Azot

Odkrycie dwutlenku węgla i wodoru nie wpłynęło na rozpoczęcie badań składu powietrza atmosferycznego. Dalej uważano powietrze za „klasyczny” gaz i żadne badania ani idee, które mogłyby wskazać na fakt, że atmosfera jest mieszaniną gazów nie zostały podjęte. Jednak intensywne eksperymenty w zakresie „chemii pneumatycznej” doprowadziły do odkrycia następnego gazu. Pomimo, że badania prowadzące do odkrycia azotu są związane z nazwiskiem szczególnego naukowca i ze szczególną datą w dziejach chemii, to należy zdawać sobie sprawę, że cel tych eksperymentów nie był jednoznacznie ukierunkowany na badanie składu atmosfery. Musimy pamiętać, że czasy o których mówimy to okres zdominowany przez idee „chemii pneumatycznej”, a w związku z tym można jedynie sądzić, że badania miały mniej lub bardziej sensowny kierunek.

Związki azotu, takie jak saletra czy kwas azotowy(V), były znane ludziom od dawna. W tekstach alchemicznych znajdują się doniesienia o obserwacji brązowych oparów tlenków azotu powstających w reakcjach, w których używano kwasu azotowego(V). Jednocześnie faktem pozostaje, że odkrycie azotu poprzez rozkład związków chemicznych był poza zasięgiem alchemików. Azot, bezbarwny, pozbawiony zapachu i smaku, niechętnie wchodzący w reakcje chemiczne gaz, był trudnym przeciwnikiem dla badaczy przyrody. Chociaż trudno jednoznacznie stwierdzić, w którym momencie zaczyna się historia odkrycia azotu jako pierwiastka, to możemy ją rozpocząć od dwóch uczonych H. Cavendisha i J. Priestleya aby zakończyć w momencie odkrycia i opanowania elektryczności, szczególnie w aspekcie badania nad przepływem prądu w gazach.

Osobę Henry’go Cavendisha poznaliśmy już wcześniej. Drugi z wielkich uczonych, Joseph Priestley był nie mniej ciekawą postacią. Urodzony w 1733 roku Priestley od młodości był przeciwnikiem despotyzmu i wszelkich dogmatów, odrzucającym surowe zasady angielskiego protestantyzmu. Po ukończeniu studiów został pastorem w kongregacji unitarian, jednego z odłamów protestantyzmu, jednak wrodzona wada wymowy jak również jąkanie się utrudniało mu głoszenie kazań. W wieku dojrzałym pastor Priestley zainteresował się badaniami naukowymi i szczęśliwym trafem spotkał w Londynie Beniamina Franklina, który zasugerował mu opracowanie historii elektryczności. Dzieło napisane przez Priestleya znalazło uznanie w środowisku naukowym i zapewniło mu przyjęcie w szeregi Królewskiego Towarzystwa Naukowego w Londynie.

Zanim wrócimy do historii odkryci azotu, zatrzymajmy się na moment nad jednym z odkryć i jednocześnie wynalazków Priestleya, z którym mamy do czynienia na co dzień. W roku 1772 Priestley uczestniczył w obiedzie w domu księcia Northumberland, w trakcie którego arystokrata pochwalił się butelką wody destylowanej uzyskanej w opracowanym przez Charlesa Irvinga aparacie do destylacji. W tamtych czasach problemem był, zwłaszcza dla wyspiarskiej Anglii, dostęp marynarzy na statkach do świeżej wody. Woda zabierana w beczkach w czasie długich podróży morskich psuła się powodując kłopoty zdrowotne wśród załóg okrętów. Woda destylowana siłą rzeczy mogła być przechowywana dłużej nie ulegając zepsuciu. Priestley spróbowawszy wody z butelki księcia, stwierdził jej świeżość ale jednocześnie skrytykował smak, a właściwie brak smaku. W tamtych czasach nie zdawano sobie sprawy, że picie wody destylowanej jest szkodliwe dla zdrowia ze względu na wypłukiwanie z organizmu soli mineralnych. Priestley przypomniał sobie, że w browarze umieszczano naczynie z wodą nad powierzchnią fermentującej brzeczki. Woda w naczyniu, po krótkim czasie, nabierała doskonałego smaku. Wiedziano, że  w procesie fermentacji powstaje dwutlenek węgla nazywany „ustalonym powietrzem”, a Priestley szybko skonstruował aparaturę do nasycania wody tym gazem stając się tym samym wynalazcą wody sodowej. Swoją wodę sodową zaprezentował on Pierwszemu Lordowi Admiralicji, który wysoko ocenił jej smak i nakazał umieszczenie na statkach floty Jego Królewskiej Mości urządzeń do nasycania wody dwutlenkiem węgla. Przez długi czas woda sodowa była stosowana jako lekarstwo i sprzedawana w aptekach.

Wróćmy, po tej dygresji, do historii badań gazów. W roku 1777 Cavendish w prywatnym liście do Priestleya donosił, że udało mu się uzyskać nową odmianę powietrza nazwaną przez niego „duszącym powietrzem” lub „trującym powietrzem”. Gaz ten został otrzymany, jak donosił Cavendish w wyniku wielokrotnego przepuszczania powietrza nad rozgrzanym do czerwoności węglem. Powstające „„ustalone powietrze” (dwutlenek węgla) było usuwane w wyniku przepuszczania gazu przez płuczkę zawierającą roztwór zasady, a pozostałość stanowiło „duszące powietrze”. Cavendish nie prowadził dalszych badań nad tym gazem informując jedynie Priestleya o fakcie. Prawdą jest, że Cavendish powrócił po latach do badań swojego „duszącego powietrza”, ale laur odkrycia jego natury przypadł już komuś innemu.

W czasie gdy do Priestleya dotarł wspomniany list od Cavendisha, był on zajęty innymi badaniami i początkowo nie wykazał zainteresowania tematem. W tym czasie zajmował się spalaniem różnych substancji w odmierzonych objętościach powietrza. Powstający dwutlenek węgla był usuwany przez przepuszczenie gazu przez płuczkę z roztworem wody wapiennej, a jako obserwację Priestley zanotował, że w wyniku spalania substancji i po usunięciu dwutlenku węgla – „ustalonego powietrza” – ilość pozostającego gazu jest znacznie mniejsza od początkowej. W tamtym czasie poza tą raczej trywialną obserwacją nie był w stanie nic więcej dodać jako wyjaśnienie zaobserwowanych zmian objętości powietrza przed i po spaleniu w nim substancji. Ponieważ na odkrycie tlenu należy poczekać jeszcze dwa lata, Priestley wrócił do obowiązującej teorii wierząc, że w procesie wyprażania metalu uczestniczy flogiston. Pozostająca po procesie spalania, czy kalcynacji, objętość powietrza jest wysycona flogistonem i przez to nie nadaje się do oddychania i nie podtrzymuje palenia. Tymczasem Priestley był w posiadaniu gazu, który później zostanie nazwany azotem. Niestety błędna teoria nie pozwoliła kolejny raz na właściwe wyjaśnienie obserwowanych zjawisk i uniemożliwiła doprowadzenie odkrycia do końca.

W roku 1772 Daniel Rutherford, uczeń Josepha Blacka, opublikował rozprawę magisterską zatytułowaną: „On the So-Called Fixed and Mephitic Air”. Black zajmował się dwutlenkiem węgla czyli „ustalonym powietrzem” i zaobserwował, że zapalona świeca umieszczona w naczyniu z tym gazem gaśnie. Problem zbadania tego zjawiska scedował na swojego ucznia Rutherforda, który w naczyniu zawierającym określoną ilość powietrza umieścił mysz. Po tym jak mysz zdechła, do naczynia wstawił palącą się świecę. Po zgaśnięciu świecy w naczyniu spalał fosfor do momentu aż i ten nie chciał się palić. Na koniec gaz pozostały w naczyniu przepuszczał przez płuczkę zawierającą absorbent dwutlenku węgla (wodę wapienną). To co pozostało, według obecnej wiedzy głównie azot, ponieważ nie podtrzymywało palenia jak również nie nadawało się do oddychania nazwał „szkodliwym powietrzem” lub „uszkodzonym powietrzem”. W latach siedemdziesiątych osiemnastego wieku mamy sytuację, gdzie azot jako taki jest znany, znane są jego niektóre właściwości, ale występuje pod trzema różnymi nazwami. Jest „flogistonowym powietrzem” Priestleya, „szkodliwym powietrzem” lub „uszkodzonym powietrzem” Daniela Rutherforda. Teoria flogistonowa święci triumf opóźniając, a właściwie uniemożliwiając prawidłowe wyjaśnienie obserwacji pochodzących z eksperymentów.

W roku 1787 Lavoisier z grupą francuskich uczonych pragnąc usystematyzować wiedzę na temat pierwiastków opracował zasady nomenklatury chemicznej nazywając „flogistonowe powietrze”, „szkodliwe lub uszkodzone powietrze” jedną nazwą – azot. Słowo to wywodzi się z greckiego i jest złożone z przedrostka „a” oznaczającego przeczenie i słowa „zoe” oznaczającego życie. W nazwie zawarte zostały te cechy gazu, które były znane ówczesnym badaczom, czyli niepodtrzymywanie palenia i niemożność oddychania tym gazem, jednym słowem brak zdolności do podtrzymywania życia. Z czasem okazało się, że nazwa nie odpowiada prawdziwej naturze tego pierwiastka, który jest niezbędny dla istnienia życia na Ziemi. Łacińska nazwa – Nitrogenium – wywodzi się od słowa oznaczającego „tworzący saletrę”

Na koniec historii odkrycia azotu wróćmy jeszcze do osoby Henry’go Cavendisha. To właśnie on przeprowadził eksperyment, który dowiódł, że azot jest składnikiem powietrza. Kwestionował on homogeniczność „flogistonowego powietrza” otrzymywanego w eksperymentach. W związku z tym przepuścił iskrę elektryczną przez gaz będący mieszaniną tlenu i „flogistonowego powietrza” uzyskując tlenki azotu, które następnie można było łatwo usunąć z naczynia reakcyjnego. Pomimo wielu powtórzeń, za każdym razem z początkowej ilości gazów pozostawała niewielka część, która nie brała udziału w reakcji i nie dawała się usunąć przez absorpcję. Za każdym razem pozostawało około 1/125 objętości azotu branego do eksperymentu. Cavendish nie potrafił wyjaśnić tego zjawiska obserwowanego w roku 1785. Na odpowiedź trzeba było poczekać jeszcze kolejne 100 lat, aż zostaną odkryte gazy szlachetne.