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从前两章所述可知，我们的大气是由在常温常压下能够保持气体或汽化状态的各种物质的混合物组成的。从某种程度上来讲，这些流体构成性质均匀的气团，气团由地球表面扩散到至今能达到的最大高度，其密度与压在上面的气层重量成反比地逐渐减小。不过，正如我在前面所观察到的，地表气层可能被完全不同的流体所组成的另外几个气层所覆盖。
本章的主要目标是，尽力通过实验去确定构成我们生存环境的地表气层的弹性流体的性质。现代化学已经在这一研究上取得了重大进展；由下面的详细叙述我们可以看出，与确定其他任何物质的分析法相比，人们已更为严格地确定了对大气中空气的分析法。有两种确定物质组成要素的一般化学方法，即分析法和合成法。例如，当我们将水与乙醇化合形成各种酒——也就是商业术语中的白兰地或葡萄酒，我们当然可以确定白兰地或葡萄酒是由乙醇与水化合制成的；我们还可以通过化学分析法得出同样的结论。总之，采用这两种化学方法得到的分析结果必须一致才能确定物质的组成要素，这应该被视为化学科学的一项基本定理。
既能够将其分解，又能够以令人满意的方式重新形成新的空气，这是我们在空气组成分析方面具有的有利条件。然而，本章仅对与主题有关的且极具结论性的一些实验进行介绍；可以确定这些实验大多数是由我本人所做的，我以全新的视角来分析空气的组成，这其中有些是我首创的，有些是我借鉴了其他人的实验。
取一个容量约为36立方吋的球形瓶（A，图版Ⅱ，图14），长颈BCDE 的内径为6～7吩（前已注），颈部弯曲如图版Ⅳ图2所示，以便将其放置在加热炉MM´NN´中，使其颈部E的末端可以插入钟形玻璃罩FG中，把它放置在汞槽RR´SS´中；再用一根虹吸管向球形瓶内导入4盎司纯汞，排出容器FG中的空气以使汞液位上升至LL´，并贴一张注明这个高度的纸条。在准确记录了温度计和气压计的高度数值之后，我点燃炉子MM´NN´中的火，持续加热了差不多十二天，使汞液几乎始终处于沸腾状态。第一天没有发生异常情况：汞液虽然没有沸腾，但一直在蒸发，容器的内表面覆盖着微滴汞液，这些汞滴起初非常微小，随后逐渐增大至足够的体积，最后落回到容器底部的汞液中。第二天，汞液表面开始出现红色的细小颗粒，在接下来的四五天，这些颗粒的大小和数量逐渐增加；之后，体积与数量方面的增加都停止了。第十二天末，由于看到汞的煅烧程度没有丝毫增加，我便停止了加热并让容器冷却。球形瓶的瓶体和瓶颈以及玻璃罩中的空气压力减少至气压计刻度的28吋处，温度计上的读数为10°（54.5°），而实验开始时空气体积约为50立方吋。在实验结束时，减少到相同的介质压力和温度，剩余的空气只有42～43立方吋；因此它失去了大约1/6的体积。之后，我从汞液中收集实验期间所形成的所有漂浮着的红色颗粒，发现这些颗粒重量一共达到了45格令（1格令约合0.0648克）。
由于在一次实验中，很难保留我们所处理的全部空气，也很难收集到在煅烧过程中形成的全部红色颗粒或汞灰，因此，我不得不多次重复这个实验。而且，在后面的实验中，也经常会出现这样的情况，我即将对一个细节给出两三个性质相同的详细实验结果。
在这个实验中，汞煅烧后剩余的空气减少到原来体积的5/6，既不再适于呼吸也不再适于燃烧；放入其中的动物在几秒之内便会窒息而死，而且当把点燃的蜡烛插入容器内，它就会像被浸入水中一样瞬间熄灭。
接下来，我取在实验中形成的45格令红色颗粒，把它们放入一个小玻璃曲颈烧瓶中，取一个适当的装置来回收可能被提取的液体或气体产物：用加热炉加热烧瓶，我观察到红色颗粒随着温度的升高，其颜色逐渐变深。当烧瓶几近炙热时，红色颗粒的体积开始逐渐减少，几分钟后就完全消失了；同时在接收瓶中收集到41½格令的液态汞，在玻璃钟罩中收集到7～8立方吋的气态弹性流体，该流体要比大气空气更适于呼吸和燃烧。
普利斯特里的实验室
图为普利斯特里在伯明翰的实验室，其分解出氧气的那场著名实验就是在这里完成的。普利斯特里笃信“燃素说”，即使他在分解氧化汞的实验中发现了新的气体（氧气），他也认为这是“脱燃素气体”。因此生物学家居维叶说：“普利斯特里是现代化学之父，而他却不承认自己的亲生‘女儿’！”由于普利斯特里同情法国大革命，这所房子不幸遭到暴徒的攻击而焚毁，他本人也不得不移居美国。
取一部分的这种气体置于直径约为1吋的玻璃试管中，显示出如下性质：小蜡烛在其中燃烧并发出耀眼的光芒，木炭也不像它在普通空气中那样缓慢地变成灰烬，而是像磷一样伴随着闪爆声，火焰腾起燃烧，发出耀眼到使人的眼睛几乎难以忍受的白光。普利斯特里（Priestley）先生、舍勒先生以及我本人几乎同时发现了这种气体。普利斯特里先生给它取了个名字，叫作“脱燃素气体（dephlogisticated air）”，舍勒先生把它称作“超凡空气（empyreal air）”。起初我把它命名为“极适宜于呼吸的气体（highly respirable air）”，后来则用“生命气体（vital air）”这一术语来代替它。下面大家就会明白，我们应当如何理解这些名称。
在对这个实验过程进行思考时，我们可以很容易地发现，汞在煅烧过程中吸收了空气中有益于健康及适于呼吸的部分，或者更严格地说，吸收了这种适于呼吸部分的基质；剩余的气体是一种不能支持燃烧或呼吸的有害气体；因此大气是由两种性质不同的弹性流体组成的。作为这一重要真理的证明，如果将这两种弹性流体（我们在上述实验中分别获得的），即42立方吋的有害气体与8立方吋的适于呼吸的气体重新组合，它们就会产生一种与大气相似的气体，并且这种气体具有几乎相同的适于燃烧、呼吸以及促进金属煅烧的能力。
构成大气的两种主要弹性流体彼此独立存在，尽管这个实验为我们提供了获得它们的方法，但它并没有给我们一个确切的概念来说明这两者在大气构成中的比例：汞对空气中可呼吸部分的黏附力或者说对其基的吸引力，还不足以克服所有阻碍这种化合的因素。这些障碍就是大气中的两个组成部分的相互黏附力，以及将生命空气与热素混合在一起的选择性吸引力；由于这些原因，当煅烧结束时，或者至少在给定数量的大气中的煅烧尽可能地进行得很完全时，仍然会剩余一部分适于呼吸的气体与有害气体混合在一起，而汞却无法将其分离出来。后文我将说明，至少在我们所生存的大气环境中，空气是由比例为27∶73的适于呼吸的气体和有害气体组成的；之后我还将进一步讨论，就这个比值数据的准确性而言，仍然存在不确定性的各种原因。
由于汞的煅烧使得空气被分解，其适于呼吸的部分基被固定并与汞化合，因此从已经确立的各原理可以推定：在这个过程中，热素和光必定被释放出来。不过以下两个原因妨碍了我们去感觉这种情况的发生：第一，由于煅烧持续了数天，因此热素和光的分离在相当长的时间内展开，而在每一特定时刻就变得非常微弱，以至于人们无法察觉；第二，依靠加热炉中的火进行加热操作，煅烧自身产生的热素与来自加热炉的热素产生了混淆。我或许添加了适于呼吸的部分气体，或者确切地说是其基，这部分气体在开始与汞化合时不会释放由它最初所容纳，但在形成新化合物后仍保留一部分的热素；不过关于这一点的讨论以及实验依据不属于本章探讨的主题。
如果气体的分解能以更快的方式发生，热素和光的释放就能很容易被感知到。铁非常符合这一要求，因为它对适于呼吸气体的基的亲和力比汞要强。英根豪茨（Ingenhouz）先生巧妙设计的铁燃烧实验，在化学界是众所周知的。我们取一段细铁丝，把它弯曲成螺旋形BC（图版Ⅳ，图17），将B端固定在软木塞A中，软木塞A的大小与细口瓶DEFG的瓶颈相适合，将铁丝的C端固定少许引火物。这样准备好后，让细口瓶DEFG 充满已除去有害气体的剩余部分；然后点燃固定在铁丝上的引火物，将其迅速插入瓶中，并用软木塞A将瓶密封好，如图（图版Ⅳ，图17）所示。引火物一旦与生命空气接触，立刻开始剧烈燃烧；而且当烧至铁丝时，铁丝也随机着火并迅速燃烧起来，闪着耀眼的火花，呈小圆球状的火星落至容器底部。这些火星在冷却后变黑，但仍保留了一定程度的金属光泽。经如此燃烧后的铁丝甚至比玻璃更脆，且易碎成粉末，但仍然可被磁铁吸引，不过磁引力量不如燃烧前强。由于英根豪茨先生既没有研究铁燃烧前后所发生的变化，也没有研究这个实验所引起的气体性质的变化。因此，我就用一套适合于阐明我独特见解的装置，在各种条件下重复了这个实验，实验如下：
在一个大约6品脱（1品脱=568.26125mL）容积的钟形玻璃罩A（图版Ⅳ，图3）里装满了纯净空气，或者是空气中极适于呼吸的部分，之后我用一个非常扁的平底托盘容器把玻璃罩移入汞液浴槽BC中，并用吸墨纸将玻璃罩内外表面的汞仔细擦拭干净。在一个又扁又平的小瓷皿D中，放入若干个扭转成螺旋形的小铁片，以看上去最有利于燃烧的方式放置。在其中一块铁片的末端固定一小块引火物，在引火物上加上约1/6格令的磷，然后稍微抬起钟形玻璃罩，将装有铁片等物的瓷盘放进纯净的空气之中。我知道，以这种操作方式，必然会使一些普通空气与玻璃罩中的纯粹空气混合；但如果操作足够快的话，混入的量就微乎其微，无碍于实验的成功。最后，使用虹吸管GHI从玻璃罩中吸出一部分气体，使玻璃罩内汞液面上升到EF；为了防止汞液进入虹吸管，在虹吸管的末端塞入一小块纸团。在吸出空气时，如果只借助肺部的运动，我们无法使汞液面上升到1～1.5吋以上；但是如果适当使用口腔的肌肉运动，我们即可以毫不费力地使汞液面升高到6～7吋。
之后取一段铁丝M（图版Ⅳ，图16），为了方便实验，我们让其适当弯曲，并在火中烧红后通过汞液伸入玻璃罩内，将引火物上附着的磷点燃。燃烧的磷立即点燃了引火物，随后铁片也被点燃。如果铁片放置合理，就会全部燃尽，直至最后一颗小铁粒，整个过程会闪出类似中国烟花的耀眼白光。这种燃烧产生的高温将铁片熔化成大小不一的小圆球，其中的大部分落入瓷杯中，但有一部分飞溅出并飘浮在汞液表面上。燃烧开始时，由于高温引起的膨胀，使玻璃罩内的空气体积略有增加；但很快，空气就迅速减少，玻璃罩内的汞液面上升；如此，当铁片足量且实验空气纯度够高时，几乎所有的空气都会被吸收。
在这里应该注意的是，除非是以探索为目的实验设计，否则燃烧所需的铁片最好适量；因为当实验铁片过多时，燃烧会吸收大量空气，浮在汞液面上的瓷杯D就会太接近钟形玻璃罩底部；燃烧产生的大量热素会使玻璃罩迅速升温，并在接触到冷汞后又突然冷却，很可能使玻璃罩发生破裂。在这种情况下，即使玻璃罩产生非常细小的裂缝，汞也会瞬间大量喷射而出，引起液面位置瞬间下降。为避免此类失误，确保实验成功，在一个能容纳约8品脱空气的玻璃钟罩内放置1.5格罗斯量的铁片就够了。而且，玻璃钟罩应坚固到能承受它必须支撑的汞柱重量。
我们不可能仅通过一次实验，便能既确定铁片燃烧后增加的重量，又确定气体中发生的变化。如果想确定铁片增加的重量，以及该重量与吸收的空气之间的比例，我们就必须仔细地用金刚石在玻璃钟罩上刻下实验前后汞液的高度
。此后，像前面的实验一样，用一小块纸团塞住虹吸管末端防止汞液回充虹吸管GH（图版Ⅳ，图3），将虹吸管一端插入玻璃钟罩之下，并用大拇指压在虹吸管的G端以控制进气速度；用这种方法让空气逐渐进入，使汞液位降至其水平线。操作时，要小心地移动玻璃钟罩，准确地收集落在杯子中、散落在周围以及浮在汞液面上的小铁球，并将其一起进行称重。我们将发现，燃烧后的铁粒具一定程度的金属光泽且非常易碎，使用小锤或研磨棒研磨很容易将其变成粉末，古代化学家将其称为磁性氧化铁（玛尔斯黑剂）（martial ethiops）状态。若实验非常成功，100格令铁燃烧后能得到135～136格令的黑剂，重量共计增加了35 %左右。
如果仔细观察这些实验数据，我们就会发现减少的空气重量与铁增加的重量正好相等。因此，100格令铁在燃烧后重量额外增加了35格令左右，减少的空气量正好是70立方吋；然后我们会发现，每立方吋生命气体的重量几乎就是半格令，因此一种物质增加的重量实事上恰好与另一种物质失去的重量相等。
我在这里仅说一次，在每类实验前后，空气的压力和温度在计算中都必须换算成法式温度计上的10°（54.5°）和气压计上的28法制吋这些共同标准。有关进行这种必要换算的详细方法，请翻阅本书末尾的附录部分。
如果需要检验实验结束后剩余空气的性质，我们必须以某种不同的方式来进行。在燃烧结束及容器冷却后，首先将手伸入玻璃钟罩的汞液中，取出瓷杯和燃烧过的铁；接下来我们导入一些草碱、苛性碱或草碱硫化物的溶液，或经验证合适的物质来检验残留空气的性质。我将在后面的章节中介绍这些气体的分析方法，同时会解释在这里只是偶然提及的不同物质的性质。经过这样检验，我们必须在玻璃钟罩中放进大量的水以取代汞液，然后把一个平底托盘放置在玻璃钟罩下面，将其移到普通的水封气体化学装置中，在这里可以很方便地对剩余空气进行详细研究。
如果实验中使用的铁片足够纯且十分柔软，而且其是在适于呼吸的高纯度空气或生命气体中燃烧，那么我们就会发现，燃烧之后剩余的空气与燃烧之前的一样纯净，完全没混进有毒或有害的部分；但是，我们很难找到完全没有碳化的铁，碳化物是钢铁炼制的必要成分。也极难获得完全不含某种有害部分的高纯度空气，高纯度空气几乎总是含有部分有害气体；但是这种有害气体对实验结果没有丝毫影响，因为总是发现它在实验前后所占总重比例相同。
我们在前面提到过，有两种方法可以确定空气的组成：一种是分析法；另一种是合成法。汞的煅烧为我们提供了使用这两种方法的例子，因为用汞液消耗了容器底部空气中适于呼吸的部分后，我们又将它恢复了原状，重组了与空气比例完全相同的气体。但是，从不同自然物体借用组成空气的材料，同样可以合成这种大气的成分。我们将在后文看到，当动物物质在硝酸中溶解时，就会释放出大量可使蜡烛熄灭和也不适于动物呼吸的气体，而这些气体恰恰与大气中有毒或有害部分的性质完全相似。而且，如果按重量取73份这种弹性流体，并将其与27份从煅烧汞液中获得的高纯度适于呼吸的气体混合，就形成所有性质都与大气中的空气高度相似的弹性流体。
还有多种其他方法可以将大气中适于呼吸的部分与有害的部分分离，只是它们都属于后续章节内容，在本章中就不多费笔墨了。就物质性质分析而言，已经引证的实验对于一部基础论著来说已经足够了，而且有效性远比数量的多少重要。
在本章最后我要指出的是，大气中的空气和所有已知气体都具有溶解水的性质，这种属性极为重要，在所有这种性质的实验中都要引起足够的重视。索修尔（Saussure）先生通过实验发现，1立方呎的空气能够容纳12格令的液态水；其他气体，如碳酸气体，似乎能够溶解更多的水，但仍然缺乏实验依据来确定它们的准确比例。这种气体所含有的水分在许多实验中引起了特殊的现象，而应当重视的是，这些现象通常是证明化学家们在验证其实验结果过程中出现重大失误的根源。