Горят ли алмазы. Углерод: история открытия элемента Опыт «О природе воды»

Восемнадцатый век, Франция, Париж. Антуан Лоран Лавуазье, один из будущих творцов химической науки, после многолетних экспериментов с разными веществами в тиши своей лаборатории вновь и вновь убеждается в том, что совершил подлинную революцию в науке. Его простые по сути химические опыты по сжиганию веществ в герметически закрытых объемах полностью опровергают общепринятую в то время теорию флогистона. Но веские, строго количественные доказательства в пользу новой "кислородной" теории горения в ученом мире не принимаются. Очень уж прочно засела в головах наглядная и удобная флогистонная модель.

Что же делать? Убив два-три года на бесплодные усилия отстоять свою идею, Лавуазье приходит к заключению, что до чисто теоретических аргументов его научное окружение еще не дозрело и следует пойти совершенно иным путем. В 1772 году великий химик решается с этой целью на необычный эксперимент. Он приглашает всех желающих принять участие в зрелище по сжиганию в запаянном котле… увесистого куска алмаза. Как же тут удержаться от любопытства? Ведь речь идет не о чем-нибудь, а об алмазе!

Вполне понятно, что вслед за сенсационным сообщением в лабораторию вместе с обывателями валом повалили и ярые оппоненты ученого, до этого никак не желавшие вникать в его опыты со всякой там серой, фосфором и углем. Помещение было надраено до блеска и сияло не меньше, чем приговоренный к публичному сожжению драгоценный камень. Надо сказать, что лаборатория Лавуазье по тем временам принадлежала к одной из лучших в мире и вполне соответствовала дорогостоящему эксперименту, в котором идейным противникам хозяина теперь просто не терпелось принять участие.

Алмаз не подвел: сгорел без видимого следа, согласно тем же законам, что распространялись и на другие презренные вещества. Ничего существенно нового с научной точки зрения не произошло. Зато "кислородная" теория, механизм образования "связанного воздуха" (углекислого газа) наконец-то дошли до сознания даже самых закоренелых скептиков. Они поняли, что алмаз исчез не бесследно, а под воздействием огня и кислорода претерпел качественные изменения, превратился в нечто иное. Ведь по окончании эксперимента колба весила ровно столько, сколько в начале. Так с ложным исчезновением у всех на глазах алмаза из научного лексикона навсегда исчезло слово "флогистон", обозначающее гипотетическую составную часть вещества, якобы теряемую при его горении.

Но свято место пусто не бывает. Одно ушло, другое пришло. Флогистонную теорию вытеснил новый фундаментальный закон природы - закон сохранения материи. Лавуазье был признан историками науки первооткрывателем этого закона. Убедить в его существовании человечество помог алмаз. В то же время эти же историки напустили вокруг нашумевшего события такие клубы тумана, что разобраться в достоверности фактов до сих пор представляется довольно непростым делом. Приоритет важного открытия вот уже много лет и без всяких к тому оснований оспаривается "патриотическими" кругами самых разных стран: России, Италии, Англии…

Какими же аргументами обосновываются претензии? Самыми нелепыми. В России, например, закон сохранения материи приписывается Михаилу Васильевичу Ломоносову, который в действительности его не открывал. Причем в качестве доказательств борзописцы химической науки беспардонно используют выдержки из его личной переписки, где ученый, делясь с коллегами своими рассуждениями о свойствах материи, якобы собственноручно свидетельствует в пользу этой точки зрения.

Итальянские историографы притязания на приоритет мирового открытия в химической науке объясняют тем, что… Лавуазье не первого осенила догадка использовать в опытах алмаз. Оказывается, еще в 1649 году видные европейские ученые познакомились с письмами, в которых сообщалось о подобных экспериментах. Они были предоставлены Флорентийской Академией наук, и из их содержания следовало, что местные алхимики уже тоща подвергали алмазы и рубины сильному воздействию огня, помещая их в герметически закрытые сосуды. При этом алмазы исчезали, а рубины сохранялись в первозданном виде, из чего делался вывод об алмазе как "поистине волшебном камне, природа которого не поддается объяснению". Ну и что? Все мы так или иначе движемся по стопам предшественников. А то, что алхимиками итальянского Средневековья не была распознана природа алмаза, только лишь наводит на мысль о недоступности их сознанию и многих других вещей, в том числе вопроса о том, куда девается масса вещества при его нагревании в исключающем доступ воздуха сосуде.

Весьма шатко выглядят и авторские амбиции англичан, которые вообще отрицают причастность Лавуазье к сенсационному эксперименту. По их убеждению, в актив великого французского аристократа была несправедливо занесена заслуга, принадлежащая на самом деле их соотечественнику Смитсону Теннанту, который известен человечеству как первооткрыватель двух самых дорогих в мире металлов - осмия и иридия. Именно он, как заявляют англичане, проделывал подобные демонстрационные трюки. В частности, сжигал в золотом сосуде алмаз (до этого графит и древесный уголь). И именно ему принадлежит важное для развития химии умозаключение о том, что все эти вещества имеют одинаковую природу и при сгорании образуют углекислый газ в строгом соответствии с весом сгораемых веществ.

Но как ни тщятся отдельные историки науки хоть в России, хоть в Англии умалить выдающиеся достижения Лавуазье и отвести ему второстепенную роль в уникальных исследованиях, у них все равно ничего не получается. Гениальный француз продолжает оставаться в глазах мировой общественности человеком всеобъемлющего и оригинального ума. Достаточно вспомнить его знаменитый опыт с дистиллированной водой, который раз и навсегда поколебал бытующий в то время среди многих ученых взгляд на способность воды превращаться при нагревании в твердое вещество.

Сложился этот неверный взгляд на основе следующих наблюдений. Когда воду упаривали "досуха", на дне сосуда неизменно обнаруживался твердый остаток, который для простоты называли "землей". Отсюда и ходили разговоры о превращении воды в землю.

В 1770 году Лавуазье подверг расхожее мнение проверке. Для начала он сделал все, чтобы получить как можно более чистую воду. Достичь этого можно было тогда только одним способом - перегонкой. Взяв самую лучшую в природе дождевую воду, ученый перегнал ее восемь раз. Затем наполнил очищенной от примесей водой заранее взвешенную стеклянную емкость, герметично закупорил ее и снова зафиксировал вес. Затем в течение трех месяцев он нагревал этот сосуд на горелке, доведя его содержимое почти до кипения. В итоге на дне емкости действительно оказалась "земля".

Но откуда? Чтобы ответить на этот вопрос, Лавуазье вновь взвесил сухой сосуд, масса которого уменьшилась. Установив, что вес сосуда изменился настолько, насколько появилось в нем "земли", экспериментатор понял, что смущавший коллег твердый остаток просто выщелачивается из стекла, и ни о каких чудодейственных превращениях воды в землю не может быть и речи. Такой вот происходит любопытный химический процесс. И под воздействием высоких температур он протекает намного быстрее.

В 1764 г. Парижская Академия наук объявила конкурс на тему "Найти лучший способ освещения улиц большого города, соединяющий в себе яркость освещения, легкость обслуживания и экономичность". Лучшим был признан проект под девизом "И путь свой отметит огнями" (слова из "Энеиды" Вергилия). В проекте научно обосновывались различные устройства уличного освещения: фонарями масляными и с сальными свечами, с рефлекторами и без них и т.д.

9 апреля 1765 г. победителю была вручена золотая медаль Академии. Им оказался двадцатидвухлетний Антуан Лоран Лавуазье - будущая гордость французской и мировой науки.

Родился он 26 августа 1743 г. в семье адвоката парижского суда. Отец хотел видеть Антуана адвокатом и отдал его в старинное аристократическое учебное заведение-коллеж Мазарини, затем учеба была продолжена на юридическом факультете университета.

Антуан, отличавшийся прекрасными способностями, учился легко, так как с юных лет он выработал привычку к напряженному систематическому труду. В университете кроме юридических наук Лавуазье изучает и естественные, которыми увлекается все больше. Он слушает курс лекций по химии у известного химика Г. Руэля, занимается минералогией у Ж. Геттара, ботаникой - у Б. де Жюссье.

В 1764 г. Лавуазье окончил университет со званием адвоката, а в феврале следующего года он представляет в Парижскую Академию наук свою первую работу по химии "Анализ гипса", в которой проявилась его самостоятельность и оригинальность мышления. Если до этого о составе минералов судили в основном по "действию огня", то он изучал "на гипсе действие воды-этого почти универсального растворителя"; исследовал процесс кристаллизации и установил, что при застывании гипс поглощает воду.

В 1768 г. он избирается в Академию наук адъюнктом по классу химии. Французские ученые возлагали на него большие надежды, и они не ошиблись.

В том же году Лавуазье становится генеральным откупщиком. Как один из членов Компании Генерального откупа он получил право взимать налоги и пошлины с населения. Выполняя задания Компании, он инспектировал табачные фабрики и таможни на западе Франции. Доходы шли главным образом на приобретение дорогостоящих приборов для научных исследований. Участие в Генеральном откупе стало причиной трагической гибели великого ученого во время буржуазной революции.

Имея много обязанностей по делам откупа, Лавуазье занимался химией только с 6 до 9 часов утра и с 7 до 10 часов вечера ежедневно и один раз в неделю (по субботам) полностью весь день.

С 1772 г. Лавуазье начинает изучать горение и обжиг металлов, предполагая "повторить с новыми предосторожностями, дабы объединить все то, что мы знаем о том воздухе, который связывается или выделяется из тел (речь идет о СO 2 - Б. К.), с другими добытыми познаниями и создать теорию". В том же году он начал опыты по горению, а также кальцинации металлов. Первый эксперимент-сжигание алмаза. Лавуазье поместил его в закрытый сосуд и нагревал с помощью увеличительного стекла до тех пор, пока алмаз не исчез. Исследовав образовавшийся газ, Лавуазье установил, что это "связанный воздух" (СO 2). Затем ученый подверг сжиганию фосфор и серу в герметически закрытых колбах, предварительно взвесив их. Анализируя результаты опытов, он убедился, что вес фосфора и серы при горении увеличился, а такое "увеличение происходит благодаря громадному количеству воздуха, который связывается при горении". Это наводит Лавуазье на мысль, что и при кальцинации металлов происходит поглощение воздуха. В доказательство он ставит в следующем году специальные опыты (опять же проводя тщательное взвешивание). В закрытых сосудах нагревались различные металлы: олово, свинец, цинк. Вначале на их поверхности образовывался слой окалины (оксидов), но через некоторое время процесс прекращался. Однако окалина тяжелее исходного металла, вес же сосуда до и после нагревания оставался тем же. Значит, прибавление в весе металла могло произойти только за счет имевшегося в сосуде воздуха, но тогда там должно быть разреженное пространство. И действительно, когда сосуд открывали, в него устремлялся воздух и вес сосуда становился больше (вспомните опыты М. В. Ломоносова).

Почему же с металлами соединяется не весь воздух? Какая из его составных частей реагирует с веществами? Эти вопросы волновали Лавуазье. Ответы на них пришли после встречи с Пристли.

Повторив опыты английского ученого, Лавуазье констатировал, что 1 / 5 часть воздуха соединяется с ртутью, превращая ее в окалину (оксид ртути), а оставшиеся 4 / 5 воздуха не поддерживают горение и дыхание. При нагревании оксида выделяется тот же объем воздуха, который, смешиваясь с оставшимся, дает первоначальный воздух. Следовательно, обычный воздух состоит из двух частей: "чистого воздуха" и "удушающего воздуха".

В 1775 г. Лавуазье становится "главным распорядителем порохов" (управляющим селитряной и пороховой промышленностью). Он переезжает в Арсенал, где устраивает отличную лабораторию; в ней он проработал почти до конца жизни.

Выполненные работы подводили Лавуазье к мысли о том, что при горении веществ важную роль играет "чистый", или "живительный", воздух, а не фантастический флогистон. Весь свой богатый экспериментальный материал ученый обобщил в трех статьях, которые представил в Академию.

В первой рассматривалось взаимодействие ртути с "купоросной кислотой" (серной) и обжиг образующегося при этом ртутного купороса. Вторая статья "О горении вообще" была наиболее важной, так как в ней Лавуазье предлагал "новую теорию горения". Согласно этой теории горение есть процесс соединения тел с кислородом с одновременным выделением тепла и света. Получающиеся при этом продукты-не простые вещества, а сложные, состоящие из тела и кислорода. При горении вес веществ увеличивается. Третья статья имела название "Опыты над дыханием животных и об изменениях, которые совершаются в воздухе, проходящем через легкие". В ней автор отмечал, что дыхание животных тождественно горению, только идет оно медленнее, и образующееся при этом тепло поддерживает постоянную температуру в организме.

Эти работы были высоко оценены Ф. Энгельсом, который писал, что Лавуазье "впервые поставил на ноги всю химию, которая в своей флогистонной форме стояла на голове".

Кислородная теория горения опровергала теорию флогистона. Недаром крупнейшие химики того времени - приверженцы флогистона, и среди них Шееле, Кавендиш, Пристли, отказывались ее признать. В Германии же поклонники "огненной материи" в знак протеста даже сожгли портрет Лавуазье...

За свои новаторские исследования Лавуазье в 1778 г. был избран академиком Парижской Академии наук.

В 1789 г. выходит "Начальный курс химии" в трех частях - один из важнейших трудов ученого. В том же году во Франции началась буржуазная революция. В марте 1792 г. ликвидируется откуп, а в следующем году Конвент принимает решение об аресте откупщиков, в том числе и Лавуазье. После суда все откупщики были приговорены к смертной казни. 8 мая 1794 г. Лавуазье был гильотинирован. Он расплачивался, по словам К. А. Тимирязева, "за грехи целых поколений хищников, высасывавших из французского народа его жизненные соки".

Одной из первых публикаций А. Лавуазье был мемуар «О природе воды» (1769). Работа была посвящена вопросу о возможнйсти превращения воды в землю. В течение 101 дня А. Лавуазье нагревал воду в стеклянном сосуде «пеликан» и обнаружил (как и К. Шееле) образование в воде листочков сероватой земли. В отличие от К. Шееле А. Лавуазье не производил химического анализа этой земли, но путем взвешивания сосуда и высушенных листочков установил, что они получаются в результате растворения стекла.

Решив таким образом вопрос, занимающий в то время ученых, А. Лавуазье наметил исследование «О природе воздуха». Изучив и проанализировав данные о поглощении воздуха в различных химических процессах, он составил обширный план исследования: «Операции, посредством которых, - писал он, - можно добиться связывания воздуха, суть: рост растений, дыхание животных, при некоторых обстоятельствах - обжиг, наконец, некоторые (другие) химические реакции. Я признал, что должен начать с этих экспериментов»

Во второй половине 1772 г. А. Лавуазье уже был занят опытами сжигания различных веществ, прежде всего фосфора. Он установил, что для полного сжигания фосфора потребно большое количество воздуха. Объяснение этого факта, данное им, было еще флогистическим. Однако вскоре он представил Академии наук мемуар, в котором писал: «... я открыл, что сера при горении вовсе не теряет в весе, а, напротив, увеличивается, т. е. из 1 фунта серы можно получить значительно больше, чем 1 фунт купоросной кислоты... то же самое можно сказать о фосфоре;

это увеличение происходит благодаря громадному количеству воздуха, который связывается при горении» . Далее А. Лавуазье высказывает предположение, что увеличение массы металлов при кальцинации также объясняется поглощением воздуха.

В следующем году А. Лавуазье поставил исследования по кальцинации металлов. Он сообщает также о дальнейших опытах по поглощению воздуха в процессах горения и высказывается (пока еще не в категорической форме) о субстанции, содержащейся в воздухе и связывающейся с горящими веществами в процессе горения. Описывая опыты кальцинации металлов, А. Лавуазье подтвердил факт поглощения при этом воздуха.

Для всестороннего изучения процессов горения и действия на различные вещества высоких температур А. Лавуазье построил большую зажигательную машину с двумя большими линзами, с помощью которой произвел сжигание алмаза. Результаты всех этих исследований стояли в полном противоречии с теорией флогистона. А. Лавуазье приходилось соблюдать крайнюю осторожность в формулировках выводов. Но он продолжал работать по намеченному плану, все более и более убеждаясь в полной необоснованности теории флогистона. В 1774 г. А. Лавуазье начал прямую атаку на эту теорию. Анализируя результаты своих опытов по сжиганию различных веществ, он вскоре пришел к выводу, что воздух - не простое тело, как думали ученые XVIII в., а смесь различных по свойствам газов. Одна из частей смеси поддерживала горение. Опытным путем А. Лавуазье отверг предположение, что это «фиксируемый воздух» Блэка, наоборот, он утверждал, что эта часть «наиболее удобна для дыхания».

В это время (70-е гг.) открытие кислорода «носилось в воздухе» и стало уже неизбежным. Действительно, К. Шееле открыл кислород в 1772, а Дж. Пристлей - в 1774 гг. А. Лавуазье не сразу пришел к открытию кислорода. Изучая кальцинацию металлов с образованием «извести», он полагал, что «наиболее пригодная для дыхания» часть воздуха может быть получена из металлической «извести», т. е. из оксидов любых металлов. Однако его попытки не увенчались успехом, и только в ноябре 1774 г. (после свидания с Дж. Пристлеем) он перешел к опытам с оксидом ртути.

Эти опыты А. Лавуазье выполнил двумя путями. Он прокаливал оксид ртути с углем и получил «фиксируемый воздух» Блэка, а также просто нагревал оксид ртути. Полученный при этом газ представлял, по его мнению, наиболее чистую часть воздуха. А. Лавуазье пришел также к заключению, что «фиксируемый воздух» представляет собой соединение «чистого» воздуха с углем. В своем докладе академии он называл «наиболее чистую часть воздуха» также «весьма удобовдыхаемым» или «живительным воздухом».

Важные выводы были сформулированы А. Лавуазье в мему- аре «Опыты над дыханием животных»: 1. При дыхании происходит взаимодействие только с чистой «наиболее пригодной для дыхания» частью атмосферного воздуха. Остальная часть воздуха представляет собой лишь инертную среду, которая не изменяется при дыхании. 2. Свойства испорченного воздуха, остающегося в реторте после прокаливания металлов, ничем не отличаются от свойств воздуха, в котором некоторое время находилось животное.

Начиная с 1777 г. А. Лавуазье выступил открыто против теории флогистона . В одном из мемуаров он писал: «Химики сделали из флогистона смутное начало, которое не определено в точной мере и которое поэтому пригодно для любых объяснений, в которые его хотят ввести. Иногда это начало весомо, иногда оно таковым не является; иногда это свободный огонь, иногда это огонь, соединенный с землистым элементом; иногда оно проходит сквозь поры сосудов, иногда они непроницаемы для него. Он объясняет одновременно и щелочность и нейтральность, прозрачность и непрозрачность, окраску и отсутствие окраски; это настоящий Протей, который меняет свой облик каждое мгновение»

Интересно, что эти слова А. Лавуазье напоминают формулировки М. В. Ломоносова, писавшего в 1744 г. об «огненной материи», которая то входит в поры тел, «... как бы привлекаемая каким-то приворотным зельем, то бурно покидает их, как бы объятая ужасом» .

В мемуаре «О горении вообще» (1777) А. Лавуазье дал следующую характеристику явлений горения: «1. При всяком горении происходит выделение «огненной материи», или света. 2. Тела могут гореть только в очень немногих видах воздуха, или, вернее, горение может происходить лишь только в одном виде воздуха, который Пристлей называл безфлогистонным и который я буду называть «чистым» воздухом. Тела, которые мы называем горючими, не только не горят в пустоте, или каком-либо другом воздухе, но там они гаснут так быстро, как если бы их погружали в воду... 3. При всяком горении происходит разрушение, или разложение «чистого» воздуха, а вес сгоревшего тела увеличивается точно на количество поглощенного воздуха. 4. При всяком горении горящее тело превращается в кислоту... так, если под колоколом сжигать серу, то продуктом горения будет серная кислота...» .

Основываясь на последнем положении, А. Лавуазье создает теорию кислот, которые образуются при соединении кислотообразующего начала с горючими веществами. Этому кислотообразующему началу в связи с этим он дал название «оксиген» (родящий кислоту, или кислород). Теория кислот А. Лавуазье оказалась, однако, не соответствующей многим известным фактам. Так, соляная кислота образуется без всякого участия кислорода. А. Лавуазье в данном случае принужден был прибегнуть к фантазии для объяснения состава этой кислоты. Он допустил, что в соляной кислоте содержится особое простое тело - мурий, - находящееся в кислоте в окисленном состоянии. Поэтому до недавнего времени соляная кислота называлась у фармацевтов муриевой кислотой.

Противоречил теории кислот Лавуазье и факт образования воды при сжигании водорода. В течение нескольких лет Лавуазье безуспешно пытался обнаружить в воде следы кислоты. При этом он установил даже объемные отношения водорода и кислорода в воде (12:22,9, т. е. почти как 1:2). Этому результату он, однако, не придал значения. При разложении воды он, действуя на воду железными опилками, получил водород. Эти исследования были завершающими в запланированной серии опытов, поставленных с целью ниспровержения теории флогистона.

Упомянем, что претензии со стороны некоторых ученых на приоритет открытий А. Лавуазье оказались неосновательными. Действительно, открытие кислорода по существу принадлежит именно А. Лавуазье, а не К. Шееле и Дж. Пристлею, остававшихся, по словам Ф. Энгельса, «в плену флогистических категорий» и не понимавших, что именно они открыли. «И если даже, - писал далее Энгельс, - А. Лавуазье и не дал описания кислорода, как он утверждал впоследствии, одновременно с другими и независимо от них, то все же, по существу дела, открыл кислород он, а не те двое, которые только описали его, даже не догадываясь о том, что именно они описывали»

Углерод (англ. Carbon, франц. Carbone, нем. Kohlenstoff) в виде угля, копоти и сажи известен человечеству с незапамятных времен; около 100 тыс. лет назад, когда наши предки овладели огнем, они каждодневно имели дело с углем и сажей. Вероятно, очень рано люди познакомились и с аллотропическими видоизменениями углерода - алмазом и графитом, а также с ископаемым каменным углем. Не удивительно, что горение углеродсодержащих веществ было одним из первых химических процессов, заинтересовавших человека. Так как горящее вещество исчезало, пожираемое огнем, горение рассматривали как процесс разложения вещества, и поэтому уголь (или углерод) не считали элементом. Элементом был огонь - явление, сопровождающее горение; в учениях об элементах древности огонь обычно фигурирует в качестве одного из элементов. На рубеже XVII -- XVIII вв. возникла теория флогистона, выдвинутая Бехером и Шталем. Эта теория признавала наличие в каждом горючем теле особого элементарного вещества - невесомого флюида - флогистона, улетучивающегося в процессе горения. Так как при сгорании большого количества угля остается лишь немного золы, флогистики полагали, что уголь - это почти чистый флогистон. Именно этим объясняли, в частности, "флогистирующее" действие угля, - его способность восстанавливать металлы из "известей" и руд. Позднейшие флогистики, Реомюр, Бергман и др., уже начали понимать, что уголь представляет собой элементарное вещество. Однако впервые таковым "чистый уголь" был признан Лавуазье, исследовавшим процесс сжигания в воздухе и кислороде угля и других веществ. В книге Гитона де Морво, Лавуазье, Бертолле и Фуркруа "Метод химической номенклатуры" (1787) появилось название "углерода" (carbone) вместо французского "чистый уголь" (charbone pur). Под этим же названием углерод фигурирует в "Таблице простых тел" в "Элементарном учебнике химии" Лавуазье. В 1791 г. английский химик Теннант первым получил свободный углерод; он пропускал пары фосфора над прокаленным мелом, в результате чего образовывался фосфат кальция и углерод. То, что алмаз при сильном нагревании сгорает без остатка, было известно давно. Еще в 1751 г. французский король Франц I согласился дать алмаз и рубин для опытов по сжиганию, после чего эти опыты даже вошли в моду. Оказалось, что сгорает лишь алмаз, а рубин (окись алюминия с примесью хрома) выдерживает без повреждения длительное нагревание в фокусе зажигательной линзы. Лавуазье поставил новый опыт по сжиганию алмаза с помощью большой зажигательной машины, пришел к выводу, что алмаз представляет собой кристаллический углерод. Второй аллотроп углерода - графит в алхимическом периоде считался видоизмененным свинцовым блеском и назывался plumbago; только в 1740 г. Потт обнаружил отсутствие в графите какой-либо примеси свинца. Шееле исследовал графит (1779) и будучи флогистиком счел его сернистым телом особого рода, особым минеральным углем, содержащим связанную "воздушную кислоту" (СО 2 ,) и большое количество флогистона.

Двадцать лет спустя Гитон де Морво путем осторожного нагревания превратил алмаз в графит, а затем в угольную кислоту.

Международное название Carboneum происходит от лат. carbo (уголь). Слово это очень древнего происхождения. Его сопоставляют с cremare - гореть; корень саг, cal, русское гар, гал, гол, санскритское ста означает кипятить, варить. Со словом "carbo" связаны названия углерода и на других европейских языках (carbon, charbone и др.). Немецкое Kohlenstoff происходит от Kohle - уголь (старогерманское kolo, шведское kylla -- нагревать). Древнерусское угорати, или угарати (обжигать, опалять) имеет корень гар, или гор, с возможным переходом в гол; уголь по-древнерусски югъль, или угъль, того же происхождения. Слово алмаз (Diamante) происходит от древнегреческого - несокрушимый, непреклонный, твердый, а графит от греческого - пишу.

В начале XIX в. старое слово уголь в русской химической литературе иногда заменялось словом "углетвор" (Шерер, 1807; Севергин, 1815); с 1824 г. Соловьев ввел название углерод.

ЛАВУАЗЬЕ

В истории химии известно мало имен, с которыми было связано столько важных химических событий, как с именем Антуана Лорана Лавуазье. Сам он сделал сравнительно мало открытий, но обладал весьма редким даром объединять новые факты, открытия других и свои собственные опыты в одно целое. Это был один из самых выдающихся естествоиспытателей, работа которого оказала громадное влияние на развитие не только химии, но и других естественных наук, внеся в них количественные способы исследования и точность. Прекрасный язык, которым излагает Лавуазье свои мысли, простой и образный, где каждое слово вызывает в читателе именно то представление, которое хочет дать автор, стало прообразом того, к чему должен стремиться каждый ученый.

А нтуан Лоран Лавуазье родился в 1743 г. Мальчик рос в обществе высокоодаренных людей – родственников и знакомых его отца, занимавших важные служебные посты и привыкших обсуждать в своем кругу разные вопросы науки и общественной жизни. При таких обсуждениях всегда присутствовал и будущий ученый, вскоре обративший на себя внимание своей смышленостью и развитием. Отец его, известный юрист, хотел дать сыну юридическое образование, но, заметив в молодом человеке склонность к математике и естественным наукам, поместил его в колледж Мазарини, в программу которого входили эти науки.
По окончании колледжа Лавуазье поступил в высшее юридическое училище, где получил степень бакалавра прав, а через год – лиценциата прав. Но при этом он не прекращал занятий естественными науками, к которым еще в колледже сильно пристрастился, продолжая изучать их под руководством самых выдающихся ученых своего времени – астронома Николы Луи Лакайля, ботаника Бернара Жюсьё, геолога и минералога Жана Этьена Геттара, ассистентом которого он стал. Особенно же привлекали молодого юриста лекции по химии профессора Гийома Франсуа Руэля. Прекрасно обставленные, сопровождавшиеся многочисленными опытами, лекции эти собирали всегда полную аудиторию. Из записей этих лекций, дошедших до нас в нескольких экземплярах, видно, что Руэль стремился дать слушателям полное представление о состоянии тогдашней химии. Подобно другим химикам той эпохи, он был сторонником теории флогистона и, исходя из нее, объяснял химические явления. В конце концов Лавуазье совершенно забросил юриспруденцию и весь отдался занятиям естествознанием. Исключительная работоспособность и систематичность делали эти занятия весьма продуктивными, он пытался всегда доходить до сути вещей и находить объяснения явлениям.
Наряду с этим Лавуазье живо интересовался вопросами техническими и социально-экономическими. Первое его научное исследование о составе гипса стало в то же время и первым сообщением, сделанным им в 1765 г. в Парижской академии наук. В том же году Лавуазье принял участие в конкурсе, объявленном академией на изыскание лучшего способа уличного освещения Парижа. За свой доклад Лавуазье получил золотую медаль.
Естественно, что вскоре поступило предложение избрать Лавуазье как человека, образованного, умного, энергичного и весьма полезного для науки, в члены Академии наук. Избрание состоялось в 1768 г. Лавуазье впервые присутствовал на заседании академии, где он был избран членом нескольких комиссий. Деятельность его в этих комиссиях отмечена той же методичностью, которая характеризует всю его работу.
Желая улучшить свое материальное положение, Лавуазье в том же году совершил поступок, имевший для него роковые последствия: он сделался одним из откупщиков по внутренним налогам, «генеральным фермером», предварительно очень основательно изучив все, касающееся «Генерального откупа»*. Откупщики брали налоги на откуп от государства, т. е. вносили в казну ежегодно определенную сумму денег, а сами собирали с народа налоги; разница шла в их пользу. Ему были поручены надсмотр над производством табака, надзор над таможенными операциями и другие дела по косвенным налогам. За это дело Лавуазье взялся со свойственной ему энергией и в 1769–1770 гг. много путешествовал по Франции в интересах откупа.
Эти поездки он использовал также для исследования питьевых и иных природных вод. Изучая их, Лавуазье заметил, что даже стократная перегонка не позволяет вполне избавить воду от примесей, растворенных в ней. Предполагая, что источником последних являются применяемые для перегонки сосуды, он в продолжение 100 дней нагревал в стеклянном сосуде воду до 90 °С. Затем путем точного взвешивания он определил потерю веса сосуда и вес выделенных из воды загрязнений: оба веса оказались тождественными. Так Лавуазье опроверг стародавнее мнение, что вода может превращаться в «землю».

Д есять лет – с 1771 по 1781 г. – были, пожалуй, самыми плодотворными в научном отношении: в течение их Лавуазье доказал справедливость своей новой теории горения как химического взаимодействия тел с кислородом. Масса обязанностей заставляла Лавуазье методически точно распределять свой день. Часы с 6 до 9 утра и с 7 до 10 вечера были посвящены химии, остальное время дня он отдавал работе в академии, по откупу в разных комиссиях. Один день в неделю целиком был отведен работе в лаборатории; сюда приходили посетители, принимавшие непосредственное участие в обсуждении получаемых результатов.
Приступая к изучению явлений горения и обжигания металлов, Лавуазье писал: «Я предполагаю повторить все сделанное предшественниками, принимая всевозможные меры предосторожности, чтобы объединить уже известное о связанном или освобождающемся воздухе с другими фактами и дать новую теорию. Работы упомянутых авторов, если их рассматривать с этой точки зрения, дают мне отдельные звенья цепи... Но надо сделать очень многие опыты, чтобы получить полную последовательность».
Соответствующие опыты, начатые в октябре 1772 г., были поставлены строго количественно: тщательно взвешивались взятые и полученные вещества. Один из первых результатов опытов – обнаружено увеличение веса при горении серы, фосфора, угля. Затем также тщательно были изучены явления обжигания металлов.
Приведем здесь некоторые данные об опытах, теперь редко упоминаемых, но в свое время вызвавших огромный интерес среди современников, – об опытах сжигания алмазов.
Давно уже было сделано наблюдение, что при достаточно сильном нагревании на воздухе алмазы исчезают бесследно. Лавуазье на опыте доказал, что решающая роль в этом явлении принадлежит воздуху; алмаз, к которому воздух не имеет доступа, не изменяется при той же температуре. Алмаз, сожженный под стеклянным колоколом солнечными лучами, собранными в фокусе зажигательного стекла, дал, как и предполагал Лавуазье, бесцветный газ, образовывавший с известковой водой белый осадок, который вскипал при обливании его кислотой, – это был углекислый газ. Для подтверждения этого был сожжен в тех же условиях кусочек древесного угля. В результате, как и при сожжении алмаза, был получен углекислый газ. Отсюда Лавуазье сделал вывод, что алмаз есть видоизменение угля: оба вещества при горении дают углекислый газ.
Опыты ученого и важнейшие выводы из них описаны им в 1774 г. Мастерское изложение дает убедительные доказательства мнения, что воздух состоит из двух газов, один из которых соединяется с веществами при горении и обжигании. Приходится удивляться, как после этого теория флогистона могла еще удержать за собою неистовых приверженцев. Дальнейшие выводы из этих опытов приведены в статье 1775 г., в которой Лавуазье специально рассмотрел природу образующихся при горении газов, особенно углекислого газа.
Наряду с этими научными работами Лавуазье самым деятельным образом занимался и практическими вопросами, связанными с производством табака, соли и т.д. В 1775 г. он был назначен «главным распорядителем порохов», т. е. инспектором выделки пороха. Он совершенно преобразовал это дело, сосредоточив его, начиная с производства селитры и кончая выделкой пороха, в руках государства. В результате производительность заводов значительно возросла, а стоимость пороха понизилась.

Л авуазье переселился в Арсенал, где устроил себе лабораторию, в которой работал в течение почти всей своей жизни. Эта лаборатория сделалась центром собраний ученых: и французских, и заграничных, принимавших деятельное участие не только в обсуждениях, но и в самих опытах. Обычно здесь до представления доклада Академии наук Лавуазье производил необходимые опыты перед друзьями и знакомыми и вместе с ними обсуждал результаты их в свете своей кислородной теории. Неопровержимо доказав справедливость этой теории, он перенес центр своей научной деятельности в другую область, связанную с прежней: он занялся всесторонним изучением химической стороны дыхания и тех изменений, которые при этом происходят с воздухом.
Он доказал присутствие в выдыхаемом воздухе того же углекислого газа, который образуется при горении. То обстоятельство, что водный раствор этого газа обладает кислыми свойствами, как и растворы продуктов горения серы и фосфора, дало повод Лавуазье считать, что все кислородные соединения - кислоты, что он и выразил в названии «кислород», т. е. образователь кислот. Интересно отметить, что название «углекислота», данное тогда углекислому газу, до сих пор применяется многими, хотя еще более ста лет назад было доказано, что углекислота и углекислый газ - два разных вещества.
В 1785 г. Лавуазье был назначен директором Академии наук и тотчас же приступил к ее преобразованию. С этого времени он еще теснее, чем раньше, связан с академией. Темп химических работ Лавуазье в это время замедлился, но тем не менее из-под его пера вышел ряд важных работ, интересных для практических приложений химии. Из таких приложений упомянем лишь деятельность в комитете по воздухоплаванию, тогда только что зарождавшемуся: первый воздушный шар, наполненный водородом, взлетел в 1783 г.
К 1790 г. было закончено большое исследование о природе теплоты, сделанное ученым совместно с академиком Пьером Симоном Лапласом. В этой работе они показали, как измерять количество теплоты, определять теплоемкость тел; изобретенные ими приборы - калориметры - применяются с этой целью и в настоящее время. От этих работ Лавуазье перешел к изучению возникновения теплоты в животном организме и установил, что теплота есть результат медленного процесса горения, вполне аналогичного горению угля.
Необходимо сказать еще о работах Лавуазье по разложению воды, осуществленному в 1783 г. пропусканием водяного пара над раскаленным железом, и по ее синтезу. Эти работы окончательно доказали сложный состав воды и природу водорода – ее образователя. В связи с полученными им результатами Лавуазье стал более энергично выступать против теории флогистона, теории, которая, конечно, могла существовать только в химии того периода, не применявшей количественных определений.

Лабораторные приборы и аппараты А.Л.Лавуазье

В сю свою новую химию в окончательном виде Лавуазье опубликовал в 1787-1789 гг. Первая из этих дат – время составления новых названий веществ, названий, указывающих состав тел из образующих их химических элементов по данным химического анализа. Эта первая научная химическая номенклатура имела целью отграничить новую химию от старой – флогистонной. Эта же номенклатура приведена и в «Элементарном курсе химии» (1789).
Первая часть этого замечательного труда посвящена описанию количественных опытов образования и разложения газов, горения простых веществ, образования кислот и солей. Изучив явление брожения, Лавуазье подчеркнул особенность химического взаимодействия следующими словами: «Ничто не творится ни в искусственных процессах, ни в природных, и можно выставить положение, что во всякой операции имеется одинаковое количество материи до и после, что качество и количество начал остались теми же самыми, произошли лишь перемещения, перегруппировки. На этом положении основано все искусство делать опыты в химии. Необходимо предполагать во всех настоящее (полное) равенство между началами исследуемого тела и получаемого из него анализом. Это химическое равенство - математическое выражение равенства веса тела до и после взаимодействия».
Вторая часть курса посвящена простым, не разлагаемым анализом веществам, которые составляют химические элементы. Таковых Лавуазье насчитал 33 (в том числе свет и теплота, причем он указал, что усовершенствование методов анализа может обусловить разложение некоторых элементов). Далее идут образуемые ими взаимные соединения.
Наконец, третья часть курса, посвященная приборам и операциям в химии, иллюстрирована многочисленными гравюрами, сделанными женой Лавуазье.
Лавуазье участвовал в завершении разработки системы мер и весов, предпринятой Академией наук. Эта работа была продолжена в Национальном собрании, которое постановило ввести десятичную систему мер и весов, основанную на длине земного меридиана. Для этого был образован ряд комитетов и комиссий, во главе которых стояли А.Л.Лавуазье, Ж.А.Н.Кондорсе, П.С.Лаплас. Они выполнили порученную им работу, результатом которой и стала метрическая система, применяемая теперь всюду. Это одна из последних научных работ ученого.
«Генеральный откуп» и откупщики давно уже составляли предмет справедливой ненависти народа. Национальное собрание в марте 1791 г. отменило откуп и предложило к 1 января 1794 г. ликвидировать его. С этого времени Лавуазье оставил работу в этом учреждении. Движение против откупщиков продолжало развиваться, и в 1793 г. Конвент постановил арестовать откупщиков и ускорить ликвидацию откупа. Вместе с другими 24 ноября был арестован и Лавуазье.
После разбирательства дела в трибунале 8 мая 1794 г. все откупщики были приговорены к смертной казни, и в тот же день вместе с другими Лавуазье был гильотинирован.

* Общество по сбору налогов с населения.