Флогистон и вода

Изучение состава воды шло трудной, тернистой дорогой: на смену «великим» заблуждениям приходили триумфальные озарения. Понимание состава воды стало возможным благодаря исследованию различных компонентов атмосферного воздуха. О том, что воздух имеет сложный состав, догадывались, очевидно, давно, но что представляют собой его элементы, стало ясно только в конце XVIII века.

Интерес к газам возник в связи с поисками призрачного, неуловимого, постоянно исчезающего феномена — флогистона. Создателем теории флогистона считают Георга Шталя (1659—1734), профессора медицины и химии. Правда, идея о «материальном» горючем начале — флогистоне была высказана еще Иоахимом Бехером (1635—1682). Он опубликовал научный трактат «Подземная физика» (1669), посвященный минеральным веществам. Бехер полагал, что они состоят из воды и трех «земель»: стеклующейся, ртутной и горючей. При сжигании вещества горючие, или масляные, компоненты улетучиваются. Идеи И. Бехера легли в основу первой химической теории — теории флогистона, которая в трудах Г. Шталя получила дальнейшее развитие. В новую теорию ученый сумел вдохнуть жизнь, став ее активным защитником.

По мнению Шталя, чем больше флогистона в теле, тем более оно подвержено горению. При обжиге металлов из них изгоняется флогистон. Образующийся при этом порошок — металлическую окалину — можно перевести в прежнее состояние (т. е. металл), проведя восстановление его углем. Прокаливая окислы (оксиды) олова с такими разными веществами, как уголь, сахар, сера, Шталь неизменно получал в тигле олово. Наблюдаемое постоянство свойств полученного металла (олова, свинца) служили ученому доказательством того, что к «извести», «землям» либо к «окалине» (к оксидам) во всех случаях присоединяется одна и та же «материя» — флогистон. Таким образом, флогистон переходит в металлы и возрождает их способность к плавлению, ковке и т. д.

Благодаря теории флогистона Г. Шталь в книге «Основания химии» (1723) объединил в единую схему реакций такие процессы, как горение, появление окалины, восстановление металлов и другие.

При обжиге металлов теряется флогистон и образуется окалина:

металл — флогистон = металлическая окалина.

Восстановление окалины углем до металла можно выразить уравнением:

металлическая окалина + флогистон = металл.

В этих соотношениях суть теории Шталя. Таким образом, реакция окисления связана с потерей флогистона, а восстановление — с его приобретением. Однако уже тогда было известно, что окисление — обжиг металлов приводит к увеличению массы. А как же быть с потерей флогистона? Что же увеличивает массу?

Шталь был так влюблен в свою теорию, что на подобные мелочи не обращал внимания. Но эксперименты подтверждали увеличение массы, и это требовало объяснения. Последователи Шталя, не мудрствуя лукаво, решили вопрос гениально просто: флогистон имеет отрицательный «вес». Все сразу встало на свои места.

Историк химии, доктор химических наук А. Н. Шамин, оценивая значение теории флогистона для химии в целом, отмечал: «Теория флогистона была ошибочна, это доказал А. Лавуазье. Однако она сыграла положительную роль в развитии химии. Прежде всего это была первая единая теория, объясняющая процессы, которые раньше считали разнородными и вызывавшимися несхожими причинами… Теория флогистона открыла путь для экспериментального изучения множества химических явлений. Поиски и попытки выделения флогистона привели к открытию хлора, водорода, кислорода».

Исследование состава атмосферного воздуха, процессов горения увлекли многих выдающихся химиков. Появляется огромное количество работ, блестящие результаты которых с революционной решительностью и неотвратимостью рушат прежние устоявшиеся представления. Одно открытие спешит сменить другое. Выделены главные составные части воздуха: кислород, водород, азот… Но мысли многих все еще обращены к флогистону.

Даже такие звезды первой величины на химическом небосклоне, как Джозеф Блэк, Генри Кавендиш, Джозеф Пристли, Карл Шееле и другие, не смогли избежать коварных флогистонных «объятий». Все они были убежденными сторонниками учения о флогистоне. Научная достоверность опытов уживалась с иллюзорными представлениями о флогистоне, который тонко вплетался в исследования воды, газов, процессов дыхания, горения и обжига металлов.

Нужно сказать, что сторонники теории флогистона, несмотря на свои заблуждения, внесли в химию огромный вклад. Они раскрыли состав воздуха, продолжили изучение природы воды в ее трех состояниях: жидком, твердом, газообразном.

Многое сделал для этого английский химик Джозеф Блэк (1728—1799). По происхождению шотландец, в молодости он преподавал химию в Глазго. В тридцать восемь лет перебрался в Эдинбург и в тамошнем университете занял кафедру химии, где проработал более трех десятилетий, до последних своих дней. Он потрясал современников виртуозной эрудицией и глубиной знаний. В городе Дж. Блэк прославился лекциями, которые приобрели огромную популярность благодаря простоте, элегантности и точности производимых им опытов. «Блэк оказал сильное влияние,— писал У. Рамзай,— на отношение населения Эдинбурга к науке. Слава, которую он приобрел как профессор, заставляла многих посещать его лекции не столько ради изучения химии, сколько ради интеллектуального наслаждения, которое эти лекции доставляли, и посещение его лекций стало модой».

Он прожил славную жизнь, увлеченный наукой, лекциями, избегая шумного и пустого времяпрепровождения. Блэка отличала важная черта: он не был тщеславен, а самолюбие его никогда не принимало болезненные формы. Окружающие нередко выражали ему свое восхищение и восторг, но он лишь скептически хмурился, испытывая внутреннюю неловкость.

Когда самочувствие Блэка стало ухудшаться и силы начали покидать его, он все внимание переключил на свое здоровье. Резко ограничил себя в еде, полагая, что этим можно побороть старость и надвигающиеся недуги.

Научный вклад Блэка представляет огромнейший интерес. До его работ термин «газ» существовал только в единственном числе, и лишь после открытия им углекислого газа в научный обиход вошло слово «газы». Открытие «связанного воздуха» (углекислого газа), обладающего специфическими, отличными от воздуха свойствами, было важным шагом в истории естествознания как в научном, так и в практическом плане.

Много тонких и оригинальных экспериментов провел Дж. Блэк по изучению теплоты, затрачиваемой на нагревание тел одного веса до одинаковой температуры, и нашел, что количество расходуемой теплоты для каждого тела индивидуально. Таким образом, ему удалось выявить важную зависимость и ввести в научный обиход понятие «теплоемкость тела».

Эти исследования послужили прекрасным отправным началом для серии других опытов по изучению поглощаемой теплоты при плавлении льда и выяснению количественных характеристик теплоты, затрачиваемой при переходе воды в пар.

Изучая скрытую теплоту плавления льда, Блэк провел несколько опытов, которые теперь под силу каждому школьнику старших классов, а тогда воспринимались как событие чрезвычайное и выдающееся. В результате этих опытов Блэк и обнаружил скрытую теплоту плавления льда. После его исследований стали понятны причины выделения и поглощения теплоты при растворении солей и испарении жидкостей.

Первым из ученых Блэк сумел дать правильный ответ на вопрос: куда же расходуется теплота? В одном из своих опытов он взвесил небольшое количество льда и, поместив его в сосуд, добавил равное по массе количество воды. Лед был взят при температуре плавления, т. е. при нуле градусов по Цельсию, что по шкале Фаренгейта, употребляемой во времена Блэка, составляло 32 °Ф, а температура воды была значительно выше — 176 °Ф. Казалось бы, смесь должна приобрести среднюю температуру, т. е. 108 °Ф, но она не поднялась выше 32 °Ф, причем лед полностью растаял. Проведя ряд подобных опытов, Блэк обнаружил, что лед при плавлении поглощает значительное количество теплоты. Ученому даже удалось установить, что при плавлении каждого грамма льда расходуется около 80 малых калорий (по современным измерениям 333,7 *103 Дж/кг).

Эту величину Блэк и назвал «скрытая теплота» плавления льда. С этих же позиций он впервые дал строго научное объяснение действию охлаждающих смесей. Такие компоненты, как, например, хлористый натрий и лед, при переходе в жидкое состояние поглощают значительное количество теплоты, и сама смесь охлаждается до минус 21 °С.

Со скрытой теплотой плавления льда мы сталкиваемся в быту и порой даже не подозреваем об этом. Так, в жаркие летние дни некоторые напитки часто охлаждают кусочками льда. Такое охлаждение воды связано, о чем многие не догадываются, не с температурой самого льда, а со скрытой теплотой его плавления: каждый грамм тающего льда поглощает 333,7 Дж.

Более двух столетий назад известный нидерландский врач и химик Герман Бургаве (1668—1738) допустил Ошибку, не сумев отличить теплоту от температуры. Он считал, что в равных объемах различных тел содержится одинаковое количество теплоты, независимо от природы самой материи, т. е. вещества. Подтверждение этому он находил в том факте, что термометр, соприкасающийся с разными телами, но в одном и том же помещении, показывал одинаковую их температуру. Вот здесь и усмотрел проницательный Блэк явную путаницу и смог в ней разобраться.
Блэк попытался также определить и другую константу, характерную для воды,— «теплоту парообразования» при переходе воды в пар. Найденная им величина оказалась несколько заниженной, однако он правильно понял, что теплота парообразования значительно выше теплоты плавления. По современным данным, на каждую единицу массы вода при переходе в пар поглощает теплоты почти в 7 раз больше, чем лед при плавлении.

Результатами опытов Блэка по изучению теплоты парообразования воспользовался его друг Джеймс Уатт при конструировании специального устройства — конденсатора, которое, как известно, произвело целую революцию в постройке паровых машин.

Эксцентричный и наблюдательный Дж. Уатт, ремонтируя малопроизводительную паровую машину Ньюко-мена, обнаружил значительные потери тепла, обусловленные тем, что вода, впрыскиваемая для конденсации пара, заметно охлаждала стенки цилиндра. Обдумывая различные устройства для сохранения тепла в цилиндре, Дж. Уатт искал наиболее удачное решение проблемы. Им была выполнена большая и трудоемкая работа по определению объема пара, образующегося при кипении воды. Так вода и пар оказались сопричастны к великому изобретению, в корне изменившему техническую оснащенность промышленных предприятий.

Как уже отмечалось, Дж. Блэк длительный период своей жизни посвятил изучению флогистона, однако после открытия кислорода он принял теорию горения А. Лавуазье и, по-видимому, окончательно отошел от флогистона.

Работами Блэка была доказана неоднородность состава воздуха. Дальнейшее бурное развитие исследований в этой области привело к открытию кислорода К. Шееле и Дж. Пристли, водорода Г. Кавендишем, азота Д. Резерфордом и т. д.

Изучение кислорода и водорода явилось ключом к разгадке сложной природы воды.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *