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

Но во многих случаях гипотеза флогистона не могла рационально объяснить результаты опытов. Например, французский химик Луи Бернар Гитон де Морво (1737-1816) только что опубликовал результаты опытов по прокаливанию металлов, в результате которых образовывавшаяся «известь» неизменно весила больше, нежели чистый металл. Это противоречило теории: окисляясь, металлы теряли флогистон, однако становились тяжелее. Чтобы объяснить данное явление, приверженцы теории флогистона предположили, что флогистон в некоторых случаях может иметь отрицательную массу, и это объясняло, почему вещества, теряющие флогистон, становились тяжелее. Лавуазье решил покончить с этим противоречием путем планомерного изучения пневматической химии (химии газов), чтобы окончательно подтвердить или опровергнуть теорию флогистона.

В 1772 году Академия решила разгадать одну тайну. Считалось, что алмазы не разрушаются под воздействием огня; однако французский химик Жан Дарсе (1725-1801) утверждал, что провел немало опытов, во время которых алмазы исчезали под воздействием тепла, и это подтверждали другие ученые со времен Бойля. Речь шла о том, чтобы понять, разрушает тепло алмазы или нет, и если разрушает, то с чем это связано — с превращением камней в пар или с их возгоранием. Академия создала комитет, в который вошли Лавуазье, Пьер Жозеф Макёр (1718-1784) и Луи Клод Каде де Гассикур (1731-1799). Два уважаемых парижских химика осуществили множество опытов в оборудованной наиболее подходящим образом лаборатории Каде, но получили неубедительные результаты. Для раскрытия тайны нужен был источник очень интенсивного тепла, желательно без горючих материалов, чтобы продукты горения не смешивались с изучаемым веществом. Но найти его было непросто, поскольку до изобретения в XIX веке горелки Бунзена печи в химических лабораториях работали на угле.

Я рассматриваю природу как большую химическую лабораторию, в которой происходят любого рода соединения и разложения.

Антуан де Лавуазье

Кроме того, исследование зашло в тупик, поскольку у членов комитета не было алмазов, необходимых для продолжения опытов. Но на помощь им пришел ювелир Майар, который согласился предоставить три своих алмаза при условии, что сможет лично наблюдать за тем, как будет проходить нагревание.

Майар был убежден: для исчезновения алмазов необходимо наличие воздуха, и он хотел, чтобы химики осуществили опыт, подтверждающий его гипотезу. Для этого они поместили алмазы в глиняный сосуд, который заполнили угольной пылью. Далее сосуд закрыли и поместили его в два горшка, из которых один был перевернут вверх дном так, чтобы отверстия горшков совпадали и таким образом были тоже плотно закрыты. Ученые нагревали дважды закрытый сосуд в течение многих часов, но в итоге получили практически неизменившиеся алмазы, поверхность которых лишь слегка потемнела. Данный результат, казалось, подтверждал гипотезу Майара, однако не опровергал гипотезы испарения, поскольку можно было предположить, что используемая печь не позволила достигнуть достаточно высокой температуры.

Тогда Лавуазье вспомнил о линзе Чирнгаузена, хранившейся в подвалах Академии. Она была названа так в честь немецкого ученого, разработавшего ее веком раньше, и представляла собой гигантскую лупу, чуть больше десяти метров диаметром. Ее можно было использовать для создания того, что тогда называли «солнечной печью», в которой достигалась гораздо более высокая температура, нежели в конвенционной печи. Кроме того, за этой «печью» было гораздо удобнее следить, нежели за огнем в настоящей печи, где к тому же дым и пепел могли смешиваться с изучаемыми телами. Первые опыты не принесли желаемых результатов, поскольку линза не была отшлифована и имела много недостатков. Тогда было сконструировано устройство, основанное на том же принципе, но массивную линзу заменили сосудом, наполненным спиртом. Его создание профинансировал Трюден де Монтиньи, благородный вельможа, увлеченный наукой, и вдобавок друг Лавуазье. Получив данное устройство Лавуазье, Макёр, Каде и физик Матюрен Жак Бриссон (1723-1806) в октябре 1772 года осуществили в Королевском саду свой знаменитый опыт.

Он походил на настоящий спектакль, собравший толпу любопытных, и дамы по этому случаю надели свои лучшие наряды. На Лавуазье были затемненные очки, чтобы защитить глаза от интенсивного луча света. Помимо алмазов Майара изучалось также воздействие тепла на рубины; их нагревали как на воздухе, так и в запечатанных емкостях.

На этой гравюре, изображающей линзу Чирнгаузена, мы можем видеть устройство, похожее на то, которое использовал Лавуазье во время опыта с алмазами.

А: большая линза, состоящая из двух кусков выпуклого стекла и наполненная спиртом.

В: линза меньшего размера.

С: крепление устройства к земле.

D: регулируемая подставка.

Е: рычаги, с помощью которых можно поднимать и опускать большую линзу.

F: механизм, позволяющий приближать и отдалять маленькую линзу от большой.

G: сосуд, содержащий вещества, подлежащие нагреву.

Н: платформа, на которой стоит все устройство.

I: колеса, позволяющие передвигать платформу.

Когда нагреву были подвергнуты запечатанные сосуды, то есть опыт осуществлялся при отсутствии воздуха, ни один из драгоценных камней не претерпел изменений. Зато когда нагревание происходило на воздухе, алмазы начинали уменьшаться в размерах и через 20 минут исчезали без следа. (Вот неопровержимый способ проверить, является ли прозрачный камень алмазом: если он исчезнет при сильном нагреве на воздухе — значит, это алмаз). А вот с рубинами, которые состоят из окиси алюминия (А12Оэ), содержащей небольшое количество хрома, ничего не произошло. Образовавшиеся во время опыта газы были собраны с помощью устройства, похожего на разработанное Стивеном Гейлсом (1677-1761), которое впоследствии было усовершенствовано Пристли. Ко всеобщему удивлению, полученным газом оказался «фиксируемый воздух», названный так Джозефом Блэком (1728-1799) и образующийся при сжигании угля.

Лавуазье было поручено составить и представить Академии доклад (он сохранился до наших дней), призванный объяснить, что алмазы не испаряются, а сгорают. Но ученый не удовольствовался точным и подробным описанием произведенных опытов и полученных результатов: весь этот процесс заставил его глубоко задуматься. Он сразу заключил, что алмаз должен быть чем-то вроде угля, хотя внешне между алмазом и углем нет ничего общего (сегодня мы знаем, что алмазы состоят из углерода, у них такой же химический состав, как и у угля: при высокой температуре они горят и производят диоксид углерода — газ, который отвечает за парниковый эффект). Вопреки мнению коллег, Лавуазье начал подозревать, что в химическом процессе ничего не разрушается и ничего не создается, но все изменяется, и значит, если мы получили один и тот же продукт, то исходные вещества были одинаковыми. С другой стороны, поскольку воздух необходим для горения, возможно, он — не просто компонент, как считалось прежде, но и активный участник этого химического процесса.

Возникали два вопроса: в чем заключается действие воздуха, заставляющее исчезать алмазы? И какова роль флогистона?

На самом деле алмазы исчезали из-за процесса горения, то есть из-за взаимодействия угля с кислородом, где «фиксируемый воздух» Блэка — это СO2:

С (твердое вещество) + O2(газ) → СO2(газ).

Рубины не реагируют с кислородом из воздуха, поскольку алюминий окислен и уже вступил в реакцию с кислородом.

Установив однажды эффективность «солнечной печи», Лавуазье продолжал использовать ее для опытов с нагреванием. Чтобы понять процесс горения, он сначала изучил изменения, которые претерпевали другие, не металлические вещества — фосфор и сера. Уже давно было известно, что белый фосфор самопроизвольно возгорается и при этом легко наблюдаемом процессе выделяется большое количество тепла.

Когда Лавуазье принялся за его изучение, он получил дополнительную информацию: Антуан подтвердил то, на что уже указал Гейле: вес фосфора сильно увеличивается в процессе горения. В отличие от продукта, образовывавшегося во время горения алмазов, продукт, получавшийся во время горения фосфора, был плотным, и это позволяло его точно взвесить. В конце 1772 года Лавуазье послал в Академию письмо, в котором объяснял, что фосфор поглощает воздух в большом количестве и вместо того, чтобы терять вес (чего можно было ожидать из- за потери флогистона), наоборот, приобретает вес, равный поглощенному воздуху. Образовывающееся новое вещество было «кислотным духом фосфора», поскольку при смешивании его с водой получалось то, что мы называем сегодня фосфорной кислотой.