Это открытие конца восемнадцатого века с полным правом можно считать
революционным. Оно ниспровергло одну из теорий, которая в то время
господствовала в науке и тормозила ее развитие. Оно стало подлинным фундаментом
для современной химии. А совершили его почти одновременно и независимо друг от
друга трое разных ученых. Но ни один из них так до конца и не понял, что именно
он открыл…
Из цикла: «Жизнь замечательных идей»
Кислород – газ без цвета, вкуса и запаха. Самый распространенный элемент на нашей планете. Земная кора примерно наполовину состоит из кислорода, но находится он в почве и недрах не в чистом виде, а в составе различных соединений. Огромное количество кислорода содержится в морских и пресных водах. Это примерно 90 процентов от общей массы всех водных запасов Земли. Пятая часть атмосферы – это тоже кислород. Кислород присутствует в составе полутора тысяч органических веществ, во всех живых клетках.
Удивительно, но этот самый распространенный элемент, был обнаружен совсем недавно, всего каких-нибудь двести сорок лет назад. Хотя, конечно же, испокон веку люди были знакомы с основными свойствами кислорода. Например, они знали, что дрова, уголь, свечи могут гореть только при наличии достаточного количества воздуха.
Знали также, что перекрыв огню доступ воздуха, можно затушить пожар песком или землей. Однако объяснить, зачем воздух нужен огню, никто толком не мог.
Воздух тогда, кстати, считали однородным веществом. В том, что он является простым элементом, который нельзя разделить на составные части, были уверены абсолютно все ученые. В том числе и шведский химик Карл Шееле.
Карл Шееле
Карл Вильгельм Шеееле родился 9 декабря 1742 года в небольшом шведском городке Штральзунд. Отец Карла был мелким торговцем. Но он сумел оплатить сыну учебу в частном пансионе и в гимназии. После окончания гимназии четырнадцатилетний Карл Шееле стал учеником Гётеборгского аптекаря. Здесь он освоил основы фармации и лабораторной практики. Днем Карл помогал своему хозяину готовить пилюли, микстуры и пластыри, а после того, как из аптеки уходил последний покупатель и хозяева отправлялись спать, ученик аптекаря устраивался где-нибудь в углу и при свете свечи изучал труды известных химиков, повторял их классические опыты и ставил собственные эксперименты. Он последовательно изучил химию газов, химию минералов, начала органической химии, свойства кислот и щелочей. Конечно, не обходилось без травм и ожогов. Случались и взрывы, к величайшему недовольству хозяев.
Карл Шееле был прирожденным ученым-исследователем. Он всегда пытался докопаться до самой сути, до природы любого вещества. Из каких элементов оно состоит, какими свойствами обладает, как взаимодействует с другими веществами.
«Как счастлив исследователь, когда находит то, что искал! Как радуется его сердце!» Из письма Карла Шееле своему другу
Карл Шееле был простым аптекарем, не имел высшего образования, не учился у именитых профессоров, тем не менее, внес огромный вклад в науку. Он открыл винную кислоту и выделил плавиковую. Он первым получил и исследовал перманганат калия – известную всем «марганцовку». А также открыл зеленоватый удушливый газ, который ученые позже назовут хлором. Шееле принадлежат открытия фтора, бария, молибдена и вольфрама. Кстати, вольфрамит кальция впоследствии будет назван минерологами в его честь «шеелитом».
Но самым крупным открытием Шееле было открытие кислорода. Это произошло по одним данным в 1772 году, по другим сведениями на год раньше. Карл Шееле работал тогда лаборантом в одной из аптек Упсалы. Ночью, как всегда, он проводил очередной опыт. В то время Шееле интересовала природа огня. И он пытался разобраться, какую роль при горении играет воздух. Для этого Шееле сжигал различные вещества в плотно закрытых колбах. Затем он помещал колбу горлом вниз в лохань с водой, открывал пробку и раз за разом наблюдал одно и то же явление: вода заполняла одну пятую часть сосуда.
А это означало, что часть воздуха куда-то исчезала из плотно закрытой колбы. Но куда? И почему не весь воздух, а только его пятая часть? Более того, в оставшемся после эксперимента воздухе не хотели гореть ни фосфор, ни уголь, ни лучина. Почему?
И тогда Шееле озарила догадка, что воздух не однороден! Это не простой элемент, а смесь двух разных воздухов. Шееле назвал их «огненный воздух» и «негодный воздух».
Вот здесь до открытия кислорода Шееле оставался всего лишь шаг. Но он не мог его сделать. Мешала теория флогистона.
Справка: Суть теории флогистона заключается в следующем: любое вещество может гореть только в том случае, если оно содержит особый горючий материал – флогистон. Что такое флогистон, никто из химиков объяснить не мог. Но все знали: его нельзя увидеть, его нельзя выделить из вещества. Он — неуловимый и бесплотный призрак огня.
Карл Шееле был убежденным сторонником теории флогистона. Поэтому он был вынужден каким-то образом увязать свое открытие с этой теорией. И сделал это довольно-таки убедительно. Шееле предположил, что «огненный воздух» имеет большое влечение к флогистону. Возможно даже какое-то химическое сродство. Поэтому и сгорает вместе с ним. А «негодный воздух» не имеет влечения к флогистону, поэтому и остается в нетронутом виде.
Но Шееле еще оставалось объяснить, куда уходит во время горения «огненный воздух». И он придумал такое объяснение: когда какое-нибудь тело сгорает, выделяющийся из него флогистон образует с огненным воздухом настолько летучее соединение, что оно свободно просачивается сквозь стекло.
Следующей задачей Карла Шееле было научиться отделять «огненный воздух» от «негодного» и каким-то образом накапливать его для дальнейших экспериментов и изучения. Можно было растворять металл в кислоте, например, обливать железные стружки купоросным маслом. Можно было нагревать красные окалины ртути, ее тогда называли жжёная ртуть, а сегодня это вещество известно нам, как оксид ртути. Еще можно было получать огненный воздух из селитры. Селитряный способ оказался самым дешевым и доступным.
2 KNO3 = 2 KNO2 + O2
Шееле насыпАл сухую селитру в стеклянную реторту и нагревал на жаровне. Когда селитра начинала плавиться, он привязывал к шейке реторты пустой бычий пузырь, в который и собирал «огненный воздух». А уже из пузыря Шееле «переливал» «огненный воздух» в банки, стаканы, колбы – куда угодно.
Тридцатилетнему ученому-самоучке, конечно, очень хотелось рассказать кому-нибудь об огненном воздухе, поделиться с кем-нибудь своим открытием. Но кого оно могло заинтересовать? Хозяина аптеки? Покупателей? И тогда в 1772 году Карл Шееле написал письмо молодому французскому ученому, своему ровеснику – Антуану Лавуазье.
Впрочем, некоторые исследователи считают, что никакого письма не было. Лавуазье ничего не знал об «огненном воздухе» Шееле. А то, что именно в 1772 году Лавуазье начал свои опыты по изучению горения веществ – просто совпадение. И если уж Лавуазье и получил от кого-то подсказку, то отнюдь не от шведского аптекаря, а от английского священника Джозефа Пристли.
Применение кислорода
Применение чистому кислороду нашлось только в девятнадцатом веке. Но получали его в то время только лабораторными способами, то есть, в ограниченном количестве. Однако для медицинских нужд этого хватало. Сначала появились кислородные подушки. Медики прописывали лечение «чистым воздухом» больным чахоткой и всем остальным пациентам, у которых наблюдались нарушения дыхания. Позже кислород стали использовать при сердечно-сосудистых заболеваниях, декомпрессионной болезни. Сегодня кислород используют не только для облегчения дыхания. Его вводят подкожно для лечения гангрены, трофических язв и слоновости. Его пьют в виде кислородных коктейлей для профилактики желудочно-кишечных заболеваний. Кислородом, точнее озоном, обеззараживают воздух, очищают питьевую воду и кровь при процедуре гемодиализа. Баллон со сжиженным кислородом сегодня — неотъемлемый атрибут операционных, реанимационных и перинатальных отделений, машин неотложной помощи и медицины катастроф.
Джозеф Пристли
Джозеф Пристли родился 13 марта 1733 года в местечке Филдхед близ города Лидса. Его отец был суконщиком и не интересовался ни литературой, ни философией, ни языкознанием. Равно как наукой или религией. А Джозеф Пристли стал священником. Но прежде блестяще закончил школу и духовную академию Девентри. Он свободно владел французским, немецким, итальянским и арабским. Знал латынь, древнегреческий, халдейский и древнееврейский. Приняв сан, Джозеф Пристли одновременно начал преподавать иностранные языки и литературу в Уоррингтонской академии и попутно написал курс «Основы английской грамматики», а также монографию «История учения об электричестве». А потом Пристли внезапно увлекся химией. И за очень короткий срок провинциальный священник сделал несколько очень крупных открытий в области химии газов. Он первым получил аммиак, фтористый кремний, сернистый газ. Пристли называл эти газы «новым воздухом». В 1771 году Джозеф Пристли повторно открыл углекислый газ и, изучая его свойства, изобрел… газировку.
Ластик, кстати, тоже его изобретение. За что все двоечники мира должны быть благодарны скромному английскому священнику. А анестезиологам всего мира дорого другое открытие Пристли – закись азота. Первый анестетик для наркоза.
В 1772 году, в то самое время, когда Карл Шееле обнаружил свой «огненный воздух», Джозеф Пристли занимался исследованием очередного нового воздуха — «солянокислого», который он получал при взаимодействии поваренной соли и серной кислоты. Этот газ позже назовут хлористым водородом.
А через два года Джозеф Пристли приступил к опытам с ртутной окалиной, в точности повторив эксперимент Карла Шееле. Но поскольку английский священник и шведский аптекарь не были знакомы и не состояли в переписке, это совпадение было чистой случайностью.
Справка: Ртутная окалина или жжёная ртуть была известна еще алхимикам. Они называли это вещество «меркуриус кальцинатус пер се».
Итак, 1 августа 1774 года Джозеф Пристли, проводя очередной опыт с ртутной окалиной наблюдал выделение «нового воздуха».
На современном химическом
языке уравнение этой реакции можно было бы записать следующим образом: 2 HgO = 2 Hg + O2
Но во времена Джозефа Пристли химические формулы еще не были изобретены,
поэтому английский священник записал свой опыт следующим образом:
«Я поместил под перевернутой банкой,
погруженной в ртуть, немного порошка «меркуриус кальцинатус пер се». Затем я
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
моей души, что в этом воздухе свеча горит лучше и светлее, чем в обычной
атмосфере». Из рабочих записей Джозефа Пристли
Джозеф Пристли, как и Карл Шееле, был убежденным сторонником теории флогистона.
Поэтому он не смог понять суть собственного опыта.
Поначалу он считал, что новый воздух – это закись азота или «дефлогистированный
селитряный воздух», как называл его сам Пристли. Позже, после многочисленных
опытов Пристли понял, что это разные газы. Он назвал новый газ
«дефлогистированным воздухом», поскольку считал, что флогистона в нем
содержится гораздо меньше, чем в обычном воздухе или не содержится вовсе. О
своем открытии «нового воздуха» Джозеф Пристли сообщил своему знакомому –
французскому химику Антуану Лавуазье.
Применение кислорода
Широкое промышленное применение кислорода началось только в двадцатом веке.
После того, как были изобретены детандеры. Устройства для сжижения и разделения
жидкого воздуха. Первые детандеры были сложными, громоздкими и дорогостоящими.
А их коэффициент полезного действия был не выше, чем у паровой машины. Но в
конце тридцатых годов советский физик, академик Петр Леонидович Капица
предложил использовать в качестве детандера турбину. Так появились
турбодетандеры. В этих установках воздух сначала сжижается, затем собирается в
специальные сосуды, которые называют сосудами Дьюара, после чего происходит его
разделение. Жидкий кислород имеет светло-голубой цвет. Поэтому кислородные
стальные баллоны окрашивают именно в этот цвет. Такая маркировка принята во всем
мире, что позволяет исключить путаницу в условиях какой либо чрезвычайной
ситуации.
Антуан Лавуазье
Антуан Лоран Лавуазье родился 26 августа 1743 года в Париже. Он был
выходцем из состоятельной буржуазной семьи и получил прекрасное образование:
колледж, юридический факультет, курсы математики, астрономии, ботаники,
минералогии, геологии, химии под руководством лучших парижских профессоров того
времени. В 25 лет Лавуазье был избран в Парижскую Академию наук адъюнктом по
химии.
Антуан Лавуазье, как и все ученые своего времени, был приверженцем теории
флогистона. Но в 1772 году после серии опытов по изучению горения разных
веществ у французского химика появились первые сомнения в справедливости
общепринятой химической доктрины. Свою роль в этом сыграли… весы.
Дело было так: Лавуазье исследовал процесс горения фосфора. Перед началом эксперимента он тщательно взвесил кусок, затем положил его в колбу и сжег. Когда фосфор сгорел, Лавуазье взвесил оставшийся в колбе порошок – сухую фосфорную кислоту.
По теории флогистона фосфорной кислоты должно было остаться меньше, чем было фосфора, ведь флогистон выгорел. А если предположить, что флогистон вообще ничего не весит, то вес фосфорной кислоты должен был соответствовать весу фосфора, из которого она была получена. Но к величайшему удивлению Лавуазье белый порошок, осевший на стенках колбы, весил больше сгоревшего куска фосфора.
Лавуазье повторил эксперимент несколько раз. И с разными веществами. В каждом случае получалось одно и то же. Вес продуктов сгорания был больше веса исходного вещества. Эти результаты показались Лавуазье настолько важными, что в конце 1772 года он представил отчет о своих экспериментах Парижской Академии наук.
Через два года Джозеф Пристли сообщил Лавуазье о том, что он обнаружил «новый воздух», в котором все вещества горят гораздо ярче, чем в обычном атмосферном. И что этот воздух, составляющий одну пятую часть атмосферного, каким-то образом связывается с флогистоном.
Лавуазье сразу же заинтересовался новый воздухом. Он повторил опыты Пристли и в результате пришел к выводам, которые двумя годами раньше уже сделал Карл Шееле: атмосферный воздух состоит из смеси двух воздухов. Шееле называл их «огненный» и «негодный», Лавуазье назвал — «жизненный» и «удушливый».
Лавуазье, также как Шееле и Пристли, предположил, что в процессе горения происходит соединение флогистона с «жизненным воздухом». А дальше, развивая это предположение, Лавуазье вновь задействовал в эксперименте весы. Оказалось, что вес продукта сгорания любого вещества увеличивается ровно на ту самую загадочную пятую часть исчезающего воздуха.
На исследование «жизненного воздуха» и разработку новой теории горения Антуан Лавуазье потратил в общей сложности одиннадцать лет. За это время он выяснил, что «жизненный воздух» — это газ особой разновидности, один из основных компонентов, составляющих атмосферу. Лавуазье также окончательно доказал роль «жизненного воздуха» в процессах горения и образования окислов. Но вот эти самые окислы и привели в конечном итоге к неправильным выводам. Лавуазье был уверен, что новый газ представляет собой кислотообразующее начало.
Лавуазье назвал новый газ «оксигениум», что в переводе с греческого означает «рождающий кислоты». Слово «кислород» — это калька, буквальный перевод греческого названия. Его ввел в обращение Михаил Ломоносов.
Применение кислорода
В самых первых подводных лодках, конечно же, никаких кислородных установок не было и в помине. Поэтому погружения были краткосрочными, запаса воздуха хватало лишь на несколько часов. Позже специально для подводников химиками был разработан способ получения кислорода из пероксидов металлов. Чаще всего из пероксида натрия. Этот способ был хорош еще и тем, что одновременно с выделением кислорода при данной химической реакции шло поглощение углекислого газа. На современных атомных подводных лодках, где имеется практически неисчерпаемый источник электрической энергии и такой же неисчерпаемый источник воды за бортом, кислород получают с помощью электролиза: электрический ток разделяет воду на два составляющих ее газа.
Конец теории флогистона
Когда Антуан Лавуазье опубликовал результаты своих опытов, почти весь научный мир ополчился против него. Дело было не только в том, что Лавуазье посмел усомниться в теории флогистона. Нелепой казалась сама мысль о том, что горящее тело не распадается и не уменьшается, а наоборот, что-то присоединяет к себе. А ведь к таким же выводам за пятнадцать лет до Лавуазье пришел другой великий ученый своего времени – Михаил Васильевич Ломоносов. Экспериментируя с нагреванием металлов, Ломоносов сравнивал вес запаянной реторты до и после прокаливания.
«Оными опытами нашлось, что без пропущения внешнего воздуха вес сожженного металла остается в одной мере». Михаил Ломоносов.
Так что первый удар по теории флогистона был нанесен еще в 1756 году, в России. Кстати, из своих опытов Ломоносов сделал еще один замечательный вывод и, по сути, вывел закон сохранения веществ.
«Все перемены, в натуре случающиеся, такого суть состояния, что, сколько чего у одного тела отнимается, столько присовокупится к другому, так, ежели где убудет несколько материи, то умножится в другом месте». Михаил Ломоносов
Теория флогистона окончательно канула в Лету только в самом конце восемнадцатого века, после того как 1789 году был издан и переведен на многие языки труд Антуана Лавуазье «Traité élémentaire de chimie».
Комментарий — «Открытие «огненного» воздуха и падение теории флогистона перевернули всю химию. Химические явления предстали в новом свете. И только теперь можно было по-настоящему разобраться, из каких элементов состоит весь окружающий нас мир. Что следовало считать более сложным веществом — фосфор или фосфорную кислоту? До Лавуазье все химики говорили: фосфор сложнее, он состоит из двух элементов: флогистона и фосфорной кислоты. Теперь же, когда оказалось, что при горении вещества вовсе ничего не теряют, они притягивают к себе «огненный воздух», все стало выглядеть совершенно по-другому. Пришлось сухую фосфорную кислоту признать сложным телом, а фосфор — элементом, так как кислота получается от соединения фосфора и «огненного воздуха», а фосфор разложить на какие-нибудь другие вещества нельзя».
Применение кислорода
Современные турбодетандеры дают промышленности сотни тысяч литров сжиженного кислорода. В нем нуждаются, прежде всего, химия и металлургия. В металлургии кислород используют для более эффективного сжигания топлива при конверторном способе производства стали. Баллонный кислород применяют при газопламенной резке и сварке металлов. Жидкий кислород в смеси с жидким озоном используется в качестве окислителя для ракетного топлива.
Кто открыл кислород?
Автором новой кислородной теории горения, бесспорно, является Антуан Лавуазье. А вот кто же открыл кислород: шведский аптекарь, английский священник или французский химик?
Очевидно, что самым первым, кто держал в руках относительно чистую пробу кислорода, был Карл Шееле. Это произошло в 1772 году. Джозеф Пристли выделил новый газ на два года позже – в 1774 году.
«Оба они так и не узнали, что оказалось у них в руках. Элемент, которому суждено было революционизировать химию, пропадал в их руках бесследно…» Фридрих Энгельс
Тогда получается, что первым кислород открыл Лавуазье? Но и он до конца жизни считал, что «жизненный воздух» — это атомарный элемент кислотности. А газом он становится только тогда, когда соединяется с теплородом или с материей теплоты.
В спорных случаях приоритет открытия устанавливается по дате первой публикации на данную тему. Джозеф Пристли опубликовал свою книгу «Experiments and Observations on Different Kinds of Airs» («Эксперименты и наблюдения, касающиеся различных видов воздуха») в 1774 году. Но в этой книге не было ни слова об открытии нового газа.
«Из большей силы и яркости пламени свечи в этом чистом воздухе можно заключить, что он может быть особенно полезен для лёгких в некоторых болезненных случаях. До сих пор, однако, только две мыши и я сам имели привилегию дышать им». Джозеф Пристли
Антуан Лавуазье представил в Парижскую академию наук свой мемуар «Sur la nature du principe qui se combine avec les métaux pendant leur calcination et qui en augmente le poids» в 1775 году. В этой работе была определена роль кислорода в образовании металлических «известий» и в процессах горения. Но и здесь кислород был признан лишь одной из составных частей воздуха.
А труда Карла Шееле «Chemische Abhandlung von der Luft und dem Feuer» (Химический трактат о воздухе и огне) увидел свет лишь в 1777 году. В этой книге были приведены результаты многочисленных экспериментов шведского аптекаря, который, кстати, в тот момент уже являлся членом Шведской Академии наук, но все еще работал простым лаборантом. Шееле также подробно описал все способы получения «огненного воздуха» и его свойства, не претендуя при этом на открытие нового химического элемента.
Комментарий — «Кто именно является официально признанным претендентом на приоритет открытия кислорода? Возможно, прав был Нечаев, когда писал, что «открытие кислорода является плодом коллективного разума и взаимоиндуцирующего творчества всех троих ученых»
Применение кислорода
Многие сжиженные газы взрывоопасны. Кислород – не исключение. Особенно сильными взрывчатыми свойствами обладает смесь жидкого кислорода с оксиликвитами – горючими веществами: угольным порошком, древесной мукой и прочими «техническими пудрами». Кстати, пищевая сахарная пудра тоже относится к оксиликвитам. Эти свойства кислорода давно замечены и достаточно широко используются при подрывных работах. А еще кислород используют в пищевой промышленности. Это и пищевые добавки, и пропелленты, и упаковочный газ. Кислородная упаковка защищает скоропортящиеся продукты от бактерий. Следовательно — от гниения и порчи.
P.S.Кислород, как элемент кислотности, перестал существовать в начале девятнадцатого века. И стал обычным химическим веществом. До этого момента не дожил никто из ученых, его открывших.
Карл Шееле умер в 1786 году в возрасте сорока четырех лет. Его погубили собственные эксперименты. Точнее – органолептические методы исследования новых веществ. Последние годы жизни Шееле работал с цианидами, соединениями ртути и мышьяка.
Антуана Лавуазье казнили в 1794-ом. Ему был пятьдесят один год. Конвент отдал его на суд революционного трибунала, а трибунал решил, что республика не нуждается в ученых.
Джозеф Пристли прожил дольше всех. Но последние годы жизни ему пришлось жить в эмиграции. В том самом году, когда Антуану Лавуазье отрубили голову во имя Великой Французской революции, Джозефу Пристли – симпатизировавшему этой самой революции и принявшему французское гражданство, угрожали суд и казнь в Англии, как изменнику родины. Он бежал в Америку, где поселился на ферме и прожил там десять лет в одиночестве и забвении. Джозеф Пристли умер в 1804 году в возрасте семидесяти одного года. До рождения нового химического элемента оксигениума оставалось еще целых шесть лет…