Химия - Учебное пособие (Монич Т.П.)

1.3. первые точно установленные химические элементы. закон сохранения массы

Древним были известны семь металлов: золото, серебро, медь, железо, олово, свинец, ртуть, а также два неметалла - углерод и сера. В средние века алхимики выделили мышьяк, сурьму, висмут и цинк. Было совсем не очевидно, что выделенные металлы и неметаллы есть элементы. Еще господствовал взгляд о существовании всего четырех элементов-стихий Аристотеля, из которых построены все сложные вещества. На первый, не очень внимательный взгляд суждения об элементах-стихиях могли показаться наивными. Но это не так, догадки древних греков были весьма глубоки и отражали реальное состояние материи. Замените элементы-стихии воздух, воду, землю на три агрегатных состояния газ, жидкость, твердое тело, и вы получите современную картину состояний вещества. Элемент-стихия огонь с современных позиций есть энергия.

Французский химик Антуан Лавуазье (1743-1794)  исследовал превращение элемента-стихии воды в элемент-стихию землю, считая, как и древние натурфилософы, что такое превращение одного элемента в другой происходит при нагревании. Основания так думать о химических превращениях были. Химики знали, что при длительном кипячении воды в стеклянном сосуде появляется твердый осадок. Этот результат мог означать, что вода превращается в землю. Лавуазье 101 день кипятил воду в закрытом стеклянном сосуде, сделанном так, что водяной пар конденсировался и возвращался обратно в колбу без потерь. Он тщательно взвешивал и сосуд, и воду до и после кипячения. Осадок при этом действительно появился, но ровно настолько уменьшалась масса самого сосуда, а масса воды не изменилась. Следовательно, вода не превращалась в землю даже в небольшом количестве. Происходило простое выщелачивание стекла. Этот опыт показал, что количественные измерения позволяют установить истинные причины явлений. Они не согласовывались с теорией четырех элементов-стихий Аристотеля.

            Лавуазье убедился, что при нагревании металлов (олово, свинец) с воздухом в закрытых сосудах (ретортах) химическое превращение (металл покрывался окалиной) не приводило к изменению массы веществ. Вес закрытой реторты до и после реакции оставался неизменным. В то время уже было известно, что окалина весит больше, чем сам металл. Следовательно, масса воздуха в реторте должна уменьшиться. Так и происходило. Когда Лавуазье открыл реторту, туда устремился воздух.

В 1775 г. Лавуазье выступает с докладом в Академии наук с сообщением о том, что воздух не является простым веществом-элементом. В состав воздуха входит газ, который поддерживает горение и окисляет металлы. Лавуазье назвал его кислородом. Другой составной частью воздуха является газ, который не поддерживает ни горение, ни дыхание (позднее он был назван азотом). Этот факт был серьезным ударом по элементам-стихиям. Воздух не был элементом. Он имел сложный состав. Стали понятны опыты, выполненные Лавуазье еще в 1772 г. В этом году Лавуазье с коллегами-химиками купили в складчину алмаз. Лавуазье нагревал его в закрытом сосуде с воздухом до тех пор, пока алмаз не исчез. При этом образовался газ, который получался при сжигании угля. Это был углекислый газ.

            Размышляя над результатами своих исследований, Лавуазье пришел к мысли, что если учитывать все вещества, участвующие в химической реакции, то суммы масс веществ будут оставаться постоянными до и после реакции. В «Элементарном курсе химии» он писал: «Следует принять в качестве неопровержимой аксиомы, что ни в одном из процессов, осуществляемых экспериментально или в природе, ничто не создается из ничего; до начала эксперимента и после него существует равное количество материи… . На этом принципе основано все искусство проведения химических экспериментов». Это положение, известное как закон сохранения массы, стало краеугольным камнем химии XIX века.

            Размышления о природе и законах химических превращений не имеют границ. К одним и тем же выводам приходят ученые разных стран. Задолго до работ, выполненных Лавуазье, в России Ломоносов (1711-1765) в письме к выдающемуся математику Эйлеру писал в 1748 г.: «Все встречающиеся в природе изменения происходят так, что если к чему-либо нечто прибавилось, то это отнимется от чего-то другого. Так, сколько материи прибавляется какому-либо телу, столько же теряется у другого… . Так как это всеобщий закон природы, то он распространяется и на правила движения, тело столько же теряет от своего движения, столько сообщает другому, им двинутому». Проводя опыты по обжигу металлов в запаянных сосудах, он доказал в 1756 г., что масса сосуда до и после обжига не изменялась. К сожалению, труды Ломоносова были опубликованы на русском языке, и западноевропейские химики, включая Лавуазье, не могли с ними ознакомиться.

            Этап таинственных элементов-стихий Аристотеля закончился торжеством точных измерений объемов, давлений газов и масс вещества. Начался этап экспериментальных исследований. Появляется первый учебник по химии в современном понимании этого слова. Это был упоминавшийся выше «Элементарный курс химии», опубликованный Лавуазье в 1789 г. В нем содержался перечень 33 известных к тому времени элементов или, вернее, веществ, которые Лавуазье, руководствуясь определением Бойля, считал элементами, т.е. веществами, неспособными делиться на более простые вещества.

Судьба Лавуазье была трагична. Его основным занятием, обеспечивавшим ему безбедное существование и возможность проводить исследования на свои деньги, было участие в акционерном обществе «Генеральный откуп» - комиссии, которая до Великой французской революции собирала для правительства налоги с населения. Председатель революционного трибунала обвинил Лавуазье в связях с аристократами и заявил: «Республика не нуждается в химиках и ученых». Работа в этой организации стоила Лавуазье жизни, он был казнен на гильотине в 1794 г.