А.Л.ЛАВУАЗЬЕ

Анализ атмосферного воздуха

Химия дает два пути для определения природы составных частей какого-нибудь тела: синтез и разложение. Когда, например, смешивают воду и винный спирт, или алкоголь, и в результате этого получают известную жидкость, которую в продаже называют водкой, то имеют право заключить, что водка представляет собой соединение спирта и воды; но к тому же самому заключению можно прийти и путем разложения. Вообще в химии нельзя считать себя вполне удовлетворенным, пока не объединены эти два рода доказательств.

А.Л.Лавуазье рассказывает о своих опытах ученым-друзьям

Преимущество есть при анализе атмосферного воздуха — его можно разложить и вновь получить, и я ограничусь здесь сообщением лишь о наиболее убедительных опытах, которые были произведены в этом направлении. Среди них нет почти ни одного, который не был бы мною самим произведен, или потому, что я их первым поставил, или потому, что я повторил их под новым углом зрения,— с целью произвести анализ атмосферного воздуха.
Я взял реторту объемом приблизительно в 36 куб. дюймов, с очень длинной шейкой, имевшей 6–7 линий ширины внутреннего просвета¹. Я изогнул ее так, чтобы, поместив на печку, можно было конец ее шейки подвести под колокол, помещенный над ртутной ванной. В эту реторту я ввел 4 унции² очень чистой ртути, затем, путем всасывания посредством сифона, который я ввел под колокол, я поднял ртуть до определенного уровня и тщательно отметил этот уровень полоской приклеенной бумаги, точно наблюдая при этом показания барометра и термометра.
Закончив таким образом все приготовления, я зажег огонь в печке и поддерживал его почти без перерыва в течение 12 дней, причем ртуть нагревалась до температуры, необходимой для ее кипения.

В течение всего первого дня не произошло ничего примечательного: ртуть, хотя и не кипевшая, находилась в состоянии непрерывного испарения и покрывала внутренние стенки реторты капельками, сначала очень мелкими, но постепенно увеличивающимися и, при достижении известного объема, падавшими от собственной тяжести на дно реторты и соединявшимися с остальной ртутью. На второй день я начал замечать плавающие на поверхности ртути небольшие красные частички, которые в течение четырех или пяти дней увеличивались в количестве и объеме, после чего и перестали увеличиваться и оставались в неизменном виде. По прошествии 12 дней, видя, что окаливание ртути нисколько больше не прогрессирует, я потушил огонь и дал остыть прибору. Объем воздуха, содержавшегося как в реторте, так и в ее шейке и в свободной части колокола, приведенный к 28 дюймам³ давления и 10 градусам температуры, был до опыта равен приблизительно 50 куб. дюймам. По окончании операции тот же объем, при том же давлении и той же температуре оказался равным всего лишь 42–43 дюймам; следовательно, произошло уменьшение приблизительно на одну шестую. С другой стороны, тщательно собрав образовавшиеся на поверхности красные частицы и отделив их, насколько было возможно, от жидкой ртути, в которой они плавали, я нашел их вес равным 45 гранам⁴.
Мне пришлось повторить несколько раз это прокаливание ртути в замкнутых сосудах, потому что очень трудно в одном и том же опыте собрать и сохранить и воздух, в котором производился опыт, и красные частицы образовавшейся ртутной окалины.
Мне придется часто соединять таким образом в одном описании результаты двух или трех однородных опытов.
Воздух, оставшийся после этой операции и уменьшавшийся вследствие прокаливания в нем ртути до пяти шестых своего объема, не был годен больше ни для дыхания, ни для горения; животные, вводимые в него, умирали в короткое время, горящие же предметы потухали в одно мгновение, как если бы их погружали в воду. С другой стороны, я взял 45 гранов образовавшегося во время опыта красного вещества и поместил их в маленькую стеклянную реторту, к которой был присоединен прибор, приспособленный для приема жидких и воздухообразных продуктов, которые могут выделиться. Когда я зажег огонь в печке, заметил, что по мере того, как красное вещество нагревалось, его цвет становился все более интенсивным. Когда затем реторта начала накаляться, красное вещество начало мало-помалу уменьшаться в объеме и через несколько минут оно совершенно исчезло, в то же время в небольшом приемнике собралось 41,5 грана жидкой ртути, а под колокол прошло 7–8 куб. дюймов упругой жидкости (так Лавуазье называет газ. – П.К.), гораздо более способной поддерживать горение и дыхание животных, чем атмосферный воздух.
Когда, переведя некоторое количество этого воздуха в стеклянный цилиндр диаметром в один дюйм, я опустил туда свечу, она загорелась ослепительным светом; уголь, вместо того чтобы спокойно тлеть, как в обыкновенном воздухе, горел сильным пламенем и с некоторым треском, подобно фосфору, притом с такой яркостью, которую глаза с трудом переносили. Этот воздух, который был открыт почти в одно время Пристли, Шееле и мною, был назван первым дефлогистированным воздухом, вторым — огненным воздухом. Я ему дал сначала название в высшей степени легко вдыхаемого или весьма удобовдыхаемого воздуха; впоследствии это название было заменено названием жизненный, или живительный, воздух. Мы увидим сейчас, что надо понимать под этими названиями.

Исследование состава воздуха при помощи свечи в цилиндре

Вдумываясь в обстоятельства, сопровождавшие этот опыт, можно видеть, что ртуть при прокаливании поглощает здоровую, годную для дыхания часть воздуха, или, выражаясь более точно, основное начало этой годной для дыхания части воздуха; что оставшаяся часть воздуха представляет собой какое-то вредное выделение, неспособное поддерживать горение и дыхание; следовательно, атмосферный воздух состоит из двух упругих материй различного и, так сказать, взаимно противоположного характера.
Доказательством этой весьма важной истины является то, что если соединить опять обе упругие материи, полученные, как указано выше, отдельно одна от другой, т.е. 42 куб. дюйма вредного, негодного для дыхания воздуха, и 8 куб. дюймов воздуха, поддерживающего дыхание, то получается воздух, во всем схожий с атмосферным, пригодный почти в такой же степени для горения, для кальцинации и для дыхания животных.
Берут кусок очень тонкой железной проволоки, свернутой в спираль, втыкают один из ее концов в пробку, предназначенную для закупорки бутылки. К другому концу этой проволоки прикрепляют небольшой кусочек трута. Когда все приготовлено, как указано, наполняют бутылку воздухом, лишенным своей негодной для дыхания части. Зажигают трут, затем быстро вводят его вместе с железной проволокой в бутыль и закупоривают ее. Как только трут погрузится в «живительный» воздух, он начинает гореть с ослепительным блеском; от него загорается железо, которое само горит, разбрасывая блестящие искры, падающие на дно бутылки в виде круглых шариков; последние, охлаждаясь, чернеют, сохраняя остаток металлического блеска. Сожженное таким образом железо более ломко и хрупко, чем стекло; оно легко превращается в порошок и хотя притягивается еще магнитом, однако меньше, чем до горения.

* * *

Опыты над дыханием животных

Из всех явлений животной жизни нет более поразительного и более заслуживающего внимания физиков и физиологов, чем явления, сопровождающие дыхание. Если, с одной стороны, мы мало знаем о сущности этого исключительного процесса, зато с другой – нам известно, что он имеет настолько важное значение в жизни, что не может прекратиться хотя бы на малейшее время, не подвергая животное опасности немедленной смерти.
Воздух, как всем известно, необходим для дыхания; но в то же время не все виды воздуха, или, шире, не все виды упругих материй (так в XVIII в. называли газы. – П.К.) способны его поддерживать; есть много видов воздуха, которыми животные не могут дышать, чтобы не умереть так же быстро, как если бы они оказались в безвоздушном пространстве.
Разложение воздуха и обратный его синтез — вот пример наиболее полного доказательства, какого можно только достичь в химии, – и из него вытекает с очевидностью: 1) что 5/6 воздуха, которым мы дышим, находится в состоянии мефитическом, т. е. неспособном поддерживать дыхание и горение тел; 2) что остаток, т.е. всего 1/6 объема атмосферного воздуха, годен для дыхания; 3) что при прокаливании ртути это металлическое вещество поглощает всю полезную часть воздуха, оставляя лишь вредную; 4) что, соединяя вновь эти обе разделенные таким образом части воздуха, годную для дыхания и мефитическую, получают опять воздух, подобный атмосферному.
Эти элементарные положения, касающиеся прокаливания металлов, приводят нас к простым следствиям относительно дыхания животных, и так как воздух, служивший известное время для поддерживания этой жизненной функции, имеет большое сходство с воздухом, в котором прокаливались металлы, то данные, касающиеся одного, естественно приложимы и к другому.
Я впустил живого воробья под стеклянный колокол, наполненный обыкновенным воздухом и погруженный в полоскательную чашку с налитой в нее ртутью; объем свободной части колокола равнялся 31 куб. дюйму; в первые минуты птичка, казалось, ничуть не страдала и только немножко присмирела; спустя четверть часа она начала волноваться, дыхание ее стало затрудненным и прерывистым, и с этого момента явления стали развиваться в ускоренном темпе; в конце концов через 55 минут она умерла в конвульсиях. Несмотря на то, что теплота животного, естественно, расширила в течение первых минут воздух, находившийся под колоколом, объем его заметно уменьшился, причем уменьшение это составляло к концу первой четверти часа около 1/40; затем объем по истечении получаса еще немного уменьшился, и, когда после смерти животного заключенный под колокол воздух принял температуру среды, в которой производился опыт, уменьшение оказалось равным не более 1/60.
Этот воздух, которым, следовательно, дышало животное, стал совершенно отличным от атмосферного; с известковой водой он давал муть; огонь гасил; другая птичка, которую я впустил туда, прожила не больше нескольких мгновений; вообще он был крайне удушлив и в этом отношении казался весьма схожим с воздухом, оставшимся после прокаливания ртути.
Однако более глубокое исследование заставило меня заметить два весьма примечательных различия между обоими этими видами воздуха – я имею в виду воздух, который служил для прокаливания ртути, и воздух, которым дышал воробей: 1) уменьшение объема было значительно меньше у второго, чем у первого; 2) воздух, оставшийся после дыхания, давал осадок с известковой водой, между тем как воздух, оставшийся после прокаливания, не вызывал в ней никаких изменений.
С одной стороны, эта разница между обоими видами воздуха, с другой – большое сходство, которое они представляли во многих отношениях, заставили меня предположить, что в дыхании взаимно сочетались две причины, из которых я, по-видимому, знал пока только одну, и, чтобы выяснить свои сомнения в этом отношении, я проделал следующий опыт.
Я пропустил под стеклянный колокол, наполненный ртутью и опущенный в ртуть, 12 куб. дюймов испорченного дыханием воздуха и ввел туда же небольшое количество едкой щелочи; я мог бы воспользоваться для этой же цели известковой водой, но количество ее, которое пришлось бы употребить, было бы слишком велико и могло бы повредить успешности опыта.
Действие едкой щелочи должно было состоять в том, чтобы вызвать сокращение объема данного воздуха приблизительно на 1/6; одновременно щелочь утратила часть своей едкости; она приобрела способность вскипать с кислотами и кристаллизовалась под колоколом в виде весьма правильных ромбов — свойства, которые, как известно, не могут быть ей сообщены иначе, как путем соединения с определенным видом воздуха или газа, известным под названием «связанного» воздуха – air fixe (речь идет об углекислом газе. – П.К.), который я буду впредь называть воздухообразной меловой кислотой. Из сказанного следует, что воздух, испорченный дыханием, содержит около 1/6 воздухообразной кислоты, совершенно сходной с той, которую получают из мела.
Но воздух, который оставался после прокаливания ртути, как видно было выше, представляет собой не что иное, как негодный для дыхания остаток атмосферного воздуха, часть которого, годная для дыхания, соединилась с ртутью во время прокаливания; воздух же, служивший для дыхания, будучи освобожден от содержащейся в нем воздухообразной меловой кислоты, тоже является не чем иным, как остатком обыкновенного воздуха, лишенного своей годной для дыхания части; и действительно, прибавив к этому воздуху, в количестве около 1/4 его объема, воздух, вполне пригодный для дыхания, полученный из ртутной земли, я восстановил его первоначальное состояние и сделал столь же способным, как и обыкновенный воздух, поддерживать и дыхание и горение тем же путем, как я это сделал с воздухом, испорченным при прокаливании металлов.
Опираясь только на факты, можно во всяком случае считать доказанным:
1) что при дыхании происходит взаимодействие только с чистой, наиболее годной для дыхания частью атмосферного воздуха; что остаток, т. е. мефитическая часть, представляет лишь инертную среду, которая входит в легкие и выходит из них почти такою же, как и вошла, т. е. без изменений и нарушений;
2) что окаливание металлов в определенном количестве атмосферного воздуха может, как я уже неоднократно говорил, происходить лишь до тех пор, пока не истощится и не соединится с металлом вся заключающаяся в атмосферном воздухе часть настоящего воздуха, наиболее годного для дыхания;
3) что точно так же, если заключить животное в некоторое данное количество воздуха, оно там погибнет после поглощения им или превращения в воздухообразную меловую кислоту большей части годного для дыхания воздуха и после перехода последнего в мефитическое состояние;
4) что тот вид испорченного воздуха, который остается после прокаливания металлов, ничем не отличается, согласно всем опытам, которые я проделал, от того, который остается после дыхания животных, если только последний освобожден посредством извести или едкой щелочи от своей связывающейся (fixable) части, т.е. от содержащейся в нем воздухообразной меловой кислоты.

* * *

Современная справка: на сгорание в двигателе автомашины 38 л бензина (объем бензобака «Жигулей») расходуется примерно 77 000 л кислорода. Такой объем кислорода потребляют около 30 человек при дыхании в сутки.

¹ 1 куб. дюйм = 16,4 куб. см, 1 линия = 2,5 мм.
² 1 унция = 28,35 г.
³ 1 дюйм = 249 Па.
⁴ 1 гран = 0,065 г.

Материал подготовил
П.А.Кошель