Joseph Priestley oli teologi ja kemisti. (Kuva: Wikimedia)
Palaminen pyrittiin selittämään sillä, että palavista aineista poistuisi tulena ilmenevää flogistonia. Flogiston-teoria hylättiin, kun hapen rooli palamisessa ymmärrettiin. Ironisesti hapen löytäjä, Joseph Priestley, oli yksi viimeisiä flogistonin puolustajia.
Kemialla oli 1700-luvun alussa imago-ongelma. Näin ainakin väittää Sara Norja, joka kirjassaan Alkemian historia (SKS, 2023) jäljittää länsimaisen alkemian kiehtovaa historiaa aina modernin kemian syntyyn asti. Toisin kuin vaikkapa lääketiede tai fysiikka, ei kemia tai alkemia ollut koskaan osa klassillista koulutusta. Alkemialla oli yhteyksiä muihin tieteisiin, kuten lääketieteeseen, mutta sitä ei opetettu keskiaikaisissa yliopistoissa.
Imago-ongelmaan liittyi myös se, että kemisti tai alkemisti joutui kirjaimellisesti likaamaan kätensä. Keskiajalla vallitseva tieteellinen suuntaus oli skolastiikka. Tietoa saatiin auktoriteeteilta ja teksteistä, ei empiiristen kokeiden perusteella.
(Kuva: Science Museum Group)
Uuden ajan alussa juuri kokeellinen metodi johti moniin edistysaskeliin. Kokeellisia tuloksia voi kuitenkin tulkita monin tavoin ja teorioita voi muokata vastaamaan uusia havaintoja. Oivallinen esimerkki tästä on englantilainen kemisti Joseph Priestley (1733–1804). Hän onnistui valmistamaan puhdasta happea. Pitkälti teoreettisista syistä hän pysyi silti vallalla olleen flogiston-teorian kannattajana.
Flogiston-teorian pääpiirteet esitti ensimmäisenä Johann Joachim Becher (1635–1682), jonka ajatusten varaan Georg Ernst Stahl (1659–1734) rakensi. Palavasta materiasta ajateltiin poistuvan flogistonia, äärimmäisen hienoa ainetta. Se ilmeni tulena, kuumuutena ja valona.
Teorian kantaisä, Becher, oli todellinen alkemisti. Hän osasi muodostaa kultaa hopeakolikoista pelkän tulen avulla. Todellisuudessa hän vain erotti kullan hopeasta, sillä hänen käyttämänsä Brabantin taalerit sisälsivät vähäisiä määriä kultaa.
Elettiin aikaa ennen ymmärrystä aineen rakenteesta ja atomeista. Flogiston aineena on jostain antiikin neljän elementin ja nykyisten alkuaineiden välimaastosta.
Joseph Priestley oli pappi ja filosofi. Hän oli myös taitava kemisti, joka eristi useita kaasuja. Häntä voimme kiittää hiilihapotetuista juomista. Priestley kehitti keinon sitoa hiilidioksidia veteen. Hiilihapotettu vesi oli pitkille laivamatkoille sopivaa juotavaa, sillä se maistui paremmalta kuin pitkään seisonut vesi. Priestley tosin käytti aluksi hiilidioksidin säilömiseen sianrakkoja, joiden kerrotaan antaneen epämiellyttävän säväyksen juomiin.
Yksi Priestleyn eristämistä kaasuista oli happi. Priestley saa löydöstä kunnian, vaikka ruotsalainen Carl Wilhelm Scheele (1742–1768) ilmeisesti teki saman ennen Priestleyä. Priestley kuitenkin julkaisi tuloksensa ennen Scheeleä.
Tiedämme, että happi on keskeisessä osassa palamisessa. Kuitenkin sekä Priestley että Scheele olivat vannoutuneita flogiston-teorian kannattajia.
Elokuussa 1774 Priestley onnistui tuottamaan happea kuumentamalla elohopeaoksidia polttolasin avulla. Eristämällään kaasulla hän teki erilaisia kokeita. Hämmästyksekseen Priestley huomasi, että kynttilä tai hehkuva puuhiilen palanen paloi siinä hyvin voimakkaasti. Oli kuin tässä hänen eristämässään ”ilmassa” ei olisi flogistonia ollenkaan, ja siksi se pystyi ottamaan sitä vastaan palavasta materiaalista tavallista ilmaa tehokkaammin. Priestley kutsui eristämäänsä kaasua ”deflogistoituneeksi ilmaksi”.
Priestely myös tutki hapen vaikutusta hiiriin. Kun hiiri suljettiin säiliöön, jossa oli tavallista ilmaa, säilyi se hengissä vain varttitunnin. Jos säiliössä oli ”deflogistunoitunutta ilmaa”, hiiri pysyi hengissä yli tunnin ja oli vielä ihan virkeä, kun se päästettiin ulos.
Jos joskus joudut tilanteeseen, jossa sinulle annetaan lisähappea, muista olla kiitollinen Priestleyn hiiriparoille. Priestley nimittäin pohdiskeli, että happi voisi olla hyödyllistä keuhkosairauksista kärsiville.
Jo aiemmin Priestley oli tehnyt mielenkiintoisen havainnon, minkä vuoksi jotkut pitävät häntä fotosynteesin keksijänä. Se lienee kuitenkin liioittelua. Hän oli huomannut, että eläimet kuolevat suljetuissa tiloissa, joissa ilma pilaantuu niiden hengityksestä. Samanlaista pilaantunutta ilmaa oli suljetuissa astioissa, joissa kynttilä palaa loppuun.
Priestley ajatteli, että kasvitkin kuolisivat samanlaisessa ilmassa. Hämmästykseen hän kuitenkin huomasi, että pilaantuneeseen ilmaan suljettu mintun verso pysyi elossa. Kun kasvin oli annettu olla siellä pitkään, ei sinne tuotu hiiri kuollut tai kynttilä sammunut.
Ollessaan kiertämässä Eurooppaa syksyllä 1774 Priestley demonstroi Pariisissa Antoine Lavoisierille (1743–1794) tuoretta keksintöään, eli kuinka luoda ”deflogistunoitua ilmaa”. Juuri Lavoisieriä pidetään flogiston-teorian tappajana ja palamisen salaisuuden todellisena selvittäjänä.
Lavoisierin tärkein yhteistyökumppani oli hänen vaimonsa. Marie-Anne Paulze Lavoisier koulutti itsensä kemistiksi voidakseen tehdä yhteistyötä miehensä kanssa. Hän myös opetteli piirtämään tehdäkseen havainnekuvia Antoinen kirjoihin. Kielitaitoisena naisena hän käänsi miehensä kirjoituksia englanniksi ja ranskansi englanninkielisiä tekstejä miehelleen.
Mikä sitten kaatoi flogiston-teorian? Kun metalleja kuumentaa, saattavat ne muuttua ”kalkeiksi”, joiden nykyään tiedämme olevan metallioksideja. Flogiston-teorian kannattajien mielestä tämä muutos osoitti, että metallitkin sisältävät flogistonia, joka poistuu niistä kuumennettaessa. Ongelmana oli, että joidenkin metallien massa kasvoi niiden palaessa, vaikka niistä piti poistua flogistonia.
Tätä pyrittiin selittämään esittämällä, että flogistonilla on negatiivinen massa. Tämä selitys kuitenkin herätti vain enemmän kysymyksiä.
Lavoisier oli vuonna 1772 huomannut, että fosforin polttaminen kasvattaa sen massaa huomattavasti. Hän ymmärsi tämän olevan ristiriidassa flogiston-teorian kanssa. Siinä missä Priestley vapaasti kertoi menetelmästään luoda happea Lavoisierille, ei Lavoisier ollut yhtä avoin omien löydöstensä kanssa. Kun hän oli tehnyt kokeita fosforin kanssa, hän talletti sinetöidyn tiedon tuloksistaan tiedeakatemian haltuun. Näin hän pyrki varmistamaan etusijansa ilmiön löytämisessä sitä kuitenkaan heti julkistamatta.
Lavoisier ei myöskään koskaan myöntänyt, että Scheele oli kirjeessä hänelle kertonut hapen eristämisestä jo ennen Priestleyn vierailua. Lavoisier oli tarkka vain siitä, että sai itse kunnian silloin, kun se hänelle kuului.
Lavoisier aidosti ansaitsee kunnian siitä, että hän ymmärsi hapen olevan merkittävässä osassa niin palamista, ruostumista kuin hengittämistä. Hän esitti, että kaikissa näissä prosesseissa on kyse samasta kemiallisesta reaktiosta. Aine yhdistyy hapen kanssa. Väitteitään hän tuki tarkoilla kokeilla, jotka tehtiin suljetuissa astioissa ja joissa olevien kaasujen ja kiinteiden aineiden massan muutokset mitattiin huolellisesti.
Lavoisierin teoriat eivät kuitenkaan olleet täysin selviä nekään. Lavoisier nimesi Priestleyn löytämän kaasun hapeksi, koska ajatteli sen oleva oleellisena osana kaikissa hapoissa. Näinhän ei kuitenkaan ole, sillä esimerkiksi suolahappo (HCl) tai fluorivety (HF) eivät sisällä happea.
Vuonna 1794 joukko hollantilaisia kemistejä löysivät reaktion, joka vaikuttaa palamiselta, mutta ei liity happeen mitenkään. Vedyn palaminen kloorikaasussa vapauttaa paljon lämpöä ja voi tuottaa liekin.
Lavoisierin teoriassa ei ollut kyse vain kokeista ja niiden selityksistä. Kyse oli uudesta tavasta hahmottaa kemiallisia reaktioita. Happi antoi vastauksen moneen ongelmaan yhtä aikaa. Flogiston-teorian kannattajat taas pitäytyivät teorioissaan juuri kokeiden takia. Koska kaikissa tapauksissa happi ei tuntunutkaan antavan selitystä, he mieluummin muokkasivat flogiston-teoriaa antamaan selityksen.
Jollain tapaa Priestleyn pitäytyminen flogiston-teoriassa oli myös pitäytymistä antiikin ajoilta periytyvässä käsityksessä maasta, vedestä, ilmasta ja tulesta elementteinä. Lavoisier osoitti kokeillaan, että vesi oli hapen ja vedyn muodostama yhdiste. Priestleyn tutkiessa asiaa hapen ja vedyn reaktio johti joskus hapon syntymiseen. Syynä varmasti olivat mukaan päässeet epäpuhtaudet.
Lavoisier piti Priestleyn kokeita epäonnistuneina ja sivuutti ne täysin ilman, että yritti niitä mitenkään selittää. Näin kumpikin osapuoli piti kiinni omista havainnoistaan, eikä antanut mitään arvoa toisen tekemille vastakkaisille havainnoille.
Priestley kutsui eristämiään kaasuja ilmoiksi. Sen sijaan, että olisi nähnyt ne omina alkuaineinaan, hän selitti niiden olevan ilmaa, jossa oli eri määrä flogistonia. Happi oli deflogistunoitua ilmaa. Vastaavasti hiilidioksidi oli ilmaa, joka on jo ottanut niin paljon flogistonia vastaan kuin mahdollista, eikä siksi palaminen ollut mahdollista hiilidioksidissa.
Oikeastaan Priestley laajensi flogiston-teorian sisältämään palamisen lisäksi muunkinlaisia kemiallisia reaktioita. Flogistonin määrä aineessa toimi eräänlaisena kemiallisena tilanyhtälönä, joka kertoi, minkälaiset reaktiot olivat mahdollisia.
Näin flogiston-teoria kehittyi paljon siitä, miten Becher tai Stahl olivat sen esittäneet. Niinpä 1700-luvun lopulla kemiassa oli käynnissä pikemminkin kahden tutkimusohjelman välinen kilpailu kuin vallankumouksellinen paradigman muutos.
Vaikka samaan aikaan tieteessä oltiin siirtymässä keskiajan skolastisesta perinteestä kohti modernia empiiristä luonnontiedettä, on paradoksaalista, että tutkimusohjelmien kilpailun lopulta hävisi Priestley, joka oli todellinen empiristi.
Priestley luotti omiin aisteihinsa enemmän kuin teoreettisiin selityksiin. Hän myönsi, että metallien hapettuessa niiden massa kasvoi. Samalla niistä kuitenkin poistuu jotakin. Prosessiin liittyvä voimakas haju teki tämän selväksi. Tämä haju kertoi flogistonista.
Priestleyn haiseva vastalause ei kuitenkaan riittänyt vakuuttamaan Lavoisierin happiteorian kannattajia. Flogistonin liekit sammuivat ja kemian kulku jatkui Lavoisierin viitoittamaa tietä pitkin. •
Niklas Hietala