Краткая история науки - Уильям Байнум

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[6], 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.