Kto odkrył tlen? Scheele, Priestley i Lavoisier

Odkrycie tlenu należy do najbardziej znaczących i zarazem najbardziej kontrowersyjnych wydarzeń w historii nauki, a spór o to, komu należy się zasługa, nie jest w pełni rozstrzygnięty do dziś. Troje uczonych z drugiej połowy XVIII wieku niezależnie od siebie doszło do odkrycia nowego pierwiastka: Szwed Carl Wilhelm Scheele, Anglik Joseph Priestley i Francuz Antoine-Laurent Lavoisier. Każdy z nich wniósł do nauki unikalny wkład, jednak to właśnie Lavoisier nadał tlenu jego współczesną nazwę i zinterpretował jego rolę w reakcjach chemicznych, dokonując prawdziwej rewolucji w rozumieniu przyrody.

Świat nauki przed odkryciem tlenu: teoria flogistonu

Aby w pełni docenić wagę odkrycia tlenu, należy zrozumieć, jaki pogląd na naturę spalania i powietrza dominował w XVII i XVIII wieku. Wówczas obowiązywała teoria flogistonu, sformułowana w 1667 roku przez Johanna Joachima Bechera, a rozwinięta przez Georga Ernsta Stahla. Zgodnie z nią każda palna substancja zawiera hipotetyczny składnik zwany flogistonem, który uwalnia się podczas spalania.

Teoria flogistonu wyjaśniała wiele obserwowanych zjawisk w sposób wewnętrznie spójny, a przez niemal sto lat była powszechnie akceptowana przez uczonych europejskich. Jej zasadnicza słabość polegała jednak na tym, że nie była w stanie wytłumaczyć faktu, iż metale po podgrzaniu zwiększają swoją masę, zamiast ją tracić, jak zakładałoby uwalnianie flogistonu. Problem ten długo zbywano rozmaitymi ad hoc modyfikacjami teorii.

Carl Wilhelm Scheele: pionier, któremu odebrano palmę pierwszeństwa

Carl Wilhelm Scheele urodził się w 1742 roku w Stralsundzie (ówczesne Pomorze Szwedzkie) i pracował przez większość życia jako aptekarz, nie posiadając formalnego wykształcenia akademickiego. Mimo to był jednym z najbardziej produktywnych chemików XVIII wieku, odkrywając m.in. mangan, chlor, brom i wiele związków organicznych.

W latach 1771-1772 Scheele przeprowadził serię eksperymentów z tlenkiem manganu (IV), azotanami i innymi substancjami, ogrzewając je i zbierając wydzielający się gaz. Nowo odkryty składnik powietrza nazwał "powietrzem ogniowym" (niem. Feuerluft), podkreślając jego kluczową rolę w procesach spalania. Scheele ustalił, że powietrze składa się z dwóch składników: "powietrza ogniowego" (tlenu) podtrzymującego spalanie i "powietrza zepsutego" (azotu), które go gasi.

Tragicznie dla sławy Scheele, wyniki swoich badań opublikował dopiero w 1777 roku w dziele Chemische Abhandlung von der Luft und dem Feuer, podczas gdy odkrycia Josepha Priestleya zostały ogłoszone wcześniej. Historycy nauki są jednak zgodni, że Scheele dokonał odkrycia tlenu wcześniej niż Priestley, lecz opóźnienie publikacji sprawiło, że przez długie lata przyznawano mu znacznie mniejsze uznanie.

Joseph Priestley: odkrycie, które zmieniło historię

Joseph Priestley, angielski duchowny, filozof i chemik, przeprowadził swoje przełomowe doświadczenie 1 sierpnia 1774 roku. Ogrzewając tlenek rtęci (II) przy pomocy soczewki skupiającej promienie słońca, zebrał wydzielający się gaz i odkrył, że świeca pali się w nim znacznie jaśniej niż w zwykłym powietrzu, a myszy umieszczone w tym gazie zachowywały żywotność dłużej niż w normalnym powietrzu.

Priestley nazwał nowo odkryty gaz "powietrzem deflogistycznym", interpretując wyniki doświadczeń w ramach teorii flogistonu, którą wciąż uznawał za słuszną. Swoje odkrycie opublikował w 1775 roku i poinformował o nim Lavoisiera podczas wizyty w Paryżu. Ironią historii jest fakt, że Priestley do końca życia bronił teorii flogistonu, nie przyjmując interpretacji Lavoisiera, choć to jego odkrycia dostarczyły jej ostatecznego obalenia.

Priestley był niezwykle płodnym badaczem. Odkrył lub scharakteryzował łącznie kilkanaście gazów, w tym chlorowodór, amoniak, tlenek węgla (II), podtlenek azotu i dwutlenek siarki. Jego praca nad gazami stanowiła fundament nowoczesnej chemii pneumatycznej.

Antoine Lavoisier: ojciec nowoczesnej chemii

Antoine-Laurent Lavoisier, urodzony w 1743 roku w Paryżu, jest powszechnie uznawany za ojca nowoczesnej chemii. Jako chemik i prawnik pracujący na rzecz Fermy Generalnej (systemu poboru podatków) dysponował środkami finansowymi umożliwiającymi budowę wyjątkowo precyzyjnej aparatury laboratoryjnej.

Po rozmowach z Priestleyem podczas jego pobytu w Paryżu w 1774 roku Lavoisier niezależnie przeprowadził własne, bardziej precyzyjne doświadczenia z tlenkiem rtęci. Jego kluczowym wkładem nie było samo uzyskanie tlenu, lecz poprawna interpretacja wyników. Ogrzewając metal w zamkniętym naczyniu i starannie ważąc układ przed i po reakcji, udowodnił, że metal łączy się z pewną częścią powietrza, a masa układu pozostaje niezmieniona.

Na tej podstawie Lavoisier sformułował fundamentalne prawo zachowania masy i obalił teorię flogistonu, zastępując ją teorią utleniania. W 1778 roku nadał odkrytemu gazowi nazwę tlen (fr. oxygène), wywodząc ją z greckich słów oznaczających "tworzący kwas" (ówcześnie błędnie sądzono, że tlen jest składnikiem wszystkich kwasów).

W 1787 roku Lavoisier, wspólnie z Claude'em Bertholletem, Antoine'em Fourcroy'em i Guyton de Morveauem, opracował nową nomenklaturę chemiczną, która stała się podstawą współczesnego nazewnictwa. Jego podręcznik Traité élémentaire de chimie (1789) zdefiniował pojęcie pierwiastka jako substancji, której nie można dalej rozłożyć, i stał się pierwszym nowoczesnym podręcznikiem chemii.

Właściwości tlenu i jego rola w przyrodzie

Tlen (symbol O, liczba atomowa 8) jest bezbarwnym, bezwonnym i bezsmakowym gazem w warunkach normalnych. Jest drugim, po fluorze, najbardziej elektroujemnym pierwiastkiem układu okresowego i tworzy związki chemiczne z niemal wszystkimi innymi pierwiastkami. Normalny stopień utlenienia tlenu w związkach wynosi -2.

Tlen jest najszerzej rozpowszechnionym pierwiastkiem na Ziemi:

• w atmosferze ziemskiej stanowi około 21% objętości powietrza (gł. w postaci cząsteczki O₂),
• w skorupie ziemskiej, gdzie stanowi blisko 46% masy w postaci tlenków i krzemianów,
• w wodzie morskiej i słodkiej (89% masy wody to tlen),
• w organizmach żywych, gdzie wchodzi w skład białek, tłuszczów, węglowodanów i kwasów nukleinowych.

Tlen w postaci ozonu (O₃) tworzy w stratosferze warstwę ozonową, która pochłania szkodliwe promieniowanie ultrafioletowe Słońca, umożliwiając życie na lądzie. Bez warstwy ozonowej intensywne promieniowanie UV niszczyłoby DNA organizmów lądowych.

Zastosowania tlenu w przemyśle i medycynie

Odkrycie tlenu i zrozumienie jego właściwości otworzyło drzwi do dziesiątek zastosowań przemysłowych i medycznych, które zrewolucjonizowały cywilizację:

Hutnictwo i przemysł metalurgiczny pochłaniają zdecydowaną większość produkowanego na świecie tlenu technicznego. Tlen stosuje się do świeżenia stali w konwertorach tlenowych, co pozwala na szybkie usunięcie węgla i innych zanieczyszczeń. Bez tej technologii masowa produkcja stali byłaby niemożliwa.

Spawalnictwo i cięcie metali korzystają z palników acetylenowo-tlenowych, które osiągają temperatury powyżej 3000 stopni Celsjusza, umożliwiając cięcie najtwardszych stali i spajanie elementów metalowych.

Medycyna korzysta z tlenu na wiele sposobów. Tlen medyczny podawany jest pacjentom z niewydolnością oddechową, w czasie operacji, w leczeniu chorób płuc oraz w komorach hiperbarycznych wspomagających gojenie ran i leczenie zatrucia tlenkiem węgla. Tlen skroplony przechowywany jest w kriogenicznych zbiornikach i dostarczany do szpitali.

Przemysł chemiczny wykorzystuje tlen jako utleniacz w syntezie wielu związków organicznych, w procesach produkcji kwasu siarkowego, azotowego i innych.

Przemysł szklarski stosuje tlen do wytwarzania bardzo wysokich temperatur niezbędnych do topienia szkła i produkcji włókna szklanego.

Tlen a fotosynteza i łańcuch życia na Ziemi

Odkrycie tlenu zapoczątkowało badania nad jego rolą w procesach biologicznych, które okazały się fundamentalne dla zrozumienia życia na Ziemi. Fotosyntetyzujące organizmy, przede wszystkim rośliny, glony i sinice, produkują tlen jako produkt uboczny rozkładu wody (H2O) przy użyciu energii słonecznej. Szacuje się, że ok. 70% całego tlenu atmosferycznego pochodzi z fotosyntezy oceanicznej, przeprowadzanej przez mikroskopijne glony i fitoplankon morski.

Bez tlenu nie byłoby możliwe oddychanie tlenowe, które jest o wiele efektywniejsze energetycznie niż fermentacja beztlenowa. Jednocząsteczka glukozy spalona w procesie oddychania tlenowego dostarcza komórce do 36-38 cząsteczek ATP, podczas gdy fermentacja beztlenowa dostarcza jedynie 2 ATP. To właśnie ten skok energetyczny umożliwił ewolucję złożonych wielokomórkowych organizmów, w tym ostatecznie człowieka.

Paradoksalnie, tlen przez długi czas był trucizną dla wczesnych beztlenowych form życia. Tzw. "Wielka Katastrofa Tlenowa" przed ok. 2,4 miliarda lat, kiedy sinice zaczęły masowo produkować tlen, doprowadziła do wyginięcia ogromnej liczby ówczesnych gatunków. Jednocześnie ten kryzys ekologiczny otworzył drzwi dla ewolucji organizmów tlenowych i dalszego kompleksowania się życia na Ziemi.

Otrzymywanie i produkcja przemysłowa tlenu

Przemysłowe zapotrzebowanie na czysty tlen jest ogromne. Produkuje się go na dwa główne sposoby.

Kriogeniczne rozdzielanie powietrza (destylacja frakcjonowana skroplonego powietrza) jest główną metodą przemysłowej produkcji tlenu. Powietrze jest filtrowane, skraplane przez silne ochłodzenie do temperatury poniżej -183 stopni Celsjusza, a następnie powoli podgrzewane. Azot, o niższej temperaturze wrzenia (-196 stopni Celsjusza), odparowuje jako pierwszy, pozostawiając ciekły tlen, który można oczyszczać do czystości powyżej 99,5%. Instalacje kriogeniczne buduje się w pobliżu dużych hut stali i innych zakładów przemysłowych o stałym zapotrzebowaniu na tlen.

Adsorpcja ciśnieniowa zmiennego kierunku (PSA, Pressure Swing Adsorption) to metoda stosowana do produkcji tlenu w mniejszych ilościach lub w miejscach, gdzie kriogenika byłaby zbyt kosztowna. Powietrze przepuszcza się przez złoże adsorbentu (najczęściej zeolitów), który selektywnie zatrzymuje azot, przepuszczając tlen. Generatory PSA stosuje się w szpitalach, klinikach weterynaryjnych i w przemyśle na mniejszą skalę.

Elektroliza wody pozwala uzyskać czysty tlen jako produkt uboczny produkcji wodoru. Metoda ta nabiera znaczenia w kontekście "zielonej energetyki", gdzie nadwyżki energii elektrycznej z odnawialnych źródeł są wykorzystywane do produkcji wodoru, a tlen stanowi wartościowy produkt towarzyszący.

Znaczenie odkrycia tlenu dla historii nauki

Odkrycie tlenu i rewolucja chemiczna Lavoisiera stanowią jeden z najdonioślejszych przełomów w dziejach nauki. Obalenie teorii flogistonu było nie tylko wyjaśnieniem konkretnych zjawisk chemicznych, lecz głęboką zmianą paradygmatu w rozumieniu nauki jako dziedziny opartej na:

• precyzyjnym pomiarze ilościowym zamiast jakościowych obserwacji,
• ujednoliconym nazewnictwie umożliwiającym porozumienie uczonych z różnych krajów i tradycji,
• prawach ilościowych (zachowanie masy) jako fundamencie interpretacji reakcji chemicznych,
• konieczności falsyfikacji teorii, gdy dane eksperymentalne im przeczą.

Historia odkrycia tlenu jest też pouczającą ilustracją tego, jak wyniki naukowe mogą być diametralnie różnie interpretowane w zależności od przyjętego systemu teoretycznego. Zarówno Scheele, jak i Priestley odkryli fizykalnie ten sam gaz, lecz opierając się na błędnej teorii flogistonu, nie byli w stanie wyciągnąć właściwych wniosków z własnych doświadczeń. To Lavoisier, dysponując precyzyjniejszą aparaturą i gotowością do zakwestionowania obowiązującego paradygmatu, odczytał te wyniki prawidłowo i przebudował całą chemię od podstaw.

Rewolucja Lavoisiera miała też daleko idące konsekwencje filozoficzne. Wprowadzenie operacyjnej definicji pierwiastka (substancja, której nie można dalej rozłożyć dostępnymi metodami) zastąpiło starożytne, mistyczne wyobrażenia o czterech żywiołach i stworzyło fundament dla układu okresowego pierwiastków Mendelejewa, opublikowanego kilkadziesiąt lat później.

Tragicznym epilogiem życia Lavoisiera jest jego śmierć podczas rewolucji francuskiej. W 1794 roku, jako poborca podatkowy pracujący dla znienawidzonej przez lud Fermy Generalnej, Antoine Lavoisier został oskarżony, skazany i zgilotynowany w ciągu jednego dnia. Miał zaledwie 50 lat. Matematyk Joseph-Louis Lagrange miał powiedzieć po jego egzekucji: "Odciąć tę głowę zajęło tylko chwilę, ale może upłynąć sto lat, zanim pojawi się jej równa." Śmierć Lavoisiera jest symbolem tragicznych konsekwencji, jakie rewolucyjny terror polityczny może mieć dla nauki i kultury.

Często zadawane pytania

Kto naprawdę jako pierwszy odkrył tlen?

Najwcześniejsze udokumentowane odkrycie tlenu przypisuje się Carlowi Wilhelmowi Scheelemu, który przeprowadził odpowiednie eksperymenty już w latach 1771-1772. Jednak wyniki opublikował dopiero w 1777 roku. Joseph Priestley niezależnie od Scheele'go odkrył tlen 1 sierpnia 1774 roku i opublikował swoje wyniki rok później, uzyskując szersze uznanie. Antoine Lavoisier nadał pierwiastkowi nazwę "tlen" i prawidłowo zinterpretował jego rolę w procesach spalania.

Dlaczego Lavoisier jest nazywany ojcem nowoczesnej chemii?

Lavoisier jest tak nazywany dlatego, że nie tylko odkrył tlen, ale przede wszystkim obalił dominującą przez ponad 100 lat teorię flogistonu, sformułował prawo zachowania masy, opracował nowoczesną nomenklaturę chemiczną i napisał pierwszy nowoczesny podręcznik chemii. Jego prace stworzyły metodologię i pojęciowy fundament, na którym opiera się do dziś chemia jako nauka ścisła.

Co to była teoria flogistonu i dlaczego była błędna?

Teoria flogistonu zakładała, że palne substancje zawierają hipotetyczny składnik o nazwie flogiston, który wydziela się podczas spalania. Teoria była błędna, ponieważ zakładała uwolnienie substancji z materiału palnego, podczas gdy w rzeczywistości dochodzi do połączenia materiału z tlenem z powietrza (utlenianie). Błąd teorii ujawniał się m.in. w niemożności wyjaśnienia wzrostu masy metali podczas ich utleniania.

Jaki jest skład chemiczny powietrza atmosferycznego?

Czyste powietrze atmosferyczne składa się przede wszystkim z azotu (około 78% objętości) i tlenu (około 21%). Pozostały 1% to w przeważającej mierze argon (0,93%), dwutlenek węgla (ok. 0,04%) oraz śladowe ilości innych gazów szlachetnych i związków chemicznych. Skład ten jest stosunkowo stabilny w całej troposferze, choć lokalnie może się różnić ze względu na zanieczyszczenia przemysłowe.

Jakie są medyczne zastosowania tlenu?

Tlen medyczny stosuje się w leczeniu chorób układu oddechowego (POChP, zapalenie płuc, astma), w anestezjologii podczas operacji, w intensywnej opiece medycznej, w terapii hiperbarycznej (leczenie zatrucia tlenkiem węgla, gojenie trudnych ran), przy resuscytacji krążeniowo-oddechowej oraz w ratownictwie medycznym. Tlen podawany jest przez maskę, cewnik nosowy lub respirator w zależności od potrzeby klinicznej i stężenia wymagającego zastosowania.

Gdzie tlen jest najszerzej stosowany w przemyśle?

Największym przemysłowym odbiorcą tlenu jest hutnictwo stali, gdzie tlen służy do tzw. świeżenia stali w konwertorach tlenowych (proces Bessemera i LD). Tlen stosuje się też powszechnie w spawalnictwie, produkcji chemicznej (synteza kwasów i związków organicznych), przemyśle szklanym, papierniczym, przy uzdatnianiu wody i oczyszczaniu ścieków oraz w energetyce jako utleniacz w procesach spalania.