Факультет

Студентам

Посетителям

Открытие кислорода

К величайшим событиям истории развития химической науки относится открытие кислорода.

Обычно принято считать, что кислород был открыт в 70-х годах XVIII столетия. Однако уже много тысяч лет назад человек, сам того не сознавая, начал пользоваться кислородом, входящим в состав воздуха.

В первобытные времена огонь согревал человека в ненастную погоду, помогал ему питаться, защищал от нападения хищных зверей. Постепенно с помощью огня человек научился изготовлять различные орудия труда и защиты.

Но уже в те далекие времена люди наблюдали, что в глубоких ямах и узких пещерах дерево горит хуже, чем на открытом месте, что на ветру огонь пылает ярче и пламя его становится горячее. Когда огонь ослабевал, у человека появлялось желание увеличить приток воздуха к нему.

Сначала горение очага усиливали взмахами широких листьев растений, затем листья заменили шкурами животных. Позднее из шкур люди научились изготовлять всевозможные приспособления для раздувания огня, увеличивая «чудотворную» силу, которая долгое время оставалась неразгаданной.

Первые смутные представления о том, что происходит при горении, мы находим в книге китайского философа VIII века нашей эры. Китайский мудрец высказывает мысль о том, что все вещества состоят из двух начал. Одно из них — главное; его больше, чем другого, оно сильнее и как бы определяет данное вещество. Это начало носит название «янг». Второе начало — «ин»; его меньше, оно слабее и имеет подчиненный характер. Чем больше в веществе первого начала — «янга», тем оно лучше, совершеннее.

Воздух, как и любое другое вещество, также обладает этими свойствами. Для того чтобы сделать воздух более совершенным, по мнению философа нужно увеличить в нем основное начало, то есть «янг», и уменьшить количество «ина». Уменьшить «ин» в воздухе можно путем нагревания в нем металлов, угля и серы. При этом меньшая часть воздуха — «ин» (кислород) — уйдет к нагреваемому предмету, а большая часть воздуха — «янг» (азот) — останется нетронутой. Хотя «ин», как полагал китайский философ, нельзя получить в чистом виде, но его можно наблюдать при прокаливании различных каменистых пород.

Название этих пород расшифровать не удалось. Но ученые-историки предполагают, что одна из них — селитра, которую китайцы должны были знать давно, как одну из составных частей пороха.

Семьсот лет спустя, в эпоху Возрождения, у гениального итальянского художника, великого ученого и выдающегося инженера того времени Леонардо да Винчи мы находим более определенные высказывания о составе воздуха и о его роли при горении.

Вопреки широко распространенному в то время мнению, что воздух является однородным элементом, Леонардо да Винчи на основании своих наблюдений считал, что воздух состоит из двух различных составных начал, так как при горении и при дыхании воздух расходуется не весь, а только частично.

В одной из своих рукописей Леонардо да Винчи писал: «Огонь постепенно разрушает воздух, его питающий; образовалась бы пустота, если бы не притекал воздух, чтобы ее заполнить. Когда воздух не в состоянии, необходимом для того, чтобы воспринять пламя, в нем не может существовать ни огонь, ни какое-либо животное — земное или воздушное». Далее Леонардо да Винчи пишет: «Копоть в

центре пламени свечи образуется потому, что воздух, который входит в состав пламени, не может проникнуть до середины. Он останавливается у поверхности пламени и здесь подвергается превращению». Эти строки свидетельствуют о том, насколько близко Леонардо да Винчи подошел к правильному пониманию той роли, которую играет воздух, или, вернее, часть его, в жизни животных и при горении.

К сожалению, эти понятия о процессе горения не нашли дальнейшего развития. Через два столетия широкое распространение получила новая теория горения — «теория» флогистона, которую примерно в 1700 году предложил немецкий ученый Э. Шталь.

По «теории» флогистона все материалы, способные гореть, состоят из элементарного вещества флогистона и золы. Когда горит дерево, флогистон, который входит в его состав, улетучивается, превращаясь в тепло и свет, а зола остается в очаге. При горении металла флогистон также исчезает, и в очаге остается металлическая «зола» — окалина. Окалину можно вновь превратить в металл, если «вселить» в нее флогистон. Для этого необходимо прокалить ее с веществом, которое содержит много флогистона. Таким веществом считался уголь.

Сейчас эта «теория» кажется нам фантастической, неспособной помочь человеку развивать науку и познавать явления природы. Однако для начала XVIII века, когда зародилась «теория» флогистона, она являлась определенным шагом вперед. «Теория» флогистона объединила ряд химических процессов и явлений и дала им свое объяснение. Это вызвало у ученых того времени стремление к дальнейшим исследованиям в области химии и привело к новым открытиям, обогатившим науку ценными наблюдениями.

Казалось, что, наконец найдена теория, которая объясняет процессы горения. Но неожиданно было установлено, что окалина, образующаяся при горении металлов, весит больше, чем взятый для обжига чистый металл. Это вызвало новое недоумение ученых.

Известно, что если отнять у какого-нибудь тела одну из его составных частей, то вес оставшейся части должен уменьшиться.

Почему же металл, из которого при горении улетучился флогистон, весит больше?

Для объяснения пришлось допустить, что у некоторых веществ флогистон обладает отрицательным весом, то есть весит меньше, чем «ничто». Находясь в куске металла, флогистон как бы уменьшает его истинный вес, то есть облегчает его. Когда же при горении флогистон покидает металл, образовавшаяся окалина приобретает свой истинный вес, который больше веса чистого металла.

Такое объяснение не могло полностью удовлетворить ученых, но другой неправильно объясненный опыт «рассеял» их сомнения и усилил тем самым заблуждения исследователей.

Было обнаружено, что если к коромыслу весов вместо одной чашки подвесить стеклянный шар и уравновесить его, положив гири на другую чашку, то при нагревании шара равновесие нарушается и шар поднимается кверху.

Это явление объясняли тем, что при подогревании шара находящийся в пламени флогистон с отрицательным весом «вселяется» в шар и облегчает его.

В действительности же это только кажущееся уменьшение веса, так как шар поднимается кверху потоками теплого воздуха, которые омывают его при нагревании.

Как же правильно объяснить увеличение веса металла при прокаливании?

При высокой температуре металл легко окисляется, соединяясь с кислородом воздуха. Образуется окисел, вес которого складывается из веса самого металла и веса кислорода. При прокаливании с углем окисел металла восстанавливается, отдавая свой кислород углю. При этом образуются чистый металл и двуокись углерода.

Многие ученые середины XVIII века не смогли правильно объяснить процесс горения. Большинство крупных ученых, современников Михаила Васильевича Ломоносова, придерживалось «теории» флогистона.

По «теории» флогистона все материалы, способные гореть, состоят из флогистона и золы. При горении флогистон превращается в тепло и свет. В очаге остается зола.

Великий русский ученый не примирился с теорией, которая противоречила здравому смыслу.

Считая, что «теория» флогистона не дает правильного объяснения процесса горения и неверно истолковывает причины, приводящие к увеличению веса металла при его прокаливании, М. В. Ломоносов высказал предположение, что такое увеличение веса нужно отнести за счет соединения металла с частью воздуха.

«Нет никакого сомнения, — писал он еще в 1748 году, — что частички воздуха, текущего постоянно над обжигаемым телом, соединяются с ним и увеличивают его вес».

Это означало, что горение нужно было рассматривать не как разложение горючих тел на составные части — флогистон и золу, а как соединение горючего материала с частью воздуха. Такое объяснение процессов горения не могло быть сразу принято учеными того времени, так как оно коренным образом отличалось от их взглядов.

Михаил Васильевич Ломоносов решил на опыте доказать правильность своего предположения.

Ломоносов был глубоко убежден, что без опыта не может существовать наука. Он считал, что каждое «мысленное рассуждение» должно получать свое подтверждение на опыте, а из надежных и многократно повторенных опытов должны вытекать теоретические представления.

Мысль о сочетании теории с опытом привела М. В. Ломоносова к выводу о необходимости создания химической лаборатории.

Шесть лет упорно добивался он согласия Академии наук на постройку лаборатории. Наконец в 1748 году в Петербурге, на территории ботанического сада, по плану Ломоносова была выстроена первая русская химическая лаборатория.

М. В. Ломоносов не только стремился к лабораторным исследованиям, но и первый провозгласил необходимость точных количественных измерений, основанных на наблюдении за «мерой и весом» изучаемых веществ.

Многие приборы для лаборатории были изготовлены по его чертежам. По указаниям Ломоносова были сделаны точные весы, при помощи которых он провел целый ряд количественных исследований.

В 1756 году Ломоносов приступил к экспериментальной проверке своих представлений о процессе горения, высказанных им еще восемь лет назад.

Точно взвешенный кусок олова он заложил в стеклянную реторту и герметически запаял ее, чтобы во время проведения опыта туда не проникал воздух. Взвесив реторту вместе с содержимым, он прокаливал ее на огне в течение нескольких часов. После охлаждения, не вскрывая реторты, Ломоносов снова взвесил ее. Вес не изменился.

Ломоносов повторил этот опыт и с другими металлами. Вес запаянных реторт с металлом до прокаливания и после прокаливания оставался неизменным.

Убедившись в постоянстве веса запаянных реторт, Ломоносов вскрыл их одну за другой. Воздух с шумом врывался в каждую из них. При взвешивании реторты с прокаленным металлом перетягивали чашку весов.

Сомнений не оставалось, вес металла после прокаливания увеличился. Это значит, что при прокаливании часть воздуха, находившегося в реторте, вступила в соединение с металлом. Образовался окисел, вес которого стал равен сумме весов металла и кислорода. При этом вес воздуха в реторте уменьшился настолько, насколько увеличился вес прокаленного металла.

До тех пор пока реторта была запаяна и доступ наружного воздуха в нее был закрыт, сумма весов реторты, воздуха и металла оставалась постоянной. Как только реторта была вскрыта и вместо использованного кислорода в нее вошла новая порция воздуха, вес реторты с содержимым увеличился.

Эти опыты не только подтвердили высказывание Ломоносова, что вес металла при прокаливании увеличивается за счет соединения его с частью воздуха, но одновременно явились блестящим подтверждением открытого им важнейшего закона природы — закона сохранения материи.

Идеи о сохранении вещества при различных процессах, происходящих в природе, Ломоносов четко сформулировал еще за восемь лет до этих опытов. В 1748 году в своем письме к известному математику, члену Петербургской Академии наук Л. Эйлеру, с которым Михаил Васильевич делился своими научными мыслями, он писал: «Все изменения, случающиеся в природе, так происходят, что если к одному телу что-нибудь прибавится, то столько же отнимется от другого. Так, когда к какому-нибудь телу прибавляется сколько-нибудь вещества, то точно столько же убавляется от другого».

Эта смелая для того времени и гениальная по своей глубине мысль не была принята современниками Ломоносова. Его идеи и открытия вызывали озлобление и ненависть к ученому, посмевшему открыто выступить против укоренившихся взглядов, связанных с «теорией» флогистона.

Семнадцать лет спустя знаменитый французский ученый Лавуазье повторил опыты Ломоносова и пришел к аналогичному выводу, что увеличение веса металла при прокаливании происходит от соединения его с частью воздуха. На основании этих опытов Лавуазье, не упоминая имени Ломоносова, выводит закон сохранения материи, который намного раньше его был не только сформулирован Ломоносовым, но и блестяще подтвержден им экспериментально. В 1756 году в толстом исписанном лабораторном журнале Ломоносова была сделана еще одна запись: «Делал опыты в заплавленных накрепко стеклянных сосудах, дабы исследовать, прибывает ли вес металлов от чистого жару. Оными опытами нашлось, что славного Роберта Бойля мнение ложно, ибо без пропущения внешнего воздуха вес сожженного металла остается в одной мере».

Английский ученый Бойль также прокаливал металлы в запаянных ретортах, но взвешивал реторты с металлом перед прокаливанием и после прокаливания в открытом виде.

Установив, что вес металла после прокаливания увеличивается, он объяснил это явление тем, что невидимые частицы огня и пламени в виде «огненной материи» проникли через стекло реторты к металлу, соединились с ним и увеличили его вес.

Ломоносов экспериментально доказал несостоятельность этой вымышленной теории «огненной материи» и тем самым нанес первый сокрушительный удар по «теории» флогистона.

Теория горения получила новое, научное обоснование и почву для своего дальнейшего развития.

Меньше чем через два десятилетия после опытов Ломоносова шведский ученый Шееле и английский ученый Пристлей почти одновременно и независимо друг от друга выделили из азотнокислой) магнезии (Mg(NO3)2) и окиси ртути (HgO) те самые частички воздуха, которые, по определению Ломоносова, «постоянно текут над обжигаемым телом, соединяются с ним и увеличивают вес его». Эти частички были названы Пристлеем «дефлогистинизированным воздухом», то есть воздухом, лишенным флогистона.

Пристлей получил кислород 1 августа 1774 года.

Поместив в стеклянную пробирку над столбом металлической ртути немного красной окиси ртути, он направил на нее через линзу пучок солнечных лучей. Когда фокус пучка попал на окись ртути, она под действием тепла разложилась. Выделился газ, который вытеснил из пробирки металлическую ртуть.

Вначале Пристлей полагал, что получил обыкновенный воздух. Но каково же было его изумление, когда он обнаружил, что свеча в этом «воздухе» горит необычайно ярким пламенем и что мышь, посаженная под колокол, в котором находился полученный им «воздух», живет дольше, чем в таком же объеме обычного воздуха.

Пристлей сам попробовал вдыхать полученный им «воздух» и нашел, что им легко и приятно дышится. Предполагая использовать «дефлогистинизированный воздух» в медицине, он писал: «Кто знает, через некоторое время этот чистый воздух, может быть, сделается модным предметом роскоши. До сего времени им насладились только две мыши да я».

В октябре 1774 года Пристлей во время своего пребывания в Париже рассказал Лавуазье о результатах своих опытов с окисью ртути и о свойствах полученного им «дефлогистинизированного воздуха».

Лавуазье воспроизвел опыты Пристлея и, кроме того, провел количественные измерения взятых продуктов и полученных веществ.

Эти опыты дали ему впоследствии возможность установить, что выделяющийся при прокаливании окиси ртути и других окислов газ содержится в обычном воздухе, что этот газ входит в состав азотной, серной, фосфорной кислот. Следовательно, этот газ способен творить — родить кислоту. Отсюда и пошло его название «кислотвор» или кислород.

Открытие кислорода и изучение его роли в горении серы, фосфора, угля, масла и других веществ нанесло окончательный удар по «теории» флогистона.

Источник: В. Медведовский. Кислород. Государственное Издательство Детской литературы Министерства Просвещения РСФСР. Ленинград. Москва. 1953