Теория Лавуазье

«Великая французская революция в химии» - так часто называют научный переворот, совершенный французским ученым А. Лавуазье в 70-х гг. XVIII столетия. В чем же суть этой революции?

Прежде всего следует сказать о том, что эта революция имела не только химическую, но и физическую грань. Собственно, с физики-то все и началось.

В мае 1766 г. Лавуазье познакомился со статьей одного немецкого химика, в которой говорилось, что «упругость» воздуха, т. е. его способность сопротивляться сжатию, обусловлена тем, что воздушные частицы окружены особой огненной материей. В результате частицы отталкиваются друг от друга. Чтение этой статьи навело Лавуазье на мысль о том, что, возможно, при переходе жидкости в пар (например, при испарении воды) жидкость поглощает огненную материю (флогистон, как ее еще тогда называли) и переходит в «расширенное», т. е. газообразное, состояние. В апреле 1773 г. Лавуазье обобщил эту идею: переход вещества из твердого состояния в жидкое обусловлен присоединением флогистона, так же как и переход жидкости в пар. Если же от тела отнимать флогистон, скажем, путем охлаждения, то процессы идут в обратном порядке: газ сжижается, а жидкость, теряя флогистон, превращается в твердое тело:

твердое тело жидкость газ,

где ф - флогистон.

При этом допускалось, что воздух (газ) состоит из весомого «основания» и легкого, почти невесомого флогистона.

Это была очень важная гипотеза, хотя доказать ее было практически невозможно. Если ранее считалось, что, к примеру, лед, вода и водяной пар - это разные по своей природе тела, то согласно Лавуазье это разные агрегатные состояния одного и того же вещества, отличающиеся количеством поглощенного флогистона.

Но теория флогистона, детально разработанная на рубеже XVII-XVIII вв. немецким химиком и врачом Георгом Шталем, имела также свою химическую грань. Считалось, что при горении веществ и прокаливании металлов выделяется флагистон и образуется негорючий остаток, т. е. флогистон, по теории Шталя,- тонкая материя, присутствие которой в теле придает этому телу свойство горючести. Кроме того, считалось, что наличие флагистона приводит к появлению и других свойств, например окраски. Шталь создал стройную флогистонную теорию, которая, по словам Д. И. Менделеева, «обобщила множество реакций, и это было уже очень важным шагом в науке». Действительно, согласно данной теории металлы - горючие вещества и превращение их в оксиды при прокаливании есть не что иное, как горение, т. е. выделение флогистона. Если затем на оксид металла (окалину, как говорили в XVIII в.) подействовать каким-либо веществом, богатым флогистоном, например углем, то можно вновь получить металл, поскольку флагистон от угля переходит к окалине и придает ей новые свойства (горючесть, характерный металлический блеск и т. д.).

Однако ко второй половине XVIII в. стали появляться факты и гипотезы, ставившие теорию флагистона под вопрос. Было выяснено, что при прокаливании металлов на воздухе последний отнюдь не является пассивной средой. Наоборот, прокаливаемый металл поглощает воздух, в результате чего вес окалины оказывается больше веса взятого металла. А что происходит при горении неметаллических веществ, например серы и фосфора?

В 1772 г. Лавуазье решил проверить, поглощает ли фосфор при горении воздух. Опыты продолжались около двух месяцев и убедили его в том, что при сгорании фосфора и серы происходит поглощение воздуха и образование кислотных продуктов. Более того, к этому времени уже было известно, что скисание вин связано с поглощением воздуха, который превращает спирт в уксусную кислоту. Следовательно, рассуждал Лавуазье, во всех кислотах присутствует воздух.

Соединив этот вывод со своими представлениями о переходе тел из одного агрегатного состояния в другое, Лавуазье пришел к теории (модели) горения и прокаливания, которую схематично можно представить так:

S + [«основание воздуха» + ф] [S + «основание воздуха»] + ф
горючее тело (или металл) свободный воздух кислотный продукт горения (или металлическая окалина)

Как видим, хотя Лавуазье понимал процессы горения и прокаливания иначе, чем Шталь, он не спешил отказываться от самого понятия о флогистоне. Изменился лишь носитель флогистона. Теперь это не металл и не горючее тело, как у Шталя, а сам воздух.

В ходе дальнейших исследований Лавуазье пришел к другому важному выводу: в процессах горения и прокаливания поглощается не просто атмосферный воздух, но какая-то его часть, которую он называл по-разному - «живительным воздухом» (ибо он поддерживает дыхание), «воздухом, наиболее пригодным для дыхания и горения», и наконец, с 1777 г., - кислородом, т. е. рождающим кислоты.

Но многое оставалось неясным, в частности почему одни «виды воздуха» (т. е. одни газы) отличаются по своим свойствам от других. Очень важным для Лавуазье стали опыты по разложению ртутной окалины (т. е. оксида ртути HgO), которые до него проводил английский ученый Джозеф Пристли.

Пристли обнаружил, что при разложении ртутной окалины образуется «воздух», не растворяющийся в воде, в котором «свеча горит удивительно сильным пламенем». В октябре 1774 г. он посетил Париж, беседовал там с Лавуазье и рассказал ему о своих опытах с ртутной окалиной. Лавуазье весной 1775 г. также начал эксперименты с этим веществом. Он разлагал ртутную окалину в присутствии угля (мощного источника флогистона) и без него, простым нагреванием или в фокусе большого зажигательного зеркала. Лавуазье был поражен тем, что хотя и в том и в другом случае происходило выделение газа, но это были разные газы и различия их никак не удавалось свести к неодинаковому количеству флогистона в них.

Действительно, газ, выделявшийся при прокаливании в присутствии угля, так называемый «связанный воздух» (современный CO2), должен был содержать больше флогистона, чем газ, полученный при прокаливании без угля, и, следовательно, хуже растворяться в воде (ведь флогистон, напоминаем, вызывал отталкивание частиц, с которыми он соединялся). На деле же получалось наоборот - «связанный воздух» лучше растворялся в воде, чем воздух, полученный при прокаливании без угля.

После долгих размышлений и дополнительных экспериментов Лавуазье наконец удалось распутать клубок загадок и противоречий. Он пришел к следующим выводам:

  • из ртутной окалины при ее нагревании без угля выделяется новый газ, тот самый, который поддерживает горение и дыхание и который был затем назван кислородом (в современной записи 2HgO → 2Hg + O2) ;
  • «связанный воздух», получающийся при нагревании ртутной окалины, смешанной с углем, представляет собой соединение кислорода с материей угля (современная формула: CO2 - углекислый газ; 2HgO + C → 2Hg + CO2);
  • чем больше кислорода содержится в теле, тем ярче проявляются в нем кислотные свойства;
  • в состав атмосферного воздуха, кроме кислорода, входит еще и «удушающая часть воздуха», т. е. азот.

В итоге процессы горения и прокаливания стали пониматься Лавуазье так, как показано на следующей схеме:

S + [«основание кислорода» + ф] [S + «основание кислорода»] + ф
газообразный («свободный») кислород кислотный продукт горения (или металлическая окалина)

Как видим, и в своем окончательном виде теория Лавуазье использует понятие флогистона. Французский ученый не отказался от этого понятия, но существенно изменил его смысл. Флагистон в теории Лавуазье выполнял не химическую функцию носителя широкого круга свойств, а физическую. С флагистоном связывали тепловые явления, агрегатные переходы и т.д., а потому Лавуазье предложил для него новое имя - теплород (calorique).

Лавуазье пришел к выводу, что свойства вещества зависят от очень многих факторов, и прежде всего от того, из каких компонентов (элементарных тел) вещество состоит и в каких пропорциях они соединены.

Читать далее