Одного осіннього дня 1772 року парижани, що прогулювалися недалеко від Лувру, в саду Інфанти, вздовж набережної Сени, могли бачити дивну споруду, що нагадувала плоску підводу, у вигляді дерев'яної платформи на шести колесах. На ній було встановлено величезне скло. Дві найбільші лінзи, що мали в радіусі вісім футів, були скріплені разом так, щоб з них вийшло збільшувальне скло, що збирало сонячні промені і направляло їх на другу лінзу, менше, а потім на поверхню столу. На платформі стояли зайняті в експерименті вчені в перуках і чорних окулярах, а їх помічники снували, як матроси по палубі, налаштовуючи всю цю складну споруду на сонці, безперервно тримаючи небосхилом світило «під прицілом».
Серед людей, які скористалися цією установкою – «прискорювачем елементарних частинок» XVIII століття, – був Антуан Лоран Лавуазьє. Його тоді займало, що відбувається при спалюванні алмазу.
Давно було відомо, що алмази горять, і місцеві ювеліри попросили Французьку академію наук дослідити, чи не приховується в цьому ризик. Самого Лавуазьє цікавило дещо інше питання: хімічна сутність горіння. Вся принадність «підпалу скла» полягала в тому, що воно, фокусуючи сонячні промені в точці, що знаходиться всередині контейнера, нагрівало все, що в цю точку можна було помістити. Дим із судини можна було направити по трубці в посудину з водою, осадити частинки, що містяться в ньому, потім випарити воду і проаналізувати залишок.
На жаль, експеримент не вдалося: від інтенсивного нагріву скло постійно лопалося. Однак Лавуазьє не впадав у відчай - у нього були й інші ідеї. Він запропонував Академії наук програму з вивчення «повітря, що міститься в речовині», і того, як він, це повітря пов'язаний із процесами горіння.
Ньютону вдалося направити розвиток фізики правильним шляхом, зате в хімії в ті часи справи були погано - вона ще була бранкою алхімії. «Хна, розчинена у добре дефлегментованому дусі селітри, дасть безбарвний розчин, – писав Ньютон. - Але якщо її помістити в добротне купоросне масло і струшувати, поки вона розчиняється, то суміш спочатку стане жовтою, а потім темно-червоною». На сторінках цієї «кулінарної книги» нічого не йшлося ні про виміри, ні про кількість. «Якщо дух солі помістити в свіжу сечу, то обидва розчини легко і спокійно змішаються, - зазначав він, - але якщо той же розчин капнути на випарену сечу, то настане шипіння і закипання і леткі та кислі солі через якийсь час коагулюють у третє речовина, що нагадує за своєю природою нашатир. А якщо відвар з фіалок розвести, розчинивши в невеликій кількості свіжої сечі, то кілька крапель ферментованої сечі набудуть яскраво-зеленого кольору».
Дуже далеко від сучасної науки. В алхімії, навіть у записах самого Ньютона, багато нагадує магію. В одному із своїх щоденників він сумлінно переписав кілька абзаців із книги алхіміка Джорджа Старки, який сам себе називав Філалетом.
Уривок починається так: «У [Сатурні] прихована безсмертна душа». Під Сатурном зазвичай розумівся свинець, оскільки кожен елемент асоціювався з якоюсь планетою. Але в даному випадку мав на увазі сріблястий метал, відомий як сурма. "Безсмертний дух" - це газ, який випускає руда при сильному нагріванні. «До Сатурна узами кохання прив'язаний Марс (це означало, що до сурми додавали залізо), який сам у собі пожирає велику силу, чий дух ділить тіло Сатурна, і з обох разом витікає чудова яскрава вода, в яку сідає Сонце, вивільняючи своє світло» . Сонце - це золото, яке в даному випадку занурене у ртуть, часто звану амальгамою. "Венера, найяскравіша зірка, знаходиться в обіймах [Марса]". Венерою називали мідь, яку на цьому етапі додають суміш. Цей металургійний рецепт, найімовірніше, є описом ранніх етапів отримання «філософського каменю», якого прагнули всі алхіміки, оскільки вважалося, що з його допомогою можна неблагородні елементи перетворити на золото.
Лавуазьє та його сучасники зуміли піти далі цих містичних заклинань, проте хіміки навіть у той час ще вірили в алхімічні уявлення про те, що поведінка речовин визначається трьома початками: ртуттю (яка розріджує), сіллю (яка згущує) та сіркою (яка робить речовину пальним) ). «Сірчистий дух», також званий terra pingua («жирна» чи «масляниста» земля), займав уми дуже багатьох. На початку XVIII століття німецький хімік Георг Ернст Шталь став називати його флогістоном (від грец. phlog - що відноситься до вогню).
Вважалося, що предмети горять тому, що у них багато флогістону. У міру того, як предмети поглинаються вогнем, вони виділяють цю горючу субстанцію в повітря. Якщо підпалити шматочок дерева, то він перестане горіти, залишивши по собі лише купку попелу, тільки коли витраче весь свій флогістон. Тому вважалося, що дерево складається з попелу та флогістону. Аналогічним чином після прожарювання, тобто. сильного нагрівання металу залишається біла тендітна субстанція, відома як окалина. Отже, метал складається з флогістону та окалини. Процес іржавлення - це повільне горіння, на зразок дихання, тобто. реакції, що виникають тоді, коли флогістон виділяється у повітря.
Розглядався і зворотний процес. Вважалося, що окалина нагадувала добуту із землі руду, яка потім облагороджувалась, піддаючись відновленню, або «відродженню», шляхом нагрівання поряд з деревним вугіллям. Деревне вугілля випускало флогістон, який поєднувався з окалиною, щоб відновити блискучий метал.
Саме собою використання гіпотетичної субстанції, яку не можна виміряти, але можна припускати, не містить у собі нічого поганого. У наш час космологи теж оперують поняттям «темна матерія», яка має існувати, щоб галактики при обертанні не розліталися на шматки під дією відцентрової сили, і що за розширенням Всесвіту стоїть антигравітаційна «темна енергія».
За допомогою флогістону вчені могли логічно пояснити горіння, прожарювання, відновлення та навіть дихання. Хімія несподівано ставала осмисленою.
Проте це не вирішувало всіх проблем: окалина, що залишалася після прожарювання, важила більше ніж вихідний метал. Як могло вийти, що після виходу флогістону з речовини воно ставало важчим? Як і «темна енергія» через чверть тисячоліття, флогістон, за словами французького філософа Кондорсе, «наводився в рух силами, протилежними за напрямом силі тяжіння». Щоб ця думка виглядала поетичнішою, один хімік заявив, що флогістон «окриляє земні молекули».
Лавуазьє, як і вчені того часу, був упевнений у тому, що флогістон - одна з основних складових речовини. Але до початку експериментів з алмазами він почав замислюватися: а чи може щось важити менше за нуль?
Його мати померла, коли він був ще хлопчиськом, залишивши йому спадок, якого вистачило, щоб вступити до прибуткового підприємства під назвою «Головний відкуп». Французький уряд укладав із цим консорціумом приватних осіб договір на збір податків, від яких такі відкупники, як Лавуазьє, мали певну частку. Ця діяльність постійно відволікала його від досліджень, натомість давала дохід, що дозволив йому через деякий час стати власником однієї з найкращих лабораторій у Європі. Серед перших експериментів 1769 року був експеримент, за допомогою якого Лавуазьє вирішив перевірити уявлення, що існувало тоді, про те, що воду можна перетворити на землю.
Докази були переконливими: вода, випаровуючись на сковороді, залишає твердий залишок. Але Лавуазьє вирішив докопатися до самої суті, використовуючи посуд для сублімації, відомий як «пелікан». Маючи велику круглу ємність у підставі і невелику верхню камеру, посудина була оснащена двома загнутими трубками (що трохи нагадували дзьоб пелікану), по яких пара знову поверталася вниз. Для алхіміків пелікан символізував жертовну кров Христа, тому вважалося, що судина «пелікан» має силу перетворення. Більше того, вода, яка кипіла в «пелікані», безперервно випаровувалася б і конденсувалася, так що ніяка речовина - тверда, рідка або газоподібна - не змогла б залишити систему.
Переганяючи чисту воду протягом ста днів, Лавуазьє виявив, що осад справді існує. Але він здогадався, звідки він береться. Зваживши порожній «пелікан», він звернув увагу на те, що посудина стала легшою. Висушивши і зваживши осад, Лавуазьє побачив, що вага осаду досить точно відповідає зменшенню ваги судини, і цей факт наштовхнув його на думку, що джерелом осаду стало скло судини.
Через два роки, в 1771 році, Лавуазьє виповнилося двадцять вісім років. Того ж року він одружився. Його обраницею стала Марія-Анна П'єретт Пользе, тринадцятирічна донька ще одного відкупника. (Ця досить миловидна дівчина на той час була заручена, і її другому потенційному нареченому було п'ятдесят.) Марії-Анні так сподобалися наукові заняття чоловіка, що вона швидко освоїла хімію і допомагала чим могла: робила записи, перекладала англійську наукову літературу французькою та виконувала найскладніші креслення експерименту, який виявився настільки елегантним, що йому, як філософському каменю, судилося перетворити алхімію на хімію.
Хіміки того покоління, до якого належав Лавуазьє, вже знали, що, як це вдалося сформулювати англійцю Джозефу Прістлі, «повітря буває кількох видів». Мефітичне («смердючий» або «затхле») повітря змушує полум'я гаснути, а миша в ньому гине від ядухи. Таке повітря робить каламутною вапняну воду (гідроокис кальцію), утворюючи білий осад (вуглекисла сіль кальцію). Однак рослини добре почували себе в цьому повітрі і через деякий час знову робили його придатним для дихання.
Ще один задушливий газ утворювався, коли свічка горіла якийсь час у закритій посудині. Цей газ не тримав в облозі вапняну воду, і, оскільки цілком очевидно був пов'язаний з процесом горіння, його стали називати флогістонним повітрям, або азотом (від грецького «неживий»). Найбільш таємничим був летючий газ, що виділявся, коли залізна тирса розчинялася в розведеній сірчаній кислоті. Він був настільки пальним, що отримав назву «пального повітря». Якщо цим повітрям надуть кулю, він підніметься високо над землею.
Виникало питання, чи є нові види повітря хімічними елементами чи, як припускав Прістлі, модифікаціями «звичайного» повітря, одержуваного шляхом додавання чи вилучення флогістону?
Насилу стримуючи скептицизм, Лавуазьє повторив деякі експерименти своїх колег. Він підтвердив, що спалювання фосфору з метою одержання фосфорної кислоти або спалювання сірки з метою одержання сірчаної кислоти призводить до одержання речовин, вага яких перевищує вагу використаних речовин, тобто. як і при прожарюванні металів. Але чому відбувається вказана зміна? Йому здалося, що він знайшов відповідь на це запитання. Використовуючи збільшувальне скло для нагрівання олова, укладеного в герметичний скляний посуд, він виявив, що і до досвіду, і вся установка важила однаково. Повільно відкриваючи посудину, він чув, як з шумом повітря вривалося всередину, після чого вага знову збільшувалася. Можливо, предмети горять не тому, що випускають флогістон, а тому, що поглинають якусь частину повітря?
Якщо це, то відновлення, тобто. переплавлення руди у чистий метал, веде до вивільнення повітря. Він відміряв певну кількість окалини свинцю, яка називається «ковт», і помістив її на невелике піднесення у посудині з водою поруч із шматочком деревного вугілля. Накривши це скляним дзвоном, він став нагрівати окалину з допомогою збільшувального скла. По воді, що витісняється, він міг здогадатися про виділення газу. Акуратно зібравши газ, що виділився, він виявив, що від цього газу гасне полум'я і відбувається осадження вапняної води. Схоже, що «затхле» повітря було продуктом відновлення, але чи обмежувалася справа лише цим?
Виявилося, що відповідь лежала в червоній субстанції, яка називалася mercurius calcinatus, або окалина ртуті, і яку продавали паризькі аптекарі як ліки від сифілісу за ціною 18 і більше ліврів за унцію, тобто. 1000 доларів, якщо переказувати на сьогоднішні ціни. Будь-які експерименти з цією речовиною були не менш екстравагантними, ніж експерименти зі спалюванням алмазів. Як і будь-яку іншу окалину, її можна було отримувати, прожарюючи чистий метал на сильному полум'ї. Однак при подальшому нагріванні отримана речовина знову перетворювалася на ртуть. Інакше кажучи, mercurius calcinatus можна було відновлювати навіть використання деревного вугілля. Але що тоді було джерелом флогістону? У 1774 році Лавуазьє та кілька його колег із Французької академії наук підтвердили, що окалину ртуті справді можна відновити «без додаткових речовин» із втратою приблизно однієї дванадцятої ваги.
Прістлі теж проводив експерименти з цією речовиною, нагріваючи його за допомогою збільшувального скла і збираючи гази, що виділяються. «Що мене вразило настільки, що навіть не вистачає слів для вираження почуттів, що охопили мене, - писав він пізніше, - так це те, що свічка горіла в цьому повітрі досить сильним полум'ям... Я не зміг знайти пояснення цього явища». З'ясувавши, що лабораторна миша добре почувала себе у чарівному газі, він вирішив подихати їм сам. «Мені здалося, що потім я якийсь час відчував незвичайну легкість і свободу в грудях. Хто міг би припустити, що це чисте повітря згодом стане модним предметом розкоші. А поки що лише дві миші і я сам мали задоволення вдихати його».
Газ, у якому добре дихається і легко відбувається горіння, Прістлі вирішив назвати «обесфлогістоненим», тобто. повітрям у його чистому вигляді. Він був не самотній у таких міркуваннях. У Швеції аптекар, якого звали Карл Вільгельм Шееле, також вивчав властивості «вогняного повітря».
До цього часу Лавуазьє вже називав газ, що виділявся при відновленні mercurius calcinatus, надзвичайно корисним для дихання, або живим повітрям. Як і Прістлі, він вважав, що цей газ є повітрям у його первозданній формі. Однак тут Лавуазьє зіткнувся з одним трудом. Що він намагався відновити окалину ртуті з допомогою деревного вугілля, тобто. старим, перевіреним способом, виділявся той самий газ, що і при відновленні ковта, - він гасив полум'я свічки і тримав в облозі вапняну воду. Чому при відновленні окалини ртуті без деревного вугілля виділялося «живе» повітря, а при використанні деревного вугілля виникало задушливе «затхле» повітря?
Прояснити все можна було лише одним способом. Лавуазьє взяв із полиці посудину, яка називалася плоскою колбою. Нижня частина його була круглою, а висока шийка Лавуазьє нагріла і зігнула так, що вона спочатку вигиналася донизу, а потім знову вгору.
Якщо в його експерименті 1769 року посудина нагадувала пелікана, то нинішня була схожа на фламінго. Лавуазьє налив чотири унції чистої ртуті у круглу нижню камеру судини (позначена літерою А малюнку). Посудина була встановлена на печі так, щоб її шийка опинилась у відкритій ємності, також заповненій ртуттю, а потім піднімалося у скляний дзвін. Ця частина установки використовувалася визначення кількості повітря, який буде спожитий під час експерименту. Відзначивши паперовою смужкою рівень (LL), він розпалив піч і довів ртуть у камері майже до кипіння.
Можна вважати, що першого дня не сталося нічого особливого. Невелика кількість ртуті випарувалась і осіла на стінках плоскої колби. Кульки, що утворилися, були досить важкі для того, щоб знову стекти вниз. Але другого дня на поверхні ртуті стали утворюватися червоні крапки - окалина. Протягом кількох наступних днів червона скоринка збільшувалася в розмірах, доки не досягла максимальних. На дванадцятий день Лавуазьє зупинив експеримент і зробив деякі виміри.
На той момент ртуть у скляному дзвоні перевищувала початковий рівень на тій кількості повітря, яке було витрачено на утворення окалини. Зважаючи на зміни в температурі і тиску всередині лабораторії, Лавуазьє розрахував, що кількість повітря зменшилася приблизно на одну шосту його первісного обсягу, тобто. із 820 до 700 кубічних сантиметрів. З іншого боку, змінилася природа газу. Коли всередину ємності, де містилося повітря, що залишилося, помістили мишу, вона відразу стала задихатися, а «вміщена в це повітря свічка тут же згасла, ніби її сунули у воду». Але оскільки газ не викликав осідання у вапняній воді, то його швидше можна було віднести до азоту, аніж до «затхлого повітря».
Але що ртуть отримала з повітря під час горіння? Знявши червоний наліт, що утворився на металі, Лавуазьє почав нагрівати його в реторті доти, доки він знову не став ртуттю, виділивши при цьому від 100 до 150 кубічних сантиметрів газу - приблизно стільки ж, скільки ртуть поглинула при прожарюванні. Внесена в цей газ свічка «чудово горіла», а деревне вугілля не тліло, а «світилося таким яскравим світлом, що його важко виносили очі».
То був поворотний момент. Згоряючи, ртуть поглинала "живе" повітря з атмосфери, залишаючи азот. Відновлення ртуті знову призводило до виділення живого повітря. Так Лавуазьє вдалося розділити два основні компоненти атмосферного повітря.
Для вірності він змішав вісім частин «живого» повітря і сорок дві частини азоту і показав, що газ, що вийшов, має всі характеристики звичайного повітря. Аналіз і синтез: «У цьому криється найпереконливіший доказ тих, що доступні в хімії: розкладаючись, повітря знову з'єднується».
У 1777 Лавуазьє доповів результати своїх досліджень членам Академії наук. Флогістон виявився вигадкою. Горіння і прожарювання відбувалися тоді, коли речовина поглинала «живе» повітря, яке він назвав киснем через роль освіти кислот. (Oxy по-грецьки означає «гострий».) Поглинання кисню з повітря призводить до того, що в ньому залишається лише непридатний для дихання азот.
Що стосується газу, який називали «затхлим» повітрям, то він утворювався тоді, коли кисень, що виділяється при відновленні, з'єднувався з чимось у деревному вугіллі, і виходило те, що ми сьогодні називаємо двоокисом вуглецю.
Рік за роком колеги Лавуазьє, особливо Прістлі, бурчали з приводу того, що той нібито привласнив собі першість в експериментах, які вони теж здійснили. лист із розповіддю про свої досліди. Але при цьому вони продовжували думати, що кисень - це повітря, позбавлене флогістону.
У п'єсі «Кисень», прем'єра якої відбулася у 2001 році, два хіміки, Карл Джерассі та Роальд Хоффман, вигадали сюжет, в якому шведський король запросив цих трьох учених до Стокгольма, щоб вирішити питання про те, кого з них вважати першовідкривачем кисню. Шееле був першим, хто виділив газ, а Прістлі першим опублікував роботу, в якій йшлося про його існування, але тільки Лавуазьє зрозумів те, що їм вдалося відкрити.
Він заглянув набагато глибше та сформулював закон збереження маси. В результаті хімічної реакції речовина - в даному випадку ртуть і повітря, що горить, - змінює форму. Але маса у своїй не створюється і зникає. Скільки речовин вступає в реакцію, стільки ж має вийти на виході. Як сказав би збирач податків, баланс має у будь-якому разі сходитися.
1794 року, під час революційного терору, Лавуазьє та батько Марії-Анни разом з іншими відкупниками були визнані «ворогами народу». Їх на возі привезли на площу Революції, де вже було споруджено дерев'яні підмостки, вигляд яких навіть у деталях нагадував ту платформу, де Лавуазьє спалював алмази. Тільки замість величезних лінз стояло інше досягнення французької техніки – гільйотину.
В інтернеті нещодавно проскочило повідомлення про те, що під час страти Лавуазьє встиг здійснити останній досвід. Справа в тому, що гільйотиною у Франції стали користуватися, тому що порахували, ніби це найгуманніша форма страти, - вона приносить миттєву і безболісну смерть. І ось у Лавуазьє з'явилася нагода дізнатися, чи це так. У той момент, коли лезо гільйотини торкнулося його шиї, він почав моргати очима і робив це стільки, скільки зміг. У натовпі був асистент, який мав порахувати, скільки разів йому вдасться моргнути. Не виключено, що оповідання це - вигадка, але цілком у дусі Лавуазьє.
Ці слова у п'єсі вимовляє Марія-Анна Лавуазьє.
Вуглець (англ. Carbon, франц. Carbone, нім. Kohlenstoff) у вигляді вугілля, кіптяви та сажі відомий людству з незапам'ятних часів; близько 100 тис. років тому, коли наші предки опанували вогнем, вони щодня мали справу з вугіллям та сажею. Ймовірно, дуже рано люди познайомилися і з алотропічними видозмінами вуглецю - алмазом і графітом, а також з кам'яним вугіллям, що викопується. Не дивно, що горіння вуглецевмісних речовин було одним із перших хімічних процесів, які зацікавили людину. Так як палаюча речовина зникала, що пожирається вогнем, горіння розглядали як процес розкладання речовини, і тому вугілля (або вуглець) не вважали за елемент. Елементом був вогонь – явище, що супроводжує горіння; у вченнях про елементи давнини вогонь зазвичай фігурує як один з елементів. На рубежі XVII - XVIII ст. виникла теорія флогістона, висунута Бехером та Шталем. Ця теорія визнавала наявність у кожному пальному тілі особливої елементарної речовини - невагомого флюїду - флогістона, що випаровується в процесі горіння. Так як при згорянні великої кількості вугілля залишається лише трохи золи, флогістики вважали, що вугілля – це майже чистий флогістон. Саме цим пояснювали, зокрема, "флогістирующее" дію вугілля, - його здатність відновлювати метали з "вапно" і руд. Пізніші флогістики, Реомюр, Бергман та ін, вже почали розуміти, що вугілля є елементарною речовиною. Однак вперше таким "чисте вугілля" було визнано Лавуазьє, який досліджував процес спалювання в повітрі та кисні вугілля та інших речовин. У книзі Гітона де Морво, Лавуазьє, Бертолле та Фуркруа "Метод хімічної номенклатури" (1787) з'явилася назва "вуглецю" (carbone) замість французького "чисте вугілля" (charbone pur). Під цією назвою вуглець фігурує в "Таблиці простих тіл" в "Елементарному підручнику хімії" Лавуазьє. У 1791 р. англійський хімік Теннант першим отримав вільний вуглець; він пропускав пари фосфору над прожареною крейдою, внаслідок чого утворювався фосфат кальцію та вуглець. Те, що алмаз при сильному нагріванні згоряє без залишку, було відомо давно. Ще в 1751 р. французький король Франц I погодився дати алмаз і рубін для дослідів зі спалювання, після чого ці досліди навіть увійшли до моди. Виявилося, що згоряє лише алмаз, а рубін (окис алюмінію з домішкою хрому) витримує без ушкодження тривале нагрівання у фокусі лінзи запальної. Лавуазьє поставив новий досвід зі спалювання алмазу з допомогою великої запальної машини, дійшов висновку, що алмаз є кристалічний вуглець. Другий алотроп вуглецю - графіт в алхімічному періоді вважався видозміненим свинцевим блиском і називався plumbago; лише 1740 р. Потт виявив відсутність у графіті будь-якої домішки свинцю. Шееле досліджував графіт (1779) і будучи флогістиком вважав його сірчистим тілом особливого роду, особливим мінеральним вугіллям, що містить пов'язану "повітряну кислоту" (СО 2) і велика кількість флогістону.
Через двадцять років Гітон де Морво шляхом обережного нагрівання перетворив алмаз на графіт, а потім на вугільну кислоту.
Міжнародна назва Carboneum походить від латів. carbo (вугілля). Слово це дуже давнє походження. Його зіставляють із cremare - горіти; корінь саг, cal, російське гар, гал, гол, санскритське ста означає кип'ятити, варити. Зі словом "carbo" пов'язані назви вуглецю та іншими європейськими мовами (carbon, charbone та ін.). Німецьке Kohlenstoff походить від Kohle - вугілля (старонімецьке коло, шведське kylla - нагрівати). Давньоруське угорати, або угарати (обпалювати, опалювати) має корінь гар, або гір, з можливим переходом у гол; вугілля по-староросійському юг'ль, або вуг'ль, того ж походження. Слово алмаз (Diamante) походить від давньогрецької - незламний, непохитний, твердий, а графіт від грецької - пишу.
На початку ХІХ ст. старе слово вугілля в російській хімічній літературі іноді замінювалося словом "вуглець" (Шерер, 1807; Севергін, 1815); з 1824 р. Соловйов ввів назву вуглець.
Одного осіннього дня 1772 року парижани, що прогулювалися недалеко від Лувру, в саду Інфанти, вздовж набережної Сени, могли бачити дивну споруду, що нагадувала плоску підводу, у вигляді дерев'яної платформи на шести колесах. На ній було встановлено величезне скло. Дві найбільші лінзи, що мали в радіусі вісім футів, були скріплені разом так, щоб з них вийшло збільшувальне скло, що збирало сонячні промені і направляло їх на другу лінзу, менше, а потім на поверхню столу. На платформі стояли зайняті в експерименті вчені в перуках і чорних окулярах, а їх помічники снували, як матроси по палубі, налаштовуючи всю цю складну споруду на сонці, безперервно тримаючи небосхилом світило «під прицілом».
Серед людей, які скористалися цією установкою - "прискорювачем елементарних частинок" XVIII століття - був Антуан Лоран Лавуазьє. Його тоді займало, що відбувається при спалюванні алмазу.
Давно було відомо, що алмази горять, і місцеві ювеліри попросили Французьку академію наук дослідити, чи не приховується в цьому ризик. Самого Лавуазьє цікавило дещо інше питання: хімічна сутність горіння. Вся принадність «підпалу скла» полягала в тому, що воно, фокусуючи сонячні промені в точці, що знаходиться всередині контейнера, нагрівало все, що в цю точку можна було помістити. Дим із судини можна було направити по трубці в посудину з водою, осадити частинки, що містяться в ньому, потім випарити воду і проаналізувати залишок.
На жаль, експеримент не вдалося: від інтенсивного нагріву скло постійно лопалося. Однак Лавуазьє не впадав у відчай — у нього були й інші ідеї. Він запропонував Академії наук програму з вивчення «повітря, що міститься в речовині», і того, як він, це повітря пов'язаний із процесами горіння.
Ньютону вдалося направити розвиток фізики правильним шляхом, зате в хімії в ті часи справи були дуже погані — вона ще була бранкою алхімії. «Хна, розчинена у добре дефлегментованому дусі селітри, дасть безбарвний розчин, – писав Ньютон. — Але якщо її помістити в добротну купоросну олію і струшувати, поки вона розчиняється, суміш спочатку стане жовтою, а потім темно-червоною». На сторінках цієї «кулінарної книги» нічого не йшлося ні про виміри, ні про кількість. «Якщо дух солі помістити у свіжу сечу, то обидва розчини легко і спокійно змішаються, — зазначав він, — але якщо той же розчин капнути на випарену сечу, то настане шипіння і закипання і леткі та кислі солі через якийсь час коагулюють у третє речовина, що нагадує за своєю природою нашатир. А якщо відвар з фіалок розвести, розчинивши в невеликій кількості свіжої сечі, то кілька крапель ферментованої сечі набудуть яскраво-зеленого кольору».
Дуже далеко від сучасної науки. В алхімії, навіть у записах самого Ньютона, багато нагадує магію. В одному із своїх щоденників він сумлінно переписав кілька абзаців із книги алхіміка Джорджа Старки, який сам себе називав Філалетом.
Уривок починається так: «У [Сатурні] прихована безсмертна душа». Під Сатурном зазвичай розумівся свинець, оскільки кожен елемент асоціювався з якоюсь планетою. Але в даному випадку мав на увазі сріблястий метал, відомий як сурма. "Безсмертний дух" - це газ, який випускає руда при сильному нагріванні. «До Сатурна узами кохання прив'язаний Марс (це означало, що до сурми додавали залізо), який сам у собі пожирає велику силу, чий дух ділить тіло Сатурна, і з обох разом витікає чудова яскрава вода, в яку сідає Сонце, вивільняючи своє світло» . Сонце - це золото, яке в даному випадку занурене у ртуть, часто звану амальгамою. "Венера, найяскравіша зірка, знаходиться в обіймах [Марса]". Венерою називали мідь, яку на цьому етапі додають суміш. Цей металургійний рецепт, найімовірніше, є описом ранніх етапів отримання «філософського каменю», якого прагнули всі алхіміки, оскільки вважалося, що з його допомогою можна неблагородні елементи перетворити на золото.
Лавуазьє та його сучасники зуміли піти далі цих містичних заклинань, проте хіміки навіть у той час ще вірили в алхімічні уявлення про те, що поведінка речовин визначається трьома початками: ртуттю (яка розріджує), сіллю (яка згущує) та сіркою (яка робить речовину пальним) ). «Сірчистий дух», також званий terra pingua («жирна» чи «масляниста» земля), займав уми дуже багатьох. На початку XVIII століття німецький хімік Георг Ернст Шталь почав називати його флогістоном (від грецьк. phlog - відноситься до вогню).
Вважалося, що предмети горять тому, що у них багато флогістону. У міру того, як предмети поглинаються вогнем, вони виділяють цю горючу субстанцію в повітря. Якщо підпалити шматочок дерева, то він перестане горіти, залишивши по собі лише купку попелу, тільки коли витраче весь свій флогістон. Тому вважалося, що дерево складається з попелу та флогістону. Аналогічним чином після прожарювання, тобто. сильного нагрівання металу залишається біла тендітна субстанція, відома як окалина. Отже, метал складається з флогістону та окалини. Процес іржавлення - це повільне горіння, на зразок дихання, тобто. реакції, що виникають тоді, коли флогістон виділяється у повітря.
Розглядався і зворотний процес. Вважалося, що окалина нагадувала добуту із землі руду, яка потім облагороджувалась, піддаючись відновленню, або «відродженню», шляхом нагрівання поряд з деревним вугіллям. Деревне вугілля випускало флогістон, який поєднувався з окалиною, щоб відновити блискучий метал.
Саме собою використання гіпотетичної субстанції, яку не можна виміряти, але можна припускати, не містить у собі нічого поганого. У наш час космологи теж оперують поняттям «темна матерія», яка має існувати, щоб галактики при обертанні не розліталися на шматки під дією відцентрової сили, і що за розширенням Всесвіту стоїть антигравітаційна «темна енергія».
За допомогою флогістону вчені могли логічно пояснити горіння, прожарювання, відновлення та навіть дихання. Хімія несподівано ставала осмисленою.
Проте це не вирішувало всіх проблем: окалина, що залишалася після прожарювання, важила більше ніж вихідний метал. Як могло вийти, що після виходу флогістону з речовини воно ставало важчим? Як і «темна енергія» через чверть тисячоліття, флогістон, за словами французького філософа Кондорсе, «наводився в рух силами, протилежними за напрямом силі тяжіння». Щоб ця думка виглядала поетичнішою, один хімік заявив, що флогістон «окриляє земні молекули».
Лавуазьє, як і вчені того часу, був упевнений у тому, що флогістон — одна з основних складових речовини. Але до початку експериментів з алмазами він почав замислюватися: а чи може щось важити менше за нуль?
Його мати померла, коли він був ще хлопчиськом, залишивши йому спадок, якого вистачило, щоб вступити до прибуткового підприємства під назвою «Головний відкуп». Французький уряд укладав із цим консорціумом приватних осіб договір на збір податків, від яких такі відкупники, як Лавуазьє, мали певну частку. Ця діяльність постійно відволікала його від досліджень, натомість давала дохід, що дозволив йому через деякий час стати власником однієї з найкращих лабораторій у Європі. Серед перших експериментів 1769 року був експеримент, за допомогою якого Лавуазьє вирішив перевірити уявлення, що існувало тоді, про те, що воду можна перетворити на землю.
Докази були переконливими: вода, випаровуючись на сковороді, залишає твердий залишок. Але Лавуазьє вирішив докопатися до самої суті, використовуючи посуд для сублімації, відомий як «пелікан». Маючи велику круглу ємність у підставі і невелику верхню камеру, посудина була оснащена двома загнутими трубками (що трохи нагадували дзьоб пелікану), по яких пара знову поверталася вниз. Для алхіміків пелікан символізував жертовну кров Христа, тому вважалося, що судина «пелікан» має силу перетворення. Більше того, вода, яка кипіла в «пелікані», безперервно випаровувалася б і конденсувалася, так що ніяка речовина — тверда, рідка або газоподібна — не змогла б залишити систему.
Переганяючи чисту воду протягом ста днів, Лавуазьє виявив, що осад справді існує. Але він здогадався, звідки він береться. Зваживши порожній «пелікан», він звернув увагу на те, що посудина стала легшою. Висушивши і зваживши осад, Лавуазьє побачив, що вага осаду досить точно відповідає зменшенню ваги судини, і цей факт наштовхнув його на думку, що джерелом осаду стало скло судини.
Через два роки, в 1771 році, Лавуазьє виповнилося двадцять вісім років. Того ж року він одружився. Його обраницею стала Марія-Анна П'єретт Пользе, тринадцятирічна донька ще одного відкупника. (Ця досить миловидна дівчина на той час була заручена, і її другому потенційному нареченому було п'ятдесят.) Марії-Анні так сподобалися наукові заняття чоловіка, що вона швидко освоїла хімію і допомагала чим могла: робила записи, перекладала англійську наукову літературу французькою та виконувала найскладніші креслення експерименту, який виявився настільки елегантним, що йому, як філософському каменю, судилося перетворити алхімію на хімію.
Хіміки того покоління, до якого належав Лавуазьє, вже знали, що, як це вдалося сформулювати англійцю Джозефу Прістлі, «повітря буває кількох видів». Мефітичне («смердючий» або «затхле») повітря змушує полум'я гаснути, а миша в ньому гине від ядухи. Таке повітря робить каламутною вапняну воду (гідроокис кальцію), утворюючи білий осад (вуглекисла сіль кальцію). Однак рослини добре почували себе в цьому повітрі і через деякий час знову робили його придатним для дихання.
Ще один задушливий газ утворювався, коли свічка горіла якийсь час у закритій посудині. Цей газ не тримав в облозі вапняну воду, і, оскільки цілком очевидно був пов'язаний з процесом горіння, його стали називати флогістонним повітрям, або азотом (від грецького «неживий»). Найбільш таємничим був летючий газ, що виділявся, коли залізна тирса розчинялася в розведеній сірчаній кислоті. Він був настільки пальним, що отримав назву «пального повітря». Якщо цим повітрям надуть кулю, він підніметься високо над землею.
Виникало питання, чи є нові види повітря хімічними елементами чи, як припускав Прістлі, модифікаціями «звичайного» повітря, одержуваного шляхом додавання чи вилучення флогістону?
Насилу стримуючи скептицизм, Лавуазьє повторив деякі експерименти своїх колег. Він підтвердив, що спалювання фосфору з метою одержання фосфорної кислоти або спалювання сірки з метою одержання сірчаної кислоти призводить до одержання речовин, вага яких перевищує вагу використаних речовин, тобто. як і при прожарюванні металів. Але чому відбувається вказана зміна? Йому здалося, що він знайшов відповідь на це запитання. Використовуючи збільшувальне скло для нагрівання олова, укладеного в герметичний скляний посуд, він виявив, що і до досвіду, і вся установка важила однаково. Повільно відкриваючи посудину, він чув, як з шумом повітря вривалося всередину, після чого вага знову збільшувалася. Можливо, предмети горять не тому, що випускають флогістон, а тому, що поглинають якусь частину повітря?
Якщо це, то відновлення, тобто. переплавлення руди у чистий метал, веде до вивільнення повітря. Він відміряв певну кількість окалини свинцю, яка називається «ковт», і помістив її на невелике піднесення у посудині з водою поруч із шматочком деревного вугілля. Накривши це скляним дзвоном, він став нагрівати окалину з допомогою збільшувального скла. По воді, що витісняється, він міг здогадатися про виділення газу. Акуратно зібравши газ, що виділився, він виявив, що від цього газу гасне полум'я і відбувається осадження вапняної води. Схоже, що «затхле» повітря було продуктом відновлення, але чи обмежувалася справа лише цим?
Виявилося, що відповідь лежала в червоній субстанції, яка називалася mercurius calcinatus, або окалина ртуті, і яку продавали паризькі аптекарі як ліки від сифілісу за ціною 18 і більше ліврів за унцію, тобто. 1000 доларів, якщо переказувати на сьогоднішні ціни. Будь-які експерименти з цією речовиною були не менш екстравагантними, ніж експерименти зі спалюванням алмазів. Як і будь-яку іншу окалину, її можна було отримувати, прожарюючи чистий метал на сильному полум'ї. Однак при подальшому нагріванні отримана речовина знову перетворювалася на ртуть. Інакше кажучи, mercurius calcinatus можна було відновлювати навіть використання деревного вугілля. Але що тоді було джерелом флогістону? У 1774 році Лавуазьє та кілька його колег із Французької академії наук підтвердили, що окалину ртуті справді можна відновити «без додаткових речовин» із втратою приблизно однієї дванадцятої ваги.
Прістлі теж проводив експерименти з цією речовиною, нагріваючи його за допомогою збільшувального скла і збираючи гази, що виділяються. «Що мене вразило настільки, що навіть не вистачає слів для вираження почуттів, що охопили мене, — писав він пізніше, — так це те, що свічка горіла в цьому повітрі досить сильним полум'ям... Я не зміг знайти пояснення цього явища». З'ясувавши, що лабораторна миша добре почувала себе у чарівному газі, він вирішив подихати їм сам. «Мені здалося, що потім я якийсь час відчував незвичайну легкість і свободу в грудях. Хто міг би припустити, що це чисте повітря згодом стане модним предметом розкоші. А поки що лише дві миші і я сам мали задоволення вдихати його».
Газ, у якому добре дихається і легко відбувається горіння, Прістлі вирішив назвати «обесфлогістоненим», тобто. повітрям у його чистому вигляді. Він був не самотній у таких міркуваннях. У Швеції аптекар, якого звали Карл Вільгельм Шееле, також вивчав властивості «вогняного повітря».
До цього часу Лавуазьє вже називав газ, що виділявся при відновленні mercurius calcinatus, надзвичайно корисним для дихання, або живим повітрям. Як і Прістлі, він вважав, що цей газ є повітрям у його первозданній формі. Однак тут Лавуазьє зіткнувся з одним трудом. Що він намагався відновити окалину ртуті з допомогою деревного вугілля, тобто. старим, перевіреним способом, виділявся той самий газ, що й при відновленні ковта, — він гасив полум'я свічки і тримав у облозі вапняну воду. Чому при відновленні окалини ртуті без деревного вугілля виділялося «живе» повітря, а при використанні деревного вугілля виникало задушливе «затхле» повітря?
Прояснити все можна було лише одним способом. Лавуазьє взяв із полиці посудину, яка називалася плоскою колбою. Нижня частина його була круглою, а висока шийка Лавуазьє нагріла і зігнула так, що вона спочатку вигиналася донизу, а потім знову вгору.
Якщо в його експерименті 1769 року посудина нагадувала пелікана, то нинішня була схожа на фламінго. Лавуазьє налив чотири унції чистої ртуті у круглу нижню камеру судини (позначена літерою А малюнку). Посудина була встановлена на печі так, щоб її шийка опинилась у відкритій ємності, також заповненій ртуттю, а потім піднімалося у скляний дзвін. Ця частина установки використовувалася визначення кількості повітря, який буде спожитий під час експерименту. Відзначивши паперовою смужкою рівень (LL), він розпалив піч і довів ртуть у камері майже до кипіння.
Можна вважати, що першого дня не сталося нічого особливого. Невелика кількість ртуті випарувалась і осіла на стінках плоскої колби. Кульки, що утворилися, були досить важкі для того, щоб знову стекти вниз. Але другого дня на поверхні ртуті стали утворюватися червоні крапки — окалина. Протягом кількох наступних днів червона скоринка збільшувалася в розмірах, доки не досягла максимальних. На дванадцятий день Лавуазьє зупинив експеримент і зробив деякі виміри.
На той момент ртуть у скляному дзвоні перевищувала початковий рівень на тій кількості повітря, яке було витрачено на утворення окалини. Зважаючи на зміни в температурі і тиску всередині лабораторії, Лавуазьє розрахував, що кількість повітря зменшилася приблизно на одну шосту його первісного обсягу, тобто. із 820 до 700 кубічних сантиметрів. З іншого боку, змінилася природа газу. Коли всередину ємності, де містилося повітря, що залишилося, помістили мишу, вона відразу стала задихатися, а «вміщена в це повітря свічка тут же згасла, ніби її сунули у воду». Але оскільки газ не викликав осідання у вапняній воді, то його швидше можна було віднести до азоту, аніж до «затхлого повітря».
Але що ртуть отримала з повітря під час горіння? Знявши червоний наліт, що утворився на металі, Лавуазьє став нагрівати його в реторті доти, поки він знову не став ртуттю, виділивши при цьому від 100 до 150 кубічних сантиметрів газу приблизно стільки ж, скільки ртуть поглинула при прожарюванні. Внесена в цей газ свічка «чудово горіла», а деревне вугілля не тліло, а «світилося таким яскравим світлом, що його важко виносили очі».
То був поворотний момент. Згоряючи, ртуть поглинала "живе" повітря з атмосфери, залишаючи азот. Відновлення ртуті знову призводило до виділення живого повітря. Так Лавуазьє вдалося розділити два основні компоненти атмосферного повітря.
Для вірності він змішав вісім частин «живого» повітря і сорок дві частини азоту і показав, що газ, що вийшов, має всі характеристики звичайного повітря. Аналіз і синтез: «У цьому криється найпереконливіший доказ тих, що доступні в хімії: розкладаючись, повітря знову з'єднується».
У 1777 Лавуазьє доповів результати своїх досліджень членам Академії наук. Флогістон виявився вигадкою. Горіння і прожарювання відбувалися тоді, коли речовина поглинала «живе» повітря, яке він назвав киснем через роль освіти кислот. (Oxy по-грецьки означає «гострий».) Поглинання кисню з повітря призводить до того, що в ньому залишається лише непридатний для дихання азот.
Що стосується газу, який називали «затхлим» повітрям, то він утворювався тоді, коли кисень, що виділяється при відновленні, з'єднувався з чимось у деревному вугіллі, і виходило те, що ми сьогодні називаємо двоокисом вуглецю.
Рік за роком колеги Лавуазьє, особливо Прістлі, бурчали з приводу того, що той нібито привласнив собі першість в експериментах, які вони теж здійснили. лист із розповіддю про свої досліди. Але при цьому вони продовжували думати, що кисень - це повітря, позбавлене флогістону.
У п'єсі «Кисень», прем'єра якої відбулася у 2001 році, два хіміки, Карл Джерассі та Роальд Хоффман, вигадали сюжет, в якому шведський король запросив цих трьох учених до Стокгольма, щоб вирішити питання про те, кого з них вважати першовідкривачем кисню. Шееле був першим, хто виділив газ, а Прістлі першим опублікував роботу, в якій йшлося про його існування, але тільки Лавуазьє зрозумів те, що їм вдалося відкрити.
Він заглянув набагато глибше та сформулював закон збереження маси. В результаті хімічної реакції речовина - в даному випадку ртуть і повітря, що горить, - змінює форму. Але маса у своїй не створюється і зникає. Скільки речовин вступає в реакцію, стільки ж має вийти на виході. Як сказав би збирач податків, баланс має у будь-якому разі сходитися.
1794 року, під час революційного терору, Лавуазьє та батько Марії-Анни разом з іншими відкупниками були визнані «ворогами народу». Їх на возі привезли на площу Революції, де вже було споруджено дерев'яні підмостки, вигляд яких навіть у деталях нагадував ту платформу, де Лавуазьє спалював алмази. Тільки замість величезних лінз стояло інше досягнення французької техніки — гільйотину.
В інтернеті нещодавно проскочило повідомлення про те, що під час страти Лавуазьє встиг здійснити останній досвід. Справа в тому, що гільйотиною у Франції стали користуватися, бо порахували, ніби це найгуманніша форма страти, — вона приносить миттєву і безболісну смерть. І ось у Лавуазьє з'явилася нагода дізнатися, чи це так. У той момент, коли лезо гільйотини торкнулося його шиї, він почав моргати очима і робив це стільки, скільки зміг. У натовпі був асистент, який мав порахувати, скільки разів йому вдасться моргнути. Не виключено, що оповідання це — вигадка, але цілком у дусі Лавуазьє.
(c) Джордж Джонсон "Десять найкрасивіших експериментів у науці".
Слово «діамант» прийшло з грецької мови. Російською вона перекладається як «». І справді, щоб пошкодити цей камінь, потрібно докласти нелюдських зусиль. Він ріже і дряпає всі відомі нам мінерали, причому сам залишається неушкодженим. Йому не шкодить кислота. Одного разу з цікавості було проведено експеримент у кузні: алмаз поклали на ковадло і вдарили по ньому молотом. Залізний майже розколовся надвоє, а камінь залишився цілим.
Алмаз горить гарним блакитним кольором.
З усіх твердих тіл алмаз має найвищу теплопровідність. Він стійкий до тертя, навіть об метал. Це найпружніший мінерал, що має найнижчий коефіцієнт стиснення. Цікава властивість алмазу – люмінесцювати і під впливом штучних променів. Він світиться всіма кольорами веселками та цікаво заломлює колір. Цей камінь ніби насичується сонячним цвітом, а потім випромінює його. Як відомо, природний алмаз некрасивий, справжню красу йому надає огранювання. Дорогоцінний камінь із обробленого алмазу називається діамантом.
Історія дослідів
У 17 столітті в Англії Бойль зумів спалити алмаз, навівши на нього сонячний промінь через лінзу. Однак у Франції досвід із прожарюванням алмазів у плавильній посудині не дав жодних результатів. Французький ювелір, який проводив експеримент, виявив лише тонкий шар темного нальоту на камінні. Наприкінці 17 століття італійські вчені Аверані та Тарджоні при спробі сплавити два алмази воєдино змогли встановити температуру, за якої горить алмаз - від 720 до 1000оС.
Алмаз не плавиться через міцну структуру кристалічних ґрат. Усі спроби розплавити мінерал закінчувалися тим, що він згорів.
Великий французький фізик Антуан Лавуазьє пішов далі, вирішивши помістити алмази в герметичний посуд зі скла і наповнивши його киснем. За допомогою великої лінзи він нагрів каміння, і вони повністю згоріли. Дослідивши склад повітряного середовища, вони з'ясував, що крім кисню в ній присутній діоксид вуглецю, що є сполукою кисню і вуглецю. Таким чином, було отримано відповідь: алмази горять, але при доступі кисню, тобто. на відкритому повітрі. Згоряючи, алмаз перетворюється на вуглекислий газ. Ось чому на відміну від вугілля після згоряння алмазу не залишається навіть золи. Досліди вчених підтвердили ще одну властивість алмазу: за відсутності кисню алмаз не горить, але змінюється його молекулярна структура. При температурі 2000оС всього протягом 15-30 хвилин можна отримати графіт.
