Миссия открыть новую страницу в истории становления современной химии выпала на долю выдающегося французского ученого Антуана Лорана Лавуазье.
Лавуазье происходил из очень состоятельной семьи, принадлежащей к третьему сословию. Первоначальное образование он получил в колледже Мазарини, а затем прошел курс юридического факультета и в 1764 г. получил степень лиценциата прав. Одновременно с прохождением курса юридических наук и по окончании его Лавуазье много и основательно занимался естественными и точными науками под руководством лучших парижских профессоров того времени. Математику и астрономию он изучал у известного аббата Ла-Кайля, а курс химии прошел у Гийома Франсуа Руэля.
Антуан Лоран Лавуазье (1743–1794)
Гийом Франсуа Руэль (1703–1770)
Г.Ф. Руэль был, безусловно, одним из самых крупных французских химиков XVIII в. Занимая должность профессора в парижском «Королевском саду», он создал школу подлинной экспериментальной химии. Студентов привлекала его живая манера изложения материала и проведение демонстрационных опытов. Научная деятельность Г.Ф. Руэля была направлена на разработку теоретических вопросов химии. Французский ученый стал постоянно использовать термин «основание» и обогатил теоретическую химию точным определением понятия «соли» как продукта взаимодействия между кислотой и основанием.
Не только современники, но и последующие поколения ученых восхищались проницательностью и экспериментальным мастерством этого ученого. Именно Руэль убедительно доказал различия между средними, кислыми и основными солями. Результаты изучения природы солей были опубликованы в 1745 г. в «Записках Парижской академии наук». Славу научной школы Г.Ф. Руэля составили его ученики — выдающиеся французские химики А.Л. Лавуазье и Ж. Пруст (см. гл. 8, пп. 8.2–8.4).
Весы А.Л. Лавуазье
C самого начала своей научной деятельности А.Л. Лавуазье осознал важность точного измерения при проведении химических исследований. Подход к этим работам можно с полным основанием считать физико-химическим, поскольку ученый последовательно применял экспериментальные методы и теоретические представления физики того времени. Следуя главным канонам классической механики, Лавуазье воспринимал массу как наиболее существенное свойство материальных частиц. Первым среди химиков он сознательно применил в своих исследованиях положение И. Ньютона о том, что масса материи «определяется по весу тела, ибо она пропорциональна весу»{214}. Французский химик систематически использовал точное взвешивание всех участвующих в реакции веществ, в том числе и газообразных. По заказу Лавуазье знаменитый парижский мастер Фортэн изготовил весы неслыханной для того времени чувствительности: средние весы при нагрузке 600 г имели погрешность до 5 мг, а малые при нагрузке до 4 г позволяли измерять массу с точностью до 0,1 мг{215}. Лавуазье не только сделал весы главным инструментом химика, но усовершенствовал технику взвешивания, а также ввел в практику правило держать весы в отдельной комнате, оберегая их от агрессивной атмосферы.
В своих работах Лавуазье количественно определял не только массу, но и другие физико-химические характеристики исходных веществ и продуктов реакции. Он добивался самой тщательной постановки опытов и стремился к устройству наиболее точных и совершенных приборов. В этом отношении научная техника во Франции во многом обязана А.Л. Лавуазье. Используя систематический физикохимический подход к проведению количественных измерений, он сумел доказать несостоятельность старых теорий, не просто уже бесполезных, а мешавших дальнейшему развитию химии.
В 1765 г. Лавуазье представил работу на заданную Парижской академией наук тему — «О лучшем способе освещать улицы большого города». При выполнении этих исследований проявилась необыкновенная настойчивость Лавуазье в достижении намеченной цели и точность в изысканиях — достоинства, которые составляли отличительную черту всех его работ. Чтобы повысить чувствительность своего зрения к слабым изменениям силы света, Лавуазье шесть недель провел в темной комнате. За эти исследования в 1766 г. Лавуазье был удостоен золотой медали Парижской академии наук{216}.
Первым успехом систематических количественных измерений были эксперименты, позволившие проверить возможность превращения воды в землю. В течение 101 дня ученый кипятил воду в герметически закупоренной реторте, в которой водяной пар конденсировался и возвращался обратно в сосуд, поэтому потеря вещества во время опыта была исключена. При этом он постоянно взвешивал сосуд и воду. Столь длительный эксперимент действительно привел к образованию осадка, но масса воды при этом не изменилась. Следовательно, осадок образовался не из воды. Далее выяснилось, что масса самого сосуда уменьшилась как раз на столько, сколько весил осадок. Другими словами, Лавуазье удалось установить, что осадок образовался за счет медленного взаимодействия кипящей воды со стеклянными стенками колбы. Осадок представлял собой выщелоченное стекло, выпавшее в виде твердых пластинок. Этот пример наглядно показывает, что простое наблюдение зачастую может привести к ошибочным выводам, в то время как количественное измерение позволяет установить истинные причины явления.
Над разгадкой природы процесса горения бились многие химики XVIII в. Не могла эта проблема обойти и А.Л. Лавуазье. Французский ученый стал догадываться, что теория флогистона ставит под угрозу дальнейшее развитие химии. Начало целенаправленных исследований, результаты которых парализовали эту теорию, можно датировать 1772 г. и связать с изучением процесса разрушения алмаза под действием огня. Купленный за собственные деньги алмаз он поместил в закрытый сосуд и нагревал до тех пор, пока тот полностью не исчез. При этом в сосуде образовался углекислый газ.
А.Л. Лавуазье проводит эксперименты в своей лаборатории. Рисунок Марии Анны Лавуазье — супруги ученого
Таким образом Лавуазье убедительно доказал, что алмаз, так же как и древесный уголь, содержит один и тот же элемент — углерод. Для своих исследований французский ученый не щадил сил и средств: например, опыты по выявлению состава воды стоили ему 50000 ливров.
В 1772 г. Лавуазье обнародовал свое решение начать исследование различных газов. Приступая к этим экспериментам, он предчувствовал, что изучение этой области должно произвести переворот в физике и химии, свидетельство тому — запись в его лабораторном журнале в 1773 г. Прежде всего он подвергал проверке тот факт, что масса металлов при превращении их в «извести» (оксиды) увеличивается. Лавуазье получил результаты, которые совпадали с данными, полученными Ж. Реем (1630), Дж. Мэйоу (1669) и рядом других ученых. Он доказал, что увеличение массы в этом случае происходит за счет присоединения части воздуха, а не частиц огня, как думал Р. Бойль.
Продолжая свои опыты, Лавуазье нагревал олово и свинец при помощи увеличительного стекла в закрытых сосудах с ограниченным объемом воздуха. Сначала на поверхности металлов образовывался слой окалины, но в определенный момент времени окисление прекращалось. Когда после нагревания Лавуазье взвесил сосуд со всем содержимым, оказалось, что его масса точно такая же, как и до нагревания. Лавуазье открыл охлажденный сосуд, туда устремился воздух, и масса сосуда с содержимым увеличилась. Так Лавуазье сумел доказать, что металл превращается в оксид не в результате потери мистического флогистона, а вследствие присоединения порции самого обычного воздуха. Он также определил, что количество взятого воздуха после опыта уменьшается на 1/5 и что оставшийся воздух не поддерживает горения и дыхания. Лавуазье провел аналогичные опыты по сжиганию серы и фосфора и снова обнаружил увеличение массы у продуктов реакции. Эти факты он описал в двух статьях: «Opuscules physiques et chimiques» (1773) и «Memoire sur la calcination de Petam dans les vaisseaux fermes et sur la cause del’augmentation du poids qu’acquiert ce metal pendant cette operation» (1774){217}. Однако для ученого открытым оставался вопрос — почему во взаимодействии с металлами участвует не весь воздух, а лишь его пятая часть? Встреча с Дж. Пристли, в результате которой Лавуазье узнал об открытии «дефлогистированного воздуха», вдохновила его на дальнейшие исследования. В 1775 г. Лавуазье выступил в Академии с докладом, в котором он утверждал, что воздух является смесью двух газов. В 1777 г. в статье «О горении вообще» Лавуазье утверждал, что лишь одна пятая часть воздуха представляет собой «дефлогистированный» или «жизненный воздух», который необходим для живых организмов и соединяется с горящими или ржавеющими металлами. Лавуазье предложил назвать этот газ кислородом (oxygine или, позднее, oxygene), т.е. порождающим кислоты, поскольку полагал его необходимым компонентом всех кислот.
В 1775 г. министр Тюрго начал преобразования в производстве пороха во Франции и назначил Лавуазье одним из четырех управляющих этим делом (regisseurs des poudres){218}. Вплоть до 1791 г. Лавуазье имел непосредственное отношение к производству пороха. Он жил в пороховом арсенале, и здесь же помещалась его лаборатория, из которой вышли почти все химические работы, обессмертившие имя ученого. Лаборатория Лавуазье была одним из главных научных центров Парижа. Для обсуждения научных вопросов в ней собирались представители различных отраслей знания, сюда же приходили начинающие молодые работники науки общаться с великим французским ученым и искать его указаний, которыми он охотно делился с ними.
Для завершения теории горения Лавуазье стремится постичь процесс дыхания животных и человека. В результате проведенных опытов он убедился, что жизненный воздух необходим для дыхания и что животные выделяют «связывающийся воздух» так же, как и горящие углеродсодержащие тела.
Установка А.Л. Лавуазье для изучения газов. Рисунок из книги «Основы антифлогистонной химии» (1792)
Эти опыты имели историческое значение и для физиологии. После неопровержимых доказательств того, что горение веществ невозможно без кислорода и что в процессе дыхания животных он выполняет аналогичную функцию, Лавуазье настаивал, что теория флогистона не отвечает экспериментальным данным и должна быть отброшена{219}.
Второй газ, составляющий четыре пятых всего объема воздуха («флогистированный воздух» Резерфорда), Лавуазье признал совершенно самостоятельным веществом. Поскольку этот газ не поддерживал горения, и находившиеся в нем мыши погибали, Лавуазье назвал его азотом — безжизненным. Позднее азот был переименован в нитроген, что в переводе с латинского означает «рождающий селитру», поскольку стало известно, что азот как основной элемент входит в состав различных селитр.
Лавуазье изучал также процесс разложения воды: через раскаленный ружейный ствол он пропускал водяные пары и собирал выделяющийся при этом газ. Исследования показали, что это был водород, а железный ствол покрывался внутри слоем железной окалины, представляющей соединение железа с кислородом. Эту реакцию водяного пара и железа:
2Fe + 3H2O → Fe2O3 + 3Н2↑
Лавуазье позднее предложил Парижской академии наук в качестве наиболее экономичного способа получения водорода для аэростатов. Кроме того, немало времени французский ученый затратил на изучение реакций восстановления оксидов металлов при помощи водорода, в результате которых также образовывалась вода.
Лабораторное оборудование, которое использовал А.Л. Лавуазье в 80-х гг. XVIII в.
Качественный состав воды Лавуазье установил не только анализом, но и синтезом, дублируя опыты Кавендиша по сжиганию «горючего газа» — водорода. Решающий эксперимент был осуществлен совместно с выдающимся французским математиком П.С. Лапласом в присутствии ряда академиков и англичанина Ч. Блэгдена, который позднее оспаривал приоритет Лавуазье в пользу своего соотечественника Г. Кавендиша. Собрав жидкость, полученную при горении водорода и кислорода, Лавуазье и Лаплас убедились, что она идентична дистиллированной воде.
Таким образом, независимо друг от друга А.Л. Лавуазье и Г. Кавендиш пришли к выводу, что газы, образующиеся при горении «горючего газа», конденсируются в жидкость, которая представляет собой чистую воду. Следовательно, вода является соединением кислорода и «горючего газа», названного Лавуазье водородом — рождающим воду. Важность этого открытия трудно переоценить. Аристотелевой теории элементов-качеств был нанесен еще один серьезный удар, поскольку выяснилось, что вода является не простым веществом, а соединением, образующимся при взаимодействии двух газов. Осмысливая результаты опытов по изучению процесса дыхания животных, Лавуазье высказал предположение, что ткани живых организмов, а также продукты питания представляют собой различные соединения углерода и водорода.
К 1783 г. А.Л. Лавуазье был уже абсолютно убежден в своей правоте и в полной бесполезности теории флогистона.