Изучение состава воды
Изучение состава воды имело огромное значение как для утверждения кислородной теории, так и для развития всего естествознания.
В 1775—1777 г. были проведены опыты (П. Маке, Дж. Пристли) по сжиганию «горючего воздуха» (т. е. водорода) в замкнутом сосуде. При этом наблюдалось появление капелек воды. Но этим наблюдениям в свое время не придали большого значения.
Спустя несколько лет Г. Кавендиш осуществил опыты по сжиганию смеси атмосферного и «горючего воздуха» в герметически закрытом сосуде (1781). На стенках сосуда каждый раз он наблюдал появление капелек воды. Один из опытов был проведен со смесью, содержащей атмосферного воздуха в 2,5 раза больше, чем «горючего воздуха». Было получено 135 гран жидкости, которая при выпаривании не дала никакого осадка.
Исследования показали, что полученная роса есть не что иное, как вода. Следовательно, весь «горючий воздух» и 1/6 часть атмосферного воздуха превращаются в чистую воду.
Затем Г. Кавендиш исследовал взрывы смесей «горючего воздуха» (водорода) и «дефлогистированного воздуха» (кислорода) . Эти опыты позволили ему сделать вывод, что почти весь «горючий» и весь «дефлогистированный воздух» при этом превращаются в чистую воду. Г.
Кавендиш, как убежденный сторонник флогистонного учения, неправильно истолковал результат своего опыта и, что теперь кажется особенно удивительным, даже не понял, что вода состоит из водорода и кислорода. Он рассматривал воду как элементарное вещество.
Первым, кто высказал мысль, что вода не простой «элемент», а состоит из «чистого воздуха» (кислорода) и «горючего воздуха» (водорода), был знаменитый изобретатель паровой машины Джемс Уатт. В письме к Дж. Блэку от 21 апреля 1783 г. он сообщал: «Когда совершенно сухой горючий воздух и совершенно сухой дефлогистированный воздух сжигаются посредством электрической искры в закрытом стеклянном сосуде, то, по остывании сосуда, находят воду, приставшую к сосуду, в количестве, равном или почти равном, весу всего воздуха… Не вправе ли мы отсюда заключить, что вода состоит из дефлогистированного и горючего воздуха, или флогистона».
Так впервые была высказана идея о том, что вода — сложное тело.
14 декабря 1783 г. Дж. Пристли писал Д. Бэнксу:
«…Мысль о том, что вода состоит из чистого воздуха и флогистона (горючего воздуха), высказал впервые Уатт. Вы найдете изложение этой мысли в письме, адресованном мне и которое я переслал в Королевское общество…».
Казалось бы, все факты были налицо, и можно было сделать вывод об истинном составе воды, ибо масса получаемой воды в точности была равна общей массе исходных газов. Но Кавендиш, Пристли, Уатт были в плену ошибочной флогистонной теории. Они не знали истинной природы «горючего» и «дефлогистированного» газов.
25 июня 1783 г. А. Лавуазье сообщил о своем опыте по сжиганию водорода в кислороде на заседании Парижской Академии наук, которая поручила специальной комиссии проверить эти опыты. В результате было получено из газообразных водорода и кислорода 45 гран чистой воды.
В конце 1783 г. А. Лавуазье изложил результаты своих опытов в статье «Мемуар, в котором поставлена задача доказать, что вода не есть вовсе простое тело, элемент в буквальном смысле этого слова, но что она может быть разложена и вновь воссоединена». Основной вывод работы гласил:
(т. е. кислорода) приходилось 22,9 объема «горючего воздуха» (т. е. водорода).
«После тото как вода была искусственно сложена, надо было ее разложить», — так сам А. Лавуазье сформулировал программу дальнейших исследований. Неожиданно исследования в этом направлении приобрели большое практическое значение.
5 июня 1783 г. братья Ж. М. и Ж. Э. Монгольфье совершили полет на воздушном шаре, наполненном воздухом. Парижская Академия наук проявила к этому большой интерес и организовала (2 июля 1783 г.) комиссию для «усовершенствования аэростатических машин»; секретарем комиссии был назначен А. Лавуазье.
В том же году, 27 августа, в Париже состоялся первый полет наполненного водородом воздушного шара. Для наполнения шара требовалось большое количество водорода. Известный тогда способ получения водорода действием разбавленной серной кислоты на железо был, однако, очень дорогим.
В связи с необходимостью изыскания более дешевого способа получения больших количеств водорода для наполнения аэростатов А. Лавуазье и Ж. Менье зимой 1783/84 г. провели несколько опытов с целью получения водорода из воды. В докладе Парижской Академии наук 21 апреля 1784 г. А.Лавуазье и Ж.
Менье описали опыт разложения воды железом при высокой температуре. Установка состояла из ружейного ствола, соединенного с прибором для получения водяных паров и с приемником для образующихся газов. При пропускании через нагретый докрасна ствол вода целиком разлагалась и в приемнике под колоколом собирался водород.
В так называемом «идеальном эксперименте» 100 гран воды в парообразном состоянии протекало через стеклянную трубку, содержащую 274 грана железа. В результате было получено 15 гран (0,795 г) «горючего воздуха», а железо (магнетит Fe3О4) стало весить 85 гран (4,505 г).
В феврале 1785 г. А. Лавуазье и Ж. Менье, завершив опыты по разложению и синтезу воды, установили, что вода содержит 15 вес. % водорода и 85 вес. % кислорода (современные данные: 11,1 % и и 88,9 % О).
В статье «О синтезе и анализе воды» А. Лавуазье писал:«Но так как в физике не менее верно, чем в геометрии, положение: целое равно сумме своих частей, мы полагаем правильным сделать заключение, что вес воды должен быть равен сумме весов двух воздухов, которые послужили для ее образования, так как, согласно нашим опытам, из них получается только чистая вода без какого-либо остатка».
Следовательно, как показал А. Лавуазье, вода, кроме кислорода, который является одним из ее начал, содержит другое начало, которое характерно для воды и также является ее составным радикалом. В 1787 г. по предложению Л. Гитона де Морво для этого начала — «горючего воздуха» — было введено название «водород» (hydrogene — рождающий воду).
Итак, в 1785 г. было окончательно установлено, что два газообразных вещества при взаимодействии образуют жидкость; это было великим открытием, которым ознаменовался конец XVIII в.
Был установлен состав самого распространенного на земле химического соединения.
После установления состава воды А. Лавуазье окончательно выясняет главенствующую роль кислорода в своей системе, а в 1783 г., наконец, решительно выступает против теории флогистона в трактате «Размышления о флогистоне», опубликованном лишь в 1786 г. «Химики сделали из флогистона смутное начало, которое не определено в точной мере и которое поэтому пригодно для любых объяснений, в какие его хотят ввести… Моя задача, — писал А.
Лавуазье, — была развить в этом мемуаре теорию горения, опубликованную мной в 1777 г., показать, что флогистон Шталя — воображаемое вещество, присутствие которого он без всяких к тому оснований допустил в металле, в сере, в фосфоре, во всех горючих телах.
Все явления горения и обжига объясняются гораздо проще и легче без: флогистона, чем с его помощью. Я не жду, что мои взгляды будут сразу приняты. Человеческий ум привыкает видеть вещи; определенным образом, и те, кто в течение части своего жизненного пути рассматривал природу с известной точки зрения, обращаются лишь с трудом к новым представлениям. Итак, дело времени — подтвердить или опровергнуть выставленные мною мнения».
Распространив свою кислородную теорию и методы исследования на вещества растительного и животного происхождения, А. Лавуазье подготовил основу для возникновения органической химии как науки. Он в 1783—1784 гг. впервые провел количественный анализ органических соединений и установил, что основными частями растительных тел являются водород, кислород и углерод и что нет растительных тел, которые могут существовать без них.
В 1787 г. вышла книга «Система химической номенклатуры», разработанная Гитоном де Морво, Лавуазье, Бертолле и Фуркруа. Книга содержит предложения о преобразовании химической номенклатуры и символики, таблицы новых и прежних названий и химических знаков.
В 1789 г. А. Лавуазье завершил разработку кислородной системы, а весной этого же года опубликовал знаменитый «Начальный учебник химии». Мысль написать руководство по химии по новой системе возникла у А. Лавуазье еще в 1778 г. Непосредственно к подготовке плана и материала книги А.
Лавуазье приступил в 1780/81 г.; но только в 1788 г., когда ученый завершил экспериментальное обоснование кислородной теории, он имел в своем распоряжении все материалы для написания классического руководства «Начальный учебник химии, изложенный в новом порядке согласно современным открытиям», который вышел в свет в марте 1789 г.
«Начальный учебник химии» состоит из трех частей:
- Образование и разложение газов, горение простых тел и получение кислот.
- Соединения кислот с основаниями и образование средних солей.
- Описание химических приборов и практических приемов.
В предисловии А. Лавуазье писал: «Каждая физическая наука необходимо состоит из ряда фактов, образующих науку, представлений, их обобщающих, и слов, их выражающих. Слово должно рождать представление, представление должно изображать факт, это три оттиска одной и той же печати».
В своей книге А. Лавуазье наиболее четко сформулировал закон сохранения вещества и закон сохранения элементов при химических реакциях:
«Ничто не творится ни в искусственных, ни в природных процессах, и можно принять в качестве принципа, что во всякой операции количество материи одинаково до и после опыта, что качество и количество начал (т. е. элементов) остаются теми же самыми, что происходят лишь перемены, видоизменения.
На этом принципе основано все искусство экспериментирования в химии. Необходимо предполагать существование настоящего равенства, или одинаковости, между составными началами исследуемых тел и началами, извлеченными из них посредством анализа». Так было положено начало химической алгебре: закон о равенстве масс до и после реакции позволял писать уравнения химических реакций.
В первой части учебника А. Лавуазье описал определение состава воздуха и опыты соединения серы, фосфора и углерода с кислородом. Далее изложена кислородная теория горения. Вторая часть содержит учение о солях и описание важнейших химических соединений.
А. Лавуазье приводит названия и состав неорганических кислот: азотистой, азотной, соляной, мышьяковой, сернистой, серной, плавиковой, вольфрамовой, фосфористой, фосфорной, буровой, борной, молибденовой.
При рассмотрении действия кислорода на металлы А. Лавуазье вводит название «окиси» вместо металлических «земель». Затем разбирает анализ и синтез воды, а также описывает свойства водорода и солеродных оснований. В заключение автор останавливается на свойствах металлов. А. Лавуазье опроверг вековую иллюзию о сложности металлов. Он первый определил металлы как простые вещества.
А. Лавуазье придавал исключительное значение развитию научного приборостроения. Изобретенная им и построенная новая аппаратура обеспечила постановку и успех новых опытов. Она дала высокую для своего времени точность экспериментальных результатов . Не случайно поэтому третью часть своего учебника он посвятил описанию приборов (весов, газометра, калориметра) и практических операций (механических и химических, например, перегонки, сжигания, плавления, возгонки и др.).
В учебнике приведен первый список простых веществ, в который А. Лавуазье включил свет и теплород, три газа (кислород, азот и водород), шесть неметаллов, семнадцать металлов и пять «земель», которые, по мнению А. Лавуазье, «вскоре перестанут причисляться к числу простых веществ».
Смелое по тому времени предположение ученого было впоследствии подтверждено разложением «земель» на их составные части. А. Лавуазье придерживался определения химического элемента, которое дал П. Макер. В книге «Начальный курс химии» он писал: «Если… мы свяжем с названием элементов, или начал, представление о последнем пределе, достигаемом анализом, то все вещества, которые мы еще не смогли никаким способом разложить, являются для нас элементами».
Ценность этого понятия, несмотря на то, что оно содержало в себе отрицательные признаки (элементы — это простые тела, которые далее не разлагаются), заключалась в том, что такое понятие становилось программой дальнейших химических исследований. Сомнения в простоте некоторых «простых веществ» заставляли ученых тщательно анализировать их различными методами.
А. Лавуазье с исключительной дальновидностью отмечал: «Мы не можем уверять, что считаемое нами сегодня простым является таковым в действительности. Мы можем только говорить, что такое-то вещество является пределом, достигаемым посредством химического анализа, и что при современном состоянии наших знаний оно не может быть разделено далее». А.
Лавуазье не делал попыток определить понятие «химический элемент» с точки зрения атомной теории. Он писал, что если термином «элементы» мы хотим обозначить те простые и неделимые атомы, из которых состоит вещество, то существование их весьма вероятно, но мы ничего о них не знаем.
Считая важнейшей задачей количественное изучение внешних макроскопических форм материи, А. Лавуазье объяснял сложные макроскопические явления через воображаемые геометрические и кинематические свойства отдельных корпускул, непосредственно недоступных еще тогда органам чувств и измерительным приборам.
Ниспровергнув флогистон, он оставил в списке простых тел свет и теплород. По-видимому, для этого у него были достаточно веские основания. Во-первых, теории флогистона А. Лавуазье противопоставил свою теорию, сделавшую гипотетический флогистон совершенно излишним.
Принципиально иначе обстояло в то время дело с теплородом: несмотря на то, что некоторые ученые, в том числе и М. В. Ломоносов, были сторонниками кинетической теории теплоты, понятием «теплород» для объяснения очень широкого круга физических явлений продолжали пользоваться почти все естествоиспытатели. Более того, представления о теплороде удерживались и в физике, и в химии до второй половины XIX в.
Таким образом, допущение, что кислород — это соединение некоего «основания» кислорода с теплородом (о чем писал и А. Лавуазье), не противоречило принятым в то время физическим и химическим теориям.
Что касается такого «элемента», как свет, то он, по наблюдениям химиков, выделялся в процессе многих химических превращений. Кроме того, широко известная в то время корпускулярная теория света И. Ньютона не исключала наличия у света «обычных» свойств химических элементов, в том числе и наличия определенной массы. Здесь интересно рассмотреть еще одно обстоятельство.
А. Лавуазье считал, что теплород — это «флюид особый в своем роде, очень тонкий, очень упругий, столь мало весомый, что его вес ускользает от всех инструментов, которые были применены до сих пор для его определения…».
Таким образом, в таблицу элементов А. Лавуазье включил не невесомые субстанции «свет» и «теплоту», а простые тела, масса которых, однако, не могла быть определена с помощью имевшейся тогда аппаратуры.
Только через несколько десятилетий химики вычеркнули свет и теплород из списка элементов (впервые это сделал Я. Берцелиус, вычеркнув из списка свет). Физикам предстояло решить вопрос о природе этих «флюидов». В своем учебнике А. Лавуазье совершенно по-новому осветил вопрос о кислотах, основаниях и солях.
Основания состоят из металла и кислорода. Соли получаются путем взаимодействия кислот и оснований (т. е. ангидридов кислот и основных оксидов). Например, оксид меди и серная кислота (т. е. серный ангидрид) образуют сульфат меди, известь и угольная кислота — карбонат извести.
Присутствие воды в кислотах и основаниях А. Лавуазье считал случайным обстоятельством, не влияющим на их химические функции. Растворение металлов в кислотах он объяснял тем, что металл (например, цинк) вытесняет водород из воды, превращаясь в оксид, который с кислотой дает соль (сульфат цинка).
В 1789 г. К. Л. Бертолле нашел, что синильная кислота и сероводород не содержат кислорода. Это были первые факты, которые противоречили кислородной теории кислот. На основе кислородной теории кислот не представлялось возможным объяснить, почему оксиды металлов не только не обладают свойствами кислот, но и, напротив, принадлежат к противоположному им классу — классу оснований, хотя и содержат кислород.
В судьбе этой теории большую роль сыграло изучение природы соляной кислоты и хлора. Со времен А. Лавуазье считали, что соляная (муриевая) кислота содержит кислород, а хлор — это окисленная соляная кислота (оксимуриевая кислота).
В 1809 г. Ж. Гей-Люссак и Л. Тенар впервые высказали мнение, что муриевая кислота не содержит кислорода. В 1810 г. Г. Дэви экспериментально доказал, что хлор представляет собой простое тело, подобное кислороду. Поэтому соляную кислоту надо рассматривать как соединение хлора и водорода. В 1812 г. К. Бертолле, Ж.
Гей-Люссак и Л. Тенар присоединились к утверждению английского химика. В 1814 г. Ж. Гей-Люссак а своем большом исследовании, посвященном иоду, открытому Б. Куртуа в 1811 г., установил сходство между хлором и иодом, между хлористым водородом и йодистым водородом, впервые им полученным. В 1814 г. он писал:
В 1815 г. Г. Дэви пришел к важному выводу, что влияние элемента водорода определяет кислотные свойства вещества.
Исследования антуана лавуазье
Свои химические исследования А. Лавуазье начал в конце 60-х годов XVIII в. В этот период в химии наблюдалось небывалое оживление. Химики-пневматики делали одно открытие за другим; скрупулезные аналитики снабжали химию точными данными количественных исследований.
В первых своих работах А. Лавуазье выступал сторонником учения о флогистоне. Однако его критический ум не был в плену каких-либо устоявшихся принципов, а сознательное использование количественных исследований довольно скоро заставило его усомниться во многих утверждениях основателя флогистонного учения Г. Шталя.
Публичные лекции по химии, которые Г. Руэль читал в Париже, в Королевском ботаническом саду, оказали сильное влияние на его современников. На лекции Г. Руэля, сопровождаемые интересными опытами, собирался весь цвет парижской интеллигенции; посещали их и иностранные ученые.
А. Лавуазье, как и Г. Руэль, ограничивал себя (на современном ему этапе развития химии) рамками опытных данных, но в противоположность своему учителю он перешел от качественного эксперимента к количественному. На вопрос, каким наиболее важным свойством обладает вещество, А.
Представления о сохранении массы материи и количества движения в 40—60-е годы XVIII в. получили обобщение в трудах М. В. Ломоносова. В 1748 г. он писал Л. Эйлеру: «Все встречающиеся в природе изменения происходят так, что если к чему-либо нечто прибавилось, то это отнимается от чего-то другого.
М. В. Ломоносов придавал большое значение закону сохранения, применяя его и к массе материи (вещества), и к движению (зарождение закона сохранения энергии), притом «для всех перемен, в натуре случающихся».
К концу XVIII в. количественные методы исследования привели химиков к очень важному выводу о том, что ни теплота, ни свет, ни другие подобные агенты не увеличивают и не уменьшают массы вещества. Какие бы бесчисленные изменения ни претерпевали простые и сложные вещества в процессе как естественных, так и искусственных лабораторных воздействий, природа и масса химических элементов остаются неизменными.
Это фундаментальное положение становится основой дальнейших количественных химических исследований. В это время принцип сохранения массы широко применялся в практике количественного анализа, хотя как один из основных законов природы он был осмыслен значительно позднее.
В руководствах по химии и физике XVIII в. и первой половины XIX в. этот закон упоминался редко. Однако уже в конце XVIII в. в химических исследованиях появилась тенденция приводить данные о массе веществ, исходных и полученных в результате химических превращений.
Сознательное экспериментальное приложение принципа сохранения массы к решению фундаментальных вопросов химии—одна из выдающихся заслуг А. Лавуазье. Масса вещества до реакции должна быть равна массе после реакции. Если равенства на опыте не соблюдалось, то это было связано, либо с неточностью прибора, либо с недостатком метода работы, способствовавшим потере части вещества (в виде бесцветного, невидимого, но весомого газа), либо, наоборот, с неучтенной экспериментатором прибылью вещества. В 1766 г. А.
В статье «О природе воды и об опытах, при помощи которых полагали доказанной возможность превращения ее в землю» (1770) А. Лавуазье показал прекрасный образец точного для того времени взвешивания продуктов реакции и анализа явлений, основанного на законе сохранения массы.
Речь шла о длительном споре относительно существования или несуществования предела превращаемости материи. Проблема связана была с уточнением и окончательным утверждением понятий о простом теле и химическом элементе. В течение тысячелетий господствовало мнение, что вода — это простой элемент.
В своей работе А. Лавуазье неопровержимо доказал, что вода ни при каких условиях не превращается в землю, т. е. опроверг то, во что так долго верили многие ученые (И. Ван Гельмонт, Р. Бойль и др.). Основываясь на том, что при выпаривании воды выпадает осадок, они считали, что вода превращается в землю. Р.
Бойль, например, в 1666 г. нашел, что при повторных перегонках дистиллированной воды в стеклянном сосуде, если испарить воду досуха, действительно всегда получается белое порошкообразное вещество. Опровергнуть это традиционное мнение мог только точный эксперимент, который и был сделан А. Лавуазье.
Чтобы выполнить этот опыт, он заказал специальный стеклянный сосуд («пеликан») для продолжительного кипячения воды без потери пара; ему изготовили большие точные весы для взвешивания всего аппарата, в 5 фунтов 6 унций дождевой воды он нагревал в герметически закрытом «пеликане» в течение 101 дня (с 24 октября 1768 г.
по 1 февраля 1769 г). До и после опыта А. Лавуазье взвешивал прибор с водой; оказалось, что его масса не изменилась. Выпарив воду, А. Лавуазье получил 20,4 грана землистого остатка. Высушенный «пеликан» потерял 17,4 грана. На основе этих данных А. Лавуазье пришел к выводу, что вода не превращается в землю, а что осадок при ее выпаривании образуется в результате растворения стекла сосуда, в котором кипятили воду.
Общий вывод из этой работы А. Лавуазье сформулировал так: «…земля, которую Бойль, Халлер и Маргграф получили из воды, представляла собой не что иное, как стекло, выделившееся обратно при выпаривании, так что опыты, на которых основывались эти физики, будучи далеки от того, чтобы доказать возможность превращения воды в землю, заставляют, скорее, думать, что она остается неизменной».
Одновременно с А. Лавуазье ту же задачу о непревращаемости воды в землю разрешил в Швеции К. Шееле, но он не сделал из своего открытия широкого научного обобщения и, что особенно характерно, не связал своего эксперимента со взвешиванием. К. Шееле просто качественно констатировал, что в воде, подвергавшейся кипячению в стеклянной посуде, появляется щелочь и небольшое количество мельчайших частиц кремнезема.
Результаты опыта А. Лавуазье, доказывающие, что вода не может превращаться в землю, сделали сомнительным и представление о том, что простые тела, являющиеся самобытными индивидами, могут превращаться друг в друга.
Одна из самых актуальных проблем химии того времени — проблема горения, восстановления и окисления металлов — привлекла внимание А. Лавуазье. 20 февраля 1772 г. он сделал в своем лабораторном журнале программную запись: «Я поставил перед собой задачу все повторить с новыми предосторожностями, дабы объединить все то, что мы знаем о том воздухе, который связывается или выделяется из тел, с другими добытыми познаниями и создать теорию, которая должна вызвать революцию в физике и химии».
Французский ученый М. Бертло отметил, что это «вступление» А. Лавуазье — начало реформы в химии. Как развивались его исследования, приведшие к созданию кислородной теории горения и окисления, сыгравшей огромную роль в становлении химии как самостоятельной науки?
Надо сказать, что революцию в химических воззрениях А. Лавуазье совершил не столько постановкой новых опытов, не в результате открытия новых реакций или изучения свойств химических соединений, а в результате последовательного применения к изучению химических явлений физических методов исследования, в частности точного взвешивания веществ, участвующих в химических превращениях.
Анализ отдельных работ А. Лавуазье показал, что он постепенно переходит от уверенности в справедливости теории флогистона к сомнениям в ее состоятельности и, наконец, к убеждению в том, что эта теория совершенно ошибочна. Но эта эволюция взглядов А.
Лавуазье, как и весь сложный процесс перехода от теории флогистона к кислородной теории горения, характерный для конца XVIII в., не была связана с постановкой каких-либо эффектных решающих опытов. Речь шла скорее о том, чтобы оценить всю совокупность известных фактов с принципиально иных позиций: увидеть в явлениях горения и окисления не процессы разложения (выделения флогистона), а процессы соединения различных веществ с кислородом.
Аналогичные события произошли и в астрономии, когда Н. Коперник предложил объяснять всю совокупность наблюдаемых данных о движении планет не вращением Солнца вокруг Земли и планет, а, наоборот, их вращением вокруг Солнца. И как во времена Коперника, трудность восприятия учения А.
10 сентября 1772 г. в лабораторном дневнике А. Лавуазье появляется описание опыта сжигания фосфора в герметически закрытой колбе. При этом он указывал, что намерен проверить, поглощает ли фосфор при горении воздух. В «Трактате о фосфорной кислоте и ее соединениях с различными соляными, землистыми и металлическими субстанциями» (1772) А.
1 ноября 1772 г. А. Лавуазье подготовил краткую заметку, переданную секретарю Академии. Он писал: «Я открыл, что сера при горении вовсе не теряет в весе, а, напротив, увеличивается… То же самое можно сказать и о фосфоре, что увеличение веса происходит вследствие громадного количества воздуха, который связывается при горении и соединяется с парами.
Это открытие, установленное путем опытов, которые я считаю решающими, заставило меня думать, что то, что наблюдается при горении серы и фосфора, могло иметь место у всех тел, вес которых увеличивается при горении и прокаливании, и я убедился, что увеличение веса металлов при превращении их в металлические земли происходит от той же причины».
Мы уже отмечали, что ученые XVII в. Ж. Рей, Р. Гук, Д. Мэйоу высказывали мысль об участии воздуха в процессах горения и окисления; к ней возвращались и ученые первой половины XVIII в. Так, М. В. Ломоносов (как и другие химики XVIII в.) видел некоторое родство между окислением металлов при обжиге и образованием гидроксидов при осаждении едкими или углекислыми щелочами из растворов, полученных действием кислот на металлы.
Казалось, напрашивался вывод о том, что в увеличении массы при обжигании основную роль играет «воздух». Для проверки наблюдаемых явлений М. В. Ломоносов поставил опыты по обжиганию металлов «в пустоте». Результаты этих опытов до нас не дошли. Можно только предполагать, что он вследствие несовершенства экспериментальной техники мог наблюдать увеличение массы и после кальцинации металлов в безвоздушном пространстве. М. В.
Ломоносов пользовался одноцилиндровым поршневым бесклапанным воздушным насосом Лейпольда, позволявшим получать только очень небольшое разрежение: давление воздуха понижалось всего лишь до 15— 20 мм рт. ст. Естественно, что нагревание в такой «пустоте» легкоокисляемых металлов (свинца, олова) сопровождалось их окислением и, следовательно, увеличением массы.
Чтобы объяснить это, М. В. Ломоносов прибег к помощи ударной теории тяготения, сторонниками которой были Р. Декарт, X. Вольф. По их мнению, некая тонкая материя толкает тела к центру земного шара. Разделяя эту ошибочную точку зрения, М. В. Ломоносов полагал, что, «вследствие уничтожения сцепления частиц кальцинированием, их поверхности, ранее закрытые взаимным соприкосновением, оказываются уже свободно подверженными тяготительной жидкости и потому сильнее пригнетаются к центру Земли».
Следовательно, как в XVII в., так и в первой половине XVIII в., когда количественный метод исследования еще только утверждался, идея об участии воздуха в процессах горения и окисления не получила достаточно полного экспериментального подтверждения. Но к концу XVIII в. ситуация изменилась, и это было связано главным образом с успехами пневматической химии. В 1774 г. А.
Лавуазье выпустил в свет книгу «Небольшие работы по физике и химии», содержащую, кроме обзора научных достижений в области химии газов, изложение новых представлений о процессе горения, обжигания и выводы о том, что увеличение массы олова и свинца происходит в результате присоединения части атмосферного воздуха (кислород был тогда еще неизвестен А. Лавуазье).
Эту книгу он послал французским и зарубежным ученым, а также в иностранные академии наук, в том числе и в Петербургскую Академию наук. В сопроводительном письме он указывал, что своей работой он хотел привлечь внимание ученых к важной теории, по-видимому, открывающей перед химиками новые пути.
В октябре 1774 г. А. Лавуазье встретился с Дж. Пристли, который приехал в Париж. Дж. Пристли рассказал, что, нагревая оксид ртути, он получил такой воздух, в котором свеча горела гораздо лучше, чем в обыкновенном воздухе. За несколько дней до встречи с Дж. Пристли А.
Лавуазье получил от К. Шееле из Упсалы письменное сообщение (30 сентября 1774 г. ) о том, что при нагревании карбоната серебра выделяется в таком же количестве, как и углекислый газ, какой-то газ, в котором может гореть свеча и могут жить животные. Повторяя опыты Дж. Пристли, А.
Лавуазье нагрел ртуть в закрытом сосуде. Он заметил, что при этом «исчезло» около 1/6 части воздуха, находившегося в сосуде, но ведь «исчезнуть» эта часть воздуха не могла. А. Лавуазье взвесил образовавшийся оксид ртути и убедился, что эта часть соединилась со ртутью.
Далее он установил, что оставшиеся 5/6 части воздуха не были способны поддерживать ни горение, ни дыхание. После этого А. Лавуазье приступил к обратному опыту. Он нагрел оксид HgO и выделил 1/6 часть воздуха, смешал ее с 5/6 «удушающего» газа и получил смесь, которая ничем не отличалась от первоначально взятого воздуха.
Проведенные опыты показали, что 5/6 части воздуха, которым мы дышим, представляют собой удушающее вещество, не способное поддерживать дыхание животных, воспламенение и горение тел, что только 1/6 часть атмосферного воздуха пригодна для дыхания, что в процессе образования оксида ртути ртуть поглощает «здоровую» часть воздуха, оставляя удушающую, что, соединяя часть воздуха, пригодную для дыхания, и часть «удушающую», можно обратно синтезировать воздух, подобный атмосферному.
Эти опыты впервые установили, что процесс окисления ртути происходит в результате соединения ее со «здоровой» частью воздуха. Результаты своих опытов А. Лавуазье изложил в докладе Академии наук 26 апреля 1775 г., а 8 августа 1775 г. он еще раз повторил доклад, в котором впервые разъяснил, что воздух состоит из двух газов: «чистого воздуха», способного поддерживать горение, дыхание и окислять металлы, и воздуха, не обладающего этими свойствами.
В 1775 г. появилась работа А. Лавуазье «О природе вещества, соединяющегося с металлами при их прокаливании и увеличивающего их вес». В ней он описал классический опыт, который начинается с количественного анализа воздуха с помощью металлической ртути и кончается количественным анализом HgO, регенерацией последнего и получением кислорода.
