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普里斯特利的重大贡献是发现氧和其他气体。1772年发现了二氧化氮；1773年发现氨；1774年发现二氧化硫。1774年他利用一个大凸透镜，把阳光聚焦起来，加热氧化汞，用排水集气法收集产生的气体，并研究了这种气体的性质。他发现蜡烛在这种气体中以极强的火焰燃烧；老鼠在瓶中存活时间为相同容积的普通空气的两倍。他并用玻璃吸管从放满这种气体的大瓶里吸取它，感到十分轻松舒畅。普里斯特利是第一位详细叙述了氧气的各种性质的科学家。由于他是燃素说的信徒，遂推断出新气体必然含有极少的燃素或不含燃素，称它为“脱燃素空气”。同年，普里斯特利将氧气的制法和性质告诉拉瓦锡。后者重复了这些实验，指出普里斯特利制出的气体不是“脱燃素空气”，而是能够助燃的氧气。拉瓦锡还提出了燃烧反应的氧化学说。但是普里斯特利却一直不接受拉瓦锡的理论，坚持错误的燃素说。他的著作有《电学史》(1766)、《光学史》(1772)和《各种空气的实验和观察》(1774～1777)辨乎照等。1772年普里斯特利还发明了制造碳酸饱和水的设备，成为制造碳酸饮料的始祖。他不仅研究了水的碳酸化，还研究了葡萄酒和啤酒的碳酸化。他指出水碳酸化后便产生一种令人愉快的味道，并可以和水中其它成分的香味一同逸出。他还强调碳酸水的医疗价值。
他的父亲约万斯·普里斯特利经营着这个收入微薄的小农庄，兼营毛织品的加工和裁缝，以维持一家人的生活；约瑟夫·普里斯特利是家中的长子，由于家境艰难，同外公、外婆一起度过了大部分童年。1739年，他的母亲去世了，他又被送到姑母家里居住。姑母家里经营着一个大农庄。普里斯特利在那里不用干活，任务就是学习。姑母一心要把他培养成一名神甫。但是，他的优裕生活没过上几年，姑夫就突然病逝了。
自幼漂泊不定的生活，养成了普里斯特利善于独立思考的性格。18岁那年，由于经常与基督教的牧师来往，他遭到了姑母的激烈责备。从此，他成了家庭的叛逆者。
普里斯特利刻苦好学，兴趣广泛。他曾学过古文、数学。自然哲学导论等，后因体弱多病，中断过一段学习，待康复后，他进入了考文垂的非国教的高等专科学校。因为他学习勤奋刻苦，成绩超群，学校同意他免修一、二年级的部分课程。他在后来的学习中，深感自己的数学与德语基础太差，又主动要求学校允许他补学了这两门。在学校里，他学会了希伯来文、希腊文和拉丁文，加上他在神学方面的广博知识，他常常同那些信仰传统宗教的人们进行辩论，并且总是占上风。以后，他做过教师，也当过牧师。在沃灵顿的非国教高等专科学校里，他讲授过语言学、文学、现代史、法律、口才学及辩论学等，甚至教过解剖学，他曾编著出版过《基础英语语法》和《语言学原理》，写过《口才学和辩论学讲义》。普里斯特利建议学校课程更多地以公民历史和政策为中心，包括法律、政府和商业理论，而不是更传统的课程。1764年，爱丁堡大学授予他法学博士。从此，他开始了科学生涯，著有《电学史》一书，1766年他被推荐为英国皇家学会的会员。
普里斯特利的第一个主要计时作品是1765年的传记图表。这张图描绘了3000年来约2000位历史人物的寿命，分为六个领域：历史学家、古董学家和律师、演说家和评论家、艺术家和诗人、神学家和元物理学家以及政治家和勇士。
普里斯特利随后将注意力转向历史事件，在这方面，他深受杰弗里斯的《世界历史图表》（1753）的影响，其中唯一已知的例子是大英图书馆。Jefferys图表的意义在于将表格格式与民族和帝国的盛衰相结合，将其作为连续的彩色块，而不是列出离散事件的单元格。虽然这失去了细节，但最大的优势是，人们可以一眼看到帝国的兴衰“这张图表旨在展示历史，或清晰地展示每个重要帝国或国家的崛起、发展、范围和持续时间。”
在他的《新历史图表（New Chart of History）》（1769年）中，普里斯特利通过引入一致的时间尺度来完善杰弗里斯的方法，杰弗里斯的版本以公元1000年之前的时代为特征。普里斯特利还引入了各种有用的视觉惯例，以澄清国家和帝国的起源和终结。
“每一个独立的国家或省份都由一个以平行于地平线的线为界的空间来表示。一个空间以实线结束，表示其被征服而被另一个国家吞并。如果以虚线结束，则表明其加入不是暴力而是和平的。在任何情况下，虚线都表示不确定性。非常伟大的帝国的遥远部分都用颜色来区分。”
在另一项创新中，Jefferys的图表是从上到下，Priestley旋转了他的图表，使时间轴从左到右的顺序行进。这具有与西方写作和阅读模式相匹配的巨大优点，同时也传达了启蒙运动将历史视为一种以前进为标志的叙事。他将这张图表献给了他的朋友和支持者本杰明·富兰克林，他一定很欣赏这一荣誉和普里斯特利的独创性。[6]
图片：[3-5]
1762年，普里斯特利与玛丽·维尔金逊结了婚。他的妻子是当时英格兰最大的铁器制造商艾萨克的女儿，婚后，普里斯特利仍然专心地埋头科学研究。到了1767年，由于他们的儿女先后出世，家庭经济负担加重。加上各教派之间的矛盾日益尖锐，普里斯特利就放弃了教师职业，重新当上了牧师，家庭收入虽增加不多，但他却有了更多的空闲时间自由地从事科学研究和著书立说。《电学史》一书就是这个时期写成的。他不仅用通俗的、准确而生动的语言概述了关于电现象研究的完整历史，而且还具体地描写了各种不同的试验情况。不久，他痛感自己缺乏化学方面的知识，于是把兴趣由物理移向了化学。在化学领域中，他首先对空气发生了兴趣，思考着不少有关空气的问题。例如，为什么放在封闭容器中的小老鼠，几天后就会死去。容器中本来有空气，老鼠为什么不能长期活下去。学生时代他参观啤酒厂时，发现有一种能使燃着的木条立刻熄灭的空气，这种空气就存在于发酵车间内盛啤酒的大桶里。因此，他怀疑是不是存在着好多种空气。“为了弄清这些问题，普里斯特利进行了多种有趣的实验。例如，他点燃一根蜡烛，把它放到预先放有小老鼠的玻璃容器中，然后盖紧容器。他发现：蜡烛燃了一阵之后就熄灭了，而小老鼠也很快死了。这一现象使普里斯特利想到，空气中大概存在着一种东西，当它燃烧时空气就会被污染，因而成为不能供动物呼吸，也不能使蜡烛继续燃烧的“受污染的空气”。为了证明这一想法的正确与否，他设想，能否把受污染的空气加以净化，使它又成为可供呼吸的空气呢。他为此做了一个新的实验。他用水洗涤受污染的空气，其结果使他大为惊异，他发现，水只能净化一部分被污染的空气，而另一部分未被净化的空气，还是不能供呼吸，老鼠在其中照样要死去。
善于思考和钻研问题的普里斯特利进一步想到，动物在受污染的空气中会死去，那么植物又会怎样呢。对此，他设计了以下实验：把一盆花放在玻璃罩内，花盆旁边放了一支燃烧着的蜡烛来制取受污染的空气。当蜡烛熄灭几小时后，植物却看不出什么变化。他又把这套装置放到靠近窗子的桌子上，次日早晨发现，花不仅没死，而且长出了花蕾。由此他想到，难道植物能够净化空气吗。为了验证这一想法，他尽点燃了一支蜡烛，并迅速放入罩内。蜡烛果然正常燃烧着，过了一段时间才熄灭。当时，科学家们把一切气体统称为空气。为了确定究竟有几种空气，普里斯特利曾多次重复自己的实验。他认为，在啤酒发酵、蜡烛燃烧以及动物呼吸时产生的气体，就是早先人们所称的“固定空气”（实则二氧化碳）。他对这种“固定空气”的性质做了深入研究。他证明，植物吸收“固定空气”可以放出“活命空气”（实则氧气）。还发现“活命空气”既可以维持动物呼吸，又能使物质更猛烈地燃烧。
由此，普里斯特利想设法制取这种“活命空气”。当时已知硝石也能助燃，于是他想：“也许硝酸能够把它分离出来。或者，把沾有稀硝酸的铜丝加热，也许可以放出活命空气。”他沿着这一思路，埋头进行各种实验。他取了一根一端封闭的玻璃管，装入水银，用手指堵住管口，把开口的一端置入盛有水银的槽中，再把装有硝酸和铜屑的另一根管子与装有水银的管子连接在一起。然后，开始加热混和物质。经过短时间加热，产生的无色的气体就把水银排出管外，于是管内充满了新的物质。普里斯特利小心地取出管子，打开管口，俯身一嗅，突然，他被惊楞了：一种挥发的无色气体，转眼间就变成了棕红色的蒸气，它的强烈气味很象硝酸，因此当时就称它为“硝石空气”。这种在空气中变成的棕红色的气体是二氧化氮，试验的结果未能制得“活命空气”，却发现了两种新气体：一氧化氮和二氧化氮，他继续试验，又发现了许多新气体，普里斯特利给它们定名为“碱空气”（氨）、“盐酸空气”（氯化氢）以及二氧化硫等。此后多年，普里斯特利一直在研究气体，并写成了《论各种不同的气体》一书，大大丰富了气体化学。
普里斯特利在化学以及物理学方面的研究成果，提高了他的学术威望。1772年，”他当选为法兰西科学院的名誉院士，同年12月，他被当时英国的一位政治显贵谢尔本勋爵请去做家庭教师及图书管理员。这项工作有较高薪金，而且每天只用上午时间。所以每天下午，他仍旧可以从事科学研究。在这里，他完成了许多著作。他的6个最有价值的气体实验，有5个是在这里完成的。普里斯特利终生信奉燃素说，在这里他写过有关论证燃素说的文章。
在气体化学的研究成果中，普里斯特利最重要的是对氧气的发现。1774年，他得到了一个大型凸透镜（火镜），开始研究某些物质在凸透镜聚光产生的高温下放出的各种气体。他研究的物质中有“红色沉淀物”（氧化汞）和“汞灰”亦称水银烧渣，也就是（氧化汞）。普里斯特利把氧化汞放置在玻璃钟罩内的水银面上，用一个直径30厘米、焦距为50厘米的火镜，将阳光聚集在氧化汞上。很快就发现氧化汞被分解了，放出一种气体，将玻璃罩内的水银排挤出来。他把这种气体叫做”脱燃素的空气”。他以排水集气法，把这种气体收集起来，然后研究其性质。发现蜡烛会在这种空气中燃烧，火焰非常明亮，老鼠在这种气体中生活正常，且比在等体积的普通空气中活的时间长了约4倍；他还亲自尝试了一下，感觉这种空气使人呼吸轻快、舒畅。他对实验的全过程做了详细的描述。
其实早在1771年，普里斯特利把硝石加热对，已经制得了氧气。他在题为“各种空气的观察”一文中，曾提到：“在我从硝石得到的一定量（的空气）中，不仅蜡烛能点燃，而且火焰增大，还听到了响声，好像硝石在明火中烧爆的声音。”但由于他当时把这种气体，混同于一般空气，所以未能发现氧。普里斯特利认为空气是单一的气体，助燃能力之所以不同，其区别仅在于其中含燃素量的不同。从汞烧渣中分解出来的是新鲜的、不含一点燃素的空气，所以吸收燃素的能力和助燃能力都特别强。因此他把这种气体叫做“脱燃素空气”。而寻常的空气，由于经过动物呼吸、植物的燃烧和腐烂，已经吸收了不少燃素，所以助燃能力就差了：一旦空气被燃素饱和，那么它就不再助燃，变成“被燃素饱和了的空气”（指氮气）或叫“燃素化空气”。在后来的研究中，普里斯特利发现，绿色植物在阳光中也能放出“脱燃素空气”，成为光化学作用研究的基础。
谢尔本勋爵支持普里斯特利的研究工作，一直为他提供研究经费。1774年，他带着普里斯特利一起访问了欧洲大陆。在欧洲，他们结识了许多科学家，这对普里斯特利的学术生涯具有重大意义。在巴黎，普里斯特利拜访了法国化学家拉瓦锡，他向拉瓦锡介绍并演示了从氧化汞中提取气体的实验。拉瓦锡后来又重复了他的实验，并且把普里斯特利的实验材料以及他本人的实验结果联系起来。拉瓦锡能摆脱传统思想的束缚，大胆地提出了氧化概念，形成了燃烧的氧化理论。他指出所谓“脱燃素空气”实际上就是氧气，终于推翻了统治化学近百年的燃素学说。而坚持燃素说的普里斯特利却坚决反对拉瓦锡的新观点，他拒绝接受拉瓦锡对氧和水的任何解释。于是，二人由此开始了一场争论。
双方的争论最初出现在《哲学学报》上，后来，这些争论文章又被编辑成一些小册子。他们争论的最后一批文章发表在美国出版的《美国哲学会会报》上，其它刊物上也时有他们的文章发表。
在争论中，普里斯特利证明，不是所有的酸都含有氧，盐酸就是一个例子。他以此来反对拉瓦锡的氧化理论。但是，普里斯特利在争论中所使用的理论始终是燃素说。这使他象一个守旧的老人，嘴里经常念叨着教条的燃素学说，而丝毫不愿放弃它。普里斯特利与拉瓦锡，一直都在持续地进行各自的观察与研究。但他们观察的深度不同，对观察到的现象背后的本质理解不同。普里斯特利总是躲避开理论上的思考，他只埋头于实验，认为只有实验才是最重要的，陷入了狭隘的经验论，影响他的认识进一步发展。而拉瓦锡则不然，他在实验的基础上很重视理论思考，这使他在科学发展的历史长河中，实现了第一次化学革命。
纵观普里斯特利的一生，他从37岁起研究气体化学，直到终生。他曾分离并论述过的大批气体，数目之多超过了他同时代的任何人。他可以说是18世纪下半叶的一位业余化学大师。是他发明了带有酸味的气水。1772年出版了他的小册子《用排水集气法收集“空气”》，该书深受欢迎，非常畅销，当年就被译成法文。普里斯特利名扬世界，1773年他荣获英国皇家学会的铜质奖章。他对气林化学的研究成果，一是以其强烈的求知欲与非凡的勤奋态度为基础的，二是他得益于自己的实验技能。为此，皇家学会曾授予他卡普里奖。他出版过巨著《关于种种空气的实验与观察》（三卷）。以后他的研究成果又汇集于《与自然科学各个部门有关的实验与观察》（三卷）。