Продолжаем тему экспериментов, навсегда вошедших в историю науки (и, конечно же, их авторов), начатую текстом про Уильяма Гарвея. Его теория кровообращения была представлена образованным европейцам в первой трети XVII века. Наука в этом столетии сделала большой шаг вперед, особенно в области математики и физики. Математический анализ, аналитическая геометрия, неаристотелевская механика, законы Кеплера и Ньютона – это (и многое другое) всё семнадцатый век.
А вот в химии все было пока не так триумфально. Да, в 1661 году Роберт Бойль сформулировал понятие химического элемента и ввёл понятие химического анализа. Но… «Если дух соли поместить в свежую мочу, то оба раствора легко и спокойно смешаются. Но если тот же раствор капнуть на выпаренную мочу, то последуют 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 свежей моче, то несколько капель ферментированной мочи обретут ярко-зеленый цвет». Это не из средневекового алхимического трактата о пользе уринотерапии, это из дневника того же Ньютона.
Первой научной (хоть впоследствии и опровергнутой) теорией в области химии стала теория флогистона, сформулированная в первой половине XVIII века немецкими учеными: Георгом Эрнстом Шталем и Иоганном Иоахимом Бехером.
В то время химики еще исходили из алхимического постулата о том, что поведение вещества определяется тремя началами: солью (сгущающей вещество), ртутью (напротив, разжижающей) и серой (делающей вещество горючим). Немцы как раз изучали третье состояние или процесс горения. Бехер назвал его terra pingua (“жирная земля»), а его коллега Шталь ввел термин «флогистон» (от греческого φλογιστοζ – горючий). Вместе они и описали свое видение процесса горения (а заодно и состава воздуха). Если совсем кратко, звучало оно так. Флогистон содержится во всех горючих телах, и потому они могут гореть. В ходе горения тела распадаются и флогистон выделяется из них в воздух (мы видим это выделение как огонь). При этом флогистон, рассеявшись в воздухе, продолжает оказывать влияние на тела – процесс ржавления, по Шталю, это как раз медленное горение под влиянием растворенного в воздухе флогистона. В качестве обратного процесса приводился пример «восстановления» окалины на металле путем нагрева рядом с древесным углем. Горящий уголь выделяет флогистон, тот соединяется с окалиной и восстанавливает блестящий металл. Проблема была в том, что окалина, оставшаяся после прокаливания, весила больше, чем исходный металл. Немцы нашли выход, заявив, что флогистон обладает отрицательной массой. Или, как сказал один ученый того времени, «приводится в действие силами, противоположными по направлению силе тяжести».
В общем это была, хоть и неверная, но довольно стройная (и, по-своему, логичная) теория, объяснявшая горение, прокаливание, восстановление и даже дыхание. Была, пока в науку не пришел герой сегодняшнего поста. Как вы, наверное, уже поняли – речь про Лавуазье. Он появился на свет 26 августа 1743 года в семье прокурора парижского парламента. По одной семейной традиции мальчика назвали Антуаном, по второй – определили учиться праву. Но уже в колледже Мазарини, куда его определила семья, юный Лавуазье понял, что наука привлекает его куда больше.
Он, конечно, получил достойное юридическое образование, вложил наследство от матери в предприятие «Главный откуп» (консорциум частных сборщиков налогов, получавших за это процент от собранного), чем обеспечил себе безбедное существование. Но деньги Лавуазье предпочитал тратить на науку. В частности, на эксперименты, которые у него часто получались как зрелищными, так и очень важными по результатам. Вдобавок ко всему ему еще и повезло в браке, его избраннице Марии-Анне Пользе было всего тринадцать на момент венчания («возраст согласия» в то время был куда ниже), но это была не только невеста с богатым приданным (дочь еще одного откупщика), девушка была симпатичная и разделяла страсть супруга к науке (помогала ему вести записи, переводила английские научные трактаты на французский и даже рисовала некоторые чертежи для будущих экспериментов).
Обретя финансовую самостоятельность, Лавуазье с головой погрузился в науку. В 1772 году французская Академия наук по заказу ювелиров создала комитет из нескольких химиков, которому было поручено изучить процесс сгорания алмазов. Первые же исследования показали, что для точных результатов необходима установка, способная поддерживать очень высокую температуру. Но где ее взять? Ответ предложил Антуан де Лавуазье, который изъявил желание войти в состав комитета. Правда, его интересовали не столько потенциальные риски тепловой обработки алмазов, сколько химическая природа горения.
Лавуазье напомнил, что в подвале Академии хранится линза Чирнгаузена. Этот немецкий ученый-энциклопедист был известен созданием уникальных оптических приборов. Одна из крупнейших его линз была приобретена Петербургской Кунсткамерой. В Париже хранилась другая установка, изначально созданная для «солнечной печи». Её-то он и предложил использовать в качестве источника теплового излучения.
В октябре 1772 года посетители Королевского сада Парижа смогли стать свидетелями странного зрелища. На набережной Сены стояла деревянная платформа на шести колесах, на которой были установлены огромные линзы. Ученые в париках и черных очках вели какие-то записи, а их ассистенты сновали по платформе и около нее, как матросы по корабельным палубам и мачтам. И все это было окружено толпой зевак.
В результате нагрева алмазы, находившиеся в запечатанных сосудах, исчезали (это можно было бы считать неопровержимым способом определения подлинности алмаза, если бы не слишком высокая цена подобной проверки). Но Лавуазье пошел дальше. Во-первых, он предположил, что алмазы чем-то родственны углю (что впоследствии было доказано). А во-вторых, предположил, что поскольку воздух необходим для горения, то он активный участник этого процесса. Но какова же тогда роль флогистона? Чтобы разобраться во всем этом, Лавуазье предложил Академии наук специальную программу по «изучению воздуха, содержащегося в веществе».
В то время протестантский пастор Джозеф Пристли выступил с концепцией существования нескольких «видов воздуха»:
- мефитический (или – «зловонный»), в котором гаснет свеча и погибает лабораторная мышь, однако, пригодный для растений;
- флогистонный (или азот, от греческого «безжизненный»), который образуется в результате горения свечи;
- горючий воздух, который выделяется при растворении железных опилок в серной кислоте, очень горючий и способный поднять над землей воздушный шар.
Вопрос был в том, являются ли описанные Пристли «разновидности воздуха» его модификациями, полученными путем извлечения/добавления флогистона. Или же это самостоятельные химические элементы.
Лавуазье повторил эксперименты коллег и подтвердил, что при сжигании фосфора для получения фосфорной кислоты вес получившегося вещества заметно больше изначального. Но он обратил внимание на то, что масса установки в целом не менялась. То же самое происходило при сжигании серы: вес продукта сгорания заметно возрастал, хотя, если горение происходит из-за выделения флогистона в окружающую среду, то результат должен быть обратным.
Тогда-то Лавуазье и сделал предположение, что предметы горят не потому, что испускают флогистон, а потому, что поглощают некую часть воздуха. Что он и доказал последующими экспериментами, сначала с окалиной свинца, а потом и с окалиной ртути.
Окалина ртути, к слову, считалась в то время действенным лекарством от сифилиса и продавалась в аптеках по очень высоким ценам. Но, как говорилось выше, Лавуазье мог позволить себе тратить на науку немалые средства. Он доказал, что при сильном нагреве окалина вновь превращается в чистый металл, но теряет при этом примерно одну двенадцатую часть своего веса.
Пристли тоже проводил опыты с этим веществом, собирая выделявшиеся при горении газы: «Свеча горела в этом воздухе очень ярко. А когда я сам вдохнул его, некоторое время после этого я ощущал необыкновенную легкость и свободу в груди».
Пристли предположил, что полученный им «особо чистый» воздух в будущем станет востребованным товаром. А еще до Пристли этот газ описал шведский фармацевт Карл Шееле.
Но для Лавуазье опыты с получением «живого воздуха» стали еще одним шагом к более амбициозной цели – не просто окончательно подтвердить или опровергнуть теорию флогистона, а, как он сам писал, «осуществить революцию в физике и химии». И продолжил: «Я собираюсь… связать воедино все, что мы знаем о воздухе, который содержится в телах и выделяется из них… и выработать новую теорию».
К тому времени он выяснил, что, если проводить восстановление окалины ртути с использованием древесного угля, то вместо «живого» воздуха получается «затхлый», в котором свеча отказывается гореть, а лабораторные мыши гибнут. Чтобы окончательно разобраться, в чем тут дело, он ставит еще один эксперимент.
Сначала он доработал обычную колбу с высоким горлышком: нагрел и изогнул его так, что оно стало изгибаться сначала к низу, а потом снова вверх. Лавуазье налил в колбу четыре унции чистой ртути, затем установил ее на печи так, чтобы горлышко сначала оказалось в открытой емкости, заполненной ртутью, а потом поднималось в стеклянный колокол. С помощью этой части установки он оценил количество воздуха, потребленного в ходе эксперимента (оказалось – одна шестая часть). И поменялась его природа – оставшийся воздух снова стал «затхлым». Зато ртуть приобрела красный налет, ту самую окалину. Лавуазье снял ее с металла и снова стал нагревать. В ходе этого процесса выделилось примерно столько же газа, сколько воздух потерял в первой фазе эксперимента. И это был тот самый «живой воздух», которым восхищались Пристли и Шееле.
Так Лавуазье удалось разделить два основных компонента воздуха. Первый, тот, что остался после нагревания ртути, уже имел название – азот. Второй компонент французский ученый назвал оксигеном – кислородом (из-за его роли в образовании кислот в процессе горения, от греческого окси – острый).
В 1777 году Лавуазье выступил с докладом в Парижской Академии наук, в котором опровергнул флогистонную теорию и изложил свою концепцию состава воздуха и роли кислорода в процессе горения. Его эксперименты были в одинаковой мере убедительны и легко воспроизводимы. И единственное, что в дальнейшем вызывало споры в научной среде, это вопрос первенства открытия кислорода, на которое претендовали Пристли и Шееле. Дискуссия о роли, которую сыграл в открытии кислорода каждый из трех ученых в некотором виде дожила до наших дней. В 2001 году химики Карл Джерасси и Роальд Хоффман даже положили этот спор в основу написанной ими пьесы «Кислород». Но, по большому счету, Лавуазье претендовал не на роль первооткрывателя нового химического элемента, а на авторство новой теории горения. И тут первенство француза никто не оспаривает. Задуманная им «революция в химии» удалась. И на этом Лавуазье не успокоился.
Его научная карьера продолжалась еще полтора десятка лет, и в ней было немало важных результатов и ярких экспериментов. А затем в жизнь Антуана Лавуазье вошла еще одна революция.
Это для ученых Лавуазье был уважаемым коллегой, за чьей работой следили во многих европейских странах. Для французских королевских министерств и ведомств он являлся экспертом, чьи заключения и выводы приносили немало пользы. Для якобинцев же оказался просто еще одним «откупщиком», а значит – «врагом народа».
В 1793 году Лавуазье был арестован и Революционный трибунал приговорил его к смертной казни. Не помогли ни многочисленные петиции с просьбой о помиловании от соотечественников, ни научная слава французского химика.
С казнью Лавуазье связана одна легенда. Тогда в общество внедрялась идея, что гильотина – самый гуманный вид казни, все происходит так быстро, что осужденный не успевает ничего почувствовать. И, якобы, Лавуазье решил провести последний в своей жизни эксперимент. В тот момент, когда лезвие коснется его шеи, он должен начать моргать, а специальный ассистент, находившийся в толпе зевак, считал бы, сколько раз успеет моргнуть ученый. Конечно, это легенда, но она вполне в стиле Лавуазье, стремившегося любую ситуацию в своей жизни использовать на благо науки.
Артем Груздев
