Революция в воздухе. Лавуазье. Современная химия

Муньос Паес Адела

HgO (твердое вещество) ->Hg (жидкое вещество) + O₂(газ).

ПРИСТЛИ, ПАСТОР ГАЗИРОВАННОЙ ВОДЫ

Протестантский пастор Джозеф Пристли (1733-1804) не признавал английского короля как главу Церкви, из-за чего лишился многих прав, среди которых было и получение университетского образования. Однако он был очарован электричеством и начал свою научную карьеру со встречи с Бенджамином Франклином (1706- 1790), убедившим его опубликовать трактат об электричестве, который Пристли писал в тот момент, и следовать своему научному призванию. Американец оставался научным и личным примером на протяжении всей жизни для Пристли, который достиг звания самого большого авторитета в пневматической химии Англии. Улучшая скромные установки, разработанные его соотечественниками Гейлсом, Мейоу и Блэком для сбора «воздуха», ученый открыл и проанализировал

больше воздухов, чем кто бы то ни было: оксиды азота (NO, NO₂ и N₂O), хлороводород (HCl), сернистый ангидрит (SO₂), составные части «обычного воздуха» (1М₂ и O₂), аммиак (NH₃) и смертельный угарный газ (СО). Как и Лавуазье, Пристли полагал, что наука должна основываться на опытах, а не на абстрактных измышлениях, и наравне со своим французским коллегой считал научные знания залогом процветания общества — такие идеи считались тогда революционными. Пытаясь установить отношения между наукой и промышленностью, он открыл способ приготовления сельтерской воды, которая до этого являлась роскошью, уготованной тем, кто мог себе позволить воды, полученные из природных источников. Однако Пристли оказался менее проницательным в отношении теории флогистона, которую он защищал даже больше, чем ее изобретатели. В сфере политики он поддерживал американскую войну за независимость и французскую революцию. Из-за религиозных верований или политических убеждений отношения Пристли с членами Королевского общества ухудшились, что в итоге привело к его эмиграции в американские колонии. При посредничестве Франклина, договорившегося о нескольких его выступлениях в научном обществе Филадельфии, Пристли получил предложения из самых престижных университетов. Он подружился с Джорджем Вашингтоном и стал научным советником Томаса Джефферсона, в эпоху правления которого, в 1804 году, Джозеф Пристли скончался.

Красная известь получалась при нагревании ртути с кислородом до 350 °С.

Пристли заразил Лавуазье своим энтузиазмом даже больше, чем того хотел. По его рассказу, он положил calcinatus в небольшую емкость, расположенную на ртути, которая содержалась в стеклянном колпаке, перевернутом вверх дном. Этот колпак, в свою очередь, находился в другой емкости, также содержавшей ртуть, как мы могли видеть на рисунке 2. Нагрев его с помощью фокусирующей лупы (гораздо меньшей по размеру и менее совершенной, нежели гигантская лупа Академии), он получил особый «воздух», пригодный для дыхания и раздувавший огонь свечей.

Пристли решил продолжить опыт, чтобы определить «доброкачественность» «обычного воздуха», так как он заметил, что этот воздух пропорционально взаимодействует с «азотистым воздухом». Он использовал прибор, показанный на рисунке 3: образовывавшиеся вещества имели меньший объем, а вода, поднимавшаяся по перевернутой трубке, показывала, что пятая часть изначального воздуха исчезла. То, что Пристли называл «азотистым воздухом», мы сегодня знаем как NO, который при взаимодействии с кислородом из воздуха превращается в NO₂. Исходного вещества 3 моля, а получившегося — всего 2, что объясняет уменьшение объема на треть, которое констатировал Пристли.

2NO (газ) + O₂(газ)->2NO₂(газ).

РИС.З

Сегодня мы знаем, что такое уменьшение объема связано с потреблением всего кислорода, который составляет 20% общего объема воздуха. Чтобы понять это, Пристли использовал мышей для определения «доброкачественности» воздуха, но результаты не совпадали, поскольку некоторые мыши умирали в два раза быстрее, нежели другие, хотя все они дышали «воздухом» одного качества.

Когда Пристли использовал метод «азотистого воздуха» для определения качества «воздуха», полученного вследствие нагревания оксида ртути, он заметил, что выделившийся воздух был гораздо лучше «обычного воздуха» (так как состоял на 100% из кислорода). По возвращении из Франции в Англию Пристли повторил опыт с оксидом ртути, который подтвердил, что при наличии такого воздуха мыши могут жить гораздо дольше, нежели при «обычном», что пламя свечи горит сильнее, а дерево сгорает быстрее.

Он попробовал сам дышать этим воздухом и понял, что не испытывает отличных ощущений от тех, когда дышит «обычным воздухом». Тем не менее ему показалось, что его легкие стали легче, и ученый предсказал: этот «чистый воздух» в дальнейшем может использоваться для лечения больных с легочными заболеваниями. Он заявил, что «на сегодняшний день только

у двух мышей и у меня была возможность подышать этим воздухом». Как мы видим, химики того времени были очень отважными: они вдыхали новое полученное вещество, убедившись в его безвредности всего лишь на опыте с двумя мышами.

Близкое знакомство с тем, что было сделано до нас, может существенно облегчить наши будущие проекты. Возможно, это знакомство для них даже необходимо.

Джозеф Пристли

Теория флогистона предполагала, что воздух обладает некоторой способностью поглощать флогистон, который выделяется как при горении, так и при дыхании, а когда насыщается им до предела (как пропитанная губка), уже не может ничего поглощать, и поэтому животные умирают, а огонь гаснет. Поскольку от «воздуха», получавшегося в результате нагревания оксида ртути, свечи горели лучше, а мыши жили дольше, Пристли предположил, что в нем совершенно не содержалось флогистона, поэтому он назвал его «дефлогистированным воздухом», то есть освобожденным от флогистона, который выделяется от огня печей и при дыхании. В знаменитом письме 15 марта 1775 года Приели утверждал, что выделяемый при нагревании оксида ртути воздух, который он исследовал с помощью «азотистого воздуха», в пять-шесть раз лучше для дыхания, нежели нормальный или атмосферный воздух.

Тем временем во Франции Лавуазье повторил опыт Пристли с оксидом ртути, чтобы проверить гипотезу о том, что извести металлов содержат воздух, образующийся во время горения и отличный от «фиксируемого воздуха». Он предположил, что «воздух», содержащийся в этих известях (сегодня мы знаем, что речь идет о кислороде), существенно отличается от того, который выделяется при нагревании их с углем и называется «фиксируемый воздух» (СO₂).

Существование извести ртути (оксида ртути), которая не нуждалась в угле для восстановления, было самым простым доказательством существования нового воздуха. Лавуазье предположил, что вес фосфора и серы увеличивался по тем же причинам во время их окисления. Когда ученый опубликовал свои «Небольшие исследования» в 1774 году, он еще не был уверен, что воздух, выходивший из металлов во время горения, является «фиксируемым воздухом», «обычным воздухом» или другим «чистым воздухом», содержащимся в атмосфере.

В мае 1775 года, повторив опыт Пристли и интерпретировав результаты с точки зрения своей изначальной гипотезы, Лавуазье опубликовал отчет, в котором склонялся к своей гипотезе: то, что выделялось из металлов и образовывало известь, было «в высшей степени удобовдыхаемым воздухом». Содержание отчета было очень похоже на опубликованное Пристли, за одним исключением: Лавуазье не ссылался на теорию флогистона, она ему была не нужна.

Он также не упомянул и о недавних экспериментах Пристли с оксидом, хотя его опыты были по сути такими же, потому что англичанин лично рассказал о них Лавуазье во время пребывания во Франции в октябре 1774 года. Лавуазье был крайне щепетилен в том, что касалось признания заслуг каждого ученого; тем удивительнее это его упущение. Из-за него некоторые ученые дошли до того, что поставили под сомнение авторство всех открытий Лавуазье, и споры об этом не утихали и после его смерти.

ЛАБОРАТОРИЯ В АРСЕНАЛЕ

До открытия теории горения Лавуазье был призван на новую государственную службу. После смерти Людовика XV и восхождения на трон Людовика XVI в 1774 году физиократ Жак Тюрго (1727-1781) сменил на посту главы финансов аббата Терре. В результате многих лет растрат и плохого управления государственная казна была пуста. Одной из огромных статей расходов являлось оснащение армии боеприпасами. В теории государство гарантировало поставки компании, обладающей монополией на производство пороха, но в реальности плохие условия контракта не позволяли обеспечить французскую армию в достаточном количестве «национальным» порохом, который к тому же был очень посредственного качества. Поэтому государство было вынуждено покупать порох за границей по очень высоким ценам, тогда как французская компания продавала свою лучшую продукцию с аукциона, в том числе и врагам Франции. Эта неразбериха со снабжением порохом сыграла определенную роль в ужасном конце семилетней войны в 1763 году, в результате которой Франция лишилась почти всех своих американских колоний.

Причины проблем с производством пороха были многочисленны: цена была занижена, что делало продукцию нерентабельной с экономической точки зрения, но поскольку контракт с поставляющей компанией не предполагал санкций за неисполнение обязательств, то улучшать продукцию было незачем. Однако главная сложность заключалась в изготовлении одной составляющей — селитры (KNO₃). С получением двух других — серы и угля — проблем не было. Французская армия оказалась заложником производителей селитры, которые, зная об этой ситуации, требовали чрезмерно высокую цену и не пересматривали ее в зависимости от размеров поставки.