Страница 19 из 20
Кислород и азот – соседи по периодической таблице, и оба образуют двухатомные газы (N2 и O2). Накопление азота миллиарды лет назад стало причиной возникновения третьей, менее суровой, атмосферы Земли, а появление кислорода ознаменовало зарождение четвертой атмосферы – весьма взрывоопасной. Азот – вещество сонное, малоактивное, а кислород изменчив и задирист. Он является ядом для многих форм жизни, а 2 млрд лет назад стал причиной самой страшной катастрофы в истории жизни на Земле – так называемой кислородной катастрофы.
Однако каким-то образом жизнь сохранилась, и бывший яд стал насущной потребностью. Это может показаться банальным, но данное превращение напоминает мне известную историю о том, что в китайском языке слово «кризис» складывается из двух иероглифов: один обозначает опасность, а другой – возможность. Правда, синологи утверждают, что это ерунда, но в отношении кислорода факт остается фактом: кислород уничтожил первые формы жизни, поскольку очень легко разрушает клетки, но, когда клетки научились контролировать содержание кислорода, его активность стала важнейшим преимуществом. Учитывая разрушительную мощь кислорода, не приходится удивляться, что он разрушил жизнь всех химиков, приложивших руку к его открытию. Это настоящий «алмаз Хоупа» в периодической таблице элементов.[19]
Открытие кислорода связано с одним из важнейших открытий в области газов, которое заключается в том, что воздух представляет собой смесь нескольких газов. Раньше ученые не видели различий между разными типами газов; любой дым или пар был для них «воздухом».
Физик и алхимик Ян Баптист ван Гельмонт установил истину в начале XVII в. У него были для этого все возможности. Он и другие алхимики уже отказались от идеи греков о том, что все в мире состоит из четырех базовых элементов (веществ, которые нельзя разложить на более простые составляющие): воздуха, земли, огня и воды. В частности, алхимики заявляли, что земля и огонь вообще не элементы: земля представляет собой смесь различных материалов, а огонь – скорее явление, нежели субстанция. Однако после ряда экспериментов у ван Гельмонта не было твердой уверенности относительно природы воздуха. Он обратил внимание, что при нагревании некоторых веществ – древесины, угля или минералов – происходит выделение паров, свойства которых отличаются от свойств воздуха. Кроме того, он отметил различные свойства паров, выходящих из шахт, выгребных ям и человеческого желудка при отрыжке. Для обозначения этих субстанций ван Гельмонт стал использовать слово «газ», образованное им из греческого слова «хаос».
Эта этимология вполне обоснованна, учитывая неупорядоченное поведение молекул газов, однако ван Гельмонт пошел дальше и стал говорить о газах как о непобедимых диких духах. Он даже сравнивал газы с душами и утверждал, что ученым никогда не удастся заключить газы в какие-либо земные сосуды (возможно, ван Гельмонт никогда не плавал или, по крайней мере, не пытался удерживать дыхание под водой). Позднее ученые отказались от метафизики ван Гельмонта, но сохранили его идею о том, что воздух и газы – различные понятия: воздух – это вещество, а газ – состояние материи.
Следующие важные шаги в изучении воздуха в середине XVII в. сделал ирландский ученый Роберт Бойль, который исследовал физические, химические и биологические свойства воздуха. Физические свойства воздуха он исследовал путем анализа его эластичности, в данном случае легкости сдавливания. Он установил, что при сдавливании какого-то объема газа автоматически возрастает его давление (верно и обратное: расширение объема газа приводит к снижению давления). Что касается химических свойств воздуха, он обнаружил, что воздух необходим для поддержания горения – под колпаком пламя гаснет. Аналогичную и не очень благородную традицию он ввел и для изучения биологических свойств воздуха: помещал под колпак птиц, мышей, кошек, змей и сырных клещей и отмечал, когда они начнут задыхаться.
Для хранения и изучения газов Бойль обычно пользовался мочевым пузырем быка, но те, кто работал после него, выяснили, что удобнее пропускать пузырьки газов через слой воды или ртути, а затем собирать и хранить в перевернутых вверх дном сосудах. Благодаря новой технологии шотландский физик Джозеф Блэк в XVIII в. достиг заметного прогресса в изучении свойств воздуха.
Блэк скорее был похож на симпатичного весельчака, чем на ученого. Как Адам Смит и Дэвид Юм, он был членом знаменитого покерного клуба Эдинбурга, состоявшего из «литературных варваров», бочками поглощавших херес и кларет. Кроме того, Блэк выступал с яркими публичными лекциями. Он заполнял воздушные шары легким газом, отпускал их, и они взлетали к потолку (зрители подозревали, что шары подвешены на невидимых нитках). А затем собирал в резервуар более тяжелые газы и задувал невидимым содержимым резервуара горящие свечи.
В 1754 г. Блэк действительно открыл этот гасящий свечи газ – диоксид углерода, первый чистый газ. В 1764 г. он показал, что диоксид углерода содержится в выдыхаемом воздухе. Сделал он это с помощью забавного эксперимента. Однажды ранним зимним утром забрался под крышу местной церкви и установил там стакан с раствором гашеной извести. При взаимодействии с диоксидом углерода гашеная известь образует молочно-белый осадок. Когда через 10 часов служба закончилась – шотландцы относятся к религии серьезно, – Блэк поднялся за своим стаканом, и оказалось, что горячий воздух проповеди действительно заставил жидкость помутнеть.
Двое из учеников Блэка тоже внесли заметный вклад в изучение химических свойств газов. В 1772 г. двадцатитрехлетний Даниель Резерфорд (в будущем дядя сэра Вальтера Скотта) удалил из закрытого сосуда с воздухом все химически активные газы – сначала путем сжигания, а затем путем пропускания оставшихся веществ через гашеную известь, пока у него не осталось лишь неактивное вещество. Сегодня мы называем это вещество азотом. Но поскольку все мыши в закрытом сосуде с этим газом погибали, Резерфорд назвал его «ядовитым воздухом» (в разное время азот также называли «испорченным воздухом», «горелым воздухом» и «разложившимся воздухом»; короче говоря, любовью этот газ не пользовался).
Еще более весомый вклад в науку внес второй ученик Блэка – Генри Кавендиш. Кавендиш хранил в Банке Англии больше сбережений, чем любой его современник. У него не было ни одного друга и никакой социальной жизни – за исключением посещения заседаний Королевского общества, но и оттуда он удирал как лань, если кто-то пытался с ним заговорить. Со слугами он общался посредством записок, а когда в 1810 г. собрался умирать, то отослал из комнаты всех, чтобы ему не мешали спокойно следить за происходящим. Сегодня мы бы точно нашли у Кавендиша аутизм или какой-нибудь другой синдром, но за всю историю существования Англия произвела на свет не много людей с таким необыкновенным интеллектом. Кавендиш определил плотность (а следовательно, и массу) Земли, не покидая своего дома в Лондоне, используя лишь четыре свинцовых шарика и металлическую проволоку. В 1766 г. он открыл водород, капая кислотой на поверхность различных металлов. Кавендиш назвал водород «горючим воздухом», поскольку пламя в его присутствии шумно разгоралось.
Кавендиш не только выделил водород, но и обнаружил одно его важное свойство. Однажды он смешал водород с воздухом в стеклянном сосуде и начал пропускать через эту смесь искру с помощью нового (и, без сомнения, чрезвычайно дорогого) электрического генератора. Через какое-то время на стенках сосуда образовалась «роса». Эта роса не имела никакого отношения к эксперименту, но, как все великие ученые во все века, Кавендиш исследовал образовавшуюся жидкость. К его чрезвычайному удивлению, это была вода. Кавендиш не понял всех деталей процесса, поскольку тогда еще не была развита современная теория химической реакции. Однако он понял, что два газа, причем два горючих газа – воздух и водород, – соединялись между собой с образованием жидкой воды, а вовсе не огня.
19
Алмаз Хоупа, или «Голубой француз», – очень крупный синий бриллиант, названный по имени первого известного владельца; находится в Музее естественной истории Смитсоновского института (США); считается, что с этим камнем связано проклятье.