С давних времен был известен лишь один вид газа — воздух, и был он предметом физических исследований. В сферу интересов химии воздух не включался. А те газообразные продукты, которые образовывались в различных процессах, например при брожении или гниении, ученые считали разновидностями воздуха. Само понятие «газ» появилось только в начале XVII в. Его ввел знаменитый естествоиспытатель И. Ван-Гельмонт. Он производил его от греческого слова, означающего хаос. Однажды И. Ван-Гельмонт сжег 62 фунта древесины, из которых получил только 1 фунт золы. Во что же превратилось остальное? В «лесной дух», считал Ван-Гельмонт. Этот дух, который прежде был неизвестен, я называю новым именем — газ, написал ученый. Теперь мы знаем, что он имел дело с углекислым газом, который спустя 100 с лишним лет был снова получен английским физиком Дж. Блеком. Но И. Ван-Гельмонт не понял сути своего открытия. Только разновидность воздуха видел он в «лесном духе».
Стало быть, мы не имеем права применять по отношению к элементам воздуха и воды термин «открытие нового элемента» (в том смысле, как это стало возможным позже). Но, с другой стороны, открытия водорода, азота и кислорода существенно отличаются от тех совершенно случайных открытий, которые происходили в донаучный период развития химии. Во-первых, потому, что в XVIII в. существовала вполне определенная теоретическая концепция, получившая название флогистонной теории. Во-вторых, потому, что во многом благодаря И. Ван-Гельмонту газообразное состояние материи стало, наконец, объектом химических исследований, и здесь родилось новое направление химической науки — пневматическая химия. Она разработала свои методы исследования и необходимую экспериментальную аппаратуру. Иными словами, к открытию элементарных газов привели целенаправленные экспериментальные исследования, опиравшиеся на теоретические представления. И прежде чем приступить к рассказу об этих открытиях, нам придется остановиться на теории флогистона и пневматической химии.
По своему содержанию теория флогистона была очень проста, а потому и казалась убедительной. Ее название происходит от греческого слова флогистос, обозначающего «воспламеняющийся». Для чего она была нужна? Для объяснения процессов, протекающих при горении, обжиге металлов и дыхании. Суть их была непонятна. Вот и возникла идея о существовании материи, которая как бы является главным действующим лицом во всех упомянутых процессах, — появилась идея о флогистоне.
Хотя мысли о «горючей материи» в той или иной форме высказывались несколькими учеными, подлинным основателем концепции флогистона считается немецкий химик и врач Г. Шталь. Вот как рассуждал этот исследователь. Тела могут гореть только благодаря наличию в них флогистона. Чем больше флогистона содержит данное тело, тем активнее оно сгорает. Уголь — вот пример вещества, состоящего почти из одного флогистона. При обжиге металлов они превращаются в «извести» (земли) вследствие потери флогистона. Если к прокаленному металлу добавить флогистон, снова получится чистый металл. Хороший пример тому — прокаливание металлической окалины с углем. Процесс, хорошо известный даже древним металлургам.
На языке представлений современной химии все это означает следующее: в ходе реакции окисления (например, образование оксида при обжиге металла) флогистон теряется; при реакции восстановления (прокаливание оксида металла с углем) флогистон, напротив, приобретается. Все очень просто и очень наглядно. Но даже начинающему химику в наше время видно, что теория флогистона ошибочна. Ведь из нее следовало, что вес вещества при горении должен уменьшаться, а не увеличиваться; оксид металла должен быть легче самого металла. Если принять концепцию флогистона, то металлы надо рассматривать как сложные вещества (металл+флогистон), а их оксиды (земли) — как простые (металл–флогистон).
И тем не менее теория флогистона просуществовала в науке около столетия, и ее ревностно исповедовали крупнейшие химики того времени, в том числе Г. Кавендиш, Дж. Пристли и К. Шееле, с именами которых и связаны открытия элементов воздуха и воды. На начальных стадиях этих открытий представления теории флогистона сыграли существенную роль.
Пробудившийся у химиков интерес к изучению газов способствовал возникновению пневматической химии, и это был второй логически неизбежный шаг к ознакомлению с будущими водородом, азотом и кислородом. Изучение газов долго затруднялось тем, что не было удобных методов их получения, собирания и, наконец, исследования их свойств. Мочевой пузырь животных служил едва ли не единственным экспериментальным прибором — емкостью, куда можно было собирать выделяющиеся газы и взвешивать их. Познавать газ оказалось значительно труднее, чем изучать твердые и жидкие вещества.