Leta 1754 je škotskega študenta medicine Josepha Blacka zanimalo, kaj se zgodi, če po kamninah zlije kislino. Pri enem od takšnih poskusov je ugotovil, da se pri reakciji sprosti brezbarvni plin, ki je težji od zraka, sveča pa v njem noče goreti. Zaradi nenavadnih lastnosti je plin poimenoval »fiksirani zrak«, danes pa mu pravimo ogljikov dioksid.
Sredi 18. stoletja je začelo več učenjakov sistematično proučevati različne oblike »zraka«, kot so takrat pravili plinom. Med njimi je bil angleški duhovnik Joseph Priestley, ki je v prostem času izvedel zelo veliko kemijskih poskusov in pri tem proizvedel več vrst novih plinov.
Iznajdba sodavice
Ko se je leta 1767 preselil v bližino pivovarne, ga je to spodbudilo, da je začel proučevati tudi plin, ki se sprošča ob proizvodnji piva. Ugotovil je, da nastaja med fermentacijo plin, ki se lahko raztopi v vodi, pri čemer nastane okusna sodavica oziroma voda z mehurčki. Leta 1772 mu je uspelo postopek za proizvajanje nove brezalkoholne pijače, ki ni bila v resnici nič drugega kot v vodi raztopljen ogljikov dioksid, dovolj izpopolniti, da je lahko o vsem skupaj napisal razpravo in jo poslal učenjakom v Kraljevi družbi, ki je bila takrat osrednja znanstvena institucija.
Neki zdravnik je ob branju razprave postavil hipotezo, da bi lahko morda prav sodavica zdravila skorbut, kar je bila takrat huda bolezen, ki je pestila mornarje. Danes vemo, da skorbut povzroča pomanjkanje vitamina C, ki ga v vodi raztopljen ogljikov dioksid ne more nadomestiti, a takrat tega nihče ni vedel.
Ideja, da sodavica zdravi skorbut, je sčasoma prišla na ušesa nekemu Portugalcu, ki je v Angliji vohunil za Francijo. O strateškem odkritju je takoj obvestil Francoze, ki so nato mlademu kemiku z imenom Antoine-Laurent de Lavoisier naročili, da preveri, ali hipoteza dejansko drži.
Pravnik, ki ga bolj kot davki zanima kemija
Čeprav se je izkazalo, da hipoteza ni resnična, je prav ta naloga Lavoisierja navdušila za serijo raziskav, s katerimi je postavil temelje sodobni kemiji. Po izobrazbi je bil sicer pravnik, služboval pa je kot eden izmed kraljevih svetovalcev za pobiranje davkov, zaradi česar je imel dobro plačo in bil kar premožen.
Njegova prava strast pa niso bili davki, ampak kemija. Vsak dan je pred odhodom v službo tri ure izvajal eksperimente v svojem zasebnem laboratoriju, po večerji pa se je običajno vrnil in nadaljeval z delom. Pogosto sta eksperimentirala skupaj z ženo Marie-Anne Pierrette Paulze, ki je bila prav tako zelo nadarjena znanstvenica. Ko sta se poročila, je imela komaj trinajst let, a sta se vseeno hitro ujela. Marie je znala angleško, tako da mu je pomagala pri stikih z angleškimi znanstveniki. Prav tako je skrbela za domači laboratorij in z natančnimi risbami dokumentirala vse poskuse, ki sta jih izvedla.
Takrat je bila namreč večina učenjakov prepričanih, da je ogenj oziroma gorenje posledica sproščanja elementa z imenom flogiston. Prav dodajanje in odvzemanje tega skrivnostnega elementa naj bi bilo odgovorno tudi za nekatere druge kemijske spremembe, kot je bilo denimo rjavenje kovin. Težava z razlago s pomočjo flogistona pa je bila v tem, da je bil zarjaveli kos kovine težji kot izvorni kos brez rje, čeprav naj bi se pri procesu rjavenja flogiston sprostil iz kovine. Lavoisier je imel v svojem laboratoriju zelo natančne merilne instrumente, pri eksperimentih pa je zelo natančno stehtal kemikalije pred in po kemijski reakciji. Trdno je namreč verjel v načelo ohranitve materije, po katerem mora biti teža snovi pred reakcijo enaka teži po reakciji.
Oktobra 1772 mu je uspelo prav s pomočjo natančnega tehtanja razrešiti uganko, zakaj so kovine po rjavenju težje. S spretno izvedenim eksperimentom je pokazal, da se pri pretvarjanju zarjavele kovine nazaj v izvorno stanje sprosti plin. Posumil je, da je prav v sproščenem plinu vzrok za razliko v teži. Ko je ugotovil, da tudi nekatere druge snovi, kot je denimo žveplo, pridobijo težo, ko jih zažge, je postavil hipotezo, da se pri gorenju del zraka absorbira v trdno snov. Nad idejo vezave zraka je bil tako navdušen, da jo je natančno opisal, nato pa pismo zapečatil in ga deponiral pri tajniku Akademije znanosti. Tako naj bi kasneje dokazal avtorstvo ideje, če bi še kdo kasneje postavil podobno hipotezo. A hkrati se je zavedal, da mora izvesti še veliko poskusov, preden gre z idejo v javnost. Naslednji dve leti se je zato trudil, da bi določil lastnosti plina, ki je nastal ob reakciji, a mu ni šlo. Zdelo se je že, da mu problema ne bo uspelo razrešiti, dokler ni prišla pomoč iz Anglije.
Skrivnostni plin, ki spodbuja gorenje in olajša dihanje
Joseph Priestley je takrat proučeval živo srebro in naletel na nekaj zelo zanimivega. To pri sobni temperaturi tekočo kovino je lahko z »odvzemanjem flogistona« pretvoril v prah, tega pa nato s segrevanjem nazaj v tekočino. Z dodatnimi eksperimenti je nato ugotovil, da se pri reakciji, ko se segreti prah pretvarja nazaj v kovino, sprošča plin, ki je drugačen kot tisti, ki se je sproščal pri njegovih prejšnjih poskusih s sodavico. Novi plin gorenja namreč ni zaviral, ampak ga je nasprotno spodbujal. Plamen je v tem novem plinu zagorel bolj intenzivno kot v običajnem zraku in oddajal več svetlobe.
Ko je Priestley obiskal Pariz, se je na večerji sestal s člani tamkajšnje Akademije znanosti, med katerimi je bil tudi Lavoisier. Ob tej priložnosti je zbranim omenil svoje odkritje nenavadnega plina, ki spodbuja gorenje. Lavoisier je novici z navdušenjem prisluhnil in seveda želel enak eksperiment čim prej ponoviti tudi v svojem domačem laboratoriju.
Ko se je Priestley vrnil domov, se je spomnil, da bi lahko preizkusil tudi, kako novi plin vpliva na živa bitja. Vedel je namreč, da lahko miška normalno diha in se giblje pod stekleno posodo z običajnim zrakom približno petnajst minut. Ko je enako posodo napolnil z novim plinom, se je miška brez težav gibala več kot pol ure. Sčasoma je ugotovil, da je novi plin približno petkrat bolj učinkovit za dihanje kot običajen zrak. Ko ga je še sam poskusil vdihniti, je spoznal, da ni bistveno drugačen od običajnega zraka, le da se je po vdihu počutil nekoliko bolj lahkotno in sproščeno.
Konec teorije o štirih elementih
V Franciji je lastnosti istega plina sočasno natančno proučeval tudi Lavoisier, ki je 26. aprila 1775 o svojih dognanjih poročal na sestanku Akademije znanosti. Takrat je novi plin poimenoval kisik, a ob tem ni omenil, da je idejo za poskuse dobil na nedavni večerji s Priestleyem, kar je angleškega znanstvenika seveda ujezilo. Kasneje je Lavoisier priznal, da je izhajal iz Priestleyevih poskusov, a je iz njih potegnil bistveno bolj pomembne zaključke kot Anglež.
Lavoisier je namreč na podlagi odkritja kisika dokončno ovrgel teorijo o štirih elementih kot gradnikih vse materije, ki je veljala skoraj 2000 let. V naslednjih letih je z novimi poskusi prepričljivo pokazal, da zrak ni osnovni element, ampak zmes kisika in dušika. Prav tako je ugotovil, da je voda zgrajena iz vodika in kisika, ki sta prav tako elementarna plina. Tudi za gorenje je ugotovil, da je v resnici proces spajanja snovi s kisikom. Dva tisoč let stara teorija o vodi, ognju, zemlji in zraku kot štirih osnovnih elementih, iz katerih je zgrajen svet, je bila tako dokončno ovržena. Začela se je doba moderne kemije.
Žal pa Lavoisier pri novi revolucionarni oblasti ni bil pretirano priljubljen, saj je bil pred revolucijo visok uradnik v kraljevi davčni službi. Skupaj z drugimi uradniki so ga 8. maja 1794, ko je bil star 50 let, obsodili na smrt z giljotino. Veliki matematik Joseph-Louis de Lagrange je, ko je izvedel za usmrtitev kolega učenjaka, izjavil, da je potreben le trenutek, da »odrežejo glavo, kakršna morda še v sto letih ne bo ponovno zrasla«.
Po dobrem letu je revolucionarna oblast spoznala zmoto in velikega učenjaka posthumno pomilostila. Njegovo imetje so ženi vrnili in ji ob tem poslali le kratko obvestilo: »Za ženo Lavoisierja, ki je bil po krivem obsojen.«
