Страница 8 из 29
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.
P4 + 5O2→ P4O10,
P4O10 + 6H2O→ 4H3PO4.
Проведя сходный опыт с серой, Лавуазье заметил подобный эффект: продукт сгорания весил больше, чем исходная сера, а при смешивании с водой образовывал то, что известно сегодня под названием серной кислоты. Он заметил также, что из одного фунта серы получалось больше одного фунта кислоты.
S + 3/2 O2 → SO3;
SO3 + H2O → H2SO4.
РИС. 1
Следующим шагом стало изучение превращения «извести» металла (свинцового глета или оксида свинца) при нагревании с помощью линзы Чирнгаузена вместе с углем, который, как мы уже видели, считался тогда источником флогистона.
Лавуазье собрал «эластичный флюид» (хотя Ван Гельмонт предложил слово «газ» веком раньше, оно еще не использовалось), который собирался на воде, предварительно покрытой слоем масла, мешавшим воде поглощать газ. Чтобы измерить его, он использовал пневматическую ванну, разработанную Гейлсом.
Мы знаем сегодня, что существование элемента или соединения в твердом, жидком или газообразном состоянии зависит от его давления и температуры. Почти невозможно представить себе времена, когда газ не считался веществом.
И все же это логично: трудно изучать вещества без определенной формы и объема, невидимые, часто без запаха, которые, соответственно, с трудом можно собрать. Поэтому одним из самых важных открытий в химии до Лавуазье стало открытие существования разных видов «воздуха»» и разработка приборов для их сбора. Фламандец Ян Баптист Ван Гельмонт считается отцом «пневматической науки»», поскольку еще в XVII веке он изучал все возможные типы воздуха, хотя так и не сумел определить его состав. Ван Гельмонт выделил воздух, содержавшийся в термальных водах, который является тем же самым веществом, что образуется при горении угля либо в погребах при брожении вина (СO2); с другой стороны, был еще воздух, который улетучивался при горении серы (SO2), и горючий воздух, выделяющийся при гниении органики (Н2, СН4, H2S). Ван Гельмонту мы обязаны и словом «газ»». Большинство историков науки утверждают, что корень данного слова происходит от греческого «хаос»», хотя Лавуазье связывал его с другим словом, означающим «призрак»». Долгое время считалось, что «обычный воздух»», то есть окружающая нас атмосфера, является просто средой, в которой происходят химические реакции, и сам по себе он никакой роли в этих реакциях не играет. В начале XVIII века опыты англичанина Стивена Гейлса и шотландца Джозефа Блэка сделали очевидным тот факт, что во время таких реакций, как горение, атмосфера может быть веществом, активно участвующим в реакции.