Революция в воздухе. Лавуазье. Современная химия. - Adela Paez

«Эта операция является самой поразительной и невероятной из тех, что представляет нам химия, и мы можем наблюдать, откуда появляется выделяемый углекислый газ, откуда берется образовывающийся горючий дух [спирт] и как сладкое тело, растительный оксид [сахар], превращается в два таких разных вещества, одно из которых способно к горению [спирт], а другое совершенно неспособно (СO2).

Лавуазье написал введение к таблице простых веществ, из которого понятно, какие принципы им руководили, когда он разрабатывал свой список:

«Химия, подвергая опытам различные природные тела, имеет своей целью разложить их на составляющие и получить возможность изучать по отдельности вещества, образующие соединения. Данная наука в наши дни осуществила быстрый прогресс. В этом легко убедиться, обратившись к авторам, писавшим о химии. Мы увидим, что поначалу масло и соль рассматривались как тела, что опыты и наблюдения позволили получить новые знания, и стало понятно: соли вовсе не являются простыми телами, но состоят из кислоты и основы, и их нейтральность есть результат данного соединения. Современные открытия еще больше раздвинули границы анализа; они прояснили нам образование кислот, стало понятно, что они состоят из общего для них всех вещества-окислителя — кислорода — и особого для каждой из кислот радикала, который различает их и относит к тем или иным кислотам. Химия, таким образом, движется к своей цели и своему совершенству, разделяя, подразделяя и снова подразделяя, и мы не знаем, каков будет итог. Все, что мы можем сказать сегодня, — это то, до какого состояния разложимо во время химического анализа вещество, и дальше оно разделено быть не может.

Можно предположить, что скоро земли перестанут считаться простыми веществами: они единственные не имеют тенденции соединяться с кислородом. Я склонен думать, что равнодушие к кислороду — если мне будет позволено воспользоваться этим выражением — связано с тем, что они им уже напитаны [на самом деле так и есть: кремнезем и глинозем являются Si02 и AljOJ. Земли с этой точки зрения будут простыми веществами, возможно металлическими оксидами, окисленными кислородом до какой-то степени. Это не единственная догадка, которую я здесь высказываю. Надеюсь, читатель не спутает то, что я представляю как истину факта и опыта, и то, что является лишь догадкой. Я не включил в таблицу нелетучие щелочи, такие как поташ и сода, поскольку они очевидно являются сложными веществами, хотя пока нам неизвестна природа веществ, входящих в их соединения».

Мы видим, что для решения этих двух вопросов надо сначала изучить состав и природу способного к брожению тела и продукты его брожения; поскольку ничто не создается ни во время искусственных операций (в лаборатории), ни в природе, можно взять за принцип, что при каждой операции исходное и конечное количество материала остается одинаковым, что количества и качества вещества остаются неизменными и что происходят только изменения и трансформации. Именно на этом принципе основано искусство всех опытов в химии: мы должны предположить равенство между веществами изучаемого тела и того, что мы получаем при анализе. Так, поскольку виноградное сусло дает углекислый газ и спирт, я могу сказать, что сусло винограда = углекислый газ + спирт. Следовательно, мы можем узнать двумя способами то, что происходит во время брожения вина: во-первых, определив вещества и природу тела, способного к брожению; во-вторых, наблюдая за продуктами брожения, и очевидно, что знания, которые можно получить в ходе первого способа, приведут к пониманию природы второго, и наоборот».

Мария Польз Лавуазье была автором 13 иллюстраций к«Элементарному курсу химии», опубликованному ее мужем в 1789 году. Справа внизу на этих иллюстрациях есть подпись «Польз Лавуазье Скульпсит*. Рисунки Марии, непохожие на грубые наброски, которыми сопровождались книги по химии того времени, являются настоящими чертежами в масштабе приборов, использовавшихся Антуаном, и по ним можно осуществить их сборку. Тринадцать чертежей относятся к следующим инструментам.

I. Ступа, решето, напильник.

II. Раструб, реторта, система фильтрации, котел.

III. Устройство для нагрева и дистилляции.

IV. Приборы для образования и разложения оксида ртути.

V. Дистиллятор и змеевик.

VI. Ледяной калориметр.

VII. Устройство, использовавшееся для разложения и получения воды.

VIII. Газометр с весами.

IX-X. Устройство для изучения брожения вина. XI—XII. Устройство со змеевиком и газометром. XIII. Печи и песочные ванны.

Так впервые был сформулирован закон сохранения массы применительно к химической реакции. Хотя похожий закон был уже сформулирован в Древней Греции Анаксагором (V век до н.э.), он не основывался на результатах опыта. Кроме того, тот же закон подразумевался в результатах, полученных Кавендишем и Блэком, но ни один из них не сформулировал его.

Из принципа, ставшего очевидным благодаря Лавуазье, возникла и идея химического уравнения:

«Я могу рассматривать вещества для брожения и результат, полученный после брожения, в виде алгебраического равенства; посчитав последовательно каждый из незнакомых элементов этого уравнения, я могу получить значение каждого и откорректировать также опыт счетом, а счет — опытом».

После более 20 лет опытов и размышлений Лавуазье достиг цели, которую поставил себе еще во время учебы в колледже Мазарини: снабдить науку, проводившую с помощью профессора Руэля завораживающие опыты, логикой и математической точностью, которой учил профессор Лакайль. Итак, химия перестала быть суеверием и стала наукой. Хотя закон сохранения массы придал ей научный характер, некоторые полагают, что самой значимой частью «Элементарного курса химии» является список химических элементов. Лавуазье определил их как простые вещества, принадлежащие ко всем природным царствам, которые можно рассматривать как элементы тел. Этот список был короче, чем список в «Методе химической номенклатуры», который содержал множество органических радикалов, образованных, по мнению Лавуазье, из углерода и водорода. В списке были перечислены все известные в то время элементы, но не было ни одного соединения, что свидетельствует о проницательности автора. Однако особо привлекают внимание два элемента, прежде всего потому что они стоят первыми: свет и тепло, которым Лавуазье приписал массу. В остальном списке поражают устаревшие названия многих элементов, которые доказывают еще существовавшую близость между химией и алхимией.

Все молодые химики применяют теорию, из этого я делаю вывод, что революция в химии произошла, и ее список достижений только начинается.

Антуан де Лавуазье

Как и в других областях, слова Лавуазье о соде и поташе (он имел в виду NaOH и КОН) были пророческими: действительно, речь шла о соединениях. В самом начале следующего века англичанин Гемфри Дэви (1778-1829), который открыл для себя химию благодаря «Элементарному курсу химии» и участвовал в учреждении Королевского института, разложил посредством электролиза две щелочи и получил два элемента: натрий и калий. Британский ученый также выделил магний, барий, стронций, кальций, бор и хлор. Таким образом, «Элементарный курс осимиш Лавуазье заложил основы современной химии — дисциплины, о которой десятью годами раньше Блэк говорил, что она еще не доросла до ранга науки.

Список химических элементов, опубликованный в первом издании «Элементарного курса химии».

Скульптура Лавуазье, произведение  Жана-Леонара Майлье, середина XIX века.

Гравюра 1874 года, на которой Лавуазье демонстрирует открытие кислорода. На втором плане можно видеть его калориметр. Из книги Луи Фигье «Жизнь блестящих ученых XVIII века·.

Хотя англичане и обходятся без этой системы, всем остальным трудно представить жизнь без рациональной, логичной, ясной и универсальной системы измерений. Но было время, когда десятичной системы не существовало. Лавуазье осознал глубину этого недостатка и понял, что его необходимо, наконец, исправить. В конце XVIII века Франция, равно как и другие европейские страны, должна была столкнуться с проблемами, вытекающими из различий систем мер и весов, и Лавуазье много раз бил тревогу по этому поводу во многих своих выступлениях начиная с 1785 года. Хотя в последние годы монархии никаких шагов для решения данного вопроса предпринято не было, в мае 1790 года Национальное учредительное собрание по предложению Шарля Мориса де Таллейрана-Перигора выпустило декрет, в котором официально поручало Академии наук разработать систему мер и весов, пригодную в качестве универсального эквивалента. Академия создала Комиссию мер и весов, и ее первый вывод заключался в том, что единица длины должна быть определена через земной меридиан. Было упразднено определение через длину маятника, которое до тех пор использовалось, потому что амплитуда качания варьировалась в зависимости от широты. В качестве единицы был предложен метр, десятимиллионная часть расстояния от Северного полюса до экватора, измеренного по Парижскому меридиану. Из этой единицы длины появилась единица объема, а из единицы объема — единица массы. Лавуазье работал над граммом, который был весом чистой воды, содержавшейся в кубе с ребром, равным сотой части метра.