Джозеф пристли открыл молекулярный кислород — знаменательное событие
Официально считается, что кислород был открыт 1 августа 1774 года английским химиком Джозефом Пристли. Он получил этот важный химический элемент путем разложения оксида ртути в герметично закрытом сосуде. Ученый направлял на это соединение солнечные лучи с помощью мощной линзы.
Кислород как простое вещество при нормальных условиях представляет собой газ без цвета, вкуса и запаха, молекула которого состоит из двух атомов кислорода, в связи с чем его также называют дикислород. Жидкий кислород имеет светло-голубой цвет, а твердый представляет собой кристаллы светло-синего цвета.
Однако Пристли первоначально не понял, что открыл новое простое вещество, он считал, что выделил одну из составных частей воздуха и назвал этот газ «дефлогистированным воздухом». О своем открытии Пристли сообщил выдающемуся французскому химику Антуану Лавуазье. В 1775 году Лавуазье установил, что кислород является составной частью воздуха, кислот и содержится во многих веществах.
Несколькими годами ранее кислород получил шведский химик Карл Шееле. Он прокаливал селитру с серной кислотой и затем разлагал получившийся оксид азота. Шееле назвал этот газ «огненным воздухом» и описал свое открытие в изданной в 1777 году книге. Именно потому, что книга опубликована позже, чем сообщил о своем открытии Пристли, последний и считается первооткрывателем кислорода. Шееле также сообщил о своем опыте Лавуазье.
Важным этапом, который способствовал открытию кислорода, были работы французского химика Пьера Байена, который опубликовал работы по окислению ртути и последующему разложению ее оксида.
Наконец, окончательно разобрался в природе полученного газа Антуан Лоран Лавуазье, воспользовавшийся информацией от Пристли и Шееле. Его работа имела громадное значение, потому что благодаря ей была ниспровергнута господствовавшая в то время и тормозившая развитие химии флогистонная теория.
Лавуазье провел опыт по сжиганию различных веществ и опроверг теорию флогистона, опубликовав результаты по весу сожженных элементов. Вес золы превышал первоначальный вес элемента, что дало Лавуазье право утверждать, что при горении происходит химическая реакция — окисление вещества, в связи с этим масса исходного вещества увеличивается, что опровергает теорию флогистона. Таким образом, заслугу открытия кислорода фактически делят между собой Пристли, Шееле и Лавуазье.
Слово кислород своим появлением в русском языке до какой-то степени обязано Михаилу Ломоносову, который ввел в употребление, наряду с другими неологизмами, слово «кислота». Таким образом слово «кислород», в свою очередь, явилось калькой термина «оксиген», предложенного Лавуазье, который переводится как «порождающий кислоту», что связано с первоначальным значением его — «кислота», ранее подразумевавшим вещества, именуемые по современной международной номенклатуре оксидами.
Пристли находит газ, поддерживающий
жизнь
Первоначальное открытие
кислорода принадлежит китайскому ученому VIII в.
Мао Хоа, который за 1000 лет до Антуана Лавуазье
установил, что в состав воздуха входит газ,
поддерживающий горение и дыхание.
Родившись в 1733 г. близ г. Лидса в Англии,
в семье строгих кальвинистов, Пристли получил
духовное образование. В возрасте 22 лет он был
отлучен от церкви, осужден на вечное проклятие и
стал настоятелем диссидентов (религиозная секта)
в Суффолке, получая 30 фунтов в год. Пристли был
вынужден заниматься преподаванием, чтобы
пополнять свои скудные средства. Этот знаток
французского, итальянского, арабского,
сирийского и даже халдейского языков преподавал
в школе с семи часов утра до четырех часов
пополудни, а затем от четырех до семи давал
частные уроки.
Кроме того, он составлял
английскую грамматику. Много лет спустя Пристли,
преподавая языки в Варрингтоне, прослушал
несколько лекций по элементарной химии и
некоторое время изучал анатомию, посещая курс
лекций по этому предмету.
В 34 года Пристли жил в Лидсе, выбиваясь из сил,
чтобы содержать семью на свои скудные средства.
Он не пользовался особенной популярностью у
местных жителей и, кроме того, подобно
легендарному греку Демосфену, имел серьезный
дефект речи.
И все же этот многосторонний
англичанин находил время между своими
обязанностями и метафизическими размышлениями
для более практических дел.Во время одной из своих случайных поездок в
Лондон он познакомился с Бенджамином Франклином,
который пробудил в нем интерес к электричеству.
Пристли задумал написать историю этого предмета,
для чего ему понадобилось познакомиться с целым
рядом статей и книг, снабдить которыми его
обязался Франклин. Это было началом карьеры
ученого. Пристли писал: «В процессе работы над
историей электричества я был поставлен в
необходимость проверить некоторые спорные
факты, и это постепенно привело меня к более
широкой области оригинальных опытов, для
постановки которых я не жалел никаких доступных
мне издержек».
Частью своей славы Пристли обязан
общественному пивоваренному заводу,
находившемуся по соседству с его домом в Лидсе.
На этом заводе, где всегда был сильный запах, он
проводил все свое свободное время, производя
опыты с газом, выделяющимся из огромных чанов во
время процесса приготовления пива.
Он зажигал
деревянные лучинки и подносил их к пузырькам
бесцветного газа, выделяющимся из бродящего
пива. Это было странным занятием, и рабочие на
заводе качали головами, когда видели, как он
сгибается над бродильными чанами в середине
очень жаркого лета.
Пристли был слишком занят
своими исследованиями и не замечал смеха
окружающих. Его познания по химии были невелики,
но он был хорошим наблюдателем. Он заметил, что
этот бесцветный газ обладал способностью тушить
горящие деревянные лучинки.
Он предположил, что
это тот же «постоянный воздух» («fixed air» –
углекислый газ), который 15 лет назад получил
Джозеф Блэк, сын шотландского торговца вином, при
нагревании известковых раковин.Могло ли это быть действительно так?
Не имея
возможности получать этот газ в достаточных
количествах на пивоварне, Пристли научился
получать его у себя дома. Он попробовал
растворить этот газ в воде. Газ не отличался
значительной растворимостью, но некоторое
количество его смешивалось с водой.
Таким
способом в течение 2–3 мин Пристли приготовил,
как он рассказывал, «стакан чрезвычайно приятной
газированной воды, мало чем отличавшейся от
сельтерской воды». Теперь этот напиток называют
газированной водой — очень слабокислый раствор
углекислого газа в воде.
Королевское общество
было чрезвычайно заинтересовано, и его попросили
повторить этот опыт перед членами Колледжа
врачей. Пристли обрадовался этой возможности, и,
когда во время опыта пузырьки газа проходили
через воду, он попросил кого-нибудь из
присутствующих попробовать этот раствор.
Напиток очень понравился, и его рекомендовали
лордам адмиралтейства как возможное лекарство
при морской болезни. Пристли наградили золотой
медалью общества за открытие — это был первый
триумф любителя-химика.Пристли был счастлив.
Он занялся другими
химическими опытами: попробовал нагревать
поваренную соль с серной кислотой и получил
вещество, которое не удавалось получить другим
исследователям до него, т.к. Пристли стал
собирать получающийся газ над жидкой ртутью, а не
над водой, как это делали его предшественники.
Полученный им бесцветный газ обладал острым
раздражающим запахом. Пристли попытался
растворить его в воде. Сотни объемов этого газа
легко растворялись — вода его жадно поглощала.
Неудивительно, что этот газ не был выделен
раньше: он растворялся в той воде, над которой его
хотели собрать.
Раствор этого газа в воде — хлороводородная, или
соляная, кислота. Она в настоящее время имеет
широкое применение и употребляется для очистки
металлов и при изготовлении клея и желатина. Этот
новый вклад в химию сделал простой любитель.
Религиозная община Джозефа Пристли не понимала
его интереса к бутылям и колбам. Казалось, что он
служит двум идеям. По этому поводу начало
проявляться некоторое недовольство, но Пристли
был слишком увлечен своей наукой, чтобы обращать
на это внимание.
Он теперь был занят нагреванием
аммиачной воды и собиранием другого бесцветного
газа над ртутью. Этот газ тоже обладал
характерным раздражающим запахом. Пары аммиака
наполняли комнату Пристли, когда он наклонялся
над открытой печью, помешивая угли, чтобы они
лучше горели.
Пристли обогатил науку первым точным
исследованием способа приготовления и свойств
чистого аммиака — того газа, который теперь с
таким успехом применяется в холодильном деле.
Неважно, что от этих паров его глаза сильно
слезились и что он почти ослеп, а обитатели дома
вынуждены были выходить на улицу, чтобы не
задохнуться.
Эти опыты приводили его в большой
восторг. Во время одного из своих опытов Пристли
привел в соприкосновение эти два сухих,
бесцветных, неприятно пахнущих газа – хлористый
водород и аммиак. Результат удивил его. Газы
внезапно исчезли, а вместо них образовалось
красивое белое облако, которое постепенно осело
в виде тонкого белого порошка.
Произошло
значительное химическое изменение. Два резко
пахнущих газа соединились, и образовался белый
порошок, не обладающий запахом, – хлорид аммония,
который теперь используется в качестве
электролита в сухих батареях.В течение немногих лет
Пристли сделал ряд замечательных открытий.
Вскоре он получил предложение
сопровождать английского мореплавателя
капитана Джеймса Кука в его втором путешествии в
южные моря. У Пристли было искушение принять это
предложение, но, к счастью, нашлись препятствия
для его предстоящего плавания.
Он остался дома и
продолжил работу над постановкой большого опыта,
принесшего ему громкую славу.Опыты Пристли с различными газами, или
«воздухами», как он их называл, сделали его очень
искусным в их приготовлении и собирании.
До него
различные газы изучались путем собирания их в
бычьи пузыри. Это был очень несовершенный метод,
к тому же пузыри были непрозрачны. Пристли ввел и
разработал простой метод собирания газов. Он
наполнял бутыль ртутью и располагал ее так, чтобы
горлышко находилось в сосуде ниже уровня ртути.
Выделяющийся газ вытеснял ртуть из бутыли в
сосуд и оказывался заключенным в крепком
прозрачном цилиндре.Работая с газами, нерастворимыми в воде, Пристли
наполнял бутыль и сосуд водой, более легкой и
более дешевой, чем ртуть, как это делали до него.
Введение этого способа стало существенным
прогрессом в методике изучения газов.Пристли нагревал множество твердых веществ на
огне своего очага. Затем он занялся утилизацией
солнечной энергии при помощи увеличительного
стекла.
Концентрируя солнечные лучи при помощи
линзы, он нашел, что может получить достаточное
количество теплоты, чтобы зажечь дерево и другие
твердые тела. Наконец он достал очень большую
линзу, имевшую 30,5 см в диаметре, и ему удалось
нагревать до высокой температуры многие
природные и искусственные вещества.
Он помещал
эти твердые вещества под стеклянный колокол,
устроенный таким образом, что образующийся в нем
газ, выходя наружу, попадал в бутыль, помещенную
над ртутью. Зажигательная линза находилась вне
колокола, и солнечная энергия концентрировалась
на подвергавшемся исследованию веществе.
При
помощи этого прибора Пристли решил в
воскресенье, 1 августа 1774 г., выделить воздух из
вещества, представляющего собой красный порошок,
известный еще алхимику Геберу и получаемый при
нагревании ртути на воздухе. «Действительно я
нашел, – писал он в своем отчете, – что воздух
начал вскоре выделяться».
Но и в этом не было ничего необычайного. Другие
ученые тоже получали газы при нагревании твердых
тел. Так, за три года до этого Карл Шееле,
знаменитый шведский аптекарь-химик, собрал газ,
названный им «воздух эмпирей». Роберт Бойль 100
лет назад нагрел совершенно такой же красный
порошок и получил обычную ртуть.
Стефан Гейлс
тоже выделил газ из селитры, но не догадался о его
связи с воздухом. Алхимик Экк произвел этот опыт
три столетия назад в Германии. Но все же ничто
тогда не всколыхнуло ученый мир, т.к. ни одно из
свойств полученного газа не было открыто.
В лаборатории Пристли горела свеча. Его
заинтересовало, какое действие окажет
выделенный им газ на пламя свечи. Из простого
любопытства он поместил свечу в бутыль с этим
газом. Пламя не потухло, наоборот, свеча
разгорелась с необычайной яркостью.
Он был
страшно заинтересован, но не находил объяснения
этому явлению. Он внес кусок раскаленного
каменного угля в другую бутыль с этим газом и
увидел, что уголь дает искры и трещит совсем как
горящий лист бумаги, смоченный раствором
селитры.
Уголь скоро весь сгорел до конца.
Пристли был удивлен. Тогда он внес в бутыль
раскаленную докрасна железную проволоку. Металл
накалился до белого каления и пылал, как
«одержимый духами». Волнение Пристли не имело
границ.Это случайное внесение в бутыль с газом горящей
свечи произвело своего рода революцию в химии.
Вот как описывал Пристли достопамятный случай
несколько лет спустя: «Я теперь не могу
вспомнить, что я имел в виду, производя этот опыт,
но у меня не было ни малейшего представления о
том, что получится. Если бы передо мной не стояла
зажженная свеча, я, наверное, никогда бы не
произвел этого испытания, и вся цепь моих
дальнейших опытов, относящихся к этому виду
воздуха, не была бы осуществлена…
Многое больше
зависит от случая, чем от заранее намеченного
плана или предвиденной теории».В это время Пристли не имел понятия о
действительной природе этого газа. Он думал, что
этот газ – не простое вещество, которое мы теперь
знаем как кислород, а какое-нибудь необычайное
соединение.
Но он продолжал изучать этот
таинственный активный газ, который выделялся из
красного ртутного порошка. Нащупывая пути,
стесненный средствами, с небольшим запасом
знаний по химии и без ясной цели перед собой, он
все же продолжал исследовать свойства этого
газа.
Он как-то раньше тоже случайно выделил газ
из селитры, но не исследовал его свойства.
Настоящий ученый сразу бы определил характер
выделенного газа, но Пристли не сделал этого.В то время воздух, которым мы дышим,
рассматривался как чистое, простое, элементарное
вещество, вроде золота или ртути.
Раньше сам
Пристли высказал предположение, что вулканы
создали атмосферу, снабжая Землю воздухом,
вначале воспламеняемым, затем теряющим свою
способность гореть благодаря промывке в воде и
окончательно очищающимся благодаря
произрастанию растений.
Он пришел к заключению,
что растительный мир является величайшей
восстанавливающей силой в природе, т.к. заметил,
что если поместить растения в запаянные сосуды, в
которых перед тем дышали животные или горела
свеча, то воздух опять становится пригодным для
дыхания.
Но приблизительно в это же самое время
Даниэль Резерфорд, медик, занимавший кафедру
ботаники в Эдинбургском университете, нашел, что
в воздухе содержатся два различных вещества. Он
поглотил небольшое количество углекислоты из
воздуха при помощи известковой воды, которая при
этом стала мутной, как молоко.
Затем заставил
маленькое животное дышать в ограниченном объеме
воздуха, причем после поглощения углекислого
газа около четырех пятых исследуемого объема
воздуха осталось в виде инертного газа. Этот
неактивный газ воздуха был уже назван химиком
Жаном Шапталем «nitrogenium» – «рождающий
селитру».
Пристли очень сильно нагрел в воздухе свинец и
наблюдал, как тот постепенно становился красным.
Этот красный порошок он обработал точно таким же
способом, каким обрабатывал красный порошок
ртути. Пристли принялся танцевать от радости, т.к.
опять выделил кислород.
Он получил подтверждение
своей догадки, что кислород, полученный как из
ртутного красного порошка, так и из красного
свинца, первоначально происходит из атмосферы.
«Может быть, это и есть тот воздух, который
является причиной способности атмосферы
поддерживать жизнь, – подумал Пристли, – я
должен испытать, насколько полезным для здоровья
является этот воздух».В марте 1775 г.
Пристли провел
необычайный опыт в большом замке лорда Шелберна
близ Кальна. Накануне ночью он расставил
мышеловки в виде маленьких железных клеток, из
которых легко можно было вынуть мышей живыми. Но
что же он собирался делать с мышами?
Они должны
были помочь ему открыть одну тайну. Он взял два
одинаковых стеклянных сосуда, один из них
наполнил кислородом, а другой – обычным воздухом
и поместил их над водой.На следующее утро он вынул из мышеловки одну из
пойманных мышей и быстро внес ее в сосуд с
обычным воздухом, опрокинутым над водой, посадив
мышь на высокую платформу внутри сосуда над
поверхностью воды (это маленькое животное не
должно было утонуть).
Затем в другой сосуд,
наполненный кислородом, он посадил вторую живую
мышь с теми же предосторожностями.Сидя на стуле и наблюдая за своим любопытным
опытом, Пристли развлекал себя игрой на флейте.
Он не имел представления, как долго ему придется
ждать.
Вдруг он перестал играть. Мышь, помещенная
в сосуд с обычным воздухом, начала показывать
признаки недомогания и усталости. Пристли
отбросил флейту и посмотрел на часы. Через 15 мин
мышь впала в беспамятство. Пристли схватил ее за
хвост и быстро, но осторожно извлек из «тюрьмы».
Слишком поздно – мышь околела. Он посмотрел на
мышь во втором сосуде, содержащем кислород. Что
же произошло с этой маленькой узницей? Ничего
тревожного. Она продолжала бодро двигаться.
Прошло еще 10 мин, Пристли все еще продолжал
наблюдать за животным.
Мышь начала проявлять
явные признаки усталости. Ее движения
становились вялыми – она впала в оцепенение.
Пристли бросился ее освободить и вынул из сосуда,
как показалось на первый взгляд, мертвой. Она
страшно похолодела, но ее сердце еще билось.
Пристли был счастлив. Он побежал к огню, чтобы
отогреть эту маленькую мышку, и смотрел, как она
постепенно оживает. Через 5 мин она была опять
такая же деятельная, как и раньше. Он не верил
своим глазам. В продолжение получаса это
животное находилось в его кислороде и выжило,
тогда как первая мышь, помещенная в обычный
воздух, погибла через половину этого времени!
В чем же причина этого явления? Возможно ли, что
его кислород чище обычного воздуха или же
обычный воздух содержит какое-нибудь вещество,
которое убивает жизнь? А вдруг это простая
случайность? Всю ночь Пристли размышлял о мышах и
о своем кислороде.
Он начал подозревать, что его
кислород по крайней мере так же хорош, как
обычный воздух. Однако он не мог с уверенностью
утверждать, что кислород лучше, основываясь лишь
на том, что одна мышь смогла прожить четверть
часа в определенном объеме воздуха, т.к. не
исключена возможность, что другая мышь сможет
прожить в нем полчаса.
И следующее утро застало
Пристли повторяющим опыт с мышами, чтобы
раскрыть тайну воздуха.Пристли взял тот стеклянный сосуд, в котором мышь
выжила целых 30 мин в прошлый день. В этом сосуде
еще содержался кислород. Он собрался употребить
этот воздух вторично, хотя последний уже
загрязнен дыханием мыши.
Пристли задумал
поместить сразу две или три мыши в этот сосуд, но
отказался от этой мысли: был случай, когда одна
мышь растерзала другую, хотя у них было
достаточно пищи на двоих. Итак, он взял одну мышь
и поместил ее на плавающую платформу.
Пристли
сосредоточенно наблюдал за ней 30 мин, в течение
которых она чувствовала себя совершенно
здоровой. Но постепенно мышь впала в дремотное
состояние, и «так как я не позаботился о том,
чтобы поместить сосуд в теплое место, мышь
околела от холода.
Во всяком случае мышь прожила
в три раза дольше, чем она, по всей вероятности,
могла бы выжить в таком же количестве обычного
воздуха, и поэтому я не считал нужным, – писал
Пристли, – продолжать дальнейшие опыты с
мышами».Пристли был теперь убежден в полезности своего
кислорода для здоровья.
Опыты с мышами это,
несомненно, доказали.На этом он мог бы прекратить свои опыты, но
Пристли обладал любознательностью истинных
естествоиспытателей. Он решил поставить себя на
место мыши и испробовать этот газообразный
источник, поддерживающий жизнь.
Опасное это дело
– вдыхать неизвестные газы. Но за 100 лет до него
сделано наблюдение, что некий газ
(«селитряно-воздушный дух», полученный из
селитры) при вдыхании его в легкие придает
красную окраску артериальной крови. Пристли
заинтересовался, не окажет ли такое же действие и
его кислород.
Он вдохнул некоторое количество
свежеприготовленного кислорода через
стеклянную трубочку и с удивлением отметил, что
дыхание мало отличалось от дыхания обычным
воздухом, но и дополнил: «…мне казалось, что
некоторое время потом я дышал чрезвычайно
свободно и легко.
Кто знает, может быть, этот
чистый воздух станет со временем модным
предметом роскоши. До сих пор еще только моя мышь
и я пользовались привилегией дышать им».Пристли предвидел возможность многих
практических применений этого очень активного
газа — «он может быть очень полезным при
некоторых тяжелых болезнях легких, когда (как он
объяснял в принятой им терминологии флогистона.
– П.К.) обычный воздух не может достаточно
быстро удалять флогистированные испорченные
испарения». В наше время кислород действительно
применяется при воспалении легких, сужении
дыхательных путей, когда легкие настолько
уменьшаются в объеме, что пациент не получает
достаточно кислорода из воздуха.
Пожарные,
борющиеся с удушливым дымом, спасательные отряды
в шахтах, летчики и альпинисты, поднимающиеся на
высоты, где воздух очень разрежен, берут с собой
баллоны с чистым кислородом.Пристли более двухсот лет назад мечтал об этих
современных практических применениях кислорода.
Он предвидел также опасность, таящуюся в
постоянном вдыхании кислорода вместо обычного
воздуха. «Как свеча сгорает гораздо быстрее в
этом воздухе, чем в обычном, так и мы можем
прожить нашу жизнь слишком быстро. Моралист во
всяком случае может утверждать, что мы не
заслуживаем воздуха лучше, которым нас снабжает
природа».
Пристли продолжал исследовать, насколько хорош
открытый им газ. Он нашел, что этот газ «в пять или
шесть раз лучше, чем обычный воздух». Его
склонный к воображению ум часто бывал
практичным, и Пристли опять стал искать
возможности применения кислорода.
Он увидел, что,
раздувая огонь кислородом вместо обычного
воздуха, можно в высокой степени увеличить жар
пламени. Пристли испробовал это в присутствии
своего друга Магеллана, наполнив пузырь
кислородом и выдувая его через стеклянную
трубочку на зажженный кусочек дерева.
Слабый
огонек сразу разгорелся в мощное пламя. (Это
явилось зародышем современной автогенной
сварки.) Пристли даже предположил, что было бы
полезно снабдить кислородом из большого
резервуара пару раздувальных мехов, но не развил
этой мысли, предоставив Роберту Хэру из
Филадельфии изобрести кислородно-водородную
горелку.
Результаты опытов привели Пристли в восторг.
Через несколько недель лорд Шелберн отправился в
путешествие на континент. Пристли сопровождал
лорда. Во время пребывания в Париже Магеллан,
потомок кругосветного путешественника,
представил его всем наиболее выдающимся
французским химикам.
В лаборатории Лавуазье в присутствии целого ряда
ученых Пристли рассказал о результатах
некоторых своих наиболее интересных опытов.
Лавуазье оказал ему честь своим вниманием. И во
время совместного обеда Пристли не скрыл ничего,
что ему удалось открыть в последние годы его
занятий наукой, «не имея в то время никакого
представления о том, куда приведут эти
замечательные опыты».
Пристли вернулся в Англию, не
подозревая, что же выйдет из его встречи с
Лавуазье. Он знал уже, что воздух не представляет
собой простое, элементарное вещество.Загадка воздуха была на пороге своего
разрешения, когда Пристли родился.
В Китае за
много столетий до этого уже писали об «ине» –
активной составной части воздуха, которая
соединяется с серой и некоторыми металлами.
Леонардо да Винчи, этот великий гений, был
убежден еще в XV столетии, что в воздухе имеются
два вещества.
Другие ученые тоже смутно
догадывались о действительной природе воздуха.
Все же Пристли был первым, кто при помощи
химического исследования выделил невидимый
кислород воздуха и первым разрешил загадку
атмосферы, открыв этот самый распространенный на
Земле элемент.