mianowicie. że tlenek azotu(I) jest dobrze rozpuszczalny w wodzie, podczas gdy pisze, że nowy, odkryty gaz nie jest; a różnica między spalaniem w tlenie a osobliwym płomieniem świecy płonącej w tlenku azotu(I), którą opisał drobiazgowo w 1774 r., kiedy mówi, że traktowanie powietrza saletrowego (tlenku azotu) żelazem „pozwala nie tylko zapalić w nim świecę, ale umożliwia jej spalanie z powiększonym płomieniem (rozciągającym się na dystansie równym od knota świecy i wyraźnie odróżniającym się od niego) przylegającym do niej”, i dalej pisze, ta właściwość jest niwelowana przez zmieszanie gazu z wodą. Trzeci test odróżniający tlenek azotu(I) od tlenu, mianowicie taka. że na pierwszy gaz nie działa tlenek azotu(II), podczas gdy tlen tworzy czerwony gaz rozpuszczalny w wodzie, wydaje się, że został dokonany przez Priestley’a dopiero 1 marca 1775 r., po powrocie z Paryża. Mówi sam, że do tej daty nie był świadomy prawdziwej natury nowego gazu, pisząc w kwietniu 1775 r .: „Odkryłem powietrze pięć lub sześć razy lepsze niż normalne”, oraz, że „po raz pierwszy otrzymałem go z mercurius calcinatus, per se, czerwonego ołowiu; a teraz z wielu substancji, takich jak wapno palone, i inne, które zawierają niewiele flogistonu i ducha saletrzanego, a poprzez szereg eksperymentów wykazano, że podstawą naszej atmosfery jest duch saletry. Nic, co kiedykolwiek zrobiłem, nie zaskoczyło mnie bardziej ani nie było bardziej satysfakcjonujące.”

Wyjaśnienie Priestleya dotyczące jego wyników jest mniej zadowalające niż opis C. Scheele, ponieważ Scheele udowodnił przed 1773 r., że całe „ogniste powietrze” jest pochłaniane przez spalanie fosforu, podczas gdy teoria Priestleya wymagała pozostałości flogistonowego powietrza. O składnik, który Scheele nazwał „zepsutym powietrzem”, został niezależnie odkryty w 1772 roku przez Daniela Rutherforda, późniejszego profesora botaniki w Edynburgu. W swoim Dissertatio inauguralls de Aere fixo dicto, aut mephitico,  opisuje eksperymenty, w których myszom pozwolono oddychać w zamkniętej objętości powietrza, a ustalone powietrze (powietrze mefityczne) następnie usuwano za pomocą żrącego potażu. Pozostałość innego powietrza, które jest szkodliwe dla zwierząt i gasi płomień, ale odróżnia się od ustalonego powietrza, nie daję osadu z wodą wapienną. Wydaje się, że D. Rutherford myślał, że składa się ona z powietrza i flogistonu wydzielanego z płuc lub palnego powietrza, podczas gdy C. Scheele wiedział, że było ono częścią powietrza atmosferycznego. Azot odkrył także H. Cavendish (który przekazał wyniki Priestleyowi), przepuszczając powietrze przez rozgrzany do czerwoności węgiel drzewny i absorbując stałe powietrze w roztworze żrącego potażu. Metodą opartą na utlenianiu tlenku azotu(II) Priestley stwierdził, że powietrze zawiera jedną piątą objętości deflogistonowaneego powietrza (tlenu), co jest dokładnym wynikiem; C. Scheele określił zawartość tego składnika na od jednej czwartej do jednej trzeciej objętości, a Lavoisier, różnymi metodami, stwierdził, ze jest go od jednej szóstej do jednej czwartej. Priestley był ogólnie dokładnym eksperymentatorem, a jego wyniki ilościowe są dobre.

W 1772 r. J. Priestley odkrył, że powietrze, w którym cynę lub ołów ogrzewano za pomocą soczewki, zmniejsza swoją objętość maksymalnie o jedną czwartą, a pozostałość nie wykazuje wpływu na wodę wapienną ani tlenek azotu. Jego prace nad tlenowymi związkami azotu są bardzo zaawansowane. Oprócz odkrycia tlenku diazotu, tlenek azotu(II) uzyskał przez działanie stężonego kwasu azotowego(V) na miedź lub bizmut oraz przez ogrzewanie azotanu(V) ołowiu(II), notując pogłębianie się barwy (ciemnienie) tego gazu podczas ogrzewania. Zauważył (1777 r.), że żelazo ulega pasywacji w stężonym kwasie azotowym(V), oraz, że tlenkiem diazotu może oddychać mysz (1781 r.), chociaż później odnotował, że jest dłuższa ekspozycja na ten gaz jest śmiertelna dla zwierząt. Dalej określił, że tlenek azotu(II) nadaje ciemną barwę roztworowi siarczanu(VI) żelaza(II) (1779 r.). Ogrzewając soczewką żelazo w atmosferze tlenku azotu(II) dokonał rozkładu tego gazu (1786). Otrzymał stały kwas nitrozosiarkowy poprzez działanie tlenku azotu(IV) na stężony kwas siarkowy (1779 r.).

Chociaż większość wyników eksperymentalnych J. Priestleya była dokładna, nie ustrzegł się błędów, wykorzystując teorię flogistonu do wyjaśnienia wyników. Pod tym względem jego szczera samokrytyka jest prawdziwa: „Mam wyrobiony, dobry nawyk roztropności w odniesieniu do faktów; ale jeśli chodzi o wnioski z nich płynące, nie jestem zbyt pewny siebie”, ale jest niesprawiedliwy, przypisując większość swoich odkryć „przypadkowi”. Jego Considerations on the Doctrine of Phlogiston (1796 r.) oraz Doctrine of Phlogiston Established (1800) są ostatnimi dziełami wyrażającymi stanowisko przeciwne nowej teorii opracowanej przez A. Lavoisiera.