发现氧气的神父科学家：跨行跨界的普利斯特里
全面地看普利斯特里做的一系列动物和植物实验，他对推进理解生态平衡、人与自然关系的贡献，超出18世纪一般人的理解能力，更后的化学家也未必充分理解其意义。
撰文 | 饶毅
以发现氧气广为后人所知的英国人普利斯特里（Joseph.Priestley,1733-1804），一生都做牧师，也做过教师，在多个科学领域有创见，其思想和文章在宗教和政治上都有影响。
普利斯特里的科学工作有的很有先见之明，超前世人很多，有的搞错了还终生执迷不悟。
普利斯特里一生出过150本书，有帮助他获得教师职务的《英文语法初步》，奠定其科学声望的《电学史》、1774年至1786年六卷的《不同空气的观察和实验》，以及引来争议和麻烦的《基督教腐败的历史》等。他的科学著述与他对社会和宗教的书有重叠和交错。
普利斯特里在政治思想上是自由派，支持立宪、鼓励宗教宽容、赞同法国革命、反对英国压迫美国等，因此曾导致暴民烧他的家。他在英国待不下去而移民美国，与美国第二任总统亚当斯和第三任总统杰弗逊都有联系，到美国十年后逝于费城。
普利斯特里对电学的贡献起源于他决心写电的书，写作过程中发现问题而开始做实验。1767年出版的《电学史》，影响其后百年电学，包括伏特（Volta）、卡文迪许（Cavendish）等人。普利斯特里还是提出以后被称为库仑定律的人之一。
Johnson写过一本有关普利斯特里的传记，这本书虽然很薄，但栩栩如生描绘了普利斯特里有关氧气的研究所含关键系列实验，以及普利斯特里与美国开国元勋、同时也是科学家的富兰克林（Benjamin Franklin）的通信往来。
一般化学书中对普利斯特里发现氧气实验的大概简介是，将玻璃罩放桌上，先在里面点燃蜡烛，过一段时间蜡烛熄灭，放老鼠进去，老鼠几分钟后死亡，说明导致空气中失去了某种气，就是氧气。
这种介绍省略了普利斯特里其实做过一系列实验。他还用植物做过实验：在蜡烛燃烧熄灭后，把植物放到玻璃罩里面，结果发现植物不会很快死掉，而是可以活很长时间。
他进一步实验，在蜡烛燃灭后，放进植物过些天后，再放蜡烛或老鼠，这时蜡烛可以再点燃，老鼠不会很快死掉，而且可以活很长。
这些实验说明，动物和植物对蜡烛燃烧去掉的氧气依赖性不同，动物依赖氧气，而植物不仅不依赖，还能产生氧气。
富兰克林在和普利斯特里的通信中，把这些玻璃罩里的实验结果，推广到世界上动物和植物产生和消耗物质的关系，认为它们形成循环，他也因此被认为是现代生态平衡理论的先驱。富兰克林还依此提出保护环境和生态的理念，并以此说服人们遏制对树木的砍伐。
可以说，普利斯特里的前述研究以及富兰克林对其研究结果高屋建瓴的总结，是普利斯特里有关氧气研究工作无争议的重要发现，可惜其意义到20世纪才为大家理解。
如果只谈发现氧气，是谁优先还有争论。在普利斯特里之前瑞典人卡尔·威廉·舍勒（Carl Wilhelm Scheele）有实验发现氧气。而且，更大的争议是，普利斯特里搞错了氧气与燃烧的关系。
普利斯特里之前流行的燃素理论（phlogiston theory）认为，可以被燃烧的物体含燃素，燃烧后燃素耗尽，物体重量减少。这似乎很符合直观，如木材、纸被烧后重量减少。但这种理论没有注意到燃烧中有其他气体释放（如二氧化碳），只看到燃烧后剩下固体的重量，未考虑燃烧后产物的总重量。
普利斯特里本人未意识到燃素理论的问题，错误理解了氧气实验的结果。
普利斯特里的实验不仅用燃烧的方法，还有很重要的化学版本：1774年8月，他对放在玻璃罩内的氧化汞加热，发现出现新气体，他当时按燃素理论称之为dephlogisticated air，“去燃素气”，这种气体呼吸起来很好。
法国科学家拉瓦锡（Antoine Lavoisier，1743-1794）重复其实验后，于1777年将之命名为氧气，词根取希腊文的酸原，误认为酸都含氧。拉瓦锡对氧化汞的实验进行精心的设计，非常漂亮地证明氧气的产生与加热的关系。拉瓦锡还否定了燃素理论。拉瓦锡的工作被誉为化学革命，为化学史上的经典工作，其细节超出本文内容。
不少化学老师介绍拉瓦锡的工作时都用普利斯特里做反面教材，因他在化学上确实有错。但如果全面地看普利斯特里做的一系列动物和植物实验，他对推进理解生态平衡、人与自然关系的贡献，超出18世纪除富兰克林以外一般人的理解能力，更后的化学家也未必充分理解普利斯特里全套实验的意义。
哦，还有，普利斯特里当时最没有意义的一项工作，却是今天有些大公司最赚钱的生意——他发明了苏打水。
现代化学史-6（卡文迪许与普利斯特里）
（美）艾伊德 著 日译 镰谷亲善 等 中译 项俊杰
2.3亨利·卡文迪许
氢气于1766年被卡文迪许（Henry Cavendish 1731-1810）发现，并在此后的一段时间内被称之为可燃烧的气体。在卡文迪许之前就有报告说铁与酸发生反应后会生成一种可以燃烧的气体，但是真正地收集反应所发生的的气体并进行系统性研究的则是卡文迪许。卡文迪许的研究成果发表于皇家科学院的会议上，论文刊载于关于人造气体的论文集中的第一篇。
可燃空气自从波义耳时期就被发现了，但是人们对其的理解和说明依然是一片混乱，因为氢气常常会与CO等其他气体同时出现。卡文迪许用锌、铁剂锡与稀硫酸反应得到了此种气体，并确认不能从硝酸和硫酸中制得这种气体。同时认识到利用各种金属与酸反应所得到的气体为同一种气体，其密度远小于空气的密度，卡文迪许根据当时的燃素理论进行了如下的说明。从上述现象可以得出如下结论。锌、铁、锡溶于稀硫酸或稀盐酸后，燃素逸出产生可燃气。但是上述金属溶于硝酸时，燃素会与酸结合并随着烟雾飞散，这种与酸结合的燃素就丧失了可燃性。
卡文迪许的这一意见立即得到了舍勒、卡旺等人的认同。卡文迪许还用膀胱袋称量了固定空气的重量，算出该气体的比重为空气的1.57倍，并计算出了大理石等碳酸盐中的固定空气的含量，并对浓碳酸钾溶液吸收CO2的现象做了研究。布莱克对后者进行了更加详细的研究，发现所产生的结晶比普通的碳酸钾含有更多的固定空气（结晶的是碱基性碳酸盐）。
卡文迪许还在研究中发现了砂糖溶液或苹果汁溶液发酵时产生的气体均为固定空气。又发现肉汤和肉类腐败时产生的气体除了固定空气之外还有一种比“可燃气体”还要重的气体。
1783年卡文迪许发表了普利斯特里的脱燃素空气（O2）与可燃烧气体混合燃烧时可生成水的实验报告，随后又发表了在通过电火花的大气中发现了硝酸的报告，然而卡文迪许并未意识到自己的实验结果的划时代性的意义，关于这一点我们将在下一章再详细说明。
2.4约瑟夫·普利斯特里
普利斯特里是英国牧师，在短短的二,三年内，他分离研究的气体种类超过了同时期的所有的学者，如果考虑到他并没有受到当时作为科学家所必须的教育和训练的话，这一成果更是令人惊叹不已。
约瑟夫·普利斯特里（Joseph Priestley 1733-1804）出生于约克郡里兹附近的一个收入微薄的裁缝家中，7岁时母亲撒手人寰，由叔母照管长大，叔母一心想把他培养成非国教派的牧师。普利斯特里在达文特里的神学学校毕业后，成为萨法克州的麦克特长老的候补。但是由于待遇微薄和他的自由的宗教观，他辞去了这个职务。之后他依靠做教师和牧师维持生活，1761年成为沃灵顿学院的古典语言讲师，在这里他与在该校讲授化学的医生达纳相遇，并开始对化学感兴趣起来。之前他的研究范围是教育、历史和传记，并没有从事过化学研究。他以对A chart of Biography（传记图表）的研究而获得爱丁堡大学的名誉法学博士称号，著作《关于政治的第一原理》，对边沁的“最大多数的最大幸福”的概念的形成产生了很大的影响。
由于工作上等的原因经常去伦敦的普利斯特里结识了许多当时的知识界的名人，其中一人就是本杰明·富兰克林，他激起了普利斯特里对科学方面的关心，并劝说普利斯特里进行有关科学领域的写作，于是就有了《电学的历史和现状》一书，该书大获成功后普利斯特里计划编写科学史，但是其后仅出版了《视觉、光和颜色的历史与现状》。
1767年普利斯特里应聘去故乡里兹担任牧师，并在这里开始了对气体的研究活动。他住在酿造厂附近，利用发酵的麦芽汁表面的空气开始了了关于固定空气的研究。他发现酸液的治疗作用是由于溶解在其中的固定空气的作用，而且他发现溶解了固定空气的水是一种清凉可口的发泡饮料，从而发明了“苏打水”，基于他的这一发明，皇家科学院授予他科普里奖（Copley Medal）。
1772年谢尔本伯爵二世(Sir William Petty 1737-1805)慕名聘请普利斯特里为秘书兼顾问，伯爵因同情英属美洲殖民地而辞去了国务大臣的职务。这个职务不仅薪金优厚而且使得普利斯特里有足够的空闲时间去进行他所热爱的研究工作。在伯爵家工作的8年间，他进行大量的研究活动并获得了丰富的成果。对一氧化氮、氧化二氮、氯化氢、氨、二氧化硫、四氟化硅和氧气等气体的研究就是在这一时期进行的，对于这些气体的研究之前也人进行过，但是普利斯特里是第一位系统地对这些气体进行研究的学者，期间他还成功地在空气实验槽中用水银代替水成功地收集了那些易溶于水的气体。
普利斯特里的实验装置
普利斯特里写下大量的关于科学及化学实验方面的著作，关于空气实验的成果最初发表在《哲学年报》上，但是由于发表量过于庞大，皇家科学院的干事约瑟夫·巴克斯建议他另寻一家出版社出版。于是普利斯特里于1774年-1786年间陆续另行出版了六卷本的《关于各种空气的实验与观察》，《实验科学的各领域的实验与观察》。同时他抽时间写作阐述关于他的宗教思想的著作《自然宗教与启示宗教的纲要》，这导致了正统的英国国教教徒对他产生了强烈的敌意。1780年，他辞去了在谢尔本伯爵处的职务，但是其后伯爵仍然继续向他支付年金。
其后普利斯特里成为伯明翰教会的新礼拜会的候补牧师，同时还是“月光协会”的会员，这个名字是因为协会在满月时集会而得名的。这个协会是由达尔文的祖父埃拉斯马斯·达尔文与发明了蒸汽机的詹姆斯·瓦特以及瓦特的赞助者企业家马修波尔顿，再加上2,3位对哲学感兴趣的成员创立的。
这一时期普利斯特里发表了《实验科学的各领域的实验与观察》的最后两卷，达到了他的科学研究的最高峰时期。之后他一步一步地深深地卷入到了宗教及政治上的论战中，他的著作《基督教的颓废史》遭到了开尔文教徒和路德教徒的谴责，随后出版的四卷本的《关于耶稣早期见解的历史》也未能起到平息人们对他的批判的作用。
正像他曾对美国人怀有好意一样，他对法国大革命也抱有同样好意。1790年末，普利斯特里对艾德曼德·巴克的《法兰西革命的反省》一书的批判，招致了巴克怨恨。一些人对他产生了强烈的敌意，在1791年7月14日发生的伯明翰暴动中，普利斯特里的住宅受到了暴徒们的袭击。
这一天是法国人攻占巴士底狱的第二个周年的纪念日，在当局并没有认真采取控制措施的伯明翰发生了严重的骚乱。暴徒们攻击了有名的宗教及政治上的自由主义者的住宅，普利斯特里的教会被放火、他的住宅遭到袭击，暴徒们把他家中的书籍、研究装置和家具等扔到窗外。普利斯特里一家虽然因为及时逃离而免于受到伤害，但是普利斯特里意识到他已经无法重返伯明翰。他逃到了伦敦，但是他马上发现皇家科学协会的会员们也对他充满了敌意，使他也无法在这里继续进行科学研究。1794年他携家人移居美国，在短暂担任了纽约市统一派的牧师以及宾夕法尼亚大学化学教授之后辞职隐居家中，在生命的最后10年中，他一直在宾夕法尼亚州诺萨巴兰德家中从事写作。
暴徒攻击普利斯特里住宅
普利斯特里是一位充满好奇心的且善于制作各种工具的有才能的业余化学家，虽然他的实验通常都是简单且突发奇想的，但是却在气体研究上取得了系统性的成果。他研究了气体在水中的溶解度、对燃烧的影响、对呼吸的影响、氯化氢和氨气的反应、一氧化氮与氢气的反应、电火花的效果、空气在声音传播中的作用、空气的密度等等。但是由于普利斯特里不善于耐心地使用天平，他测定的密度与卡文迪许的结果相比误差较大。他的实验报告写得非常详尽但是缺乏深入的分析。
他一生始终坚守燃素理论，即使有时会牺牲逻辑上的一惯性，他总是利用燃素理论来说明其实验结果。普利斯特里在政治和宗教上是进步的，但是在化学上却坚持空气为一单一的元素，他的发现虽然在客观上起到了促使人们思考燃素的本质激发了人们对燃素理论的质疑作用，但是他本人在化学上是一名一贯坚持燃素理论的保守主义者。普利斯特里初期的气体研究基本上是之前的固定空气与可燃空气的实验的重复和扩充，与其他学者不同的是普利斯特里期间开发出了一系列独特的研究方法。
普利斯特里初期气体研究的一个重大发现是发现了“硝石空气”（一氧化氮）。在此前赫尔斯曾经记载到硝酸与硫化铁矿接触后所发生的气体与空气接触后产生了红色气体，卡文迪许认为硝酸是红色气体的源头，但是普利斯特里认为硫化铁矿也能起到类似的作用。普利斯特里研究了许多金属与硝酸的反应，成功地分离出了无色不溶于水的硝石空气。他进一步地研究了硝石空气的性质，发现其可以使空气的体积减小，溶于水中后生成褐色烟雾（二氧化氮2NO+ O2= 2NO2，3NO2+H2O=2HNO3+NO），甚至记录下了该气体可以使普通空气减少大约五分之一的体积。
从上述发现出发普利斯特里进一步发现空气容积的减少与空气是否适合呼吸有关，从而发明一种比用小鼠实验更好更方便的测定空气良好度的方法。普利斯特里认为把1份体积的硝石空气与2份体积的被水封闭的空气相混合后得到空气是最好的。当褐色烟雾全部溶于水中后，剩余的空气体积约为1.8份。如果空气曾经被用于燃烧的话，剩下空气容积比例就会增加，也就是说空气的不良度与残留气体的体积成正比，于是普利斯特里发明了空气纯度测定法。随后以此为原理的空气纯度计被意大利的丰达纳和卡文迪许改进后实用化，并利用该仪器获得了诸多优秀的研究成果。
普利斯特里还发现了硝石气体与铁同时放置后会产生一种新的气体，该气体可以使蜡烛激烈地燃烧，他称该气体为脱燃素硝石气体，也就是现在的氧化二氮。蜡烛在该气体中燃烧时比在空气中燃烧时要激烈，普利斯特里解释说这是因为该气体因为已经脱去燃素，所以其从火焰中吸取燃素的能力要比空气强。
普利斯特里还发现了氯化氢气体，他称之为“海酸空气”marine acid air ，是在加热spirit of salt（氯化氢的水溶液）时收集到的气体，此时收集容器下方的液体不是水而是水银。其后他利用食盐与硫酸反应的方法制得了该气体，把铁片放入该气体的水溶液后立即被溶解，同时会放出可燃烧的气体（氢气）。
普利斯特里用同样的方法加热挥发性碱volatile alkali（氢氧化铵溶液），制得alkaline air （氨气），并将氨气与氯化氢混合制得了氯化铵。令他吃惊的是，向氨气中通入电火花发后生成了毒气（氮气）和可燃气（氢气）。
此外他用加热硫酸与橄榄油的混合物的方式得到了二氧化硫气体，并发现加热硫酸与木炭的混合物后会得到同样的气体。当他直接加热硫酸时，收集气体的容器发生了爆炸，并从爆炸的容器中产生了带有硫磺气味的烟雾。在此后较为谨慎的实验中，他确认可以用铜或水银与硫酸反应生成钒酸空气（二氧化硫），普利斯特里由此得出金属把燃素转移给了高温的酸、并把高温的酸转变成了永久弹性空气（permanent elastic air）。
普利斯特里还尝试制取所谓的“植物酸空气”，加热浓醋酸后得到了一种气体，但是却不是什么新的气体，而是硫酸。事实上随后的实验证明了那是劣质醋酸中的硫酸。
普利斯特里还发现了四氟化硅，那时因为他了解到瑞典的舍勒发现了氟酸空气（fluoro acid air）。他把萤石（CaF2）与硫酸在玻璃容器中加热后，发现容器底部发生了被腐蚀的痕迹，且腐蚀痕迹的表面像石头一样坚硬。他用气体收集器收集到了反应时发生的气体，该气体与水发生反应，生成了类似石头一样薄膜状物质（是四氟化硅水解后生成的硅）。
在其后的对空气的研究中，他成功地单独分离出了氮气、氧气、硫化氢气体。他尽管制得了氯和磷化氢，但是都没能成功地加以确认。在出奇的实验中，他加热枪管中的石灰石制取固定空气的实验中，发现了燃烧时呈蓝色火焰的气体——那明显是CO2被枪管中金属所还原后所生成的CO，但是他却没能成功地将这种气体单独分离，于是CO的发现被归功于威廉·克尔夏科（クルイシャンク）。普利斯特里还研究了作为可以燃烧的气体的氢气、一氧化碳及不太纯净的甲醇，但是都没有能够明确地加以识别，而且对有关实验的解释也是不正确的。
普利斯特里还发现在封闭容器中煅烧硫磺与铁的反应物后，容器内的空气体积减少了五分之一，所剩余的气体与固定空气同样对动物有害，但是却不能与石灰水发生反应，且比普通空气比重要轻，是一种与固定空气不同的气体。普利斯特里认为此种空气是含有燃素较多的空气，也就是在燃烧时吸收了大量的燃素的普通空气。
此外普利斯特里还发现把被动物的呼吸或燃烧所损伤的空气通入碱水中振荡后，可以变成易于呼吸的空气。但是当空气变成永久性毒气时（空气中的氧气耗尽时），这个方法也无法使其重新恢复。他还发现即使永久毒气也可以被植物恢复成易于呼吸的空气，所以他认为植物可以有效地使空气变得良好（即易于呼吸）。
普利斯特里最著名的实验是关于氧气的实验，1774年8月1日，普利斯特里对煅烧后的水银（mercurius calcinatus perse）进行了加热，得到了一种新的气体。他是利用了一个直径为12英寸的透镜聚焦阳光对其进行加热的，发现这种新气体明显地不溶于水，能够使蜡烛激烈地燃烧，也能使快要熄灭的木炭重新开始燃烧并发出闪光。普利斯特里马上联想到这个性质与他之前发现的硝石气体相同，于是他开始怀疑原料是否是煅烧水银，但是在更换了更好的更纯的煅烧水银后，所得到结果仍然相同。之后他使用铅丹（四氧化三铅）煅烧后获得了同样的气体，这使他最终确认这是与硝石气体不同的一种新气体。他解释说普通空气的成分是含有一定量的燃素的土。
随后的实验中普利斯特里发现了这种新气体在水中的溶解度明显与硝石气体不同，并发现该气体是非常适合呼吸的气体，并利用硝石气体测定该了气体的良好度。他将蜡烛放入利用硝石气体测定良好度之后剩余的新空气中，吃惊地发现蜡烛发生了激烈地燃烧，而根据他的理论蜡烛是应该熄灭的。以下是普利斯特里对这个蜡烛实验动机的说明。
“我当时出于什么目的进行这个实验的，现在已经忘记了，但是却清醒地记得这个实验的结果完全与我所预料的相反。如果我要有意地做这个简单的实验的话，也许早就应该实施了。实际上我仅仅是因为偶然别的实验所使用的蜡烛恰好放置在实验台上，才使我临时将其放入了这种新气体中”
由于这个与预期相反的结果，促使普利斯特里一周后把小鼠放入了这种新气体中，小鼠整整存活了半个小时，这是普通空气的两倍的时间，也许小鼠间有些个体的差异，但是其差异不会达到这么大的程度，这证明了新气体比普通空气更加适合于动物的呼吸和燃烧。但是普利斯特里固执于燃素说，认为由于这种气体中燃素几乎全部被除去了，所以产生了更加强烈的吸收燃素的能力，并把这种气体命名为“脱燃素空气”，普利斯特里显然没能理解到这种“脱燃素气体”的重要意义。
