Лаборатория химических историй. От электрона до молекулярных машин - Михаил Левицкий

Газовый закон Бойля – Мариотта, сформулированный позже в более общей форме, объединил два других имени – Клапейрона (1799–1864) и Менделеева (1834–1907). Для одного моля газа уравнение имеет вид pV = RT (p – давление, V – объем, R – газовая постоянная, Т – абсолютная температура). Физик Б. П. Э. Клапейрон получил уравнение опытным путем, а химик Д. И. Менделеев вывел его, объединив законы Бойля – Мариотта, Гей-Люссака и Авогадро. По-видимому, это тот самый случай, когда открытие не могло не состояться.

От нового элемента к фундаментальному закону

К середине XVIII в. химики, изучавшие процессы горения и окисления, уже понимали, что окружающий воздух не однороден и представляет собой смесь веществ. Оставался один шаг до открытия того самого компонента – «огненного воздуха», который делает возможным процесс горения. Открытие кислорода связано с именами трех крупнейших химиков того времени – К. Шееле, Дж. Пристли и А. Лавуазье.

Шведский химик Карл Шееле (1742–1786) уже в 1772 г. умел получать кислород различными путями: нагреванием селитры, взаимодействием диоксида марганца с серной кислотой, разложением оксидов серебра и золота. Книга Шееле "Химический трактат о воздухе и огне" была сдана в печать в 1775 г., но по вине издателя вышла в свет только в 1777 г. За это время уже были опубликованы работы Пристли о кислороде, и в результате приоритет в открытии кислорода приписывают Дж. Пристли.

Вклад троих ученых в открытие кислорода различался, и судьбы их тоже не были похожи.

Для шведского химика Карла Шееле кислород, который он назвал "райским воздухом", был лишь этапом в длинной веренице сделанных открытий. Он выделил и описал громадное количество новых соединений: аммиак NH3, хлороводород HCl, фтороводород HF, арсин AsH3, сероводород H2S, глицерин, акролеин; щавелевую, мочевую, лимонную и винную кислоты, оксиды бария, молибдена и вольфрама, тетрафторид кремния SiF4, также он открыл хлор и марганец. Полученный им арсенат меди Cu3(AsO4) впоследствии стали использовать в качестве зеленой краски, названной «шееловой зеленью». Минерал CaWO4, из которого Шееле выделил оксид вольфрама, назван в его честь шеелитом, а сам вольфрам, впервые полученный в 1781 г., называли некоторое время шеелием.

Шееле всегда был равнодушен к славе и почестям. Он отклонил предложение занять профессорский пост в Уппсальском университете в Швеции и отказался от переезда в Берлин, где ему предлагали высокооплачиваемую должность.

Путь английского естествоиспытателя Джозефа Пристли в науку был совсем иным. Вначале он был религиозным проповедником, затем профессором лингвистики – и лишь в возрасте 34 лет занялся наукой. К открытию кислорода его привело исследование жизни растений, которые могут существовать без "живого" воздуха – некой составной части воздуха обычного. Более того, оказалось, что растения выделяют "живой" воздух на свету, что позволяет жить мышам, помещенным под стеклянный колпак вместе с растением. Пытаясь получить "живой" воздух искусственно, он проделал множество опытов – и в итоге достиг цели нагреванием красного оксида ртути HgO, а вслед за этим – нагреванием сурика Pb3O4. Может быть, самый важный этап в истории открытия кислорода – это встреча Пристли с Лавуазье, которому ученый рассказал о своих опытах.

Англичанин Пристли горячо приветствовал Французскую революцию 1789 г., что вызвало ненависть религиозных фанатиков. Пристли с большим трудом удалось спастись от расправы и эмигрировать в Северную Америку. В последние годы жизни Пристли погрузился в написание научных трудов, из-за чего отказался от должности ректора в открывшемся Пенсильванском университете. Одним из его последних трудов было сочинение "Опыты и наблюдения над различными видами воздуха".

Лавуазье (1743–1794) вошел в химию как ученый, сочетавший в себе исключительное мастерство экспериментатора с талантом истинного теоретика, способного правильно объяснить полученные результаты и сделать масштабные выводы. Совместно с известным математиком и астрономом П. Лапласом он создает новый прибор – калориметр – и проводит первые в истории измерения тепловых эффектов реакций. В результате был установлен основной принцип: количество поглощенного и выделяемого тепла при прямой и обратной реакциях одинаковы. Эти работы стали основой новой научной дисциплины – термохимии. Изучая горение водорода, Лавуазье сумел правильно истолковать результаты и тем самым установить состав воды, который до того момента не был известен (почти в то же время состав воды установил британский ученый Г. Кавендиш. И это снова служит примером того, что открытие не могло не состояться).

Проводя сжигание различных органических соединений, Лавуазье определил, что образуются вода и углекислый газ. Так было установлено, что эти соединения состоят из углерода, водорода и кислорода. Притом ученый разработал основы анализа органических соединений, проводя их сжигание в определенном объеме кислорода и измеряя объем образующегося углекислого газа. Важным достижением Лавуазье было введение в практику химической работы коромысловых весов.

Совместно с Лапласом Лавуазье исследовал дыхание животных и установил, что это процесс "медленного горения" полученных с пищей соединений, за счет чего в организме всегда поддерживается постоянный запас тепла. Это, по существу, заложило основы биохимии.

Разработанная Лавуазье номенклатура химических соединений внесла ясность в химический язык, очистив его от сложных и запутанных терминов, часто лишенных всякого смысла и сохранявшихся со времен алхимии. Например, он предложил называть элементом вещество, которое не может быть разложено на более простые вещества в результате химической реакции. Такое определение справедливо и в наши дни. Радиохимия исследует процессы перестройки атомных ядер, но это не химические реакции. Кроме того, Лавуазье ввел деление элементов на металлы и неметаллы.

Лавуазье вывел химию на новый уровень, внес в нее метод четкого, критического анализа явлений, который ранее показал свою результативность в других областях точного знания: в механике, физике, астрономии.

Помимо химии, Лавуазье также занимался общественно-полезной деятельностью, участвовал в составлении минералогической карты Франции, создал рациональную систему мер и весов, разработал методы очистки селитры для производства пороха и некоторое время управлял этим производством.

А. Лавуазье не считают первооткрывателем кислорода. Он вплотную подошел к этому открытию, поскольку интенсивно изучал горение фосфора, серы, углерода, процессы окисления и восстановления металлов. В результате Лавуазье пришел к выводу, что воздух состоит из двух частей: одна пятая часть поддерживает горение, а четыре пятых являются инертными. В 1774 г. он получил кислород нагреванием оксида ртути, но не сделал сообщения о своем открытии, оставив лишь записи в лабораторном журнале. Примечательно, что оксид ртути HgO оказался очень удобным объектом при изучении реакций с кислородом: при нагревании металлической ртути до 300 оС в присутствии воздуха происходит образование оксида, который затем можно разложить при 500 оС на ртуть и кислород.