Что скрывает атмосфера, или Как возник воздух…
Шрифт:
Согласимся, однако, что различие между газовым резаком и кислородным резаком достаточно тонкое, и в начале XX в. многие предприниматели в погоне за прибылью не обращали внимания на эти детали. Технология кислородной резки появилась как раз тогда, когда людям понадобились небоскребы и нефтяные танкеры. И тот, кто владел правами на ту или иную технологию, получал немалый доход. Однако к 1910-м гг. в некоторых странах начали возникать спорные ситуации.
В частности, именно такая ситуация сложилась вокруг резака Флетчера старого типа. Одна заинтересованная сторона утверждала, что резак Флетчера просто расплавлял железо, так что кислородный резак можно патентовать. Другая сторона указывала, что процесс Флетчера одновременно заключался в плавлении и ржавлении, поскольку разделить эти процессы невозможно. И поскольку
В процессе дискуссии кто-то вспомнил о неудавшемся ограблении в Ганновере. Поскольку вырезанный Смитом кусок сейфа оказался в музее – это была первая попытка ограбления банка с помощью автогена, – судебные эксперты занялись его анализом. Представьте десяток юристов в белых париках, исследующих кусок железа с помощью увеличительных стекол в поисках чешуек ржавчины или следов плавления. В конечном счете эксперты пришли к выводу, что резак Флетчера только расплавлял металл, так что кислородный резак может быть запатентован. Таким образом, один из самых бесстрашных и осведомленных в науке преступников XIX в. помог установить истину и создал юридический прецедент в XX в.
В определенном смысле этот итог вполне закономерен. Главный сообщник Смита в этом преступлении, кислород, создавал химические прецеденты на протяжении миллиарда лет: никакое другое вещество так сильно не расширило спектр реакций, которые могут протекать в атмосфере и внутри живых организмов. И теперь, когда мы узнали о способности кислорода вызывать химические реакции, пришла пора поговорить о том, как он появился и в какой степени изменил нашу планету.
Глава третья
Проклятье и благословение кислорода
Кислород (O2) содержится в воздухе в концентрации 21 % (210 000 ppm); при каждом вдохе мы поглощаем около двух секстиллионов молекул кислорода
Сначала взбешенная толпа сожгла церковь Джозефа Пристли в Бирмингеме, а затем направилась к его дому, намереваясь изжарить живьем самого ученого. Можете себе представить разочарование толпы, когда выяснилось, что Пристли сбежал. Однако мародеры потратили довольно много времени на разгром дома, мебели и химической лаборатории. Для пущего удовольствия они подожгли чучело Пристли в седом парике, а потом еще и обезглавили его. Пристли наблюдал за собственной смертью с ближайшего холма. Это был один из первооткрывателей кислорода и один из немногих людей на Земле, способных объяснить, почему пламя горит так ярко. [18]
18
Джозеф Пристли был священником-диссентером, то есть противником англиканской церкви, и участвовал в создании первой унитаристской церкви Великобритании.
Лавуазье обнаружил связь между огнем, кислородом и дыханием, объявив, что дыхание представляет собой вариант медленного и контролируемого горения, происходящего у нас в легких. Это открытие до сих пор остается одним из важнейших достижений химии.
Всего через несколько лет, в разгар Французской революции, главный соперник Пристли тоже стал жертвой расправы, учиненной возбужденной толпой. Но Лавуазье был не только ученым, он был аристократом: он занимался сбором налогов в королевскую казну, а однажды заплатил невозможные деньги (эквивалент 280 000 долларов США) за портрет, на котором он и его жена были изображены на фоне химического оборудования. К сожалению, при всех своих научных талантах он был полностью лишен умения разбираться в людях. В частности, он так никогда и не понял, какое горячее пламя свободы может гореть в груди униженных и обездоленных людей, и именно поэтому оказался на гильотине.
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]
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.
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.