През месец август има две важни дати, свързани с кислорода – той е открит на 1 август 1774 г. от британския химик и свещеник протестант Джоузеф Пристли, като преди това – на 17 август 1771 г. естествоизпитателят започва експеримент, чийто резултат е регистрирането на фотосинтезата. Но откъде започва всичко?
Първите споменавания за подобни на кислород вещества се срещат в китайски ръкописи от VIII век. През XVI век Леонардо да Винчи, изучавайки процесите на горене, предположил, че въздухът не е еднородна субстанция, но не могъл да го раздели на отделните му компоненти.
До XVIII век в науката господствала теорията за флогистона, според която запалимите вещества съдържали „огнен елемент“, освобождаващ се при изгарянето.
Теорията за флогистона
Теорията възникнала като опит да бъде обяснен процесът на изпичане на металите. Тя се опирала на традиционните алхимични представи за горенето като процес на разлагане на химичните вещества.
Основоположници на теорията за флогистона са немските учени Йохан Йоахим Бехер и Георг Ернест Щал, който през 1703 г. формулирал основните ѝ принципи. Той смятал, че всички горими/запалими вещества съдържат специална субстанция – флогистон (от гръцкото „горим/запалим“). Горенето при това представлява разпадане на веществото с отделяне на флогистон, който безвъзвратно отива във въздуха. Флогистонът не съществува в свободно състояние, той винаги е свързан с други вещества.
Тази субстанция притежава уникално свойство – отрицателна маса. Чрез освобождаването на флогистона се обяснявали и металургичните процеси. Смятало се, че чугун се получава при умерено насищане на рудата с тази субстанция, а стоманата представлява желязо, съдържащо я в излишък.
Към втората половина на XVIII век теорията става общоприета в научните кръгове въпреки очевидните ѝ противоречия с наблюдаваните факти. Тя господствала в химията почти столетие, докато не била опровергана от откриването на кислорода.
Спорът за първенството
Едва през 1770-те години трима учени независимо един от друг се приближили към разгадаването на природата на кислорода. Шведският химик Карл Шееле през 1771 година получил кислород, загрявайки селитра със сярна киселина и разлагайки азотен оксид. Той нарекъл газа „огнен въздух“ заради способността му да усилва горенето. Обаче откритието му било публикувано едва през 1777 година, поради което формално първото място за откритието получили други изследователи.
На 1 август 1774 година Джоузеф Пристли извлякъл кислород чрез нагряване на живачен окис с помощта на лупа. Наблюдавайки как свещта гори по-ярко в новия газ, той го нарекъл дефлогистиран въздух. Макар че Пристли не разбрал веднага значението на откритието, благодарение на публикуването им експериментите му получили известност.
Френският химик Антоан Лавоазие, след като изучил данните на Шееле и Пристли, доказал, че кислородът е самостоятелен елемент, а не „част от въздуха“. През 1775 година той опровергал теорията за флогистона като показал, че горенето е реакция с кислорода. Именно Лавоазие дал на газа названието „оксиген“ (от гръцки „раждащ/създаващ киселини“), което се утвърдило в науката.
Опровергаването на теорията
Лавоазие съчетал в изследванията си методичната експериментална работа с революционни теоретични изводи. Той пръв започнал систематично да използва свръхточните (за XVIII век) везни, демонстрирайки, че при горенето металите не губят от масата си, както би трябвало според теорията за флогистона, а я увеличават.
В експериментите си с газа той установил, че при нагряване на живак се получава „живачен обгар/живачна корица“ (живачен окис), а обемът на въздуха намалява точно с една пета. При последващо нагряване на обгара/корицата се отделя същият обем на друг газ, който вече поддържа горенето по-добре от обикновения въздух.
Лавоазие смятал, че въздухът не е еднородна субстанция, а смес от „жизнен въздух“ (кислород), поддържащ горенето и дишането, и „задушлив въздух“ (азот), който не участва в тези процеси. Той заменил неопределеното понятие флогистон с конкретни схеми, доказвайки, че горенето е свързване с кислород, дишането е бавно окисляване на органични вещества, а образуването на ръжда също е окисляване, само че много по-бавно. През 1979 година Лавоазие публикувал „Елементарен курс по химия“, в който въвел съвременната химична номенклатура, съставил първия списък на химичните елементи и формулирал закона за запазването на масата.
Главното, което отличавало подхода на Лавоазие от този на предшествениците му, било това, че той не просто открил нов газ, а създал цялостна теоретична система, обясняваща всички известни химични явления. Неговата методология – съчетаване на прецизен експеримент със задълбочен теоретичен анализ – станала образец за цялата наука занапред.
Революцията в химията
Откриването на кислорода било повратен момент в историята на науката, който засегнал почти всичките ѝ области. В биологията това позволило на учените да разберат механизмите на клетъчното дишане и енергийния метаболизъм в живите организми
Тези знания залегнали в основата на съвременната биохимия и физиология, обяснявайки фундаменталните процеси на жизнените процеси.
За физиката изучаването на кислорода станало важен етап в развитието на термодинамиката и изследването на свойствата на газовете. То помогнало да бъдат открити фундаменталните закони за запазването на енергията и масата в химичните процеси.
В геологията разбирането на ролята на кислорода позволило да бъде реконструирана еволюцията на земната атмосфера и да бъдат обяснени процесите на окисление на минералите. Тази знания са крайно важни за търсенето на полезни изкопаеми и разбирането на геологичната история на нашата планета. Космическите изследвания използват наличието на кислород като главен маркер за възможен живот на други планети.
Какви открития предстоят?
Днес кислородът продължава да е обект на изучаване. През 2015 година учените установиха, че повишената му концентрация активира имунните клетки, борещи се с рака, а през 2021 година биолозите потвърдиха, че недостигът на кислород активизира нарастването на туморите.
През 2023 година датски учени установиха, че първите многоклетъчни организми са се появили в условията на кислороден дефицит. През 2024 г. в Тихия океан намериха „тъмен кислород“ – газ, образуващ се без участието на фотосинтеза, може би в резултат на електролиза в желязо-манганови конкреции.
Откриването на кислорода станало не просто поредният крайъгълен камък в историята на химията – то ознаменувало прехода от алхимичните схващания към точната наука. Историята на изучаването му е ярък пример за това как фундаменталните науки, променяйки парадигмите си, продължават да дават плодове – в най-неочаквани области.
