A química dos gases
A sua volta ao ministério em Mill Hill Chapel, Leeds, em 1767, Priestley iniciou intensas investigações experimentais sobre química. Entre 1772 e 1790, publicou seis volumes de Experimentos e Observações sobre Diferentes Tipos de Ar e mais de uma dúzia de artigos na Transacção Filosófica da Royal Society, descrevendo as suas experiências sobre gases, ou “ares”, como eram então chamados. Os químicos pneumáticos britânicos tinham previamente identificado três tipos de gases: ar, dióxido de carbono (ar fixo), e hidrogénio (ar inflamável). Priestley incorporou uma explicação da química destes gases na teoria do clogistão, segundo a qual as substâncias combustíveis libertavam o clogistão (um “princípio de inflamabilidade” imaterial) durante a combustão.
Priestley descobriu 10 novos gases: óxido nítrico (ar nitroso), dióxido de azoto (vapor nitroso vermelho), óxido nitroso (ar nitroso inflamável, mais tarde chamado “gás do riso”), cloreto de hidrogénio (ar ácido marinho), amoníaco (ar alcalino), dióxido de enxofre (ar ácido vitrificado), tetrafluoreto de silício (ar ácido fluorado), nitrogénio (ar sofisticado), oxigénio (ar deshlog sofisticado, independentemente codificado por Carl Wilhelm Scheele), e um gás mais tarde identificado como monóxido de carbono. O sucesso experimental de Priestley resultou predominantemente da sua capacidade de conceber engenhosos aparelhos e da sua habilidade na sua manipulação. Ganhou particular renome por um canal pneumático melhorado no qual, ao recolher gases sobre mercúrio em vez de na água, foi capaz de isolar e examinar gases solúveis na água. Pelo seu trabalho sobre gases, Priestley recebeu a prestigiosa Medalha Copley da Royal Society em 1773.
p> Nesse mesmo ano Priestley mudou-se para Calne, Wiltshire, onde serviu como bibliotecário e tutor para William Petty, Conde de Shelburne, e a sua família. Aqui procurou e obteve mais provas que sustentavam a sua recém descoberta crença num Deus benevolente em vez do Deus vingativo da sua juventude calvinista. Ao contemplar os processos de vegetação e a “agitação” dos mares e lagos, Priestley visionou os meios através dos quais uma natureza benevolente restaurou o “ar comum” que tinha sido “viciado e diminuído” por processos tão “nocivos” como a combustão e a respiração. Além de fortalecer as suas próprias visões espirituais, estas observações informaram as experiências de fotossíntese realizadas pelos seus contemporâneos, o médico holandês Jan Ingenhousz e o clérigo suíço e naturalista Jean Senebier.
Priestley considerou as suas actividades científicas como consistentes com os interesses comerciais e empresariais dos Dissenters ingleses. Abraçou o estadista do século XVII e filósofo natural Francis Bacon, argumentando que o progresso social exigia o desenvolvimento de um comércio baseado na ciência. Esta visão foi reforçada quando ele se mudou para se tornar pregador na New Meeting House em Birmingham em 1780 e se tornou membro da Sociedade Lunar, um grupo de elite de cavalheiros locais, Dissenters, e industriais (incluindo Josiah Wedgwood, Erasmus Darwin, James Watt, e Matthew Boulton), que aplicaram os princípios da ciência e tecnologia para a resolução de problemas experimentados na vida urbana do século XVIII. Quando confrontado com a multiplicidade de doenças que assolavam as populações em crescimento nas cidades e instalações militares, Priestley concebeu um aparelho que produzia água carbonatada, uma mistura que ele pensava que traria benefícios medicinais para os que sofriam de escorbuto e de várias febres. Embora tenha acabado por se revelar ineficaz no tratamento destas doenças, o “gasogénio” que empregou esta técnica tornou mais tarde possível a indústria da água carbonatada. Priestley também concebeu o “eudiómetro”, que foi utilizado no movimento geral de reforma sanitária e desenho urbano para medir a “pureza” (teor de oxigénio) do ar atmosférico. O interesse contemporâneo na medicina pneumática culminou na instituição pneumática de curta duração, que o médico e químico Thomas Beddoes fundou em Bristol em 1798, a fim de determinar os efeitos de diferentes “ares” sobre uma variedade de doenças comuns.