История открытия кислорода: Лавуазье, Пристли, Шееле и ключевые эксперименты

Оглавление

• Введение: значение открытия кислорода для науки и техники
• Предыстория: теория флогистона и состояние химии газов до 1770-х годов
• Карл Вильгельм Шееле: открытие «огненного воздуха»
• Джозеф Пристли: получение кислорода из оксида ртути
• Сравнение подходов Шееле и Пристли
• Антуан Лоран Лавуазье: опровержение теории флогистона и введение названия «oxygène»
• Ключевые эксперименты Лавуазье
• Научный приоритет и исторический спор о первенстве открытия
• Значение открытия кислорода для развития химии, металлургии и измерительной техники
• Заключение

Введение: значение открытия кислорода для науки и техники

Открытие кислорода в последней трети XVIII века стало одним из поворотных моментов в истории естествознания. До этого события химия находилась в плену представлений, унаследованных ещё от алхимии и античной натурфилософии. Воздух считался простым и неделимым элементом, а горение и дыхание объяснялись с помощью гипотетической «горючей материи». Появление нового газа, способного поддерживать горение значительно лучше обычного воздуха, заставило пересмотреть фундаментальные представления о составе атмосферы, природе окисления и самой структуре вещества.

Значение открытия вышло далеко за рамки чистой химии. Оно заложило основы количественного подхода к изучению газов, потребовало совершенствования весовых и объёмных измерений, стимулировало развитие методов анализа состава воздуха. Именно точность взвешивания и контроль объёмов газовых смесей позволили перейти от качественных наблюдений к строгим количественным законам. В дальнейшем эти принципы легли в основу современной газоаналитической практики, металлургии, технологии горения и многих отраслей, связанных с контролем состава газовых сред.

История открытия кислорода уникальна тем, что три исследователя — шведский аптекарь Карл Вильгельм Шееле, английский священник и естествоиспытатель Джозеф Пристли и французский химик Антуан Лоран Лавуазье — почти одновременно и независимо пришли к выделению одного и того же газа. Каждый из них интерпретировал результаты в рамках господствовавшей тогда теории флогистона, и лишь Лавуазье сумел выйти за её пределы. Именно сочетание экспериментального мастерства, количественного подхода и готовности отказаться от устаревших представлений сделало открытие кислорода событием, изменившим химию.

Для надёжного обнаружения сероводорода, оксида углерода, аммиака и других газов целесообразно купить многоканальный газоанализатор ТОП-СЕНС 360.

Предыстория: теория флогистона и состояние химии газов до 1770-х годов

К середине XVIII века господствующей теорией горения и обжига металлов оставалась теория флогистона, сформулированная Георгом Эрнстом Шталем в начале столетия. Согласно этой концепции, все горючие вещества содержат особое начало — флогистон, которое выделяется при горении или обжиге. Чем больше флогистона в веществе, тем оно горючее. Металлы при обжиге «теряли» флогистон и превращались в «известь» (оксид), а восстановление металла объяснялось обратным присоединением флогистона из угля.

Теория хорошо объясняла качественные наблюдения, но сталкивалась с серьёзными трудностями при попытке количественной проверки. Было давно известно, что при обжиге металлов масса «извести» оказывается больше массы исходного металла. Сторонники флогистона вынуждены были приписывать флогистону отрицательный вес или особые свойства, что делало теорию всё более искусственной.

Параллельно развивалось изучение «воздухов» — различных газообразных веществ. Роберт Бойль ещё в XVII веке показал, что воздух сжимаем и необходим для горения. Джон Мейоу в 1670-х годах экспериментально установил, что в воздухе содержится особая «нитро-воздушная» составляющая, необходимая для дыхания и горения, и даже примерно оценил её долю. Джозеф Блэк в 1750-х годах подробно исследовал «фиксированный воздух» (диоксид углерода), а в 1772 году Даниэль Резерфорд выделил «мефитический воздух» — азот, оставшийся после удаления «жизненной» части атмосферы.

К началу 1770-х годов химики уже умели получать и различать несколько видов газов, собирали их над водой или ртутью, исследовали растворимость и способность поддерживать горение. Однако природа самой «жизненной» части воздуха оставалась неясной. Именно в этой обстановке почти одновременно начали работать Шееле, Пристли и Лавуазье.

Карл Вильгельм Шееле: открытие «огненного воздуха»

Карл Вильгельм Шееле (1742–1786), работавший аптекарем в Уппсале и позднее в Чёпинге, был одним из самых искусных экспериментаторов своего времени. Он обладал редким умением работать с минимальным набором простой аппаратуры — ретортами, пузырями животных для сбора газов, примитивными приёмниками — и при этом получать воспроизводимые результаты.

Уже в 1771–1772 годах Шееле систематически изучал газы, выделяющиеся при нагревании различных веществ. Одним из первых надёжных способов получения нового газа стало нагревание чёрного оксида марганца (пиролюзита) с концентрированной серной кислотой. Выделявшийся газ Шееле первоначально назвал «купоросным воздухом». Позднее он обнаружил, что тот же газ образуется при прокаливании селитры (нитрата калия), оксида ртути, карбоната серебра, нитратов металлов и ряда других соединений.

Особенно удобным и дешёвым методом Шееле считал прокаливание очищенной селитры в стеклянной реторте. При этом происходило разложение:

Газ собирался в предварительно опустошённый и увлажнённый пузырь. Шееле установил, что полученный «огненный воздух» (Feuerluft, empyreal air) нерастворим в воде, не имеет запаха и вкуса, а свеча в нём горит значительно ярче и энергичнее, чем в обычном воздухе. Он также показал, что этот газ составляет примерно четверть объёма атмосферного воздуха, а оставшаяся часть («испорченный воздух») не поддерживает ни горения, ни дыхания.

Шееле интерпретировал результаты строго в рамках теории флогистона. Он полагал, что «огненный воздух» соединяется с флогистоном, выделяющимся при горении, и образует тепло или свет. Несмотря на ошибочную теоретическую основу, экспериментальные наблюдения Шееле были исключительно точными. Он не только выделил кислород несколькими независимыми способами, но и количественно оценил его содержание в воздухе.

Результаты своих исследований 1768–1773 годов Шееле изложил в рукописи «Химический трактат о воздухе и огне». Рукопись была отправлена издателю в 1775 году, однако по вине издателя книга вышла в свет только в 1777 году. К этому моменту работы Пристли и Лавуазье уже были опубликованы, и формальный приоритет оказался утраченным. Тем не менее лабораторные записи и переписка однозначно свидетельствуют, что Шееле получил относительно чистый кислород как минимум на два года раньше Пристли.

В сентябре 1774 года Шееле направил Лавуазье письмо, в котором описывал способ получения «огненного воздуха» из карбоната серебра и предлагал проверить опыт. Лавуазье впоследствии утверждал, что письма не получал или не читал, однако сам факт переписки подтверждает, что Шееле уже в 1774 году активно делился своими результатами.

Джозеф Пристли: получение кислорода из оксида ртути

Джозеф Пристли (1733–1804) пришёл к открытию кислорода иным путём. Будучи священником-диссидентом и страстным экспериментатором, он с начала 1770-х годов систематически исследовал различные «воздухи», выделяющиеся из веществ при нагревании. К 1774 году у него уже был богатый опыт работы с «селитряным воздухом» (оксидом азота), «щелочным воздухом» (аммиаком), «солянокислым воздухом» (хлороводородом) и другими газами.

1 августа 1774 года Пристли провёл эксперимент, ставший классическим. Он поместил красный оксид ртути (mercurius calcinatus per se) в стеклянный сосуд, заполненный ртутью и опрокинутый над ртутной ванной, и направил на вещество солнечные лучи с помощью большой двояковыпуклой линзы диаметром около 30 см и фокусным расстоянием около 50 см. При нагревании оксид разлагался:

Выделившийся газ не растворялся в воде. Когда Пристли внёс в него горящую свечу, пламя вспыхнуло с необычайной яркостью и силой. Тлеющая лучинка немедленно воспламенялась. Позже он поместил в сосуд с новым газом мышь и обнаружил, что животное живёт значительно дольше, чем в таком же объёме обычного воздуха.

Пристли назвал газ «дефлогистированным воздухом», исходя из теории флогистона. Он считал, что обычный воздух уже частично насыщен флогистоном, а новый газ полностью свободен от него и поэтому способен принимать гораздо больше флогистона при горении и дыхании. В своих записях Пристли отмечал, что полученный воздух «в пять-шесть раз лучше обыкновенного воздуха для целей дыхания, горения и, как я полагаю, для всякого другого употребления атмосферного воздуха».

Осенью 1774 года Пристли сопровождал своего покровителя лорда Шелберна в поездке по Европе и в октябре в Париже лично продемонстрировал опыт Лавуазье и другим французским химикам. Вернувшись в Англию, он продолжил исследования и в марте 1775 года сообщил о своих результатах в письмах, которые были зачитаны в Королевском обществе. В том же году вышла статья в «Philosophical Transactions», а в 1775–1776 годах — второй том «Опытов и наблюдений над различными видами воздуха», где открытие было подробно описано.

Таким образом, Пристли стал первым, кто публично объявил о существовании нового газа и описал его свойства. Хотя он не понял истинной природы вещества и до конца жизни оставался приверженцем теории флогистона, его экспериментальная техника и тщательность наблюдений сыграли решающую роль в дальнейшем развитии событий.

Сравнение подходов Шееле и Пристли

Сравнение методов и результатов Шееле и Пристли выявляет как сходство, так и существенные различия. Оба исследователя работали в рамках теории флогистона и оба получили один и тот же газ несколькими способами. Оба отметили его способность поддерживать горение значительно лучше обычного воздуха и оценили (хотя и с разной точностью) его долю в атмосфере.

Шееле был более систематичен в поиске различных источников газа. Он получил кислород из оксида марганца с серной кислотой, из селитры, из оксидов и карбонатов тяжёлых металлов, из нитратов. Его подход можно назвать препаративным и аналитическим: он стремился выделить газ в максимально чистом виде и исследовать его свойства. Пристли, напротив, шёл от широкого обследования «воздухов», выделяющихся при нагревании самых разных веществ. Его ключевой опыт с оксидом ртути был частью большой серии, и сам исследователь поначалу не сразу осознал уникальность полученного газа.

Аппаратура у обоих была простой, но различной. Шееле широко использовал животные пузыри и работал преимущественно с водными затворами. Пристли предпочёл ртутные ванны и сбор газа над ртутью, что позволяло работать с газами, растворимыми в воде, и давало более точный контроль объёма. Пристли также активно применял зажигательные стёкла большой силы, что давало возможность нагревать вещества без прямого контакта с пламенем.

Главное различие заключается в сроках публикации. Шееле получил газ раньше, но задержал издание книги. Пристли опубликовал результаты быстрее и сделал их достоянием научной общественности. Именно поэтому в течение долгого времени именно Пристли считался первооткрывателем кислорода, хотя хронологически первенство принадлежит Шееле.

Оба исследователя остались в рамках флогистонной теории и не смогли дать правильной интерпретации природы нового газа. Для этого потребовался совершенно иной подход — количественный, основанный на точном взвешивании и анализе изменения масс, который развил Антуан Лавуазье. Именно его работы, ставшие предметом следующей части, превратили открытие нового газа в настоящую химическую революцию.

Антуан Лоран Лавуазье: опровержение теории флогистона и введение названия «oxygène»

Антуан Лоран Лавуазье (1743–1794) подошёл к проблеме состава воздуха и природы горения с принципиально иных позиций, чем Шееле и Пристли. Обладая основательной подготовкой в области точных наук и располагая значительными средствами, он с самого начала делал ставку на количественные измерения. Для Лавуазье главным инструментом познания были точные весы и закрытые системы, в которых можно было учесть все изменения массы.

К осени 1774 года Лавуазье уже несколько лет занимался изучением процессов обжига металлов и горения. Он знал, что при прокаливании металлов масса «извести» увеличивается, и искал источник этой прибавки. В октябре 1774 года в Париже он встретился с Пристли, который рассказал о новом газе, получаемом при нагревании красного оксида ртути, и даже продемонстрировал опыт. Примерно в те же дни Лавуазье, по некоторым сведениям, получил письмо от Шееле с описанием способа выделения «огненного воздуха». Эти сведения ускорили его собственные исследования.

26 апреля 1775 года Лавуазье представил в Парижскую академию наук знаменитый «Пасхальный мемуар» — «О природе начала, которое соединяется с металлами при их прокаливании и увеличивает их вес». В нём он показал, что газ, выделяющийся при нагревании оксида ртути без угля, тождественен той части воздуха, которая поглощается металлами при обжиге. Этот газ он сначала называл «чистым воздухом» или «жизненным воздухом», а в 1777–1778 годах дал ему название «oxygène» (от греческих слов ὀξύς — кислый и γεννάω — рождаю). Название отражало тогдашнее убеждение Лавуазье, что этот газ является необходимым началом всех кислот.

Главным достижением Лавуазье стало не просто выделение газа, а полное опровержение теории флогистона. Он доказал, что при горении и обжиге происходит не выделение флогистона, а присоединение кислорода из воздуха. Масса продуктов всегда равна сумме масс исходных веществ и поглощённого кислорода. Тем самым был утверждён закон сохранения массы в химических реакциях и заложена основа кислородной теории горения.

Ключевые эксперименты Лавуазье

Наиболее известным и убедительным стал двенадцатидневный опыт с ртутью, проведённый Лавуазье около 1776–1777 годов. В стеклянную реторту с длинным изогнутым горлышком (в форме лебединой шеи) он поместил чистую ртуть. Горлышко реторты было опущено под колокол, установленный над ртутной или водяной ванной, так что система оставалась закрытой. Воздух внутри реторты и колокола составлял определённый измеренный объём (порядка 50 кубических дюймов).

Реторту нагревали на слабом огне в течение двенадцати дней. Постепенно на поверхности ртути образовывался красный оксид. Одновременно уровень жидкости в колоколе поднимался, что свидетельствовало об уменьшении объёма воздуха. Когда процесс прекратился, объём воздуха сократился примерно на одну пятую — одну шестую часть. Оставшийся газ не поддерживал горение свечи и дыхание животных.

Далее Лавуазье собрал образовавшийся красный порошок и подверг его сильному нагреванию в другой реторте. Оксид разлагался:

При этом выделялся газ, объём которого практически точно соответствовал ранее исчезнувшему объёму воздуха, а также восстанавливалась металлическая ртуть. Этот газ обладал всеми свойствами «дефлогистированного воздуха» Пристли и «огненного воздуха» Шееле: свеча в нём горела ослепительно ярко, животные жили дольше обычного.

Таким образом, Лавуазье впервые количественно доказал, что атмосферный воздух представляет собой смесь двух газов: одного, поддерживающего горение и дыхание (кислорода), и другого, инертного в этих процессах (азота, который он назвал «azote» — безжизненный). Доля кислорода по его измерениям составляла около одной пятой — одной шестой объёма воздуха.

Решающую роль в этих опытах сыграла точность взвешивания. Лавуазье тщательно взвешивал ртуть до и после опыта, собранный оксид, выделенный газ (по объёму и плотности). Он работал в закрытых системах, исключая потери вещества. Именно этот подход позволил ему утверждать, что увеличение массы металла при обжиге точно соответствует уменьшению массы воздуха. Теория флогистона, требовавшая приписывать флогистону отрицательный вес, окончательно утратила основания.

Лавуазье провёл также многочисленные опыты по сжиганию фосфора, серы, угля и других веществ в закрытых сосудах, измеряя изменения объёма и массы. Во всех случаях он подтверждал одну и ту же закономерность: горение есть соединение вещества с кислородом.

Научный приоритет и исторический спор о первенстве открытия

Вопрос о приоритете открытия кислорода остаётся предметом исторических дискуссий уже два с половиной столетия. Хронологически первым кислород выделил Карл Вильгельм Шееле — в 1771–1772 годах. Он подробно описал свойства газа и способы его получения, однако опубликовал результаты только в 1777 году. Джозеф Пристли получил газ 1 августа 1774 года и уже в 1775 году сделал открытие достоянием научной общественности. Антуан Лавуазье в 1775–1778 годах дал правильную интерпретацию природы газа, доказал его роль в горении и дыхании, ввёл современное название и построил на этой основе новую химическую теорию.

Сам Лавуазье в поздних работах писал, что открыл кислород «почти в одно время» с Пристли и Шееле. Однако документы показывают, что ключевые сведения он получил от Пристли лично и, возможно, из письма Шееле. При этом именно Лавуазье первым понял, что новый газ является составной частью воздуха, а не модифицированным воздухом, лишённым флогистона.

Справедливости ради следует признать: Шееле первым выделил вещество, Пристли первым опубликовал описание, Лавуазье первым создал теорию. Каждый из трёх внёс незаменимый вклад. Без экспериментального мастерства Шееле и Пристли Лавуазье не получил бы исходных данных. Без количественного метода и теоретической смелости Лавуазье открытие осталось бы лишь ещё одним «воздухом» в длинном списке газов XVIII века.

История открытия кислорода наглядно демонстрирует, как в науке сочетаются индивидуальное экспериментальное искусство, своевременная публикация и способность к концептуальному переосмыслению фактов. Приоритет в конечном счёте принадлежит не тому, кто первым увидел явление, а тому, кто сумел правильно его объяснить и встроить в целостную систему знаний.

Значение открытия кислорода для развития химии, металлургии и измерительной техники

Открытие кислорода и создание кислородной теории горения стали основой современной химии. Была окончательно опровергнута теория флогистона, утверждён закон сохранения массы, введено чёткое различение элементов и соединений. Появилась возможность количественно описывать реакции окисления, горения, дыхания и коррозии.

В металлургии понимание роли кислорода позволило целенаправленно управлять процессами обжига руд, плавки и рафинирования металлов. Стало ясно, почему при нагревании металлов на воздухе образуются окалины и как можно предотвращать или, наоборот, использовать окисление. Контроль содержания кислорода в газовых средах печей приобрёл практическое значение.

Не менее важным оказалось влияние открытия на развитие измерительной техники. Опыты Лавуазье показали критическую роль точного взвешивания и измерения объёмов газов. Это стимулировало совершенствование лабораторных весов, газометров, эвдиометров и приборов для определения состава воздуха. В дальнейшем на этой основе выросли методы газового анализа, кислородные анализаторы, системы контроля атмосферы в промышленных процессах и средства измерения параметров газовых сред.

Сегодня точное определение содержания кислорода необходимо в металлургии, химической промышленности, энергетике, медицине, пищевой отрасли и охране окружающей среды. Современные приборы позволяют непрерывно контролировать концентрацию кислорода в широком диапазоне — от следовых количеств до почти чистого газа. Принципы, заложенные в XVIII веке точными измерениями Лавуазье, продолжают работать в каждом таком измерении.

Заключение

История открытия кислорода — это история трёх выдающихся исследователей и трёх разных путей к одному результату. Шееле первым выделил газ и тщательно изучил его свойства. Пристли сделал открытие достоянием науки и описал удивительную способность нового воздуха поддерживать жизнь и горение. Лавуазье превратил эмпирические факты в строгую теорию, опроверг господствовавшие заблуждения и дал веществу имя, которым мы пользуемся до сих пор.

Это открытие изменило не только химию. Оно показало силу количественного эксперимента, значение точных измерений массы и объёма, необходимость проверять теории весами и мерными сосудами. Именно поэтому работы Лавуазье, Пристли и Шееле остаются образцом научного подхода и сегодня.

В современных условиях, когда контроль состава газовых сред определяет качество продукции, безопасность процессов и эффективность технологий, точные измерения содержания кислорода по-прежнему сохраняют первостепенное значение. Если вам требуется надёжно определять концентрацию кислорода в воздухе, технологических газах или закрытых объёмах, имеет смысл купить соответствующий прибор для газового анализа. Цена такого оборудования окупается стабильностью процессов и качеством контроля. Правильно выбранный измерительный прибор позволяет получать достоверные данные в реальном времени и принимать обоснованные решения.

Материал подготовил технический директор НПП «КИПОФФ» Березин Александр Сергеевич