空気圧化学

「1770年から1785年の間に、ヨーロッパ中の化学者たちが様々な気体を捕獲、分離、計量し始めた。」^{[ 8 ]： 40}

空気式トラフは、気体（当時の化学者たちは空気と呼んでいた）を扱う研究に不可欠な装置であった。ジョセフ・ブラック、ジョセフ・プリーストリー、ヘルマン・ブールハーフェ、ヘンリー・キャベンディッシュらの研究は、主にこの装置の使用を中心に展開され、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を可能にした。彼らの研究は、脱フロギスティン空気（ジョセフ・プリーストリーによって発見された）など、多くの種類の空気の発見につながった。

さらに、空気の化学は燃焼分析にとどまらなかった。18世紀には、多くの化学者が空気の発見を、古くからの問題を探求する新たな道として利用した。その一例が医薬品化学の分野である。特にイギリス人のジェームズ・ワットは、空気の概念を取り入れ、空気療法と呼ばれるものに利用し始めた。これは、新鮮な空気を使って実験室の作業性を向上させたり、さまざまな病気の患者を治療したりするもので、その効果はまちまちであった。ほとんどの人体実験は化学者自身を対象に行われた。彼らは、自己実験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ある。

ジェームズ・ワットの気体化学の研究は、可燃性（H₂ _）と脱フロギスチン（O₂）空気を用いて水を生成することに関するものでした。1783年、ジェームズ・_ワットは、水が可燃性および脱フロギスチン空気から構成されており、燃焼前のガスの質量が燃焼後の水の質量と完全に等しいことを示しました。^{[ 9 ]} この時点まで、水は化合物ではなく基本元素として考えられていました。ジェームズ・ワットはまた、トーマス・ベドーズ博士やエラスムス・ダーウィンと協力し、固定空気を用いて結核を患う娘のジェシー・ワットを治療することで、 「気体療法」として、炭化水素などのさまざまな「人工空気」を医療に用いることを探求しました。^{[ 10 ]}

ジョセフ・ブラックは化学者で、ウィリアム・カレンの下で学んだ後、空気の分野に興味を持つようになった。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）のテーマに興味を持ち、両方の性質について「De humore acido a cibis orto, et magnesia alba 」という論文を書いた。 ^{[ 11 ]}炭酸マグネシウムに関する彼の実験は、呼吸を含むさまざま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）が放出されることを発見するに至った。彼は空気を収集して分析するために発明された空気トラフやその他の機器を一度も使用しなかったが、彼の推論は、トラフが実際に使用されるようになった通常の空気ではなく固定空気に関するより多くの研究につながった。^{[ 2 ]}

気体アンモニアは、1756年にジョセフ・ブラックが塩化アンモニウムと焼成マグネシア（酸化マグネシウム）を反応させることで初めて単離した。^{[ 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年にはカール・ヴィルヘルム・シェーレによって単離された。^{[ 16 ]}

Joseph Priestley, in Observations on different kinds of air, was one of the first people to describe air as being composed of different states of matter, and not as one element.^[17] Priestley elaborated on the notions of fixed air (CO₂), mephitic air and inflammable air to include "inflammable nitrous air," "vitriolic acid air," "alkaline air" and "dephlogisticated air".^[17] Priestley also described the process of respiration in terms of phlogiston theory.^[17] Priestley also established a process for treating scurvy and other ailments using fixed air in his Directions for impregnating water with fixed air. Priestley's work on pneumatic chemistry had an influence on his natural world views. His belief in an "aerial economy" stemmed from his belief in "dephlogisticated air" being the purest type of air and that phlogiston and combustion were at the heart of nature.^[18] Joseph Priestley chiefly researched with the pneumatic trough, but he was responsible for collecting several new water-soluble airs. This was achieved primarily by his substitution of mercury for water, and implementing a shelf under the head for increased stability, capitalizing on the idea Cavendish proposed and popularizing the mercury pneumatic trough.^[2]

While not credited for direct research into the field of pneumatic chemistry, Boerhaave (teacher, researcher, and scholar) did publish the Elementa Chimiae in 1727. This treatise included support for Hales' work and also elaborated upon the idea of airs. Despite not publishing his own research, this section on airs in the Elementa Chimiae was cited by many other contemporaries and contained much of the current knowledge of the properties of airs.^[19] Boerhaave is also credited with adding to the world of chemical thermometry through his work with Daniel Fahrenheit, also discussed in Elementa Chimiae.^[20]

ヘンリー・キャベンディッシュは、水槽内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、固定空気が水銀に不溶性であることを観察し、改良した装置を使用することでより効率的に収集できることを示した最初の人物の一人でした。彼はまた、固定空気（CO ₂）と可燃性空気（H ₂）の特性を明らかにしました。可燃性空気は、空気圧式水槽を使用して分離および発見された最初のガスの 1 つです。しかし、彼は自身のアイデアを最大限に活用せず、したがって水銀空気圧式水槽をフル活用しませんでした。^{[ 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とされています。^{[ 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されること を示しました。 ^{[ 21 ]}

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、実験に用いる物質のサンプルからガスを収集するために空気式トラフを発明した。収集したガスの性質には興味がなかったものの、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た。ヘイルズは、ガスを水に通して気泡を発生させることで、空気の「弾性」が失われるのを防ぎ、つまり体積が減少するのを防ぐことに成功した。これは、可溶性のガスを水に溶かすことによって実現した。

空気槽の発明後、スティーブン・ヘイルズはさまざまな空気の研究を続け、それらのさまざまな特性について多くのニュートン力学的解析を行った。彼は1727年に著書『植物静力学』を出版し、多くの研究者が学術論文でこれを引用したことから、空気化学の分野に大きな影響を与えた。『植物静力学』の中で、ヘイルズは自身の空気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、他の空気との混合能力なども発表した。^{[ 22 ]}

スティーブン・ヘイルズは、気体化学の創始者と呼ばれ、1727年に気体トラフを発明した。 ^{[ 23 ]}この装置は、可燃性空気（現代では水素と呼ばれるもの）など、さまざまな空気の性質を研究するために多くの化学者によって広く使用された。ラヴォアジエは、ガスメーターに加えてこれを使用し、ガスを収集して分析し、単純物質のリストを作成するのに役立てた。

18世紀を通じて不可欠な存在であった空気収集槽は、ガスをより効率的に収集するため、あるいは単に収集量を増やすために、何度か改良が加えられた。例えば、キャベンディッシュは、反応によって発生する固定空気の量が水面上に完全に存在するわけではないことに気づいた。つまり、固定水が空気の一部を吸収してしまい、その特定の空気を定量的に収集することができないということである。そこで彼は、ほとんどの空気が溶解しない水銀を収集槽内の水に置き換えた。こうすることで、反応によって発生するすべての空気を収集できるだけでなく、水への空気の溶解度も測定できるようになり、空気化学者にとって新たな研究分野が開かれた。これが18世紀における収集槽の主要な改良であったが、水銀を水に置き換える前後にも、ガス収集中にヘッドを置くための棚を追加するなど、いくつかの小さな変更が加えられた。この棚は、ブラウンリッグの動物の膀胱のような、従来とは異なる頭部も使用できるようにしている。^{[ 2 ]}

空気圧式トラフの実用的な応用例として、ヤン・インゲンホウスが植物が日光にさらされると脱フロギストン空気を生成することを示すために使用したユージオメーターがある。このプロセスは現在、光合成と呼ばれている。^{[ 8 ]}

化学革命の過程で、ラヴォアジエは気体を精密に測定するための新しい装置を開発した。彼はこの装置をガゾメーターと名付けた。彼は2つの異なるバージョンを作った。アカデミーや一般の人々へのデモンストレーションで使用した、高い精度を持っていると人々に信じ込ませるための大型で高価なバージョンと、同様の精度を持つ、より小型で実験室で実用的なバージョンである。このより実用的なバージョンは製造コストが安かったため、より多くの化学者がラヴォアジエの装置を使用できた。^{[ 17 ]}