當用燃素說解釋燃燒現象時，則可以認為一切與燃燒有關的化學變化都可以歸結為物體吸收燃素和釋放燃素的過程。煆燒金屬，燃素逸去，變成煆渣；煆渣和木炭共燃時，煆渣又從木炭中取得燃素，金屬重生。燃燒硫磺，燃素逸去，變成硫酸；硫酸和鬆節油共煮時，又從鬆節油裏奪回燃素，硫酸又被還原成硫磺。在燃素說看來，物體中含有燃素越多，燃燒起來就越旺，比如說：油脂、炭黑、硫、磷就是極富有燃素的物質。“燃素”的含義似乎與火微粒相像，但要知道，他們兩方對金屬煆燒過程的解釋卻恰恰相反，按照燃素說，其過程可以表示為：金屬-燃素=煆灰。
燃素說雖然比煉金術能解釋更多定性的化學現象，但是它同煉金術一樣不能解釋金屬煆燒增重的事實。既然金屬在煆燒時要逸出燃素，為什麼煆渣的重量反倒增加了呢?為了說明這一點，人們不得不加給燃素一些神秘莫測的性質。有人說，燃素是和地心相排斥的，具有負重量，因此金屬失去燃素時，重量反而增加了。有人說，金屬失去燃素，就好像活著的人失去靈魂，死了的屍體比活著的軀體要重，死的灰渣自然就比活的金屬重。
機械論者看不到燃燒現象的本質，任意杜撰了一個由莫須有的“火微粒”所造成的燃素。然而，用燃素又不能解釋全部燃燒現象。怎麼辦?在科學還深深禁錮在神學之中的曆史情況下，形而上學的機械論隻好轉向傳統的神秘論求救，以為隻要給燃素這個“臆想出來的”物質再加上一些臆想出來的神秘特性，就可以把它變得像靈魂一樣神通廣大。所以，在燃素說中還深深地遺留著“萬物有靈論”的痕跡。這樣，它當然經不起實踐的考驗。經過人們多方探索，結果誰也沒能拿到燃素，特別是人們對化學反應更多地進行了定量研究後，越來越使燃素說陷入了無法克服的困境。
燃燒和空氣
中國有句俗語叫“火仗風勢”，意思是說空氣流通越好，火著得越旺，沙土能夠熄滅熊熊燃燒的火，就是因為沙土將空氣和火分離開了，從而使火熄滅的緣故。火和空氣往往是不可分的，要燃燒總要有空氣。所以要對燃燒現象有比較深入的了解，就要知道燃燒和空氣的關係，揭示火與氣的內在聯係。
實際上，遠在古代，人們早就在日常生活和生產實踐中，掌握了鼓風助燃的道理。鼓風就是鼓空氣，空氣鼓得越足，火焰也越旺盛。但是，在整個古代，人們對自然現象還缺乏細致的分析。火和空氣到底有沒有關係呢?有許多人看來，還是個謎。直到後來有一次，波義耳把一個玻璃瓶中的空氣抽成真空狀態，再在這個抽成真空的瓶中點燃蠟燭、焦炭、硫磺等可燃物體，結果發現它們都不能燃燒，完全失去了燃燒能力。他發現，火焰不能在這個抽成真空的瓶中存在。這樣，人們才意識到火和空氣之間原來是有著必然聯係的。
火和空氣有聯係，那麼是什麼樣的聯係呢?在17世紀下半葉，英國的物理學家和化學家胡克曾對此問題有過研究。在他看來，空氣好比一種溶劑，燃燒就是可燃性硫在空氣中溶解的過程。當可燃性物體中的硫大量地溶解到空氣中去的時候，產生了許多熱，這就是火。在燃素說發展起來以後，空氣就十分自然地變成了燃素的溶劑。有空氣，燃素就能溶解出來；沒有空氣，燃素自己不會從物體中跑出來。所以，直到18世紀上半葉，人們對空氣的認識還相當籠統和模糊。空氣是“空氣”，其他氣體也是“空氣”。一說起“空氣”就是一種包羅萬象，籠統稱之為“氣”元素。麵對這樣的混亂局麵，總有些人設法去改變它。
1755年，英國的化學家布拉克做了一個實驗，通過這個實驗他發現了“固定空氣”即二氧化碳(也叫碳酸氣)，這才把籠統的“氣”元素打碎了。布拉克把石灰石放在容器中煆燒，煆燒前後分別稱其重量，結果發現，煆燒後石灰石的重量減少了44%，他斷定這是因為有氣體放出的緣故。石灰石是燒石灰的原料，他又將石灰石放入酸中，發現石灰石遇到酸還會“吱吱”冒氣，為什麼石灰石遇酸會冒氣呢?這種氣體是什麼?布拉克用集氣瓶把這種氣體收集起來，並用石灰水吸收它，結果澄清的石灰水由於吸收了這種氣體卻變得混濁起來。再把點燃的蠟燭放在盛有該氣體的集氣瓶中，蠟燭馬上熄滅。這種氣體果真厲害!於是布拉克想，它既然有這麼大的威力，看看它對有生命的東西會怎樣?他把麻雀和老鼠等小動物拿來，然後把它們一一放到盛有這種氣體的集氣瓶中，結果，麻雀也好，老鼠也好，沒有一個可以幸免於死，它們先是痛苦地掙紮著，隨後便慢慢地倒在瓶裏，再也不能動彈了。布拉克覺得這種氣體實在是值得研究，於是想把它收集起來，當他用一瓶盛有石灰水的瓶子來收集這種氣體時，他又發現，這種氣體的重量與煆燒時放出來的氣體重量相等。很顯然，這種氣體與尋常的空氣不一樣。由於這種氣體是固定在石灰石中，當時布拉克就叫它“固定空氣”。以後，布拉克又以碳酸鎂做了類似的實驗，發現鎂石中也存在“固定空氣”。這樣，在布拉克實驗的啟迪下，人們不久就發現，“固定空氣”不僅存在於石中，動物呼吸中也有，而且木炭燃燒時也有“固定空氣”生成，在大氣中也常常包含著“固定空氣”的成分。“固定空氣”既固定又不固定。
在燃素說看來，石灰石煆燒失重，變成堿性的石灰，完全是石灰石在煆燒時吸收了燃素的結果。然而，聯係到石灰石遇酸冒氣的事實，在對石灰石的煆燒過程進行了大量的研究以後，布拉克斷言，石灰石的失重，石灰的堿性，都是由於失去了酸性的“固定空氣”所引起的，而與吸收不吸收燃素沒有絲毫的關係。這一發現無疑是對燃素說的一個沉重的打擊。
但是由於“固定空氣”易溶於水，因此布拉克等始終未能收集到純淨的這種氣體。直到1766年，英國人卡文迪許才用汞槽法收集這種氣體並取得成功。卡文迪許測定了“固定空氣”的比重和溶解度，並用確鑿的實驗證明了它和動物呼出的氣體，以及木炭燃燒後產生的氣體相同。這種氣體後來人們稱它為二氧化碳。就這樣，人們在大量的科學實驗的基礎上，發現了二氧化碳氣體，從此人們對火和燃燒現象的認識也便走向科學的軌道上來。
二氧化碳的發現，揭開了氣體化學的序幕。從此，一係列的氣體陸續從空氣中分離出來了。
卡文迪許在測定了二氧化碳的一些性質以後，又開始繼續他的定量的實驗研究。他用鐵和鋅等作用於鹽酸及稀硫酸製得了氫氣，並用排水集氣法收集了起來。他在實驗中發現，用一定量的某種金屬與足量的各種酸作用，所產生的氫氣其量總是固定的，與所作用的酸的種類無關，也與酸的濃度無關。有一次，他將收集到的不純的(混有空氣)氫氣用火點燃，結果，“轟”的一聲爆鳴聲嚇了他一跳，這可是以前沒有發現的現象。於是卡文迪許認識到這種氣體和其他已知的各種氣體都不同，它既不像空氣那樣有利於燃燒，也不像“固定空氣”那樣能被堿吸收，它本身卻能在空氣中燃燒，且發出輕輕的爆鳴聲，他把這種新發現的氣體——氫氣，叫做“可燃空氣”。
這種氣體是從哪裏來的呢?從製作方法上看，它不是從酸中而來，就是從金屬中而來，卡文迪許認為這種氣體不是酸中產生的，而是由金屬中分解出來的。由於卡文迪許是燃素說的虔誠信徒，他認為金屬中含有燃素，金屬在酸中溶解的時候，他們的燃素便釋放了出來，形成了“可燃空氣”——氫氣。他甚至誤認為氫氣就是燃素。
二氧化碳的發現，否定了燃素說對石灰石煆燒失重的解釋，而氫氣的發現卻又成了論述燃素存在的新證據。燃素到底有沒有?氫氣真的是燃素嗎?燃燒的原因到底是什麼?這一連串的問題成了當時的大問題，它迫使化學家們繼續不斷地向前探索。
18世紀70年代，法國已經進入了資產階級革命的前夜，在英國，一個大規模的工業革命高漲時期已經到來。社會的進步有力地促進了工業生產的新高潮，工業機械化的需要對冶金工業，特別是鋼鐵工業，在數量和質量上都提出了新要求。而要提高金屬的質量，第一步就必須弄清楚在鼓風爐裏發生著的化學過程的全部細節。
一般說來，鼓風爐裏，不外總是礦砂和焦炭在燃燒。但誰都知道，不鼓風，沒有空氣的幫助，礦砂、焦炭本身是燒不起來的。在各種物質中間燃燒關係最大的還是空氣。這樣，人們再也不能忽視空氣的作用了。正如有些科學家所斷言的那樣：“要作出有關火的現象的任何真實的判斷，沒有空氣的知識是不行的。”為了了解燃燒的本質，人們的注意力就愈來愈多地集中到空氣上來了。
對空氣的深入剖析，首先是從考察二氧化碳即“固定空氣”的來曆入手的。為什麼木炭在空氣中燃燒會生成二氧化碳，二氧化碳本身又是什麼?1772年，英國的盧瑟福對空氣進行了初步的剖析，進行了一係列的實驗研究。
有一天，盧瑟福將一隻小老鼠放進了一個密封的容器裏，然後觀察老鼠的反應。起初的時候，小老鼠艱難地喘息著，漸漸地呼吸越來越困難，最後可憐的小老鼠就悶死在器皿中。等這一切都發生過了，盧瑟福發現容器內空氣的體積比以前減少了，容器內剩餘氣體再用堿溶液來吸收，氣體還會繼續減少。這說明容器中的空氣含量中，有一部分是氧氣，小老鼠吸收完這些氧氣後，就再也得不到生命所必需的氣體——氧氣而一命嗚呼了。還有一部分就是能被堿液吸收的碳酸氣，也就是二氧化碳。
盧瑟福就是用這種方法除去空氣中的氧和二氧化碳，並且對剩餘氣體作進一步的實驗研究。他在老鼠不能生存的空氣裏點起一支蠟燭，蠟燭仍然可以隱隱發光；等到蠟燭熄滅後，往其中投入一小塊磷，磷還會發光燃燒。通過這些實驗現象，他覺得要從空氣中除淨這些助燃燒和助呼吸的氣體是很困難的。以後，他又在密閉的器皿中，利用燃燒磷來除去這種助燃燒和助呼吸的氣體，發現效果很好。盧瑟福並沒有因找到了除淨空氣中的氧的辦法而終止他的實驗。他又繼續做了大量的實驗研究，發現器皿中的剩餘氣體不但能滅火，而且還不能維持動物的生命，他給這種剩餘氣體起名叫“濁氣”。他所說的“濁氣”其實就是氮氣。“濁氣”為什麼能滅火呢?盧瑟福有自己的理論，他認為“濁氣”是給燃素飽和了的空氣，意思是說，因為它已吸足了燃素，因此失去了助燃能力。