2.6.3. Боротьба Лавуазьє з алхімією та теорією флогістону

Лавуазьє сам вважав себе спочатку фізиком, потім уже хіміком. Дорфман також відзначає, що він скоріше фізик, ніж хімік. Цим і пояснюється роль Лавуазьє в хімічній революції. Він досягнув видатних успіхів тільки тому, що послідовно застосовував для розв’язання основних проблем хімії кількісні експериментальні методи фізики. Лавуазьє завжди виходив з учення Ньютона про те, що маса є головна властивість і міра кількості матерії. Він вважав, що головне при дослідженні хімічних процесів - це точне визначення ваги та питомої ваги вихідних та кінцевих продуктів реакції.

Цей принцип допоміг Лавуазьє розібратися з проблемою води. В 1767 році французький фізик – академік Ле-Руа вважав, що вода настільки тісно зв’язана із землею, що остання летить разом із парою води. Цим він пояснював появу твердого осаду у воді при довгому її стоянні та кип’ятінні в скляній посудині. Лавуазьє зібрав на відкритому просторі дощову воду і порівняв її з водою, яку отримав шляхом дистиляції води із Сени. Виявилось, що дощова вода густіша. Вимірювання він провадив за допомогою ним же сконструйованого приладу ареометра ( із тонкого срібла, об’ємом півтора літри, із шалькою зверху для гирок , якщо густина рідини збільшується, тоді на шальку треба було класти гирки, щоб ареометр повернувся у вихідне положення до заздалегідь нанесеної на ньому лінії, див. рис. 3.6). Випарив дощову воду і побачив дрібні кристалики, які за смаком відповідали морській солі. В перегнаній воді ні солі, ні твердих залишків не було. Густину перегнаної води він прийняв за 1.00000 (вимірював з точністю до 5 –го знаку).

Лавуазьє взяв скляну посудину типу пелікана (див. перегінні апарати, якими він користувався, показані на рис. 3.7 – 3.9), зважив її, налив дистильованої води, знову зважив, закрив посудину герметично п ісля того, як підігрів і випустив з неї частину повітря ( щоб не лопнула) і кип’ятив воду протягом 101 дня. Зважив і визначив, що вага не змінилась. Таким чином, ніяка вогняна матерія (флогістон) у посудину через пори скла не проникла. У воді був осад, він злив воду з осадом, посудину ретельно висушив і зважив – вага її зменшилась. Відігнав воду і зважив осад, його вага дорівнювала зменшенню ваги посудини. Властивості відігнаної води та її густина не змінилися. Висновок – осад утворився внаслідок розчинення скляної посудини у воді, а сама вода в землю не може перетворюватися.

Лавуазьє проаналізував осад поверхово і ніякого остаточного висновку про склад не зробив. Шеєле приблизно в той же час провів аналогічний дослід, проаналізував осад і

Рис. 3.6. установив, що це компоненти скла (Шеєле нічого не зважував).

Ареометр Висновок Шеєле той самий – вода в землю не перетворюється.

Лавуазьє Таким чином, Шеєле поставив дослід як хімік, Лавуазьє - як

фізик. Про цей дослід Лавуазьє в 1769 році опублікував

мемуар “Про природу води”. Азимов назвав цей дослід

тріумфом вимірювання.

Рис. 3.7. Перегінний куб Рис. 3.8. Рис. 3.9. Пелікан

Лавуазьє Пелікан Лемері із двох колб

Треба підкреслити, що Лавуазьє тут сприймає закон збереження матерії як щось саме собою зрозуміле. Цей закон був сформульований в 1748 році ще Ломоносовим, і Лавуазьє про це, очевидно, знав, бо труди Ломоносова детально друкувалися латиною в Коментарях Петербурзької АН, що спеціально видавалися для Заходу. Лавуазьє тримав ці коментарі в руках, бо посилається на деякі статті в цьому ж виданні. Але ніколи не посилається на Ломоносова і ні разу його не згадує. Слід відзначити, що ні Ломоносов, ні Лавуазьє ніколи не претендували на авторство цього закону. Вони відносились до нього, як до давно відомого постулату, який виник ще в глибокій давнині.

На історії відкриття закону збереження матерії варто зупинитись. З цього приводу є протирічиві дані. Дюма приписує його відкриття Лавуазьє, Меншуткін – Ломоносову, але в дійсності цей закон прийшов у природознавство з натурфілософії, про нього знали древні грецькі філософи, про що свідчить відома поема Лукреція Кара (див. розділ 1). З часів Бекона, коли в наукових дослідженнях став використовуватись спланований експеримент, принцип збереження матерії розпочинають використовувати в експерименті, вважаючи еквівалентними незмінність кількості матерії та незмінність ваги. Свої результати на основі закону збереження ваги, приймаючи його а priori, пояснювали Ван Гельмонт, Бойль та багато інших.

Ломоносов сформулював цей закон у 1748 році, Лавуазьє ж, використовуючи точне зважування, одним із перших свідомо застосував принцип збереження матерії для розв’язання фундаментальних питань у хімії, вперше зобразивши хімічну реакцію в процесі бродіння у вигляді рівняння:

виноградний сік = вугільна кислота + алкоголь.

З 1772 по 1777 рік Лавуазьє займався визначенням природи повітря. Про свої плани цього дослідження він пише в лютому 1772 року. Незвичайна особистість Лавуазьє та його багата лабораторія з необмеженими на той час можливостями вабила вчених усього світу. Там штовхались не тільки французи, але й англійці після королівської аудієнції поспішали до Лавуазьє засвідчити свої шанування. Тому не доводиться сумніватися, що Лавуазьє був знайомий з усіма роботами, що велися у світі з фізики та хімії. В середині 1772 року в лабораторії Лавуазьє з’явився французький лікар та хімік Мітуар, який вивчав проблеми фосфору і продав Лавуазьє деяку кількість фосфору (фосфор Кункеля). Це підштовхнуло Лавуазьє на дослідження процесу горіння фосфору. Потім багато істориків почали звинувачувати Лавуазьє, що той просто вкрав у Мітуара його роботу. Якщо дивиться на цю справу формально, то це так і виглядає (як і у випадках з іншими вченими). В дійсності ж Лавуазьє рекомендував роботи Мітуара академії, академія слухала доповідь Мітуара про його роботу з фосфором і прийняла рішення опублікувати цю роботу не члена академії, але вона ніколи не була опублікована. Якщо порівняти висновки, які зробив Мітуар (видно з протоколів академії) із висновками Лавуазьє, то останні значно ширші й глибші , тобто вони узагальнюючі, таким чином, можна з повним правом стверджувати, що Лавуазьє повторив досліди Мітуара й пішов далі Мітуара, зробивши свої висновки, а не запозичивши їх у Мітуара. Те ж саме можна сказати про відкриття кисню та азоту. Немає сумніву , що Прістлі, Кавендиш, Шеєле першими виділили ці гази, але вони не зрозуміли, що вони відкрили. Лавуазьє повторив і розширив їх досліди на кількісній основі, розібрався в природі цих газів, у природі горіння, дихання та обпалення металів. Саме він дав цим газам сучасні назви (кисень, азот), а також горючому газу (водень) і спростував теорію флогістону.

Свої дослідження повітря він розпочав із спалення фосфору. Потім узяв сірку, вугілля, алмаз і завжди визначав збільшення ваги продуктів горіння. Одночасно він розпочав досліди з нагрівання матеріалів і речовин у фокусі величезної запалювальної машини, що складалася з двох лінз, виготовлених з оптичного скла. Менша була суцільною, а більша, діаметром 120 см, була виготовлена з двох чаш товщиною 2 см (ретельно виготовлені). В цю порожню лінзу товщиною 15 см посередині заливали спирт. В фокусі машини він ставив скляний ковпак із речовиною на якісь підставці. Тому він міг збирати і продукти горіння і зважувати, а також під ковпаком міг створювати вакуум десь біля 3 – 5 мм Hg, для цього мав спеціальний насос, котрий сконструював сам. Ще до Лавуазьє були проведені досліди зникнення алмазу у фокусі лінзи на повітрі. Лавуазьє ж показав, що у вакуумі алмаз не змінює свою природу, навіть при найбільшій жарі, і тільки під ковпаком із повітрям алмаз зникає. Висновок, що алмаз руйнується під дією часток повітря, зробив тільки Лавуазьє.

Зупинимось на його дослідах.

Під час спалювання фосфору, сірки, вуглецю, алмазу та обпалення металів вага того , що утворювалось, збільшувалась. Його вимірювання з часом стало настільки точним, щоб він зміг показати, що збільшення ваги в цих процесах дорівнює вазі повітря, яке приєднується, а об’єм повітря завжди зменшується на одну і ту ж величну, приблизно на ¼.

Обпалюючи метали в запаяних ретортах, він показав, що вага після обпалення не змінилась, тобто він прийшов до закону збереження матерії, хоч він цього і не підкреслював. Він вважав цей закон давно відомим.

Спочатку він не відрізняв кисень від СО₂, потім він переплутав О₂ із N₂, але потім навчився їх розрізняти за 5–ма ознаками : 1) Чи гасне свічка, 2) Чи виділяється осад у результаті пропускання через вапняну воду, 3) Чи гине миша, 4) Чи змінюється колір на оранжевий, якщо додати NO, 5)Чи зменшується при цьому об’єм. В результаті цих дослідів він уперше зробив висновки, що повітря є складною сумішшю двох газів: дуже чистого повітря (кисню) та задушливого газу (азоту). Це зрозумів лише Лавуазьє.

Отримувати кисень Лавуазьє хотів шляхом нагрівання металічних земель. Розпочав він з оксиду заліза, але невдало: якийсь газ виділявся, але мало, навіть у великій запалювальній машині. Тоді він услід Прістлі та Шеєле взяв червоний оксид ртуті. Якщо нагрівати оксид ртуті з вугіллям, окрім ртуті утворюється якийсь газ. Якщо нагрівати сам оксид, утворюється зовсім інший газ. Врешті решт він установив , що перший газ  це зв’язане повітря, яке він назвав крейдяною кислотою, а другий - кисень. Лавуазьє зробив правильний висновок, крейдяна кислота - це сполука вуглецю та кисню.

реторта

вода

Нg

промені

лінза

алмаз

піч

Hg

Рис. 3.10. Прилад Лавуазьє для Рис.3.11. Прилад Лавуазьє для

розкладання червоного оксиду ртуті спалювання речовин

Лавуазьє провів дослід, який тепер можна назвати зворотнім синтезом. Він на повітрі прожарив ртуть, отримавши оксид ртуті. Повітря, що залишилось, було азотом. Тоді він узяв отриманий оксид ртуті, розклав його, газ, що утворився, змішав з азотом і отримав повітря, цілком придатне для горіння та дихання. Він проводив фізіологічні досліди на людині і показав, що людина вдихає кисень, а видихає вуглекислий газ. Він зробив висновок, що в легенях кисень обмінюється на вуглекислий газ і що процеси горіння та дихання подібні.

Дуже цікаве розв’язання проблеми дослідження води, яке виконав Лавуазьє. Кавендиш показав, що горючий газ згорає в повітрі і перетворюється на воду. Пізніше теж саме спостерігав Прістлі. В 1775 році французький хімік Маке спостерігав утворення води під час згорання горючого газу. Французький математик Монж, вивчаючі воду разом із Лавуазьє, вперше вказав на її неелементарну природу. Джеймс Уатт (винахідник парової машини), вивчаючи воду, теж вказав на її неелементарну природу. Усі вони потім звинувачували Лавуазьє в плагіаті. Лавуазьє теж одночасно з ними займався проблемою води (1774 – 1783). Він під ковпаком спалював 1 об’єм кисню з майже 2 об’ємами водню (12 + 22.8) і отримав воду, вага якої дорівнювала вазі взятих газів. Він зробив висновок, що вода - сполука водню та кисню. Його збивала з пантелику теорія кислот (створена ним), згідно з якою кислоти - це сполуки утворюючих кислоту елементів (Р, S, С) із киснем. Він вважав, що не існує кислот, які б не містили кисню. Лавуазьє вважав, що соляна кислота – киснева сполука мурієвого радикала. І виходить, згідно Лавуазьє, що вода в склад кислот не входить. Тому Лавуазьє дуже довго в продуктах згоряння водню шукав кислоту і не знаходив її.

Лавуазьє показав, що в разі пропускання водню над нагрітим оксидом металу (РbO), утворюється метал та вода. Він спробував розкласти воду (електроліз води був здійснений після Лавуазьє) шляхом пропускання води над розжареним залізом. Він спостерігав, що в цьому разі утворюється оксид заліза та водень. Саме цей метод Лавуазьє запропонував для отримання водню у великих кількостях для заповнення повітряних куль (аеростатів).

Таким чином, ніякого плагіату не було, бо всі ті згадані люди не зробили тих висновків про природу води, які зробив Лавуазьє.

В 1777 році на зборах академії наук, а також у мемуарах того року, він розвинув кисневу теорію горіння та дихання, пояснив природу металічних земель та довів, що його киснева теорія простіша за теорію флогістону і чітко пояснює всі факти, а також робить теорію флогістону непотрібною. І нема ніякого сумніву у тому, що ніхто до Лавуазьє кисневої теорії навіть у зародковому вигляді не дав.