«Десять самых красивых экспериментов в истории науки». Глава из книги • Книжный клуб (original) (raw)

Глава 4. Антуан Лоран Лавуазье

Флогистон и кислород

Только представьте, что это значит — понять, что дает листу его
цвет и что заставляет пламя гореть!
Карл Джерасси, Роальд Хоффман. Кислород1

Однажды осенним днем 1772 года парижане, прогуливавшиеся недалеко от Лувра, в саду Инфанты, вдоль набережной Сены, могли видеть странное, напоминавшее плоскую подводу сооружение в виде деревянной платформы на шести колесах. На ней были установлены огромные стекла. Две самые большие линзы, имевшие в радиусе восемь футов, были скреплены вместе так, чтобы из них получилось увеличительное стекло, собиравшее солнечные лучи и направлявшее их на вторую линзу, поменьше, а затем на поверхность стола. На платформе стояли занятые в эксперименте ученые в париках и черных очках, а их ассистенты сновали, как матросы по палубе, настраивая все это сложное сооружение на солнце, непрерывно держа плывущее по небосклону светило «под прицелом».

Среди людей, которые воспользовались этой установкой — «ускорителем элементарных частиц» XVIII века, — был Антуан Лоран Лавуазье. Его тогда занимало, что происходит при сжигании алмаза.

Давно было известно, что алмазы горят, и местные ювелиры попросили Французскую академию наук исследовать, не таится ли в этом какой-нибудь риск. Самого Лавуазье интересовал несколько иной вопрос: химическая сущность горения. Вся прелесть «поджигающего стекла» заключалась в том, что оно, фокусируя солнечные лучи в точке, находящейся внутри контейнера, нагревало все, что в эту точку можно было поместить. Дым из сосуда можно было направить по трубке в сосуд с водой, осадить содержащиеся в нем частицы, затем выпарить воду и проанализировать остаток.

К сожалению, эксперимент не удался: от интенсивного нагрева стекло постоянно лопалось. Однако Лавуазье не отчаивался — у него были и другие идеи. Он предложил Академии наук программу по изучению «воздуха, содержащегося в веществе», и того, как он, этот воздух, связан с процессами горения.

Ньютону удалось направить развитие физики по правильному пути, зато в химии в те времена дела обстояли из рук вон плохо — она еще была пленницей алхимии. «Хна, растворенная в хорошо дефлегментированном духе селитры, даст бесцветный раствор, — писал Ньютон. — Но если ее поместить в добротное купоросное масло и встряхивать, пока она растворяется, то смесь сначала станет желтой, а затем темно-красной». На страницах этой «кулинарной книги» ничего не говорилось ни об измерениях, ни о количествах. «Если дух соли поместить в свежую мочу, то оба раствора легко и спокойно смешаются, — отмечал он, — но если тот же раствор капнуть на выпаренную мочу, то последует шипение и вскипание и летучие и кислые соли через какое-то время коагулируют в третье вещество, напоминающее по своей природе нашатырь. А если отвар из фиалок развести, растворив в небольшом количестве свежей мочи, то несколько капель ферментированной мочи обретут ярко-зеленый цвет».

Весьма далеко от современной науки. В алхимии, даже в записях самого Ньютона, многое напоминает магию. В одном из своих дневников он добросовестно переписал несколько абзацев из книги алхимика Джорджа Старки, который сам себя называл Филалетом.

Отрывок начинается так: «В [Сатурне] скрыта бессмертная душа». Под Сатурном обычно понимался свинец, поскольку каждый элемент ассоциировался с какой-нибудь планетой. Но в данном случае имелся в виду серебристый металл, известный как сурьма. «Бессмертный дух» — это газ, который испускает руда при сильном нагреве. «К Сатурну узами любви привязан Марс (это означало, что к сурьме добавлялось железо), который сам в себе пожирает великую силу, чей дух делит тело Сатурна, и из обоих вместе истекает чудесная яркая вода, в которую садится Солнце, высвобождая свой свет». Солнце — это золото, которое в данном случае погружено в ртуть, часто называемую амальгамой. «Венера, самая яркая звезда, находится в объятиях [Марса]». Венерой называли медь, которую на этом этапе добавляют в смесь. Сей металлургический рецепт, вероятнее всего, является описанием ранних этапов получения «философского камня», к которому стремились все алхимики, поскольку считалось, что с его помощью можно неблагородные элементы превратить в золото.

Лавуазье и его современники сумели пойти дальше этих мистических заклинаний, однако химики даже в то время еще верили в алхимические представления о том, что поведение веществ определяется тремя началами: ртутью (которая разжижает), солью (которая сгущает) и серой (которая делает вещество горючим). «Сернистый дух», также называемый terra pingua («жирная» или «маслянистая» земля), занимал умы очень многих. В начале XVIII века немецкий химик Георг Эрнст Шталь стал называть его флогистоном (от греч. phlog — относящийся к огню).

Считалось, что предметы горят потому, что в них много флогистона. По мере того как предметы поглощаются огнем, они выделяют эту горючую субстанцию в воздух. Если поджечь кусочек дерева, то он перестанет гореть, оставив после себя всего лишь кучку пепла, только когда израсходует весь свой флогистон. Поэтому считалось, что дерево состоит из пепла и флогистона. Аналогичным образом после прокаливания, т.е. сильного нагрева, металла остается белая хрупкая субстанция, известная как окалина. Стало быть, металл состоит из флогистона и окалины. Процесс ржавления — это медленное горение, наподобие дыхания, т.е. реакции, возникающие тогда, когда флогистон выделяется в воздух.

Рассматривался и обратный процесс. Считалось, что окалина напоминала добытую из земли руду, которая затем облагораживалась, подвергаясь восстановлению, или «возрождению», путем нагрева рядом с древесным углем. Древесный уголь испускал флогистон, который сочетался с окалиной, чтобы восстановить блестящий металл.

Само по себе использование гипотетической субстанции, которую нельзя измерить, но можно предполагать, не содержит в себе ничего плохого. В наше время космологи тоже оперируют понятием «темная материя», которая должна существовать, чтобы галактики при вращении не разлетались на куски под действием центробежной силы, и что за расширением Вселенной стоит антигравитационная «темная энергия».

С помощью флогистона ученые могли логично объяснить горение, прокаливание, восстановление и даже дыхание. Химия неожиданно становилась осмысленной.

Тем не менее это не решало всех проблем: окалина, остававшаяся после прокаливания, весила больше, чем исходный металл. Как могло получиться, что после выхода флогистона из вещества оно становилось тяжелее? Как и «темная энергия» четверть тысячелетия спустя, флогистон, по словам французского философа Кондорсе, «приводился в движение силами, противоположными по направлению силе тяжести». Чтобы эта мысль выглядела поэтичней, один химик заявил, что флогистон «окрыляет земные молекулы».

Лавуазье, как и ученые того времни, был уверен в том, что флогистон — одна из основных составляющих вещества. Но к началу экспериментов с алмазами он стал задумываться: а может ли нечто весить меньше нуля?

Его мать умерла, когда он был еще мальчишкой, оставив ему наследство, которого хватило, чтобы вступить в прибыльное предприятие под названием «Главный откуп». Французское правительство заключало с этим консорциумом частных лиц договор на сбор налогов, от которых такие откупщики, как Лавуазье, имели определенную долю. Эта деятельность постоянно отвлекала его от исследований, зато давала доход, позволивший ему через некоторое время стать владельцем одной из лучших лабораторий в Европе. Среди первых экспериментов 1769 года был эксперимент, с помощью которого Лавуазье решил проверить бытовавшее тогда представление о том, что воду можно превратить в землю.

Доказательства были достаточно убедительными: вода, испаряясь на сковороде, оставляет твердый остаток. Но Лавуазье решил докопаться до самой сути, используя сосуд для возгонки, известный как «пеликан». Имея большую круглую емкость в основании и небольшую верхнюю камеру, сосуд был оснащен двумя загнутыми трубками (немного напоминавшими клюв пеликана), по которым пар снова возвращался вниз. Для алхимиков пеликан символизировал жертвенную кровь Христа, поэтому считалось, что сосуд «пеликан» обладает силой преображения. Более того, вода,которая кипела в «пеликане», непрерывно бы испарялась и конденсировалась, так что никакое вещество — твердое, жидкое или газообразное — не смогло бы покинуть систему.

Перегоняя чистую воду в течение ста дней, Лавуазье обнаружил, что осадок действительно существует. Но он догадался, откуда тот берется. Взвесив пустой «пеликан», он обратил внимание на то, что сосуд стал легче. Высушив и взвесив осадок, Лавуазье увидел, что вес осадка достаточно точно соответствует уменьшению веса сосуда, и этот факт натолкнул его на мысль о том, что источником осадка стало стекло сосуда.

Два года спустя, в 1771 году, Лавуазье исполнилось двадцать восемь лет. В том же году он женился. Его избранницей стала Мария-Анна Пьеретт Пользе, тринадцатилетняя дочь еще одного откупщика. (Эта достаточно миловидная девушка к тому времени была помолвлена, и ее второму потенциальному жениху было пятьдесят.) Марии-Анне так понравились научные занятия мужа, что она быстро освоила химию и помогала чем могла: делала записи, переводила английскую научную литературу на французский и выполняла сложнейшие чертежи эксперимента, который оказался настолько элегантен, что ему, как философскому камню, суждено было преобразовать алхимию в химию.

Химики того поколения, к которому принадлежал Лавуазье, уже знали, что, как это удалось сформулировать англичанину Джозефу Пристли, «воздух бывает нескольких видов». Мефитический («зловонный» или «затхлый») воздух заставляет пламя гаснуть, а мышь в нем погибает от удушья. Такой воздух делает мутной известковую воду (гидроокись кальция), образуя белый осадок (углекислая соль кальция). Однако растения хорошо чувствовали себя в этом воздухе и через некоторое время снова делали его пригодным для дыхания.

Еще один удушающий газ образовывался, когда свеча горела какое-то время в закрытом сосуде. Этот газ не осаждал известковую воду, и, поскольку совершенно очевидно был связан с процессом горения, его стали называть флогистонным воздухом, или азотом (от греческого «безжизненный»). Самым таинственным был летучий газ, выделявшийся, когда железные опилки растворялись в разведеннойсерной кислоте. Он был настолько горючим, что получил название «горючего воздуха». Если этим воздухом надуть шар, то он поднимется высоко над землей.

Возникал вопрос, являются ли новые виды воздуха химическими элементами или, как предполагал Пристли, модификациями «обычного» воздуха, получаемого путем добавления или извлечения флогистона?

С трудом сдерживая скептицизм, Лавуазье повторил некоторые эксперименты своих коллег. Он подтвердил, что сжигание фосфора с целью получения фосфорной кислоты или сжигание серы с целью получения серной кислоты приводит к получению веществ, вес которых превышает вес использованных веществ, т.е. как и при прокаливании металлов. Но почему происходит указанное изменение? Ему показалось, что он нашел ответ на этот вопрос. Используя увеличительное стекло для нагрева олова, заключенного в герметичный стеклянный сосуд, он обнаружил, что и до опыта, и после вся установка весила одинаково. Медленно открывая сосуд, он слышал, как с шумом воздух врывался внутрь, после чего вес вновь увеличивался. Может быть, предметы горят не потому, что испускают флогистон, а потому, что поглощают какую-то часть воздуха?

Если это так, то восстановление, т.е. переплавка руды в чистый металл, ведет к высвобождению воздуха. Он отмерил определенное количество окалины свинца, которая называется «глёт», и поместил ее на небольшое возвышение в сосуде с водой рядом с кусочком древесного угля. Накрыв все это стеклянным колоколом, он стал нагревать окалину с помощью увеличительного стекла. По вытесняемой воде он мог догадаться о выделении газа. Аккуратно собрав выделившийся газ, он обнаружил, что от этого газа гаснет пламя и происходит осаждение известковой воды. Похоже, что «затхлый» воздух был продуктом восстановления, но ограничивалось ли дело только этим?

Оказалось, что ответ покоился в красноватой субстанции, которая называлась mercurius calcinatus, или окалина ртути, и которую продавали парижские аптекари как лекарство от сифилиса по цене 18 и более ливров за унцию, т.е. 1000 долларов, если переводить на сегодняшние цены. Всякие эксперименты с этим веществом были не менее экстравагантными, чем эксперименты со сжиганием алмазов. Как и любую другую окалину, ее можно было получать, прокаливая чистый металл на сильном пламени. Однако при дальнейшем нагреве полученное вещество снова превращалось в ртуть. Другими словами, mercurius calcinatus можно было восстанавливать даже без использования древесного угля. Но что тогда являлось источником флогистона? В 1774 году Лавуазье и несколько его коллег из Французской академии наук подтвердили, что окалину ртути действительно можно восстановить «без дополнительных веществ» с потерей примерно одной двенадцатой веса.

Пристли тоже проводил эксперименты с этим веществом, нагревая его с помощью увеличительного стекла и собирая выделяемые газы. «Что меня поразило настолько, что даже не хватает слов для выражения обуявших меня чувств, — писал он позднее, — так это то, что свеча горела в этом воздухе довольно сильным пламенем... Я не смог найти объяснение сему явлению». Выяснив, что лабораторная мышь хорошо чувствовала себя в волшебном газе, он решил подышать им сам. «Мне показалось, что после я какое-то время ощущал необыкновенную легкость и свободу в груди. Кто бы мог предположить, что этот чистый воздух со временем станет модным предметом роскоши. А пока только две мыши и я сам имели удовольствие вдыхать его».

Газ, в котором хорошо дышится и легко происходит горение, Пристли решил назвать «обесфлогистоненным», т.е. воздухом в его самом чистом виде. Он был не одинок в таких рассуждениях. В Швеции аптекарь, которого звали Карл Вильгельм Шееле, тоже изучал свойства «огненного воздуха».

К этому времени Лавуазье уже называл газ, выделявшийся при восстановлении mercurius calcinatus, «чрезвычайно полезным для дыхания», или «живым» воздухом. Как и Пристли, он считал, что этот газ представляет собой воздух в его первозданной форме. Однако тут Лавуазье столкнулся с одной трудностью. Когда он пытался восстановить окалину ртути с использованием древесного угля, т.е. старым, проверенным способом, выделялся тот же газ, что и при восстановлении глёта, — он гасил пламя свечи и осаждал известковую воду. Почему при восстановлении окалины ртути без древесного угля выделялся «живой» воздух, а при использовании древесного угля возникал удушающий «затхлый» воздух?

Прояснить все можно было только одним способом. Лавуазье взял с полки сосуд, который назывался плоской колбой. Нижняя часть его была круглой, а высокое горлышко Лавуазье нагрел и изогнул так, что оно сначала выгибалось книзу, а затем снова вверх.

Если в его эксперименте 1769 года сосуд напоминал пеликана, то нынешний был похож на фламинго. Лавуазье налил четыре унции чистой ртути в круглую нижнюю камеру сосуда (обозначена буквой А на рисунке). Сосуд был установлен на печи так, чтобы его горлышко оказалось в открытый емкости, также заполненной ртутью, а затем поднималось в стеклянный колокол. Эта часть установки использовалась для определения количества воздуха, который будет потреблен во время эксперимента. Отметив бумажной полоской уровень (LL), он разжег печь и довел ртуть в камере А почти до кипения.

Можно считать, что в первый день не произошло ничего особенного. Небольшое количество ртути испарилось и осело на стенках плоской колбы. Образовавшиеся шарики были достаточно тяжелы для того, чтобы вновь стечь вниз. Но на второй день на поверхности ртути стали образовываться красные точки — окалина. В течение нескольких последующих дней красная корочка увеличивалась в размерах, пока не достигла максимальных. На двенадцатый день Лавуазье остановил эксперимент и сделал некоторые измерения.

На тот момент ртуть в стеклянном колоколе превышала начальный уровень на то количества воздуха, который был израсходован на образование окалины. Учтя изменения в температуре и давлении внутри лаборатории, Лавуазье рассчитал, что количество воздуха уменьшилось примерно на одну шестую его первоначального объема, т.е. с 820 до 700 кубических сантиметров. Кроме того, поменялась природа газа. Когда внутрь емкости, где содержался оставшийся воздух, поместили мышь, она сразу стала задыхаться, а «помещенная в этот воздух свеча тут же погасла, как будто ее сунули в воду». Но поскольку газ не вызвал оседания в известковой воде, то его, скорее, можно было отнести к азоту, нежели к «затхлому воздуху».

Но что ртуть получила из воздуха при горении? Сняв красный налет, образовавшийся на металле, Лавуазье стал нагревать его в реторте до тех пор, пока он снова не стал ртутью, выделив при этом от 100 до 150 кубических сантиметров газа — примерно столько же, сколько ртуть поглотила при прокаливании. Внесенная в этот газ свеча «прекрасно горела», а древесный уголь не тлел, а «светился таким ярким светом, что его с трудом выносили глаза».

Это был поворотный момент. Сгорая, ртуть поглощала «живой» воздух из атмосферы, оставляя азот. Восстановление ртути вновь приводило к выделению «живого» воздуха. Так Лавуазье удалось разделить два основных компонента атмосферного воздуха.

Для верности он смешал восемь частей «живого» воздуха и сорок две части азота и показал, что получившийся газ обладает всеми характеристиками обычного воздуха. Анализ и синтез: «В этом кроется самое убедительное доказательство из тех, что доступны в химии: разлагаясь, воздух вновь соединяется».

В 1777 году Лавуазье доложил результаты своих исследований членам Академии наук. Флогистон оказался выдумкой. Горение и прокаливание происходили тогда, когда вещество поглощало «живой» воздух, который он назвал кислородом из-за роли в образовании кислот. (Oxy по-гречески означает «острый».) Поглощение кислорода из воздуха приводит к тому, что в нем остается только непригодный для дыхания азот.

Что касается газа, который называли «затхлым» воздухом, то он образовывался тогда, когда выделяемый при восстановлении кислород соединялся с чем-то в древесном угле, и получалось то, что мы сегодня называем двуокисью углерода.

Год за годом коллеги Лавуазье, особенно Пристли, ворчали по поводу того, что тот якобы присвоил себе первенство в экспериментах, которые они тоже осуществили.Пристли однажды отобедал в доме супругов Лавуазье и рассказал им о своем лишенном флогистона воздухе, а шведский аптекарь Шееле отправил Лавуазье письмо с рассказом о своих опытах. Но при всем при этом они продолжали думать, что кислород — это воздух, лишенный флогистона.

В пьесе «Кислород», премьера которой состоялась в 2001 году, два химика, Карл Джерасси и Роальд Хоффман, придумали сюжет, в котором шведский король пригласил этих троих ученых в Стокгольм, чтобы решить вопрос о том, кого из них считать первооткрывателем кислорода. Шееле был первым, кто выделил газ, а Пристли первым опубликовал работу, в которой говорилось о его существовании, но только Лавуазье понял то, что им удалось открыть.

Он заглянул намного глубже и сформулировал закон сохранения массы. В результате химической реакции вещество — в данном случае горящая ртуть и воздух — меняет форму. Но масса при этом не создается и не исчезает. Сколько веществ вступает в реакцию, столько же должно получиться на выходе. Как сказал бы сборщик налогов, баланс должен в любом случае сходиться.

В 1794 году, во время революционного террора, Лавуазье и отец Марии-Анны вместе с другими откупщиками были признаны «врагами народа». Их на телеге привезли на площадь Революции, где уже были сооружены деревянные подмостки, вид которых даже в деталях напоминал ту платформу, на которой Лавуазье сжигал алмазы. Только вместо огромных линз стояло другое достижение французской техники — гильотина.

В интернете недавно проскочило сообщение о том, что во время казни Лавуазье успел осуществить свой последний опыт. Дело в том, что гильотиной во Франции стали пользоваться, потому что посчитали, будто это самая гуманная форма казни, — она приносит мгновенную и безболезненную смерть. И вот у Лавуазье появился случай узнать, так ли это. В тот момент, когда лезвие гильотины коснулось его шеи, он стал моргать глазами и делал это столько, сколько смог. В толпе находился ассистент, который должен был сосчитать, сколько раз ему удастся моргнуть. Не исключено, что рассказ этот — выдумка, но вполне в духе Лавуазье.

1Эти слова в пьесе произносит Мария-Анна Лавуазье.