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第二天，刚刚处理完药房业务，舍勒便开始热情洋溢地检验自己的新想法。他重新察看了自研究火与燃烧以来，在实验室日志上写的所有记录，并重新做了其中一些实验，坚持不懈地研究烧瓶中一些物质燃烧后残留的空气。
这种空气原来是死的，毫无用处的。在这种空气中什么物质都没有燃烧的意愿。蜡烛熄灭了，好像它们被某个隐形人吹灭了一样，烧红的煤冷却了，燃烧的细木柴瞬间熄灭了，就好像被水浇灭了一样，甚至连易燃的磷也无法点燃。舍勒尝试着将几只老鼠放进一个充满这种死空气的瓶子里，结果这些老鼠立即窒息而死。这种气体透明、无色、无臭、无味，看起来和普通空气一样。
现在，舍勒把一切都弄清楚了，原来四周环绕包围着我们的普通空气根本不像自古以来人们所想象的那样，是什么元素。空气不是单质，而是两种迥然不同的成分的混合物。两种成分中，一种成分助燃，但在燃烧过程中销声匿迹，另一种成分在空气中占大部分，对火无动于衷，在可燃物质燃烧时纹丝不动，并完好无损地保存下来。如果空气仅由这一种成分组成，那么在我们的世界中就不会出现任何火花了！当然，与其说舍勒对空气的这一“没有生命”的部分更感兴趣，不如说对在燃烧过程中不知去向的活跃部分更感兴趣。他想：“能不能设法得到与‘无用空气’分离开的纯净‘活’空气？”原来是可以的。
舍勒回忆起自己不止一次无意中观察到，当烟灰的粉末飞过研制火药的硝石坩埚时，会突然燃烧。他很纳闷，为什么这些烟灰粉末在飞过沸腾的硝石时这么容易燃烧？是因为那部分助燃的空气恰好从硝石中冒出来吗？舍勒暂时搁置了其他实验，开始研究硝石。他熔化了硝石，然后将硝石和浓硫酸在火上蒸馏了一下，接着在没有加入浓硫酸的情况下，单独将硝石和硫一起捣碎，又和煤炭一起捣碎。药房的老板斜着眼，忧心忡忡地看着舍勒忙个不停，暗自思忖：“舍勒有一天会不会和整个药房一起飞向空中？毕竟，从硝石到火药已经不远了！”但是发生了截然不同的事情。
有一次，当药房老板向一位挑剔的顾客夸赞芥子膏如何物美价廉时，舍勒从实验室冲进了药房，摇晃着手里的空罐子，喊道：“火焰空气！火焰空气！”药房老板叫道：“天哪，发生了什么事？”他知道舍勒平时性格沉稳，如果这位实验员突然变得如此兴奋，一定是发生了什么可怕的事情。“火焰空气！”舍勒拍打着空罐子又重复了一遍，“走吧，给你们展示一下真正的奇迹。”
他将大吃一惊的药房老板和顾客一起拉到实验室，舍勒用铲子从火盆里铲了几块半熄灭的煤，然后打开手中的瓶子，将煤炭放到里面。那几块煤炭开始剧烈地迸发出白色火焰。舍勒自豪地解释道：“火焰空气。”
药房老板和顾客互相目瞪口呆地看着对方。舍勒拿出一根细木柴，将它点燃，又立即吹灭了，然后将其放入另一只装有“火焰空气”的瓶子中，几乎完全熄灭了的火再次闪耀地燃烧起来。
“这是什么魔法？”可怜巴巴的顾客几乎不相信自己的眼睛，含混不清地嘟囔道，“瓶子里什么都没有！”舍勒试着解释说：“里面是一种叫作火焰空气的气体，我是通过蒸馏硝石得到的，在周围的普通空气里这种气体仅占五分之一。”顾客眨了眨眼，什么都没看明白。但是，药房老板郑重其事地说：“抱歉，卡尔，你好像完全在胡说八道。谁会相信空气里除了空气本身之外，还有其他的成分呢？难道我们不知道空气到处都是一样的吗？当然，你用细木柴做的实验非常有趣，还能再演示一次吗？”
舍勒轻而易举地让隐隐燃着一点火的细木柴再次明亮地燃烧起来，但他无法让老板相信他的解释。人们习惯于将空气视为一种单质物质，因此很难让他们放弃相信这个观点。
说实话，连舍勒自己也感到奇怪，空气会由截然不同的两种气体组成——“无用空气”和“火焰空气”。与此同时，又没有必要对此表示怀疑。当舍勒用自己的双手将一部分“硝石”和四部分“无用空气”人工合成普通空气后，又怎么会对此有所怀疑呢？在这种化合物中，蜡烛燃烧得非常暗淡，老鼠平静地呼吸，就像是在四面八方包围着我们的空气中一样。
舍勒很快就学会了通过加热硝石来获得纯净的“火焰空气”的方法。他将干硝石倒入玻璃曲颈瓶中，然后将曲颈瓶放到炉子上加热，等硝石开始熔化时，他将一个挤瘪了的空牛尿脬拴在曲颈瓶的颈部。接着牛尿脬开始膨胀起来，里面充满了从曲颈瓶里导入的“火焰空气”，然后舍勒技术娴熟地将火焰空气从牛尿脬中导到玻璃罐、玻璃杯和烧瓶等其他容器里。
舍勒还发现了获取纯净“火焰空气”的其他方法，譬如，从水银的红色氧化物中获得，不过加热硝石的方法是所有方法中成本最低的，因此舍勒主要使用硝石制备用于实验的“火焰空气”。
他对这个新发现完全着了迷。这时，对舍勒来说没有比观看各种物质在纯净的“火焰空气”中燃烧更快乐的了。各种物质在里面迅速燃烧，发出耀眼的光芒，比在普通空气中燃烧时要明亮得多。在燃烧过程中，“火焰空气”会在容器中消失殆尽。
当舍勒试图在装有“火焰空气”的密闭烧瓶中燃烧磷时，这一情形表现得尤为明显。突然冒出的火焰如此耀眼，以至于刺得眼睛痛。然后，当烧瓶冷却下来时，他打算将其放到水中，但当触摸到烧瓶时，出现了震耳欲聋的破裂声，烧瓶在他的手中裂成碎片，四处乱飞。幸运的是，他没有受伤，而且镇定自若，并立刻猜到了爆炸的原因。在燃烧过程中所有的“火焰空气”都离开了烧瓶，在瓶中形成了一个完整的真空空间，因此烧瓶被外部空气的压力压碎了，就像钳子夹碎了空核桃壳一样。
舍勒第二次做含磷的实验时，更加谨慎了。他使用了结实的厚壁烧瓶，可以完全承受足够大的大气压力。当磷燃烧殆尽，待烧瓶冷却后，舍勒把瓶口浸入水中，想看看里面还剩多少“火焰空气”，但是他无法拔出软木塞。显然，烧瓶里形成了真空，所以空气通过强大的压力将软木塞压入了烧瓶口，就像有人用铁钳夹着它一样。在这种情况下，舍勒决定将软木塞摁到瓶子内部，他一下子就弄进去了。刚把塞子推进去，玻璃缸中的水就立刻从下往上涌入烧瓶，并且充满了瓶子。他终于确信，在燃烧过程中“火焰空气”消失殆尽了。
舍勒还尝试过从牛尿脬中直接吸入纯净的“火焰空气”，然而他没有什么特别的发现，似乎和平时呼吸没有什么两样。从实际说，“火焰空气”当然要比普通空气更容易呼吸。现在，这种气体被用于对重病和垂死患者的治疗是不无理由的，不过现在它不是被称为“火焰空气”，而是叫作氧气。