Страница 55 из 120
Лавуазье родился в Париже, в семье прокурора парижского парламента и богатого коммерсанта. В 1761 г., в возрасте восемнадцати лет, он окончил колледж Мазарини — среднее учебное заведение, в котором учились дети аристократов. Лавуазье получил высшее образование в Парижском университете, юридический факультет которого окончил в 1763 г. Одновременно он изучал физику, химию и другие естественные науки. Далее жизнь Лавуазье протекала, так сказать, одновременно по двум руслам. С одной стороны, усиленные занятия химией и другими естественными науками, блестящие открытия, увековечившие его имя, избрание в Парижскую академию паук. С другой стороны, участие в Компании откупов[194], что принесло Лавуазье много денег, ко в 1794 г. вместе с другими откупщиками привело на гильотину.
Одним из главных вопросов, занимавших Лавуазье, была проблема горения. Доминирующей точкой зрения на существо процесса горения к тому времени оставалась теория флогистона. Согласно этой теории, все тела, могущие гореть, содержат некоторое вещество или, лучше сказать, субстанцию[195], которую они утрачивают при горении. Этой субстанции дали наименование флогистона (греч. phlogistos — воспламеняемый, горючий). По этой теории хорошо горят те тела, которые содержат много флогистона. И наоборот, тела, содержащие мало флогистона, должны гореть плохо. Тела, имеющие много флогистона, могут передавать его телам с малым количеством флогистона, т. е. могут осуществляться процессы дефлогистации и флогистации (которые мы сегодня, с позиций современной теории горения, назвали бы соответственно процессами окисления и восстановления).
Для того чтобы показать, в чем действительно состоит процесс горения, Лавуазье должен был проделать большое число опытов, основанных (это было для него всегда характерно) на точных измерениях. Еще до Лавуазье было проведено немало работ, содействующих правильному пониманию существа процесса горения. Английский химик Джозеф Пристли (1733–1804), шведские химики Карл Шееле (1742–1768) и Торберн Бергман показали, что воздух имеет сложный состав. Тот же Пристли и другой известный английский физик и химик, Генри Кавендиш (1731–1810), именем которого названа научно-исследовательская лаборатория Кембриджского университета, исследовали различные газы, в том числе компоненты воздуха. В 1774 г. великий русский ученый М. В. Ломоносов путем точных опытов, основанных на взвешивании, установил принцип сохранения вещества, имеющий огромное значение, в частности для изучения процесса горения.
Лавуазье не был знаком со многими из ранее проделанных работ, и многое ему пришлось делать самостоятельно, заново. Все его опыты имели количественный, систематический характер. Лавуазье посредством прямого эксперимента доказал, что горение есть не что иное, как соединение сгорающих веществ с кислородом — одним из газов, составляющих воздух. Он произвел сжигание алмаза (С) в среде чистого кислорода (О2) с получением двуокиси углерода (СО2), а также большое число других опытов, раскрывающих сущность процесса горения.
Лавуазье показал, что все химические превращения одних (исходных) веществ в другие (продукты процессов) сводятся к изменению сочетаний элементов, т. е. веществ, далее не разделяемых химическим путем[196]. К уже известным элементам (углероду, сере, фосфору, металлам) он присоединил новые: кислород, водород и азот.
Следует, пожалуй, заметить, что, говоря о составе сложных химических веществ, предложенном Лавуазье, более точно пользоваться наименованием простые вещества вместо применяемого теперь термина «элементы». Дело заключается в том, что Лавуазье считал (как и другие ученые того времени) химически неделимыми некоторые вещества (например, свободные сложные химические радикалы — сложные частицы, обладающие не-спаренными электронами), которые в дальнейшем удалось химически разделить.
Химические соединения были разделены в своем большинстве на три группы: кислоты, основания и соли[197]. Есть некоторое, вероятно чисто внешнее, сходство между тем, что проделал Лавуазье в химической классификации веществ и терминологии, и тем, что было сделано Линнеем в биологии.
Лавуазье определил сущность процессов дыхания и пищеварения. В результате проведенных им опытов было показано, что в организме происходит процесс, аналогичный обычному процессу горения. При этом «горючим веществом» служит пища, а кислород поступает в организм из воздуха при дыхании. В результате этих опытов и их обобщения был составлен общий химический баланс организма.
Лавуазье вместе с уже упоминавшимся известным французским ученым Лапласом были проделаны опыты по определению скрытых теплот[198], а также теплот горения различных веществ. Этими опытами были положены начала термохимии — весьма важной для практики науки, изучающей тепловые явления, сопровождающие химические реакции. Лавуазье и Лаплас создали так называемый ледяной калориметр — прибор, позволяющий измерять количество тепла (это назначение калориметра любого типа, любой конструкции) путем измерения количества воды, образовавшейся в результате таяния льда при известной величине его скрытой теплоты таяния.
Совместно с французским инженером Ж. Мёнье Лавуазье установил, что вода представляет собой соединение кислорода и водорода. Со всеми возможными предосторожностями (учитывая взрывной характер реакции) Лавуазье произвел синтез воды из этих двух газов. Одновременно с Лавуазье и независимо от него синтез воды из кислорода и водорода был проведен Кавендишем, Отнюдь не претендуя на то, что нами перечислены все достижения Лавуазье в области химии, мы хотим сделать только одно важное дополнение к сказанному. Лавуазье является автором опубликованного в 1789 г. «Начального учебника химии» — вероятно, первой систематической книги такого рода.
Важный шаг в развитии химии вслед за Лавуазье был сделан известным английским химиком, физиком и метеорологом Джоном Дальтоном (1766–1844). Нам представляется более удобным рассказать о научных исследованиях Дальтона в настоящей главе[199].
Дальтон родился в бедной семье ткача-квакера[200]. Он учился в сельской школе, много занимался самообразованием и уже приблизительно в пятнадцатилетием возрасте стал преподавателем в той же школе, где ранее учился. Знакомство с любителем-метеорологом Робинсоном увлекло Дальтона с ранних лет метеорологией (это увлечение сохранилось у Дальтона на всю жизнь) и пробудило в нем интерес к конструированию различных приборов. Осенью 1781 г. Дальтон — учитель в школе г. Кендала, а через 4 года — директор школы. В Кендале Дальтон проработал около 12 лет. За это время, помимо занятий в школе, он много времени отдавал метеорологии, усиленно изучал математику, читал публичные лекции, выступал с научными статьями. Его имя становилось все более известным. В 1793 г. Дальтон переехал в г. Манчестер, стал преподавать в колледже и давать частные уроки. Вскоре его избрали секретарем, а затем председателем Манчестерского литературного и философского общества. Его научные интересы становились все шире. В 1816 г. Дальтона избрали членом-корреспондентом Французской академии наук и только в 1822 г, — членом Королевского общества.
Рис. 11. Схема опыта Дальтона.
Научные заслуги Дальтона очень велики, но предпочтение, наверное, надо отдать его работам в области исследования газов и особенно развитию атомистических представлений в химии.
Дальтона заинтересовал такой вопрос: если в каком-либо сосуде имеется смесь различных, химически не реагирующих между собой газов, то каково будет парциальное давление[201] каждого из газов, входящих в смесь? Будет ли давление смеси газов равно сумме парциальных давлений всех газов, входящих в смесь? Такой вопрос проще всего решить с помощью опыта. Можно, например, произвести такой опыт (рис. 11): взять два равных по объему сосуда, соединенных между собой трубкой с краном. В правом сосуде вместо дна имеется подвижный поршень. В первом (см. рис. 11, а) положении системы сосуды разъединены краном (кран закрыт).
194
Откуп — исключительное право, предоставлявшееся феодальным государством за плату откупщикам (компаниям откупщиков) па сбор некоторых налогов, монопольную продажу некоторых товаров.
195
Cубстанция (лат. substantia — сущность, то, что лежит в основе) — объективная реальность, то, что существует само по себе; так называли, например, теплород, флогистон.
196
Современное определение химического элемента таково: совокупность атомов с одинаковым зарядом ядра.
197
Современные определения кислот, оснований и солей следующие: кислоты — химические соединения, которым в водном растворе свойственна диссоциация с образованием положительных ионов водорода (Н+, точнее, Н3О+); основания — химические соединения, характеризующиеся диссоциацией в водном растворе с образованием иона ОН-; основания, растворимые в воде, называются щелочами; соли — класс химических соединений, обычно кристаллического строения, ионной структуры.
198
Скрытая теплота, или, как теперь чаще говорят, теплота фазового перехода, есть количество тепла, которое необходимо подвести (отвести) для равновесного перехода единицы массы вещества из одной фазы в другую, например при испарении или конденсации, плавлении или замерзании, возгонке или переходе пара непосредственно в твердое тело.
199
Конечно, нельзя представлять себе дело так, что рядом с Лавуазье и Дальтоном не было других выдающихся ученых. Совсем нет, дело обстояло как раз наоборот, такие ученые были, и мы о них кое-что рассказали и еще расскажем. Но необходимо считаться с объемом книги.
200
Квакеры — члены религиозной христианской общины, основанной в Англии в середине XVII в.; квакеры отрицают институт
201
Парциальное давление — это давление одного из газов, составляющих смесь.