空気圧化学

ロバート・ボイルのエアポンプ

科学史において、空気化学は17世紀、18世紀、そして19世紀初頭の科学研究分野です。この研究の重要な目標は、気体の物理的性質とそれが化学反応、そして最終的には物質の構成にどのように関係するかを理解することでした。フロギストン説の台頭、そして地球の大気の気体成分であり、燃焼反応に関与する化学試薬としての酸素の発見後の新しい説への置き換えは、空気化学の時代に行われました。

試薬としての空気

18世紀、錬金術から化学の分野が発展するにつれ、空気を試薬として捉えるという概念を軸とした自然哲学の一分野が生まれました。それ以前は、空気は主に反応せず、ただ存在する静的な物質と考えられていました。しかし、ラボアジエをはじめとする数人の空気化学者が主張するように、空気は実際には動的なものであり、燃焼物質の影響を受けるだけでなく、様々な物質の性質にも影響を与えるのです。

空気化学における最初の関心事は、スティーブン・ヘイルズに始まる燃焼反応でした。これらの反応は、化学者が「空気」と呼ぶ異なる種類の空気を放出し、これらの異なる空気にはより単純な物質が含まれていました。ラボアジエが登場するまで、これらの空気は異なる性質を持つ別個の存在と考えられていました。ラボアジエは、同時代の化学者やそれ以前の化学者が発見したこれらの異なる空気によって空気が構成されているという概念を大きく変革しました。^{[ 1 ]}

気体に関する研究は、ヘイルズが空気槽を発明したことで実現した。空気槽は、反応によって発生するガスを収集し、再現性のある結果を得ることができる器具である。ガスという用語は、17世紀初頭にJB ファン・ヘルモントによって造られた。この用語は古代ギリシャ語のχάος（カオス）に由来しており、彼は反応によって発生する物質を適切に収集することができなかったため、第3の種類の物質を注意深く研究しようとした最初の自然哲学者であった。しかし、18世紀にラボアジエが研究を行って初めて、この言葉は科学者によって空気の代わりに広く使われるようになった。^{[ 2 ]}

ファン・ヘルモント（1579 – 1644）は、空気を試薬として興味を持った最初の自然哲学者であったため、空気化学の創始者と見なされることがあります。^{[ 3 ]}アレッサンドロ・ボルタは1776年に空気化学の研究を開始し、沼地のガスの実験に基づいて、さまざまな種類の可燃性空気があると主張しました。^{[ 4 ]}化学元素を発見したとされる空気化学者には、ジョセフ・プリーストリー、ヘンリー・キャベンディッシュ、ジョセフ・ブラック、ダニエル・ラザフォード、カール・シェーレなどがいます。この時期にガスを研究した他の個人には、ロバート・ボイル、スティーブン・ヘイルズ、ウィリアム・ブラウンリッグ、アントワーヌ・ラボアジエ、ジョセフ・ルイ・ゲイ＝リュサック、ジョン・ドルトンがいます。^{[ 5 ] [ 6 ] [ 7 ]}

歴史

化学革命

「1770年から1785年にかけて、ヨーロッパ中の化学者たちは様々なガスを捕獲、分離、計量し始めました。」^{[ 8 ]：40}

気体トラフは、気体（当時の化学者たちが空気と呼んだもの）を扱う研究に不可欠なものでした。ジョセフ・ブラック、ジョセフ・プリーストリー、ヘルマン・ブールハーヴェ、ヘンリー・キャベンディッシュらの研究は、主にこの装置を用いて、様々な化学反応や燃焼分析によって発生する空気を収集することに重点が置かれました。彼らの研究は、脱フロギスティケード空気（ジョセフ・プリーストリーによって発見）など、多くの種類の空気の発見につながりました。

さらに、空気の化学は燃焼分析に限られませんでした。18世紀には、多くの化学者が空気の発見を古い問題を探求する新たな道として利用しました。その一例が医薬化学の分野です。特にイギリス人のジェームズ・ワットは、空気の概念を取り上げ、いわゆる「空気療法」に応用し始めました。空気療法とは、新鮮な空気を用いて実験室の作業性を向上させ、様々な病気の患者を助ける治療法で、その効果は様々でした。行われた人体実験のほとんどは化学者自身を対象に行われました。彼らは自己実験こそが分野の進歩に不可欠な要素であると信じていたからです。

寄稿者

ジェームズ・ワット

ジェームズ・ワットの空気化学における研究は、可燃性（H2 _）の空気と脱燃性（O2 _）の空気を用いて水を生成するというものでした。1783年、ワットは水が可燃性空気と脱燃性空気から構成され、燃焼前のガスの質量と燃焼後の水の質量が正確に等しいことを示しました。^{[ 9 ]} それまで、水は化合物ではなく基本的な元素と見なされていました。ジェームズ・ワットはまた、トーマス・ベドーズ博士とエラスムス・ダーウィンと共同で、結核を患っていた娘のジェシー・ワットを固定空気を用いて治療することで、炭化水素などの様々な「人工空気」を「空気療法」として医療に利用する方法を探りました。^{[ 10 ]}

ジョセフ・ブラック

ジョセフ・ブラックはウィリアム・カレンに師事した後、空気圧分野に興味を持つようになった化学者でした。彼は最初にマグネシア・アルバ、つまり炭酸マグネシウム（MgCO ₃）と石灰石、つまり炭酸カルシウム（CaCO ₃）に興味を持ち、両方の特性に関する「 De humore acido a cibis orto, et magnesia alba（心臓の酸性体液とマグネシア・アルバ）」という学位論文を執筆しました。 ^{[ 11 ]}炭酸マグネシウムに関する彼の実験は、呼吸を含む様々な化学物質との反応中に、固定空気、つまり二酸化炭素（CO ₂）が発生していることを発見することにつながった。彼は空気を収集・分析するために発明された空気圧トラフやその他の機器を一度も使用しなかったものの、彼の推論は、通常の空気ではなく固定空気に関する研究の発展につながり、実際にトラフが使用されることになりました。^{[ 2 ]}

気体アンモニアは、1756年にジョセフ・ブラックによって、塩化アンモニウムと焼成マグネシア（酸化マグネシウム）の反応によって初めて単離されました。^{[ 12 ] [ 13 ]} 1767年にピーター・ウルフによって再び単離され、 ^{[ 14 ] [ 15 ]} 1770年にカール・ヴィルヘルム・シェーレによっても単離されました。 ^{[ 16 ]}

ジョセフ・プリーストリー

ジョセフ・プリーストリーは、著書『異なる種類の空気に関する観察』の中で、空気は単一の要素ではなく、異なる物質の状態から構成されていると初めて説明した人物の一人である。^{[ 17 ]}_{プリーストリーは、固定空気（ CO2}）、悪臭空気、可燃性空気 の概念を詳しく説明し、「可燃性亜酸化窒素空気」、「硫酸空気」 、「アルカリ性空気」、「脱燃性空気」を含めた。^{[ 17 ]}プリーストリーは、呼吸のプロセスをフロギストン説で説明した。^{[ 17 ]}プリーストリーはまた、著書『固定空気を水に含浸させる方法』の中で、固定空気を使用して壊血病などの病気を治療する方法を確立した。プリーストリーの空気化学に関する研究は、彼の自然界の見方に影響を与えた。彼の「空中経済」への信念は、「脱フロギストン化空気」が最も純粋な空気であり、フロギストンと燃焼が自然界の核心であるという信念に由来していた。^{[ 18 ]}ジョセフ・プリーストリーは主に空気槽の研究を行ったが、いくつかの新しい水溶性空気 の収集にも尽力した。これは主に、水の代わりに水銀を使用し、安定性を高めるためにヘッドの下に棚を設けたことで実現した。これはキャベンディッシュの提案を活用し、水銀空気槽を普及させた。^{[ 2 ]}

ヘルマン・ブールハーヴェ

ブールハーヴェ（教師、研究者、学者）は、空気化学の分野における直接的な研究の功績は認められていないものの、 1727年に『化学原論』を出版しました。この論文はヘイルズの研究を裏付けるとともに、空気の概念を詳しく説明しています。彼自身の研究は出版していませんでしたが、『化学原論』の空気に関するこのセクションは、同時代の多くの研究者によって引用され、空気の性質に関する当時の知識の多くを含んでいました。^{[ 19 ]}ブールハーヴェはまた、『化学原論』でも論じられているダニエル・ファーレンハイトとの共同研究を通じて、化学温度測定の分野に貢献したことでも知られています。^{[ 20 ]}

ヘンリー・キャベンディッシュ

ヘンリー・キャベンディッシュは、水槽の水を水銀に置き換えた最初の人物ではなかったものの、固定空気は水銀に溶けないため、改良した機器を使うことでより効率的に収集できることに気づいた最初の人物の一人であった。彼はまた、固定空気（CO2 _）と可燃性空気（H2 ）_の特性を明らかにした。可燃性空気は、空気水槽を使って分離・発見された最初のガスの一つである。しかし、彼は自身のアイデアを限界まで活用せず、水銀空気水槽をフル活用することはなかった。^{[ 2 ]} キャベンディッシュは、大気中のガスの含有量をほぼ正確に分析した人物として知られている。^{[ 21 ]}キャベンディッシュはまた、1784年に可燃性空気と大気を混合して加熱すると水が生成できること を示した。^{[ 21 ]}

スティーブン・ヘイルズ

18世紀、化学における燃焼分析の隆盛に伴い、スティーブン・ヘイルズは、試料からガスを採取するための空気式トラフを発明しました。採取したガスの性質には興味がなかったものの、彼は燃焼させたり発酵させたりした物質からどれだけのガスが発生するかを調べたいと考えていました。ヘイルズは、ガスを水中に泡立たせることで可溶性ガスを溶解させ、空気が「弾力性」を失うこと、つまり体積が減少することを防ぐことに成功しました。

気送槽の発明後、スティーブン・ヘイルズは様々な空気の研究を続け、それらの様々な特性についてニュートン力学による分析を数多く行った。1727年に出版された著書『野菜静力学』は、多くの研究者が学術論文で引用するなど、気送化学の分野に大きな影響を与えた。『野菜静力学』の中で、ヘイルズは気送槽を紹介しただけでなく、収集した空気から得られた結果、例えば空気の弾性や組成、そして他の物質との混合能力などについても発表した。^{[ 22 ]}

計装

空気圧トラフ

気体化学の創始者と呼ばれるスティーブン・ヘイルズは、1727年に気体容器を発明しました。 ^{[ 23 ]}この装置は、可燃性空気（現代の水素）など、様々な空気の性質を調べるために多くの化学者に広く利用されました。ラボアジエは、ガス発生装置に加えてこの装置を用いてガスを収集・分析し、単純物質リストの作成に役立てました。

1700年代にスティーブン・ヘイルズによって発明された空気トラフ。これは燃焼によって生成された空気（ガス）を集めるために使用された初期のモデルです。

18世紀を通じて不可欠な存在であった空気槽は、ガスをより効率的に収集するため、あるいは単により多くのガスを収集するために、何度か改良されました。例えば、キャベンディッシュは、反応によって放出される固定空気の量が水面上に完全に存在しないことに気づきました。これは、固定水がこの空気の一部を吸収していることを意味し、特定の空気を定量的に収集するために使用することはできませんでした。そこで彼は、槽内の水を、ほとんどの空気が溶けない水銀に置き換えました。これにより、反応によって放出されるすべての空気を収集できるだけでなく、空気の水への溶解度を測定することも可能になり、空気化学者にとって新たな研究分野が始まりました。これが18世紀における槽の主要な改良点でしたが、水が水銀に置き換えられる前後で、ガス収集中に頭部を載せるための棚が追加されるなど、いくつかの小さな変更が加えられました。この棚はブラウンリッグの動物の膀胱のようなあまり一般的ではない頭部の使用も可能にする。^{[ 2 ]}

空気トラフの実用的な応用はユーディオメーターであり、ヤン・インゲンホウスはこれを使用して、植物が日光にさらされると脱フロギスティケードされた空気を生成すること、現在では光合成と呼ばれるプロセスを示すために使用しました。^{[ 8 ]}

ガスタンク

化学革命のさなか、ラボアジエはガスを正確に測定する新しい機器を発明しました。彼はこの機器をガゾメーターと名付けました。彼は2つの異なるバージョンを所有していました。1つはアカデミーや一般大衆へのデモンストレーションに使用したもので、高い精度を誇示するために作られた大型で高価なバージョンです。もう1つは、同様の精度を持ちながら、より小型で実験室で実用的なバージョンでした。このより実用的なバージョンは製造コストが安く、より多くの化学者がラボアジエの機器を使用できました。^{[ 17 ]}

参照

• 蜂の巣棚
• 空気圧機関

注釈と参考文献

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