Открытие кислорода и теории горения

На открытие кислорода претендуют сразу трое ученых: шведский химик Карл Вильгельм Шееле, английский священник Джозеф Пристли и французский химик Антуан Лавуазье.

Первым, кто получил относительно чистую пробу кислорода, был Карл Шееле (1742—1786). Работы Шееле охватывают всю химию того времени: учение о газах, химический анализ, химию минералов, начала органической химии. В 1769 г. он выделил из соли — «винного камня» (гидротартрата калия) — винную кислоту. В 1774 г., исследуя пиролюзит («черную магнезию»), показал, что это вещество является соединением неизвестного металла, впоследствии названного марганцем, а также выделил «тяжелую землю» — оксид бария. Кроме того, воздействуя на «черную магнезию» соляной кислотой, Шееле открыл зеленоватый удушливый газ, названный им «дефлогистированной соляной кислотой». Позже этому газу было присвоено название «хлор».

Год спустя Шееле приготовил мышьяковую кислоту, затем — синильную, мочевую, щавелевую, молочную, лимонную, яблочную, галловую, а также глицерин. Особый интерес представляет выделение синильной кислоты из угольного ангидрида, угля и аммиака — этот опыт, по сути, стал первым органическим синтезом, осуществленным за 40 лет до Ф. Вёлера. Кроме того, Шееле первым получил и исследовал перманганат калия (всем известную марганцовку, которая теперь широко применяется в медицине), разработал способ получения фосфора из костей, открыл сероводород.

Однако наиболее значимым его трудом стал «Химический трактат о воздухе и огне» — свидетельство того, что Шееле за два года до Пристли и Лавуазье открыл кислород. Причем сделал это разными способами: прокаливанием оксида ртути, нагреванием карбоната ртути и карбоната серебра и т. д. Изучая природу огня, ученый задумался над тем, какое участие принимает в горении воздух. Он уже знал, что сто лет назад Р. Бойль доказал: свеча, уголь и всякое другое горючее тело могут гореть только там, где достаточно воздуха. Однако в те времена никто не мог толком объяснить, отчего так происходит и зачем, собственно, горящему телу нужен воздух.

Воздух тогда считался однородным веществом, которое нельзя расщепить на более простые составные части, и Шееле поначалу тоже придерживался такого мнения. Но все изменилось, когда он стал проводить опыты с различными химическими веществами в сосудах, плотно закрытых со всех сторон. Какие бы вещества Шееле ни пытался сжигать в этих сосудах, воздух внутри уменьшался на¹⁄₅, и ту же часть объема заполняла вода. Это натолкнуло ученого на мысль, что воздух не однороден.

Далее Шееле принялся изучать разложение разных веществ (в том числе селитры) путем нагревания и получил газ, который поддерживал дыхание и горение. Вероятно, уже в 1771 г. при нагреве пиролюзита с концентрированной серной кислотой ученый наблюдал выделение «виртольного воздуха», поддерживающего горение, то есть кислорода. Пытаясь раскрыть загадку огня, Шееле неожиданно обнаружил, что воздух — не элемент, а смесь двух газов, которые он называл воздухом «огненным» и воздухом «негодным». Это было величайшим из всех его открытий.

Увы, хотя Шееле и был первым исследователем, получившим чистую пробу кислорода, выводы он опубликовал лишь в 1777 г., позже, чем Джозеф Пристли (1733—1804), поэтому формально и не стал первооткрывателем кислорода.

1 августа 1774 г. Пристли наблюдал выделение «нового воздуха» при нагревании ртутной окалины, находящейся под стеклянным колпаком без доступа атмосферного воздуха, с помощью двояковыпуклой линзы. Ртутная окалина была известна еще алхимикам под названием «меркуриус кальцинатус пер се», или «жженая ртуть», а сейчас это вещество называется оксидом ртути. Полученный при его нагревании газ ученый вывел через трубку в сосуд, заполненный ртутью, а затем из любопытства внес туда тлеющую свечу. Та вспыхнула ярким пламенем, и воодушевленный Пристли записал: «Я поместил под перевернутой банкой, погруженной в ртуть, немного порошка “меркуриус кальцинатус пер се”. Потом взял небольшое зажигательное стекло и направил лучи солнца прямо внутрь банки на порошок. Из порошка стал выделяться воздух, который вытеснил ртуть из банки. Я принялся изучать этот воздух, и меня удивило, даже взволновало до глубины души, что в этом воздухе свеча горит лучше и светлее, чем в обычной атмосфере».

Будучи сторонником теории флогистона («сверхтонкой огненной субстанции», якобы наполняющей все горючие вещества и высвобождающейся из них при горении), Пристли не смог объяснить суть процесса горения и защищал свои представления даже после того, как Антуан Лавуазье (1743—1794) обнародовал новую теорию.

Из своих собственных опытов, а также экспериментов Пристли и Шееле, Лавуазье уже знал, что с горючими веществами связывается лишь ¹⁄₅ часть воздуха, но природа этой части была ему неясна. Когда же Джозеф сообщил ему об открытии «дефлогистированного воздуха», Антуан сразу понял, что это и есть та самая часть, которая при горении соединяется с горючими веществами. Повторив опыты Пристли, Лавуазье заключил, что атмосферный воздух состоит из смеси «жизненного» (кислород) и «удушливого» (азот) газов, а процессы горения объяснил соединением веществ с кислородом.

В начале 1775 г. Лавуазье сообщил, что газ, получаемый после нагревания красной окиси ртути, представляет собой «воздух без изменений, за исключением того, что он более чист, более пригоден для дыхания». К 1777 г., вероятно не без намека Пристли, Лавуазье пришел к выводу, что это газ особой разновидности, один из основных компонентов, составляющих атмосферу. Правда, сам Пристли как сторонник теории флогистона с таким выводом никогда бы не согласился.
Исследования Лавуазье сыграли важную роль в развитии химии XVIII в.: созданная им научная теория горения знаменовала отказ от теории флогистона. В борьбе со сторонниками последней у Лавуазье был замечательный союзник — весы. Приступая к какому-либо опыту, ученый тщательно взвешивал все вещества, которые должны были вступить в реакцию, и еще раз взвешивал ее продукты по окончании опыта. По примеру Шееле, Лавуазье тоже сжигал фосфор в закрытой колбе, но не терялся в догадках, куда при горении исчезает пятая часть воздуха, поскольку весы давали ему точный ответ.

Прежде чем положить кусок фосфора в колбу, Лавуазье взвешивал его, а когда фосфор сгорал, взвешивал всю сухую фосфорную кислоту, оставшуюся в колбе.

Согласно теории флогистона, фосфорная кислота должна была по весу уступать исходному материалу, ведь, сгорая, фосфор якобы разрушался и терял флогистон. Даже если бы флогистон был невесомым, фосфорная кислота весила бы ровно столько, сколько исходный фосфор. Однако выяснилось, что белый иней, оседавший на стенках колбы после горения, весил больше сгоревшего фосфора. Следовательно, «исчезнувшая» часть воздуха на самом деле никуда не девалась, а просто присоединялась к фосфору, в результате чего и получалась фосфорная кислота (теперь мы называем это вещество фосфорным ангидридом). Понимая, что горение фосфора — не исключительное явление, Лавуазье на других опытах показал: всякий раз, когда сгорает любое вещество или ржавеет металл, происходит то же самое.

К концу 1772 г. ученый представил Академии наук первые результаты — в частности, записи о том, что при сгорании серы и фосфора вес продуктов горения превышает вес исходных веществ за счет связывания воздуха, а вес свинцового глета (оксида свинца) при восстановлении до свинца уменьшается, но при этом выделяется значительное количество воздуха. В 1783 г. Лавуазье повторил опыты Кавендиша по сжиганию «горючего» воздуха (водорода) и сделал вывод, что «вода не есть простое тело», а является соединением водорода и кислорода, и ее можно разложить пропусканием водяного пара через раскаленный докрасна ружейный ствол. В 1877 г. ученый выступил со своей теорией горения на заседании Академии наук, существенно ослабив основы теории флогистона, окончательное поражение которой было нанесено исследованиями состава воды.

Впрочем, подробное изучение свойств кислорода и его роли в процессах горения привело Лавуазье к неправильному выводу, будто бы этот газ представляет собой кислотообразующее начало. В 1779 г. ученый даже ввел для кислорода название oxygenium (от греч. «окис» — кислый, «геннао» — рождаю), то есть «рождающий кислоты». И до конца своей жизни настаивал на том, что кислород представляет собой атомарный «элемент кислотности» и что образуется он только тогда, когда соединяется с «теплородом», «материей теплоты». То, о чем Лавуазье писал в своих статьях, было не столько открытием кислорода, сколько кислородной теорией горения. Эта теория стала ключом для перестройки химии, которую называют революцией в науке.

В настоящее время кислород очень широко используется во многих областях человеческой деятельности. Его применяют для ускорения химических процессов на производствах (например, в производстве серной и азотной кислот, в доменном процессе). Кислородом пользуются для получения высоких температур, для чего различные горючие газы (водород, ацетилен) сжигают в специальных горелках. Смеси жидкого кислорода с угольным порошком, древесной мукой или другими горючими веществами, называемые оксиликвитами, обладают очень сильными взрывчатыми свойствами и применяются при подрывных работах. Кислород давно и широко используют в медицине, при этом далеко не каждый анестезиолог-реаниматолог знает, каким же способом получают столь необходимый для его деятельности газ.