Открытие углекислого газа

Раньше казалось каким-то чудом, что газ может быть собран в небольшом пространстве или что воздух может быть в большом количестве выделен из камня. Это было таким же чудом, как аравийский джинн огромной величины и дикого вида, выскакивающий из бутылки, о котором рассказывается в «Истории рыбака», одной из сказок «Тысячи и одной ночи».

Правда, еще в середине XVII столетия английский химик и физик Роберт Бойль сделал знаменательное открытие, доказав, что чем больше давление, которое испытывает газ, тем меньше пространства он занимает. Но как бы ни было велико давление, воздух Бойля оставался воздухом. Можно было бы убедить людей в том, что, когда вода превращается в пар, она превращается в газ. Но поскольку пары? легко переходят опять в воду, то не было, по-видимому, обращено внимание на сравнительно большое пространство, занимаемое самими пара?ми. Только с открытием шотландского ученого Джозефа Блэка, установившего, что из мрамора при нагревании выделяется углекислый газ, или «фиксируемый воздух», как он его назвал, обратили внимание на то, что газ может быть получен из твердого тела. Кроме того, особое свойство этого газа – быть фиксированным (связанным химически) – совершенно отличало его от обычного воздуха.

Интересен повод, давший толчок к знаменитому открытию Блэка. Английский государственный деятель Роберт Вальполь и его брат Гораций страдали от камней в мочевом пузыре. Им казалось, что они получили некоторое облегчение от лекарства, придуманного некоей миссис Стефенс. При их содействии она получила 5000 фунтов стерлингов за раскрытие своего тайного рецепта, который был напечатан в «Лондонской газете» в 1739 г. Рецепт был таков: «Мои лекарства суть: порошок, отвар и пилюли. Порошок состоит из яичной скорлупы и прокаленных улиток. Чтобы получить отвар, нужно варить некоторые травы с шаром, приготовленным из мыла, обугленного кресса и меда. Пилюли состоят из прокаленных улиток, семени дикой репы, репейника, шиповника и овса (все они должны быть обуглены), мыла и меда. Яичная скорлупа и улитки прокаливаются в течение восьми часов в тигле, окруженном углем, и затем помещаются в глиняный сосуд в сухой комнате, где они и остаются в течение двух месяцев. Здесь скорлупа становится мягкой на вкус и распадается в порошок. Улитки нагреваются в тигле до полного удаления запаха и затем в ступке истираются в порошок. Пропорция такова: 6 частей яичной скорлупы на одну часть порошка улиток. Последний может быть приготовлен только в мае, июне, июле и августе. Травы для отвара: зеленая ромашка, сладкий укроп, петрушка и репейник; листья или коренья».

Доктор Кэлен и его коллеги оспаривали действенность столь странного и едкого средства, и, чтобы найти более мягкую щелочь для медицинских целей, Блэк приступил к своим опытам. Опыты эти были описаны в статье под заглавием «Опыты над белой магнезией, едкой известью и некоторыми другими щелочными веществами».

Все средства, употреблявшиеся в медицине для растворения мочевых камней, обладали едкими свойствами. Их получали из мягких щелочей, т.е. карбонатов, растворы которых варились с гашеной известью, получаемой из едкой извести с водой:

CaO + H₂O = Ca(OH)₂.

Едкая же известь образуется нагреванием на огне известняка:

Взаимодействие карбонатов с известью можно выразить уравнением:

Na₂CO₃ + Ca(OH)₂ = CaCO₃ + 2NaOH.

Здесь CaCO₃, будучи малорастворимой солью, переходит в осадок, а едкий натр NaOH остается в растворе.

Допускали, что едкие свойства исходят от огня, эссенция которого при варке мягких щелочей с известью переходит к щелочам, которые и становятся едкими.

Как доказывает лабораторный дневник ученого, Блэк пытался добыть материю огня в тот момент, когда она выделялась из извести, между тем как последняя на воздухе становилась мягче. Он провел, по-видимому, несколько опытов в этом направлении, ибо в дневнике записано: «Ничего не выделяется, сосуд сильно прибавляет в весе, так как воздух поглощается». Двумя страницами далее он описал опыт, в котором хотел сравнить потерю в весе, испытываемую унцией* известкового камня при накаливании, с потерей, которая получается при растворении ее же в соляной кислоте. Здесь и стала проясняться причина мягкости и едкости веществ, о чем свидетельствует другая запись: «Если я осаждаю известь обыкновенной щелочью, то никакой пены нет. Воздух оставляет щелочь и переходит к извести. Но это уже не известь, а другое вещество. Теперь это пенится, чего при хорошей извести не бывает».

Проследим за ходом мыслей, который привел ученого к этому выводу.

Получив «мягкую магнезию» (MgCO₃) осаждением из горькой соли или сульфата магния с карбонатом калия (поташом), Блэк обнаружил, что она «быстро растворяется с бурным выделением воздуха кислотами купороса, селитры или обыкновенной соли, а также дистиллированным винным уксусом». Если сильно нагреть мягкую магнезию, то она превращается в белый порошок, растворяющийся в кислотах, без выделения пузырьков. Кроме того, она при накаливании теряет ⁷/₁₂ своего веса. Блэк устремил внимание на эту улетучивающуюся часть. Чтобы снова получить ее, он растворил остаток в серной кислоте и снова осадил его щелочью (карбонатом). Полученный белый порошок растворялся в кислотах с обильным выделением пузырьков и снова приобрел первоначальные свойства. Кроме того, он увеличился в весе почти на столько же, сколько потерял при накаливании; а т.к. он растворялся в кислотах с образованием пузырьков, то часть его веса, без сомнения, должна быть приписана воздуху. «Отсюда ясно, – заключил Блэк, – что кислота вытеснила воздух (т.е. CO₂. – П.К.) из щелочи, и он перешел к магнезии». Таким образом, Блэк сделал огромный шаг вперед: он взвесил газ в связанном состоянии.

Теперь Блэк обратил свое внимание на известь. Он растворил известняк в соляной кислоте и обработал раствор мягкой щелочью; между вновь полученным известковым камнем и первоначальным не оказалось никакой разницы. Так он впервые отделил фиксируемый воздух (СО₂) от извести и затем опять соединил их. Эти опыты заставили Блэка сделать вывод, что фиксируемый воздух должен иметь свойства кислоты, ибо он превращает едкую известь, «жесткую землю», как он называл ее, в известняк, или «мягкую землю», а причина мягкости должна заключаться в соединении с фиксируемым воздухом.

Этим объясняется также тот странный факт, что мягкая магнезия при смешивании с известковой водой дает чистую воду: фиксируемый воздух оставляет магнезию и соединяется с известью, а образовавшаяся мягкая известь, как и магнезия, нерастворима в воде. Подобным же образом объясняется действие едкой извести, превращающее мягкие щелочи в едкие: едкая известь извлекает фиксируемый воздух из щелочей, вследствие чего последние становятся едкими, а сама известь мягкой.

Оставалось еще доказать, что фиксируемый воздух не имеет свойств обыкновенного воздуха. Для этого Блэк поместил сначала 4 унции известковой воды и потом 4 унции обычной воды под колокол своего воздушного насоса и выкачал воздух; в обоих случаях он получил почти равное количество воздуха. Отсюда следовало, что воздух, притягиваемый известью, отличается от воздуха, растворенного в воде. Едкая известь не притягивает воздуха, обладающего обычными своими свойствами, а способна соединяться только с особым видом его, «рассеянным в воздухе или в виде очень тонкого порошка, или — что вероятнее — в виде упругой жидкости. Вот эту жидкость я, может быть, весьма неудачно, назвал фиксируемым воздухом; при всем том мне кажется лучшим пользоваться названием, нашедшим уже применение в науке, а не придумывать новое название раньше, чем будут более выяснены природа и свойства этого вещества».

Материал подготовил П.А.КОШЕЛЬ

* Унция – старая мера аптекарского веса, равная 29,8 г.