ЭЛЕМЕНТЫ ВОЗДУХА И ВОДЫ
В этой главе мы расскажем о трех элементарных газах: водороде, азоте и кислороде, открытие которых стало важнейшим событием в химии второй половины XVIII в. Из азота и кислорода состоит практически вся земная атмосфера (остальные газы — малая примесь). Водород и кислород образуют одно из самых удивительных соединений — воду. Все три элемента вместе с углеродом являются органогенами; они входят в состав всех животных и растительных организмов без исключения.
Открытия водорода, азота и кислорода, когда они были правильно поняты, сыграли исключительно важную роль в развитии химии, так как способствовали появлению многих современных химических понятий и представлений. Вот лишь краткий перечень достижений, прямо связанных с обнаружением этих газов: разработка кислородной теории горения (А. Лавуазье); возникновение атомистической теории (Дж. Дальтон); появление теории кислот и оснований; использование кислородной и водородной шкал атомных весов (масс); представление о водороде как о первичной материи, из которой образовались все прочие элементы (В. Праут).
В истории элементов открытия водорода, азота и кислорода занимают особое положение. Понимание их истинной природы явилось сложным, противоречивым, растянутым во времени процессом. Обнаруживая при химических операциях новые газообразные продукты — будущие водород, азот, кислород, ученые еще не знали, что имеют дело с новыми химическими элементами.
С давних времен был известен лишь один вид газа — воздух, и был он предметом физических исследований. В сферу интересов химии воздух не включался. А те газообразные продукты, которые образовывались в различных процессах, например при брожении или гниении, ученые считали разновидностями воздуха. Само понятие «газ» появилось только в начале XVII в. Его ввел знаменитый естествоиспытатель И. Ван-Гельмонт. Он производил его от греческого слова, означающего хаос. Однажды И. Ван-Гельмонт сжег 62 фунта древесины, из которых получил только 1 фунт золы. Во что же превратилось остальное? В «лесной дух», считал Ван-Гельмонт. Этот дух, который прежде был неизвестен, я называю новым именем — газ, написал ученый. Теперь мы знаем, что он имел дело с углекислым газом, который спустя 100 с лишним лет был снова получен английским физиком Дж. Блеком. Но И. Ван-Гельмонт не понял сути своего открытия. Только разновидность воздуха видел он в «лесном духе».
Стало быть, мы не имеем права применять по отношению к элементам воздуха и воды термин «открытие нового элемента» (в том смысле, как это стало возможным позже). Но, с другой стороны, открытия водорода, азота и кислорода существенно отличаются от тех совершенно случайных открытий, которые происходили в донаучный период развития химии. Во-первых, потому, что в XVIII в. существовала вполне определенная теоретическая концепция, получившая название флогистонной теории. Во-вторых, потому, что во многом благодаря И. Ван-Гельмонту газообразное состояние материи стало, наконец, объектом химических исследований, и здесь родилось новое направление химической науки — пневматическая химия. Она разработала свои методы исследования и необходимую экспериментальную аппаратуру. Иными словами, к открытию элементарных газов привели целенаправленные экспериментальные исследования, опиравшиеся на теоретические представления. И прежде чем приступить к рассказу об этих открытиях, нам придется остановиться на теории флогистона и пневматической химии.
По своему содержанию теория флогистона была очень проста, а потому и казалась убедительной. Ее название происходит от греческого слова флогистос, обозначающего «воспламеняющийся». Для чего она была нужна? Для объяснения процессов, протекающих при горении, обжиге металлов и дыхании. Суть их была непонятна. Вот и возникла идея о существовании материи, которая как бы является главным действующим лицом во всех упомянутых процессах, — появилась идея о флогистоне.
Хотя мысли о «горючей материи» в той или иной форме высказывались несколькими учеными, подлинным основателем концепции флогистона считается немецкий химик и врач Г. Шталь. Вот как рассуждал этот исследователь. Тела могут гореть только благодаря наличию в них флогистона. Чем больше флогистона содержит данное тело, тем активнее оно сгорает. Уголь — вот пример вещества, состоящего почти из одного флогистона. При обжиге металлов они превращаются в «извести» (земли) вследствие потери флогистона. Если к прокаленному металлу добавить флогистон, снова получится чистый металл. Хороший пример тому — прокаливание металлической окалины с углем. Процесс, хорошо известный даже древним металлургам.
На языке представлений современной химии все это означает следующее: в ходе реакции окисления (например, образование оксида при обжиге металла) флогистон теряется; при реакции восстановления (прокаливание оксида металла с углем) флогистон, напротив, приобретается. Все очень просто и очень наглядно. Но даже начинающему химику в наше время видно, что теория флогистона ошибочна. Ведь из нее следовало, что вес вещества при горении должен уменьшаться, а не увеличиваться; оксид металла должен быть легче самого металла. Если принять концепцию флогистона, то металлы надо рассматривать как сложные вещества (металл+флогистон), а их оксиды (земли) — как простые (металл–флогистон).
И тем не менее теория флогистона просуществовала в науке около столетия, и ее ревностно исповедовали крупнейшие химики того времени, в том числе Г. Кавендиш, Дж. Пристли и К. Шееле, с именами которых и связаны открытия элементов воздуха и воды. На начальных стадиях этих открытий представления теории флогистона сыграли существенную роль.
Пробудившийся у химиков интерес к изучению газов способствовал возникновению пневматической химии, и это был второй логически неизбежный шаг к ознакомлению с будущими водородом, азотом и кислородом. Изучение газов долго затруднялось тем, что не было удобных методов их получения, собирания и, наконец, исследования их свойств. Мочевой пузырь животных служил едва ли не единственным экспериментальным прибором — емкостью, куда можно было собирать выделяющиеся газы и взвешивать их. Познавать газ оказалось значительно труднее, чем изучать твердые и жидкие вещества.
В начале XVIII в. английский ученый С. Гейлс изобрел пневматическую ванну. В этом аппарате сосуд, где образовывался газ (реторта с реакционной смесью), был отделен от приемника, где выделяющийся газ собирался. Роль приемника выполняла перевернутая колба, заполненная водой. Проникая в нее, пузырьки газа вытесняли воду, и колба заполнялась исследуемым газом.
Пневматической ванной воспользовался другой английский ученый Дж. Блэк (один из основателей пневматической химии). Он изучал вещества, давным-давно известные, — известь и белую магнезию (карбонаты кальция и магния). При обжиге и действии кислот из них выделялся газ. Теперь легко сообразить, что это был тот самый «лесной дух», который получал И. Ван-Гельмонт, сжигая древесный уголь. Но И. Ван-Гельмонт не пошел дальше констатации факта и туманных рассуждений. Дж. Блэк же заметно продвинулся вперед. Он обратил внимание на то, что образующиеся (после обжига или действия кислот) вещества могут быть вновь переведены в исходное состояние.
Современный химик прокомментирует достижение Дж. Блэка следующим образом: ученый провел прямую реакцию (разложил карбонаты на оксиды и углекислый газ) и осуществил обратную реакцию (присоединил углекислый газ к оксидам, получив исходный продукт). Масса исходных продуктов полностью восстанавливалась, и тем самым Дж. Блэк сделал то, чего ранее никому не удавалось.
Он взвесил газ в связанном состоянии. Этот газ он назвал связанным или фиксируемым воздухом. Газ выделялся в процессах брожения, при горении древесного угля, но не поддерживал дыхания и горения. И являлся, согласно Дж. Блэку, самостоятельной составной частью атмосферного воздуха.
Так, в 1754 г. под названием «фиксируемого воздуха» был открыт углекислый газ, и событие это сыграло огромную роль для последующего обнаружения других газов прежде всего потому, что после неизбежных споров и дискуссий ученые стали рассматривать его не как разновидность воздуха, а как самостоятельное вещество, отличное от воздуха, притом содержащееся во многих твердых телах. И поскольку при присоединении углекислого газа к оксидам масса образующегося продукта превышала массу исходного, подрывался основной принцип флогистонной теории. Прошло немало времени, прежде чем удалось это осознать. Флогистонная теория долгое время оставалась по сути дела единственным компасом для объяснения многих наблюдений пневматической химии.
ВОДОРОД
Это один из самых удивительных элементов периодической системы — первый ее представитель, наиболее легкий из существующих газов. Элемент, открытие которого стало ключом к решению многих проблем химической теории. Элемент, атом которого, теряя единственный валентный электрон, становится «голым» протоном. И потому химия водорода — это единственная в своем роде химия элементарной частицы.
Когда-то Д. И. Менделеев назвал водород наиболее типическим из типических элементов (к ним он относил элементы коротких периодов системы): ведь именно водородом начинается естественный ряд химических элементов.
И такой удивительный элемент легкодоступен: в любой школьной лаборатории получить его не составляет труда, например, подействовав соляной кислотой на цинковые стружки.
Еще в те далекие времена, когда химия не была наукой, когда алхимики колдовали над философским камнем, тогда уже были известны такие кислоты, как соляная, серная и азотная, и были известны некоторые металлы, такие, как железо и цинк. Иными словами, в человеческих руках находились все те компоненты, взаимодействие которых порождает водород. Нужен был лишь случай. И таких случаев бывало немало в XVI–XVIII вв. И это лишь те, которые описаны в химической литературе. Много раз исследователи наблюдали, как при действии, скажем, серной кислоты на железные стружки образовывались пузырьки газа — разновидность воздуха, которая воспламеняется.
Среди тех, кому удалось наблюдать выделение загадочной разновидности воздуха, был наш великий соотечественник М. В. Ломоносов. В 1745 г. он написал диссертацию под названием «О металлическом блеске». В ней находим следующие слова: «При растворении какого-либо неблагородного металла, особенно железа, в кислотных спиртах из отверстия склянки вырывается горючий пар…»[3]. (Кислотными спиртами по терминологии тех времен назывались кислоты.) А стало быть, не что иное, как водород, наблюдал М. В. Ломоносов. Но если мы продолжим фразу, оборванную отточием, то прочтем: «…который представляет собой… флогистон». Растворяясь в кислоте, металл исчезал. При этом он выделял горючее начало, горючий пар. Очень удобный повод предположить, что в ходе растворения металл теряет флогистон: все хорошо укладывается в рамки флогистонной теории.
Здесь в нашем повествовании впервые появляется замечательный английский ученый Г. Кавендиш, человек, фанатически преданный науке, великолепный экспериментатор. Г. Кавендиш никогда не торопился с опубликованием результатов своих работ, и порой проходило несколько лет, прежде чем появлялись его статьи. Поэтому трудно назвать точную дату, когда ученый наблюдал и описал выделение горючего воздуха. Известно лишь, что эта работа, проведенная в русле пневматической химии, называлась «Опыты с искусственным воздухом» и была опубликована в 1766 г. Можно также предполагать, что она была сделана под влиянием Дж. Блэка. Г. Кавендиш заинтересовался фиксируемым воздухом и решил проверить, не существуют ли и другие виды искусственного воздуха. Так ученый именовал разновидность воздуха, содержащегося в веществах в связанном состоянии, которые можно выделить из них искусственным путем. О том, что горючий воздух не раз наблюдали, Г. Кавендиш знал. Он сам получал его тем же методом действием серной и соляной кислот на железо, цинк и олово, но, пожалуй, первым убедился окончательно, что во всех случаях образуется один и тот же вид воздуха — все тот же горючий воздух. И первым среди исследователей Г. Кавендиш пришел к идее о самобытности горючего воздуха. Как флогистик, Г. Кавендиш мог лишь однозначно толковать его природу. Вслед за М. В. Ломоносовым он счел будущий водород флогистоном. Изучая и описывая свойства горючего воздуха, он полагал, что исследует свойства флогистона. Г. Кавендиш считал далее, что разные металлы содержат горючий воздух в различных пропорциях. Итак, к фиксируемому воздуху Дж. Блэка добавился горючий воздух Г. Кавендиша. Если взглянуть на вещи строже, то оба эти ученых не открыли чего-нибудь нового. Каждый из них подвел определенные итоги предшествующим наблюдениям. Но эти итоги представляли собой существенные шаги в развитии человеческого познания.
Связанный и горючий воздух отличались от обычного воздуха и друг от друга. Горючий воздух поражал своей легкостью. Как убедился Г. Кавендиш, выделенный им флогистон имел массу. Ученый первым ввел количественную величину для характеристики различных газов — плотность. Приняв за единицу плотность воздуха, Г. Кавендиш получил для горючего воздуха 0,09 (для связанного 1,57). Но тем самым Г. Кавендиш-экспериментатор вступил в противоречие с Г. Кавендишем-флогистиком. Раз горючий воздух имел положительную массу, то его никак нельзя было считать чистым флогистоном. Иначе металлы, теряя горючий воздух, должны были терять и в массе. Спасая положение, Г. Кавендиш выдвинул своеобразную гипотезу: горючий воздух есть соединение флогистона с водой. И смысл в ней был лишь тот, как оказалось потом, что наконец-то в составе горючего воздуха появился водород.
Отсюда следует для нас вполне очевидный вывод: как и его предшественники, Г. Кавендиш не понял природы горючего воздуха, хотя и взвесил его, и описал его свойства, и считал самостоятельным видом искусственного воздуха. Словом, Г. Кавендиш, сам того не подозревая, изучал свой «флогистон» так, как если бы он изучал новый химический элемент. Но Г. Кавендишу и в голову не приходило, что горючий воздух является газообразным химическим элементом, — слишком прочными оказывались путы флогистонной концепции. И даже убедившись, что реальные свойства горючего воздуха противоречат последней, он прибегал к помощи спасительной гипотезы, столь же ложной.
Поэтому, строго говоря, фраза «водород был открыт в 1766 г. английским ученым Г. Кавендишем» является бессодержательной. Г. Кавендиш лишь более детально и с большим пониманием описал процессы получения и свойства горючего воздуха по сравнению со своими предшественниками. Однако он «не ведал, что сотворил». Элементарная природа горючего воздуха осталась за рамками его понимания. Но то не была вина Г. Кавендиша: химия просто еще не созрела для подобного понимания. Понадобились еще годы, прежде чем водород, наконец, стал водородом и обрел свое истинное значение в химии.
Свое латинское название гидрогениум водород получил от греческих слов гидр и геннао, означающих «рождаю воду». Его предложил в 1779 г. А. Лавуазье после того, как был установлен состав воды. Символ Н был предложен И. Берцелиусом.
Водород является удивительным элементом в том смысле, что его изотопы различаются по ряду физических и химических свойств. В свое время подобное различие давало кое-кому из ученых повод рассматривать изотопы водорода в качестве самостоятельных элементов и искать для них специальных мест в периодической системе. Поэтому история открытия изотопов водорода представляет особый интерес, являясь как бы своеобразным продолжением истории открытия элемента.
Обнаружить изотопы водорода ученые безуспешно пытались в 20-х годах нашего столетия, и постепенно сложилось мнение, что водород изотопов не имеет. В 1931 г. было сделано предположение, что все же в водороде присутствует тяжелый изотоп с массовым числом 2. Так как он должен был превосходить своего легкого собрата по массе в два раза, то ученые попытались выделить тяжелый водород физическими методами. В 1932 г. американцы Г. Юри, Ф. Брикведде и Г. Мэрфи проводили испарение жидкого водорода и в остатке спектроскопическим методом нашли искомый тяжелый изотоп. В атмосфере же он был обнаружен только в 1941 г. Название «дейтерий» происходит от греческого слова дейтерос, означающего «другой, второй». Следующий изотоп с массовым числом 3 — тритий (от греческого слова тритос — «третий») — является радиоактивным и был открыт в 1934 г. в Англии М. Олифантом, П. Гартеком и Э. Резерфордом. За основным изотопом водорода закрепилось название «протий». Это единственный случай, когда изотопы одного и того же элемента имеют различные названия и символы (Н, D и Т). На долю протия приходится 99,99%, остальное — дейтерий; трития же ничтожные следы.
АЗОТ
Хотя связанный воздух (углекислый газ) и горючий воздух (водород) впоследствии были обнаружены в составе земной атмосферы, их открытия фактически не были связаны с исследованиями атмосферного воздуха. Последний же продолжали рассматривать как «классический» воздух, и пока никому не приходило в голову, что он является смесью газов. Но именно его исследование позволило пневматической химии достичь наибольших успехов.
Изучение атмосферы подарило человечеству азот. Хотя его открытие связывается с именем определенного ученого и с конкретной датой, следовало бы заметить, что такая простота и ясность обманчивы. Четко выделить линию истории обнаружения азота из общего потока работ по пневматической химии нелегко; можно представить лишь более или менее логическую последовательность событий.
С соединениями азота люди были знакомы с давних времен, например с селитрой и азотной кислотой, и много раз наблюдали выделение бурых паров диоксида азота. Очевидно, не было возможности открыть азот путем разложения его неорганических соединений. Не имея вкуса, цвета и запаха, будучи химически малоактивным, он остался бы незамеченным.
И потому вопрос о том, с чего начать описание истории открытия азота, кажется нам нелегким, а решение его может быть субъективным. Можно начать с 1767 г., когда Г. Кавендиш и одновременно с ним другой, не менее выдающийся английский физик, химик и философ Дж. Пристли стали изучать, как действуют электрические разряды на различные газы. Таких газов в то время было немного: обычный воздух, связанный воздух, горючий воздух. Эти эксперименты не дали определенных результатов, хотя позже было показано, что в процессе электрического разряда во влажном воздухе образуется азотная кислота. Данный факт впоследствии сослужил добрую службу при выяснении газового состава земной атмосферы.
В 1777 г. в частном письме к Дж. Пристли Г. Кавендиш сообщил, что ему удалось получить новую разновидность воздуха, названного удушливым или мефитическим. Г. Кавендиш пропускал обычный воздух над раскаленным углем, повторяя этот процесс многократно. В итоге получался связанный воздух, который поглощался щелочью. Остаток же обычного воздуха и представлял собой мефитический. Г. Кавендиш не стал его исследовать детально, а сообщил Дж. Пристли лишь факт своего наблюдения. К изучению мефического воздуха Г. Кавендиш вернулся позже, многого здесь достиг, но авторство открытия принадлежало уже другому человеку.
Когда послание Г. Кавендиша попало к Дж. Пристли, тот занимался важными экспериментами и невнимательно отнесся к сообщенному ему факту. Дж. Пристли сжигал в определенном объеме воздуха разные горючие тела и прокаливал металлы; при этом образовавшийся связанный воздух удалялся с помощью известковой воды. Самое главное, что заметил Дж. Пристли, состояло в заметном уменьшении объема воздуха. Современный читатель подскажет: в результате обжига металлов или сгорания тел связывался присутствовавший в объеме кислород и оставался азот. Но Дж. Пристли понятия еще не имел о существовании такого газа, как кислород (хотя спустя два года стал одним из авторов его открытия), и для объяснения своего наблюдения обратился к флогистону. Дж. Пристли считал, что результат обжига металлов заключается исключительно в действии флогистона. Оставшийся воздух насыщен флогистоном, и, следовательно, его можно назвать флогистированным, он не поддерживает дыхания и горения.
Таким образом, Пристли держал в руках будущий азот. Но этот первостепенной важности результат рассматривался им как имеющий второстепенное значение. Он видел в существовании флогистированного воздуха доказательство роли флогистона в природных процессах. Это лишнее свидетельство того, насколько ложная концепция флогистона тормозила отыскание истины в деле открытия элементарных газов.
Ни Кавендиш, ни Пристли не сумели, таким образом, понять истинную природу нового газа. Это удалось сделать позже, когда на авансцене химической науки появился кислород. Но ведь и английский врач, ученик Дж. Блэка, Д. Резерфорд, который считается автором открытия азота, по сути дела не совершил ничего принципиально нового по сравнению со своими именитыми коллегами. В сентябре 1772 г. Резерфорд опубликовал магистерскую диссертацию: «О так называемом фиксируемом и мефитическом воздухе», в которой дал описание свойств будущего азота. Этот газ, по Резерфорду, не поглощался известковой водой и щелочью и был непригоден для дыхания. Исследователь назвал его испорченным воздухом.
Не будучи еще открыт по-настоящему и понят как газообразный химический элемент, в 70-х годах XVIII в. азот уже фигурировал под тремя названиями, внося дополнительную путаницу и в без того запутанные химические воззрения, пропитанные стойким «флюидом» флогистона. Флогистированному, мефитическому, испорченному воздуху еще предстояло обрести окончательное имя.
Это имя было предложено в 1787 г. А. Лавуазье и другими французскими учеными, разработавшими принципы новой химической номенклатуры. Его авторы производили слово «азот» от греческой отрицательной приставки а и слова зое, означающего «жизнь». Безжизненный, не поддерживающий дыхания и горения — в этом качестве видели химики основное свойство азота. Потом оказалось, что все это не так, что азот жизненно необходим растительным организмам. Но название «азот» сохранилось. Символ элемента N происходит от латинского названия нитрогениум, означающего «селитрообразующий».
Детальное изучение свойств азота принадлежит Г. Кавендишу. Ученый одним из первых твердо убедился, что флогистированный воздух является составной частью обычного воздуха. В ходе своих экспериментов Г. Кавендиш однажды усомнился в однородности флогистированного воздуха. Он пропускал электрическую искру через смесь последнего с кислородом, превращая эту смесь в оксиды азота, удалявшиеся из сферы реакции. Но при этом всегда небольшая доля флогистированного воздуха (азота) оставалась неизменной, не вступала во взаимодействие с кислородом. Это была маленькая доля, чуть заметный пузырек газа — всего 1/125 часть взятого азота. Наблюдение это датировано 1785-м годом. В чем здесь дело, Г. Кавендиш так и не выяснил. Разгадка пришла сто с лишним лет спустя. О ней вы узнаете в главе IX, посвященной инертным газам.
КИСЛОРОД
Смело можно сказать, что ни один химический элемент не сыграл столь же выдающейся роли в становлении химии, как кислород. Этот поистине животворный воздух в конце XVIII в. позволил химии шагнуть так далеко, как ей еще ни разу не удавалось в предшествующие времена. И прежде всего кислород ниспроверг оказавшуюся весьма живучей концепцию флогистона. При всей ошибочности этой концепции нельзя отрицать ее несомненное историческое значение. Все же до поры до времени она позволяла как-то систематизировать существовавшие химические представления, оценивать различные процессы, протекающие в природе и в лабораториях, с единой (пусть и неправильной) точки зрения. А это придавало исследованиям определенную целенаправленность. Водород и азот были порождениями флогистонных представлений, но изучение этих видов воздуха позволяло постепенно накапливать новые факты, которые требовали объяснения уже с иных позиций. Образно говоря, химия испытывала необходимость взглянуть на себя другими глазами. Такую возможность и дал ей кислород.
…Вопреки теории флогистона, уже давно и не раз высказывались смутные догадки о том, что при сжигании горючих тел и обжиге металлов эти вещества присоединяют к себе некую «субстанцию», содержащуюся в воздухе. Р. Бойль в 1673 г. сделал вывод: при обжиге свинца и сурьмы их вес увеличивается благодаря присоединению к ним мельчайших частиц огненной материи, содержащейся в пламени. «Славного Роберта Бойля мнение ложно», — сказал 80 лет спустя М. В. Ломоносов. Великий русский ученый прямо заявил, что в процессе горения участвует воздух — частицы из воздуха смешиваются с обжигаемым телом и увеличивают его массу.
В эпоху, когда пневматическая химия завоевывала одну позицию за другой, французский химик П. Байен написал работу (1774), в которой рассуждал о причинах увеличения массы металлов при обжиге. Он считал, что при прокаливании к металлу присоединяется особый вид воздуха — упругий флюид, более тяжелый, чем обычный воздух. Этот флюид П. Байен получал разложением ртутных соединений при нагревании. Напротив, действуя на металлическую ртуть, флюид превращал ее в вещество красного цвета.
На констатации указанных фактов П. Байен, к сожалению, остановился. Однако вскоре вы убедитесь, что фактически ученый имел дело с кислородом. Обратите внимание на два момента: дату 1774 г. и вещество, фигурировавшее в исследованиях Байена, — красный оксид ртути. В том же году с тем же соединением экспериментировал Дж. Пристли. Незадолго до этого он обнаружил, что в присутствии зеленых растений фиксируемый воздух, не поддерживающий дыхания, как бы снова становится обычным воздухом, пригодным для дыхания животных. Это был факт огромной ценности не только для химии, но и для биологии. Дж. Пристли впервые доказал выделение растениями кислорода.
В начале 70-х годов XVIII в. уже был известен так называемый селитряный газ, выделявшийся при действии разбавленной азотной кислоты на железные стружки (с современной точки зрения это оксид азота). Оказалось, что селитряный газ можно превратить (действуя им на влажные железные опилки) в иную разновидность воздуха, поддерживающую горение, но не поддерживающую дыхание. Так, Дж. Пристли открыл другой оксид азота N2O, назвав его, по логике флогистонной теории, дефлогистированным селитряным газом. В непрестанных трудах встретил Дж. Пристли день 1 августа 1774 г., которому суждено было стать замечательной датой в истории химии.
Дж. Пристли поместил в замкнутый сосуд красный оксид ртути и направил на него солнечные лучи, сфокусированные большой линзой. Вещество стало разлагаться с выделением газа и образованием блестящей металлической ртути (спустя годы этот газ обретет имя «кислород» и окажется третьим элементарным газом). В отличие от азота кислород не был первоначально выделен из атмосферы. Новая разновидность воздуха была извлечена из твердого химического соединения. Газ Пристли оказался пригодным для дыхания. Свеча, помещенная в атмосферу этого газа, горела куда более ярко, чем в обычном воздухе. При смешивании его с воздухом ничего не наблюдалось, но при смешивании газа Пристли с селитряным газом возникали бурые пары (что в современной трактовке означает образование NO2 из NO). Впрочем, такая же картина наблюдалась и при соприкосновении селитряного газа с обычным воздухом, хотя и не столь отчетливо. Дж. Пристли оставалось лишь произнести фразу: «Новый газ является составной частью воздуха». Однако он явно был не готов произнести ее, а назвал новый вид воздуха дефлогистированным. Вряд ли что другое можно было ожидать от приверженца флогистонной теории.
После сделанного открытия — важный штрих в истории кислорода — Дж. Пристли отправился в Париж, где рассказал о своих опытах А. Лавуазье и некоторым другим французским ученым. А. Лавуазье сразу оценил все значение наблюдений своего английского коллеги, оценил гораздо правильнее и яснее. Дж. Пристли же (и здесь опять выявляется живучесть флогистона!) рассуждал о дефлогистированном воздухе, наслаивая заблуждение на заблуждение. Он не мог понять всего величия сделанного им открытия. Дж. Пристли считал дефлогистированный воздух сложным веществом. Лишь в 1786 г. под влиянием воззрений А. Лавуазье он стал рассматривать дефлогистированный воздух в качестве газообразного элементарного тела.
Итак, П. Байен и Дж. Пристли — вот два естествоиспытателя, кому удалось обнаружить кислород. К этим именам необходимо добавить третье имя — выдающегося шведского химика К. Шееле. Оно стало широко известным ученому миру в 1777 г., когда К. Шееле опубликовал книгу «Химический трактат о воздухе и огне». Книга была написана в 1775 г., и лишь по вине издателя публикация ее задержалась на два года. Это досадное обстоятельство лишило К. Шееле права именоваться первооткрывателем кислорода, хотя он описал его еще в 1772 г., причем полнее и четче, чем это сделали П. Байен и Дж. Пристли. Свой кислород (огненный воздух) К. Шееле получал разными путями, разлагая неорганические соединения. Перегоняя селитру с серной кислотой, он выделил бурые пары. При высокой температуре они обесцвечивались. Эти обесцвеченные пары К. Шееле собрал и признал новым газом — огненным воздухом, в котором, как у Дж. Пристли, свеча горела гораздо ярче, нежели в обычном воздухе. К. Шееле предполагал, что огненный воздух — составная часть обычного. Смешав его с мефитическим воздухом, или испорченным воздухом Резерфорда, К. Шееле получил смесь, ничем от обычного воздуха не отличающуюся. Ученый фактически понял, что атмосферный воздух есть смесь будущих азота и кислорода. Впрочем, этот момент представляется очевидным лишь с высот более поздних знаний. К. Шееле же увела в сторону его приверженность к концепции флогистона. Сжигая горючий воздух (водород) в сосуде с воздухом, шведский химик не обнаружил никаких продуктов взаимодействия горючего воздуха с огненным. Вывод отсюда следовал такой, что в результате взаимодействия образуется теплота. Соединяясь с флогистоном, думал К. Шееле, огненный воздух дает теплоту (теплота, по Шееле, носила материальный характер), а ее «разложение» ведет к выделению огненного воздуха — кислород рождается пламенем.
К. Шееле открыл огненный воздух, ничего не зная об опытах Дж. Пристли, и 30 сентября 1774 г. написал об этом А. Лавуазье. Остается лишь сожалеть, что результаты работ К. Шееле были опубликованы с запозданием. Появись они раньше, вероятно, процесс познания природы элементарных газов, процесс мучительный и противоречивый, мог бы заметно ускориться.
Их подлинное познание стало возможным благодаря деятельности одного из наиболее выдающихся химиков всех времен — А. Лавуазье. Период времени, в течение которого существовала флогистонная теория, позволил накопить огромный фактический материал, который способствовал свершению революции в химии. Здесь главная заслуга принадлежит А. Лавуазье и — в его руках — кислороду, правильно понятому. Как писал Ф. Энгельс: «…Лавуазье смог открыть в полученном Пристли кислороде реальный антипод фантастического флогистона и тем самым ниспровергнуть всю флогистонную теорию. Но это отнюдь не означало устранения опытных результатов флогистики. Наоборот, они продолжали существовать; только их формулировка была перевернута, переведена с языка флогистонной теории на современный химический язык, и постольку они сохранили свое значение»[4].
Путь А. Лавуазье к кислороду был гораздо более четким и определенным, чем у его современников. Правда, так же как и они, французский ученый поначалу апеллировал к флогистонной теории, но, чем больше накапливал он новых фактов, тем решительнее склонялся к ее отрицанию. Еще 1 ноября 1772 г. он закончил описание своих опытов по сжиганию различных веществ в воздухе. Масса всех тел, в том числе и металлов, делал вывод А. Лавуазье, увеличивается при горении и прокаливании.
Поскольку для всех этих процессов необходимо большое количество воздуха, А. Лавуазье сделал и другой вывод. Воздух является смесью газов с различными свойствами. Определенная часть его поддерживает горение и связывается с горящим веществом. Сначала А. Лавуазье предполагал, что этот вид воздуха подобен связанному воздуху Дж. Блэка, но вскоре убедился в своей ошибке. В феврале 1774 г. французский ученый обнаружил, что воздух, взаимодействующий с веществом при горении, оказывается наиболее пригодным для дыхания. Тем самым А. Лавуазье лицом к лицу столкнулся с будущим кислородом, но, рассчитывая провести дополнительные опыты, не решился заявить об открытии нового газа.
В октябре 1774 г. Дж. Пристли сообщил А. Лавуазье о своем открытии, и эта информация показала французскому химику истинную цену его собственного наблюдения. Он тут же начал эксперименты с красным оксидом ртути — наиболее подходящим «генератором» кислорода. В апреле 1775 г. А. Лавуазье сделал в Академии наук доклад: «Мемуар о природе вещества, соединяющегося с металлами при прокаливании и увеличивающего их вес». Это и было сообщение об открытии кислорода. «Этот воздух, — говорил Лавуазье, — был открыт почти в одно время Пристли, Шееле и мною. Я дал ему сначала название в высшей степени легко вдыхаемого, или весьма удобовдыхаемого, но затем заменил названием „жизненный или живительный воздух“».
Уже одно это показывает, насколько дальше продвинулся А. Лавуазье в понимании природы кислорода, чем его современники. Жизненный воздух становится теперь предметом всесторонних исследований. Ученый, далее, приходит к выводу, что наиболее удобовыдыхаемый воздух является кислотообразующим началом, важнейшей составной частью всех кислот. Позднее эта точка зрения оказалась неправильной (когда на примере галогеноводородных кислот были описаны бескислородные кислоты), но тогда в 1779 г. А. Лавуазье счел возможным отразить это качество нового газа в его названии «кислород» или «оксиген»: от греческих слов, обозначающих «рождаю кислоту».
Заключительным аккордом становления кислородной теории стало выяснение состава воды. В 1781 г. Г. Кавендиш наблюдал, что при сжигании горючего воздуха он почти целиком вместе с дефлогистированным воздухом превращается в чистую воду. Однако свои результаты английский ученый опубликовал только в 1784 г. Зная об этих опытах Г. Кавендиша и повторив их, А. Лавуазье пришел к выводу, что вода не есть простое вещество, а состоит из горючего воздуха и живительного воздуха. Этот вывод относится к 1783 г., поэтому А. Лавуазье и считают первым, кто установил состав воды. Однако в действительности первым был Г. Кавендиш. Выяснение состава воды позволило правильно понять природу водорода.
История открытия кислорода показательна в том хотя бы смысле, что процесс открытия нового химического элемента здесь не является одноактным событием. Понадобилось несколько последовательных шагов, чтобы от эмпирического наблюдения кислорода дойти до правильного понимания его природы как газообразного химического элемента. Кроме того, для кислорода (но также и для других элементарных газов) характерно то обстоятельство, что подлинное открытие его не было делом рук лишь одного человека. Вот как говорил Ф. Энгельс: «Пристли и Шееле описали кислород, но они не знали, что оказалось у них в руках… И если даже Лавуазье и не дал описания кислорода, как он утверждал впоследствии, одновременно с другими и независимо от них, то все же по существу дела открыл кислород он, а не те двое, которые только описали его, даже не догадываясь о том, что именно они описывали»[5].