Глава 20
Воздух и газы

«Воздух» – очень древнее слово, «газ» куда моложе, ему лишь несколько сотен лет, и переход от одного к другому оказался решающим с точки зрения науки. Для древних греков воздух был одним из четырех базовых элементов, единой, неделимой субстанцией. Но эксперименты Роберта Бойля в семнадцатом веке изменили эту точку зрения, и ученые начали понимать, что воздух, который нас окружает и которым мы дышим, состоит более чем из одной субстанции.

С того времени мы узнали о нем гораздо больше благодаря многочисленным экспериментам. В результате одних опытов получалось нечто пузырящееся, в результате других – нечто с шипением испаряющееся. Иногда странным образом менялся сам воздух: химики часто производили аммиак, от которого на глаза наворачиваются слезы, или сероводород, пахнущий тухлыми яйцами.

Но не имея возможности каким-то образом собирать газы, было трудно понять, что происходит. Исаак Ньютон показал, что измерения очень важны, но очень сложно измерить нечто, исчезающее в атмосфере.

Так что химикам требовалось найти способ улавливать газы в чистом виде.

Поначалу многие пытались проводить эксперименты в маленьком закрытом пространстве, в запечатанном ящике. Замкнутое пространство соединяли трубкой с перевернутым кверху дном контейнером, наполненным водой. Если газ не растворялся в воде – а некоторые газы на такое способны, – он пузырьками поднимался к донышку и отдавливал жидкость вниз.

Стивен Гейлс (1677–1761), изобретательный клирик, придумал очень эффективную водяную баню для собирания газов. Гейлс провел большую часть долгой жизни в качестве викария в Теддингтоне (тогда – деревня, ныне поглощена Лондоном). Скромный и склонный к уединению, он был невероятно любопытен и развлекал себя экспериментами.

Некоторые его опыты выглядят не очень-то красиво: он измерял давление крови лошадей, овец и собак, просто втыкая толстую иглу в артерию и фиксируя высоту, на которую в присоединенной к игле длинной стеклянной трубке поднималась красная жидкость. В случае с лошадью трубка должна быть около девяти футов (2,7 метра), чтобы кровь не выливалась с верхнего конца.

Гейлс также изучал движение сока в растениях и замерял скорость роста различных их частей. Он наносил крошечные пятнышки чернил через регулярные интервалы на листья и черенки, а потом записывал расстояние между пятнышками в момент начала эксперимента и через некоторый период времени. Таким образом ему удалось доказать, что не все элементы растения увеличиваются с единой скоростью.

Гейлс использовал водяную баню, чтобы собирать разные газы, а затем проверять, как растения реагируют на изменение внешней среды. Он увидел, что они используют «воздух», как в те времена все еще называли атмосферу, а вышедшая в 1727 году книга «Статика растений» заложила основания для открытия в будущем процесса фотосинтеза, при котором растения используют солнечный свет в качестве источника энергии, и превращают диоксид углерода и воду в сахара и крахмал, и «дышат» кислородом.

Фотосинтез – один из фундаментальных процессов, существующих на нашей планете. Но мы немного забежали вперед, во времена Гейлса никто не знал про кислород.

Помните слово «пневма» из главы 6?

«Пневматический» просто означает «связанный с воздухом», и пневматическая химия, или химия воздуха, была одной из наиболее важных областей науки в восемнадцатом веке (говорили даже «химия воздухов», хотя это звучит очень неуклюже).

Пневматическая химия начала развиваться с 1730-х годов, когда не только старое понятие «воздуха» стало заменяться новыми динамичными идеями по поводу того, что он состоит из нескольких разных газов, но и ученые обнаружили, что многие вещества могут существовать как газ или их можно превратить в газ, но для этого нужны особые условия.

Стивен Гейлс шел именно этим путем, используя свою водяную баню и доказав, что растения точно так же, как и животные, нуждаются в воздухе. Это «воздух», как было понятно уже тогда, высвобождается, когда происходит процесс горения.

Шотландский врач и химик Джозеф Блэк (1728-99) собрал этот «воздух», который он назвал «связанным воздухом», и показал, что хотя растения могут жить в нем и его использовать, животные умирают, если их поместить в контейнер, где находится только «связанный воздух». Судя по всему, им было нужно что-то еще для того, чтобы дышать. «Связанный воздух» Блэка мы называем диоксидом углерода (СO₂ или углекислый газ), и мы знаем, что он является значимым элементом в жизненном цикле растений и животных. Иногда его также именуют «парниковым газом» по той причине, что диоксид углерода порождает (в основном) парниковый эффект, который выражается в глобальном потеплении.

Аристократ-отшельник Генри Кавендиш (1731–1810) днями сидел в собственной лаборатории, устроенной в его лондонском доме, проводя там эксперименты и измерения. Он узнал больше о «связанном воздухе» и открыл другой вид «воздуха», который был очень легким и взрывался, если на него попадали искры в присутствии обычного воздуха. Он назвал это вещество «горючим воздухом».

Мы сейчас называем его водородом, и результатом взрыва становится прозрачная жидкость, на самом деле обыкновенная вода.

Кавендиш экспериментировал и с другими газами, такими как азот.

Но самым успешным из ученых, работавших в области пневматической химии, оказался Джозеф Пристли (1733–1804). Пристли был заметным человеком, будучи клириком, он писал книги по вопросам религии, образования, политики и истории электричества. Он стал унитарианцем, членом протестантской группы, верившей, что Иисус являлся только великим наставником, а не Сыном Божьим.

Пристли являлся материалистом, он учил, что все явления природы могут быть объяснены через понятие «материи», нет никакой нужды в таких вещах, как «дух» или «душа». Когда началась Французская революция и Пристли ее поддержал, то его дом в Бирмингеме оказался сожжен людьми, верившими, что либеральные религиозные и социальные взгляды могут привести к тому, что народное возмущение перекинется и на Британские острова.

Ученому пришлось перебраться в Соединенные Штаты, где он и провел последние десять лет жизни.

Много времени Пристли посвятил химии, он использовал «связанный воздух», чтобы делать газировку, так что вспомните его в следующий раз, покупая ее. Он идентифицировал несколько новых газов, и, как все пневматические химики, он интересовался тем, что происходит во время горения.

Пристли понимал, что воздух играет важную роль, и понимал, что есть некая разновидность «воздуха» (газ), которая заставляет горение проходить более энергично, чем в обычном воздухе, которым мы дышим. Он получил этот «воздух», нагревая вещество, которое мы знаем как окись ртути, и собирая газ с помощью водяной бани. Затем он продемонстрировал, что животные могут жить в нем точно так же, как растения в «связанном воздухе».

Новый «воздух», открытый Пристли, оказался чем-то особенным: в самом деле, все выглядело так, что он включен во множество химических реакций, участвует в дыхании и горении. Ученый думал, что все это может быть отнесено на счет субстанции, именуемой «флогистон», и что все вещи, способные гореть, содержат флогистон, и тот освобождается в процессе горения, ну а когда воздух вокруг насыщается флогистоном, то процесс прекращается.

Многие химики использовали концепцию флогистона, пытаясь объяснить, что происходит при горении и почему некоторые виды «воздуха» заставляют вещество в закрытом контейнере гореть некоторое время, а затем почему-то прекращают процесс. Если вам удастся «сжечь» слиток свинца, то продукт (что останется после горения) окажется тяжелее, чем исходный материал.

И это предполагает, что флогистон, который, если верить некоторым ученым, должен содержаться в свинце и освобождаться с помощью пламени, имеет отрицательный вес. То есть нечто, заключающее флогистон, должно весить меньше, чем в том случае, если его в субстанции нет.

Когда некий объект сгорает, то в результате получаются большей частью газы, которые трудно собрать и взвесить. Например, когда вы сжигаете ветку дерева, то оставшееся – пепел – много легче самой ветки.

Отсюда легко понять, отчего Пристли решил, что вещи, содержащие флогистон, весят меньше, чем вещи без него. В его схеме флогистон занимает место того, что мы именуем кислородом, за исключением того, что обладает совершенно противоположными свойствами.

Для Пристли, когда вещи горят, они теряют флогистон и становятся легче; мы бы сказали, что они соединяются с кислородом, и мы сейчас знаем, что они становятся тяжелее, когда это происходит. Когда свеча в закрытой емкости потухает или умирает запертая мышь или птица после некоторого времени, проведенного внутри контейнера с обычным воздухом, то Пристли сказал бы, что все случилось из-за того, что воздух насытился флогистоном. Мы же знаем, что причиной стало то, что закончился кислород.

Все это напоминает нам, что искусно проводить опыты и делать верные измерения – это одно, но объяснить результаты правильно – совсем другое.

Человека, придумавшего название «кислород», до сих пор именуют «отцом» современной химии. Антуан-Лоран Лавуазье (1743–1794) встретил насильственную смерть во времена Французской революции, его арестовали, допросили и лишили головы не потому, что он занимался химией, а по той причине, что он был откупщиком.

В дореволюционной Франции богатый человек мог заплатить государству, чтобы стать сборщиком налогов, и с их помощью возместить то, что он потратил. Система была, само собой, прогнившей, народ ее ненавидел, но нет доказательств того, что Лавуазье злоупотреблял служебным положением. На самом деле он проводил большую часть жизни, занимаясь научными и техническими изысканиями для страны, исследуя целый ряд важных проблем в промышленности и сельском хозяйстве.

Но он принадлежал к аристократии, а лидеры Революции ненавидели всех аристократов, так что Лавуазье оказался среди тех, кому пришлось заплатить.

Подобно Пристли. Кавендишу и другим пневматическим химикам. Лавуазье был вдохновенным экспериментатором. В процессе работы он изобрел множество разных приспособлений, и часто ему помогала жена, мадам Лавуазье, также оставившая след в науке. Мария Анна Пьеретта Польз (1758–1836) вышла замуж за Антуана Лорана, когда ей было только четырнадцать (а ему двадцать восемь), и они работали вместе в лаборатории, ставили опыты, фиксировали результаты.

Помимо всего прочего она была отличной хозяйкой, и семья Лавуазье устраивала приемы для образованных мужчин и женщин, где обсуждались последние достижения науки и техники. Это был счастливый брак равноправных и подходящих партнеров.

Еще школьником Лавуазье заинтересовался наукой, его острый ум и амбиции ученого были очевидны с раннего возраста. Подобно большинству студентов, получавших образование в то время, он вырос с концепцией флогистона, но сам же нашел в ней множество логических и экспериментальных изъянов.

Лавуазье был полон решимости пользоваться только лучшим оборудованием, поэтому они с женой сами разработали многие устройства, поставив себе цель увеличить точность химических экспериментов. Он использовал очень точные весы, чтобы взвешивать вещества, и несколько разных опытов убедили ученого, что, когда вещи горят, общий вес продуктов горения увеличивается.

Для того чтобы получить такой результат, приходилось собирать и взвешивать выделявшиеся при горении газы.

Лавуазье также изучал, что происходит, когда мы (и другие животные) дышим. Исследования убедили его, что в процессы горения и дыхания вовлечено одно и то же вещество, настоящий элемент, а не некая смутная субстанция вроде флогистона, и это же вещество необходимо для того, чтобы формировались кислоты.

Химические реакции кислот и щелочей уже долгое время интересовали ученых. Помните, как Роберт Бойль изобрел такую вещь, как лакмусовая бумага?

Лавуазье продолжил эту линию исследований.

На самом деле он верил, что кислород (то, что порождает кислоту) столь важен для кислот, что они всегда содержат этот элемент. Сейчас мы знаем, что это не совсем так (соляная, или хлороводородная кислота, одна из самых сильных, содержит хлор и водород), но большая часть того, что говорил Лавуазье по поводу кислорода, все еще является частью актуальной науки.

Мы знаем сегодня, что этот элемент необходим для того, чтобы сжечь что-либо, для нашего дыхания, и что эти на первый взгляд отличные процессы имеют очень много общего. В организме людей кислород помогает «сжигать» (расщеплять) углеводы, чтобы дать нашему телу достаточно энергии и оно могло справиться с ежедневными функциями.

Лавуазье и его жена продолжали работать в лаборатории все восьмидесятые годы восемнадцатого века, и в 1789-м, накануне Французской революции, он опубликовал свою самую важную книгу. Называется она «Элементы химии» и является первым настоящим учебником в современном смысле слова, посвященным этой науке; в тексте много информации об экспериментах и оборудовании, а также отражены взгляды ученого на природу химических элементов.

Сейчас мы называем «элементом» некое вещество, что не может быть разложено на составляющие посредством химических воздействий. Соединение – комбинация элементов, которая при правильном экспериментальном воздействии может быть разбита на компоненты.

Так вода – соединение, состоящее из двух элементов, водорода и кислорода.

Разница между элементом и соединением стала ключевым моментом книги Лавуазье. Его список элементов, или «простых веществ», не содержит все элементы, известные современным химикам, поскольку многие к тому времени еще не были открыты. Зато он включает такие странные для нас вещи, как свет и тепло.

Но Лавуазье своим трудом заложил базу, основание для понимания различий между элементом и соединением.

Столь же важной для потомков оказалась его вера в то, что язык химии должен быть точным. Работая совместно с несколькими коллегами. Лавуазье реформировал лексикон своей науки, демонстрируя, что хороший ученый должен быть аккуратен в использовании слов (и Линней несомненно согласился бы с этим).

Химикам нужно было ссылаться на соединения и элементы, с которыми они работали, так, чтобы любой другой химик, где бы он ни находился, без ошибок мог догадаться, о чем идет речь. Лавуазье написал по этому поводу «мы думаем только посредством слов», и после него химики понемногу выработали общий язык.