Лавуазье. Современная химия

ГЛАВА 3 Новая наука

«Ничто не создается и ничто не теряется». Именно Антуан де Лавуазье смог привести химию к математическому уравнению. В 1789-м, в год Французской революции, он опубликовал свой «Элементарный курс химии», который стал точкой невозврата для этой науки. Затем Лавуазье объяснил, почему пламя жизни зарождается с первым вздохом ребенка: дыхание есть вид медленного горения. Его исследования также представляют собой первые опыты в области физиологии и биохимии.

Новая теория горения Лавуазье понемногу проложила себе дорогу. Математик Пьер-Симон де Лаплас с самого начала поддержал ее, парижский химик Клод Луи Бертолле также публично заявил о своем согласии с ней во время заседания Академии наук, состоявшегося в апреле 1785 года. Но главная поддержка пришла из-за границы, из Эдинбурга, где Джозеф Блэк уже давно рассказывал об этой теории на своих занятиях по химии.

Как только принципы новой науки начали получать логическое обоснование, возникла необходимость снабдить ее систематическим языком, которого ей очень не хватало. До этого момента простые тела и соединения, образовывающие материальный мир, получали свое название, исходя из сиюминутного вдохновения. Некоторые были названы по месту, где они были обнаружены (эпсомская соль), по имени человека, открывшего их (дымящий спирт Либавия), по алхимическим ассоциациям с планетами (серная кислота Венеры) или по схожести с другими общеупотребительными веществами (мышьяковое масло).

Кроме того, нередко в разных местах одно и то же вещество называли по-разному. Такое положение дел являлось злополучным наследием алхимии: чтобы скрыть знания от непосвященных, одному и тому же элементу давали разные имена, например ртуть имела порядка десяти обозначений. Чтобы упорядочить этот хаос, химик Луи Бернар Гитон де Морво попытался в начале 1780-х систематизировать обозначение простых тел и соединений. Он заинтересовался этим вопросом после того, как Дени Дидро попросил его написать главу для «Энциклопедии», посвященную химии. Главная проблема, с которой столкнулся Гитон де Морво, состояла в «воздухах», поскольку ими занималось очень небольшое количество французских химиков. Он не знал, как назвать эти «воздухи», и обратился за помощью к Лавуазье, Бертолле, а также к еще одному химику — Антуану Франсуа Фуркруа (1755-1809). Поначалу ученым не удалось найти взаимопонимание в данном вопросе, так как Лавуазье и Бертолле были убежденными противниками теории флогистона, а Фуркруа и сам Гитон де Морво верили в старую теорию. Однако Лавуазье и Бертолле удалось убедить остальных в своей точке зрения, и с этого момента они работали как одна команда. Плодом их совместных усилий стало глобальное и систематичное предложение называть все соединения по элементам, из которых они состоят. На заседании Академии наук в 1787 году Лавуазье представил общие принципы, на основании которых они выстроили новую химическую номенклатуру, основанную на научном методе, никогда до того времени не применявшемся. Лавуазье говорил на этот счет:

«Впрочем, часть выражений, которые использует химия, была введена в обиход алхимиками, а им было трудно передать своим читателям то, чего они сами не имели, — справедливые и истинные идеи. Кроме того, не всегда их целью было быть услышанными. Алхимики использовали тайный, свой особенный язык, который зачастую представлял один смысл для последователей и другой [для обычных людей] и не был точным и ясным ни для одних, ни для других. Масло, ртуть, вода этих философов не были ни маслом, ни ртутью, ни водой — в том смысле, который мы приписываем им».

В 1787 году Лавуазье представил Академии наук общие принципы, на которых он основывал новую химическую номенклатуру:

«Предметом языка не является, вопреки распространенному представлению, обозначение идей и образов знаками; язык чаще всего является настоящим аналитическим методом, с помощью которого мы двигаемся от знакомого к незнакомому, до определенного момента почти математическим способом; попробуем развить эту мысль. Алгебра является в высшей степени аналитическим методом; она предназначена для упрощения умственных действий, для сжатия умозаключений, для того чтобы в маленьком количестве линий заключить то, что потребовало бы множества страниц обсуждений, и, наконец, чтобы самым удобным, быстрым и надежным способом привести к решению самых сложных вопросов. Но стоит лишь ненамного задуматься, и становится понятно, что алгебра к тому же является настоящим языком. Как у всех языков, у нее есть символы для обозначения, свой метод, своя грамматика, если позволено будет воспользоваться этим выражением. Таким образом, аналитический метод является языком, а язык — аналитическим методом, в некотором смысле это синонимы.

Но если языки являются инструментами, которые создали люди для упрощения умственной деятельности, важно, чтобы такие инструменты были как можно более совершенными, и поэтому усовершенствование данных инструментов означает работу во имя развития науки.

Усовершенствование языка особенно важно для тех, кто только начинает погружаться в изучение науки [...].

С этой второй точки зрения нам нужно будет определить три вещи во всей физической науке: серию фактов, составляющих эту науку; идеи, которые обозначают факты; слова, выражающие их. Слово должно порождать идею, идея должна отображать факт; это три оттиска одной печати. И поскольку именно слова содержат идеи и передают их, отсюда вытекает невозможность усовершенствовать науку без усовершенствования языка, и какими бы истинными ни были факты и какие бы справедливые идеи они ни порождали, они передают лишь ложные впечатления, пока нет точных выражений для их описания. Усовершенствование химической номенклатуры с этой точки зрения состоит в том, чтобы придать фактам и идеям безусловную правдивость, ничего не убирая из того, что они собой представляют, и особенно ничего не добавляя; она должна быть чистым зеркалом, поскольку, мы не устанем это повторять, она представляет не природу и не факты, но наши умозаключения, которые могут быть ошибочными».

Лавуазье воспользовался данным заседанием для того, чтобы изложить Академии свои идеи по поводу философии науки после 20 лет исследований и опытов:

«Настал момент, когда химия освобождается от груза, который мешает ей двигаться вперед, когда в нее вводится истинный аналитический дух, и это изменение должно начаться с усовершенствования языка. Вне всяких сомнений, мы очень далеки от того, чтобы знать эту науку целиком и все ее части; поэтому новая номенклатура, даже разработанная самым тщательным образом, не будет совершенной. Однако, если у нее будут твердые основы — мы имеем в виду метод обозначения, а не список названий, — она естественным образом приспособится к будущим открытиям; она заранее укажет место и название новых веществ, которые могут быть открыты, понадобятся лишь небольшие изменения в некоторых деталях».

Одним из первых шагов, предпринятых четырьмя учеными, стало определение слова «элемент», которое ввел Бойль в 1661 году и которое сам Лавуазье не употреблял: «Скажем, что простые вещества — это те, которые не могут разлагаться, то есть получаются на последнем этапе химического анализа». Благодаря его словам были изгнаны последние остатки средневекового наследия.

Только что созданная номенклатура содержала целую серию простых правил, основанных на идеях Лавуазье. Они означали отказ от теории флогистона и новое видение химического состава. Отправной точкой последнего была как раз идея состава, в котором ничего не создается и ничего не теряется: не существует превращения некоторых веществ в другие (например, воды в землю), но есть разложение состава и новое его соединение; также не существует отрицательной массы.

Четверо ученых сохранили названия элементов, использовавшиеся долгие годы. Первая группа простых тел состояла из света, тепла и водорода — это название предложил Лавуазье, оно означало «порождающий воду». Вторая группа объединяла такие вещества, как сера, фосфор и углерод (которые образовывают, соответственно, серную, фосфорную и угольную кислоты) и азот (от греческого а — «без», и ζωη — «жизни»). Третья группа состояла из металлов — мышьяка, сурьмы, молибдена, цинка, железа, олова, свинца, вольфрама, марганца, никеля, кобальта, висмута, меди, ртути, серебра и золота. Металлы являлись простыми телами, а их «извести» — соединениями, образованными металлом и кислородом. Это было революционным заявлением, поскольку до этого металлы считались сложными телами, содержащими флогистон. Четвертая категория была посвящена «землям» — кремнезему, глинозему, окиси бария, магнию и известняку, — а пятая — «щелочам»: соде, калию и аммиаку.

Доклады, представленные Лавуазье, Бертолле, Гитоном де Морво и Фуркруа в Академию наук, равно как и приложение дипломата и ученого Пьера Огюста Аде (1767- 1848) с новыми буквами и символами, были изданы одной книгой «Метод химической номенклатуры», которая была напечатана в Париже в 1787 году.

Английское издание увидело свет в следующем году, потом появились и переводы на другие языки. Несмотря на достаточно прохладный прием Академии наук, новая номенклатура, в общем, была принята. Доказательством релевантности предложения Лавуазье является тот факт, что разработанный им язык, с небольшими изменениями и исправлениями, актуален и сегодня, спустя 200 лет. Это на самом деле удивительно, поскольку, как мы знаем, количество известных соединений возросло с тех пор в тысячи раз.

Всего в списке содержалось 55 не подлежащих разложению веществ. С первого взгляда он был похож на список элементов, хотя на самом деле в нем присутствовали вещества, ими не являющиеся. Список элементов, опубликованный в «Курсе элементарной химии» Лавуазье двумя годами позже, был гораздо короче. Часть списка, посвященная сложным соединениям, гораздо более многочисленным, нежели простые тела, стала самой революционной, так как их названия менялись радикальным образом. У соединений появились двойные названия, состоящие из корней названий образовывавших эти соединения элементов. Было покончено с многочисленными синонимами, употреблявшимися для обозначения одного и того же вещества; кроме того, обозначения соединений следовали одному критерию — химическому составу. В течение следующих веков данный критерий подтвердил свою состоятельность для тех веществ, которые были открыты.

Лавуазье сразу объяснил, что соединения, образованные из двух простых веществ, столь многочисленны, что для них необходима классификация. Например, из двух простых тел, образующих кислоты, кислород был общим для всех соединений, и поэтому название кислоты происходило из второго элемента. Так, кислота, образованная из серы и кислорода, которая до настоящего момента называлась «купоросом», получила название «серной кислоты». Чтобы отличить ее от другой кислоты, также образованной из серы и меньшего количества кислорода, ее обозначили как «сернистую кислоту». Их соли были названы соответственно «сульфатами» и «сульфитами». Кислота, образованная из кислорода и угля, именовалась «угольной кислотой», а ее соли — «карбонатами». Кислоты фосфора стали известны как «фосфорная кислота» и «фосфористая кислота», а их соли — как «фосфаты» и «фосфиты». То, что до тех пор было «азотистой кислотой», стало «азотной кислотой», а «азотистой кислотой» назвали ту, которая содержала меньше кислорода; их соли именуются «нитратами» и «нитритами».

То же самое касалось и известей: у них была общая основа и особое название для каждой. У металлических известей должно было быть общее обозначение, «оксид», и частное, которое отсылало к металлу, из которого они образовывались: например, «оксид ртути» (красная известь). У солей тоже было двойное название, образованное от названия кислоты, от которой они происходили, и металла: например, «сульфат меди».

Гравюра с изображением Лавуазье, выполненная Луи-Жаном Дезире Деластром по рисунку Жюльена Леопольда Буальи (1796-1874).

Весы, принадлежавшие Лавуазье. Ученый участвовал в разработке новой системы мер и весов.

Приборы, разработанные Лавуазье и выставленные в музее искусств и ремесел Парижа.

Чтобы облегчить переход от старой системы к новой, номенклатура содержала словарь, в котором было помещено старое и новое название; так, например, объяснялось, что «дефлогистированный воздух» — это кислород, а «воздух с флогистоном» — водород.

В заключение Лавуазье извинялся за то, что изменил язык, который придумали и почитали уважаемые исследователи. Однако он ссылался на то, что многие из них уже перешли на новый язык, а некоторые даже не просили никакого снисхождения для старой номенклатуры, поскольку она не была пригодной. Ученые, благосклонные к переменам, утверждали, что для беспокойства нет причин, ибо те, кто погружен в эту науку, поймут новый язык, а остальным станет гораздо проще изучать химию, используя новые названия.

Когда говорят о революции 1789 года, все вспоминают о Французской революции, которая ознаменовала конец старого режима. Однако в этот год произошла и еще одна великая революция, которая произвела меньше шума и завершилась публикацией в Париже «Элементарного курса химии» Лавуазье. Эту революцию в химии Лавуазье предвосхитил в своей знаменитой записи в лабораторном дневнике 1773 года. В 1790 году был опубликован первый английский перевод «Элементарного курса химии», выполненный Робертом Керром, затем последовали переводы на немецкий, итальянский, голландский и испанский.

«Элементарный курс химии», который Лавуазье видел как книгу для студентов, представлял собой полную концепцию новой химии и содержал исчерпывающие описания опытов и использованных для них приборов. Текст Лавуазье заложил основы новой химии — наравне с «Началами» Ньютона, которые послужили фундаментом для новой физики веком раньше.

За год до революции Жак Луи Давид, который, как и Лавуазье, учился в колледже Мазарини, нарисовал картину, ставшую со временем самым верным свидетелем другой революции — в химии. Речь идет о портрете супругов Лавуазье в то время, когда они оба работали в лаборатории в Арсенале и когда Антуан готовился опубликовать«Элементарный курс химии». Лавуазье заплатил за картину невероятную сумму в 7000 ливров, которая равнялась зарплате за несколько лет многих специалистов того времени. Картина изображает пару в самом их расцвете — физическом, умственном и финансовом — и является единственным сохранившимся изображением ученого, не вызывающим сомнений. Хотя, бесспорно, главный герой картины — это Антуан, в центре полотна также изображена Мария, смотрящая прямо на зрителя. На столе и на полу видны превосходные стеклянные и металлические приборы, которые супружеская пара использовала во время своих опытов. История, рассказанная картиной, напоминает об уроках рисования, которые брала Мария у Давида и благодаря которым она стала автором точных гравюр к «Элементарному курсу химии». Черновики данного сочинения, возможно, находятся в коробке, нарисованной в правой части картины.

Во вступлении автор говорил, что его изначальной целью было дополнить результаты, изложенные в предыдущих его произведениях, но по мере продвижения работы он оказался перед необходимостью написания общего курса по химии. В «Элементарном курсе химии»_у как он уже показал в «Методе химической номенклатуры»у язык науки и сама наука представляли собой единую концепцию. Так, его идеи о философии науки, изложенные в «Методе химической номенклатуры», снова появляются в новом труде, и акцент делается на фундаментальных принципах: опыт превалирует над всем остальным.

Концепцию «четырех начал», представленную в качестве простой гипотезы в то время, когда не существовало никаких знаний об экспериментальной науке, нужно было устранить в первую очередь. Отдавая себе отчет в ограниченности собственных знаний, Лавуазье уточнил новое определение слова «элемент»:

«Я просто скажу, что если под названием элемента мы понимаем обозначение простых и неделимых молекул, которые составляют тела, есть вероятность, что мы их не знаем; и наоборот, если мы привяжем к названию элемента или вещества тела идею последней стадии, до которой доходит анализ, все вещества, которые мы пока не смогли разложить никаким способом, будут для нас элементами. Это не значит, что мы можем быть уверены в том, что тела, которые мы рассматриваем как простые, не составлены в свою очередь из двух или даже большего количества веществ. Однако, поскольку данные вещества не отделяются друг от друга или, скорее, поскольку мы не можем их никак отделить, на наш взгляд, речь идет о простых телах, и мы не должны предполагать, что они не являются простыми, пока опыт или наблюдения не предоставят нам доказательства обратного».

Я взял себе за правило следовать только от известного к неизвестному и не делать никаких выводов, которые не исходят из опытов.

Антуан де Лавуазье, вступление к «Элементарному курсу химии»

Читая эти строки, трудно удержаться от искушения заглянуть вперед и оказаться в Париже конца XIX века, когда Мария Кюри предоставила доказательства того, что «элементы» Лавуазье состоят из многих составляющих, или же в Манчестере начала XX века, когда Эрнест Резерфорд доказал существование атомного ядра, подтвердив, таким образом, догадку Лавуазье. Но в конце XVIII века ничто не предвещало этих открытий, перевернувших науку, а Лавуазье взял за правило не делать никаких не вытекающих из опытов выводов. Однако он не скрывал, что его разум открыт для еще более рискованных гипотез. Лавуазье достаточно близко был знаком с ловушками досужих вымыслов, основанных на несостоятельности алхимии, чтобы не угодить в них.

«Элементарный курс химии» состоял из трех частей. Первая была посвящена новой химической системе, разработанной Лавуазье. В ней ученый представлял свою теорию тепла и природы газообразных или эластичных флюидов. Он назвал их «газами», вернув термин, который предложил Ван Гельмонт век назад и который пытался ввести в обиход Макёр. Как мы уже видели раньше, Лавуазье связывал этот термин не с греческим корнем, обозначающим «хаос», но с саксонским ghost, обозначавшим «привидение», или «призрак». Ученый считал, что любой газ состоит из «теплорода» — основы тепла — и базового вещества газа. Свет и тепло (выделение или поглощение которого сопровождает любую химическую реакцию) выделялись во время горения тела в виде потери этого материального вещества, называемого «теплородом». Любопытно, что после столь долгой борьбы против флогистона Лавуазье угодил в ловушку «теплорода», который имел с флогистоном много общего.

Первым рассматриваемым им упругим флюидом была атмосфера, известная тогда как «обычный воздух». Как мы уже видели в предыдущей главе, Лавуазье объяснил, что она состоит из двух газов: один пригодный для дыхания, другой — нет. Он представил Академии наук 3 мая 1777 года скрупулезное описание опыта, впоследствии ставшего самым известным в истории химии,— нагревания ртути в течение 12 дней. В «Элементарном курсе химии» данный опыт был впервые проиллюстрирован одним из рисунков Марии, который содержал все детали, позволяющие всем заинтересованным ученым воспроизвести этот эксперимент. Исходя из него, Лавуазье объяснял, что состав воздуха доказан как анализом, так и синтезом. Он снова говорил о том, что газ, пригодный для дыхания, — это «кислород», а непригодный — «азот».

Экономика сыграла ключевую роль во Французской революции.

Бумажные деньги, напечатанные за счет конфискованного имущества Церкви, чтобы остановить инфляцию (так называемые ассигнации), — тому доказательство. Лавуазье, который также был экономистом, предвидел опасность, которую влекли за собой ассигнации. Французская революция началась с экономического кризиса, который заставил Людовика XVI созвать Генеральные Штаты с целью собрать больше денег. Однако собрание не согнулось перед волей монарха, правительство утратило контроль, что в итоге привело к взятию Бастилии 14 июля 1789 года.

Ассигнация 1792 года выпуска достоинством в 15 солей.

Поскольку наличных денег не хватало, было принято решение напечатать их. Первый выпуск ассигнаций состоялся в 1790 году, и этот шаг активизировал экономику, но затем деньги обесценились, инфляция вернулась, а ассигнации стали печататься все большим тиражом. Пятый тираж в апреле 1792 года обесценился практически моментально. Король был лишен трона и заключен в тюрьму. В январе 1793 года, когда Людовика XVI казнили на гильотине, был выпущен новый тираж ассигнаций. Одновременно был создан Комитет общественной безопасности, а вместе с ним наступил и Террор. Поскольку инфляция продолжалась, в мае был введен контроль над ценами, а в августе запрещен обмен, который использовали отчаявшиеся торговцы, и принят закон, ограничивающий максимальные цены. Осенью, когда появился очередной тираж ассигнаций, была казнена Мария-Антуанетта. С 1794 года нарушение закона максимальных цен каралось смертной казнью. В это время Лавуазье арестовали под надуманным предлогом контрреволюционной деятельности. В 1795 году установилась власть Директории, а через четыре года после государственного переворота к власти пришел Наполеон, который сделал все необходимое для стабилизации страны, в том числе отменил свободы. Он положил конец кризису и выпустил золотую монету, названную «наполеондором», которая использовалась в течение века и не обесценивалась.

Первая часть «Элементарного курса химии» содержит также количественные результаты горения фосфора; сера представлена лишь образованными из нее продуктами, а не соотношением составляющих их частей. Полученные Лавуазье результаты его самого не удовлетворяли, хотя на самом деле они были точными. Собранные в его лабораторной тетради данные опытов, осуществленных в мае 1785 года, показывают, что 38, 98 грана жизненного воздуха смешиваются с 61 граном серы. В трехокиси серы это соотношение составляет 40 к 60.

Вторая часть «Элементарного курса химии» посвящена кислотам, основам солей, образованных от них. В этой части Лавуазье снова объясняет систему номенклатуры кислот и их происхождение из оксидов. Он описывает в ней опыты разложения и синтеза воды, не останавливаясь на спорах об авторстве. В то время Лавуазье не признал, что Кавендиш был первым ученым, определившим, что вода не является простым телом, но состоит из двух веществ — двух газов, которые Лавуазье назвал «кислородом» и «водородом»:

«Вместе с этим опытом анализа и синтеза мы можем утверждать, что убедились с той долей уверенности, которую позволяют иметь физика и химия, что вода не является простым веществом: она состоит в равной пропорции из горючего воздуха и жизненного воздуха [кислорода]».

Лавуазье утверждал, что растительные кислоты образовываются из оксидов, так же как и минеральные, но в случае растительных кислот существуют характерные «группы», состоящие из водорода и углерода (впоследствии названные «радикалами кислот»), к которым добавлен кислород. Это изначальное определение органических кислот как содержащих радикалы, образованные из углерода и водорода, стало решающим для развития органической химии в XIX веке.

В одном из самых интересных и наименее известных разделов «Элементарного курса химии* Лавуазье собрал результаты изучения брожения вина. Брожение фруктовых соков и других веществ, содержавших сахар, сопровождалось выработкой углекислого газа (СO₂) и «духа вина», для обозначения которого Лавуазье использовал слово арабского происхождения «алкоголь». Целью его опытов было установить количество водорода, кислорода и углерода, содержавшихся в сахаре. Для этого он взвесил определенное количество алкогольного напитка и оставил его бродить. Далее Лавуазье взвесил массу углекислого газа и воды, выделившихся во время брожения, а также количество оставшегося напитка. Он определил его элементарные составляющие благодаря методу анализа органических соединений, который работает и в наше время, — методу горения. Ученый доказал, что масса напитка, образовавшаяся после брожения и добавленная к массе углекислого газа и воды, выделившихся во время этого процесса, равна общей массе изначального материала. Кроме того, он показал, что изначальная масса каждого составляющего элемента была постоянной до и после химического изменения. Все эти данные были собраны в таблицах, которые стали первыми «сводками веществ». Такие сводки нужны были для того, чтобы впервые проиллюстрировать, что во время химической реакции не происходит ни уменьшения, ни прибавления веществ — только изменения в форме их соединения:

«Эта операция является самой поразительной и невероятной из тех, что представляет нам химия, и мы можем наблюдать, откуда появляется выделяемый углекислый газ, откуда берется образовывающийся горючий дух [спирт] и как сладкое тело, растительный оксид [сахар], превращается в два таких разных вещества, одно из которых способно к горению [спирт], а другое совершенно неспособно (СO₂).

Лавуазье написал введение к таблице простых веществ, из которого понятно, какие принципы им руководили, когда он разрабатывал свой список:

«Химия, подвергая опытам различные природные тела, имеет своей целью разложить их на составляющие и получить возможность изучать по отдельности вещества, образующие соединения. Данная наука в наши дни осуществила быстрый прогресс. В этом легко убедиться, обратившись к авторам, писавшим о химии. Мы увидим, что поначалу масло и соль рассматривались как тела, что опыты и наблюдения позволили получить новые знания, и стало понятно: соли вовсе не являются простыми телами, но состоят из кислоты и основы, и их нейтральность есть результат данного соединения. Современные открытия еще больше раздвинули границы анализа; они прояснили нам образование кислот, стало понятно, что они состоят из общего для них всех вещества-окислителя — кислорода — и особого для каждой из кислот радикала, который различает их и относит к тем или иным кислотам. Химия, таким образом, движется к своей цели и своему совершенству, разделяя, подразделяя и снова подразделяя, и мы не знаем, каков будет итог. Все, что мы можем сказать сегодня, — это то, до какого состояния разложимо во время химического анализа вещество, и дальше оно разделено быть не может.

Можно предположить, что скоро земли перестанут считаться простыми веществами: они единственные не имеют тенденции соединяться с кислородом. Я склонен думать, что равнодушие к кислороду — если мне будет позволено воспользоваться этим выражением — связано с тем, что они им уже напитаны [на самом деле так и есть: кремнезем и глинозем являются Si0₂ и AljOJ. Земли с этой точки зрения будут простыми веществами, возможно металлическими оксидами, окисленными кислородом до какой-то степени. Это не единственная догадка, которую я здесь высказываю. Надеюсь, читатель не спутает то, что я представляю как истину факта и опыта, и то, что является лишь догадкой. Я не включил в таблицу нелетучие щелочи, такие как поташ и сода, поскольку они очевидно являются сложными веществами, хотя пока нам неизвестна природа веществ, входящих в их соединения».

Мы видим, что для решения этих двух вопросов надо сначала изучить состав и природу способного к брожению тела и продукты его брожения; поскольку ничто не создается ни во время искусственных операций (в лаборатории), ни в природе, можно взять за принцип, что при каждой операции исходное и конечное количество материала остается одинаковым, что количества и качества вещества остаются неизменными и что происходят только изменения и трансформации. Именно на этом принципе основано искусство всех опытов в химии: мы должны предположить равенство между веществами изучаемого тела и того, что мы получаем при анализе. Так, поскольку виноградное сусло дает углекислый газ и спирт, я могу сказать, что сусло винограда = углекислый газ + спирт. Следовательно, мы можем узнать двумя способами то, что происходит во время брожения вина: во-первых, определив вещества и природу тела, способного к брожению; во-вторых, наблюдая за продуктами брожения, и очевидно, что знания, которые можно получить в ходе первого способа, приведут к пониманию природы второго, и наоборот».

Мария Польз Лавуазье была автором 13 иллюстраций к«Элементарному курсу химии», опубликованному ее мужем в 1789 году. Справа внизу на этих иллюстрациях есть подпись «Польз Лавуазье Скульпсит*. Рисунки Марии, непохожие на грубые наброски, которыми сопровождались книги по химии того времени, являются настоящими чертежами в масштабе приборов, использовавшихся Антуаном, и по ним можно осуществить их сборку. Тринадцать чертежей относятся к следующим инструментам.

I. Ступа, решето, напильник.

II. Раструб, реторта, система фильтрации, котел.

III. Устройство для нагрева и дистилляции.

IV. Приборы для образования и разложения оксида ртути.

V. Дистиллятор и змеевик.

VI. Ледяной калориметр.

VII. Устройство, использовавшееся для разложения и получения воды.

VIII. Газометр с весами.

IX-X. Устройство для изучения брожения вина. XI—XII. Устройство со змеевиком и газометром. XIII. Печи и песочные ванны.

Так впервые был сформулирован закон сохранения массы применительно к химической реакции. Хотя похожий закон был уже сформулирован в Древней Греции Анаксагором (V век до н.э.), он не основывался на результатах опыта. Кроме того, тот же закон подразумевался в результатах, полученных Кавендишем и Блэком, но ни один из них не сформулировал его.

Из принципа, ставшего очевидным благодаря Лавуазье, возникла и идея химического уравнения:

«Я могу рассматривать вещества для брожения и результат, полученный после брожения, в виде алгебраического равенства; посчитав последовательно каждый из незнакомых элементов этого уравнения, я могу получить значение каждого и откорректировать также опыт счетом, а счет — опытом».

После более 20 лет опытов и размышлений Лавуазье достиг цели, которую поставил себе еще во время учебы в колледже Мазарини: снабдить науку, проводившую с помощью профессора Руэля завораживающие опыты, логикой и математической точностью, которой учил профессор Лакайль. Итак, химия перестала быть суеверием и стала наукой. Хотя закон сохранения массы придал ей научный характер, некоторые полагают, что самой значимой частью «Элементарного курса химии» является список химических элементов. Лавуазье определил их как простые вещества, принадлежащие ко всем природным царствам, которые можно рассматривать как элементы тел. Этот список был короче, чем список в «Методе химической номенклатуры», который содержал множество органических радикалов, образованных, по мнению Лавуазье, из углерода и водорода. В списке были перечислены все известные в то время элементы, но не было ни одного соединения, что свидетельствует о проницательности автора. Однако особо привлекают внимание два элемента, прежде всего потому что они стоят первыми: свет и тепло, которым Лавуазье приписал массу. В остальном списке поражают устаревшие названия многих элементов, которые доказывают еще существовавшую близость между химией и алхимией.

Все молодые химики применяют теорию, из этого я делаю вывод, что революция в химии произошла, и ее список достижений только начинается.

Антуан де Лавуазье

Как и в других областях, слова Лавуазье о соде и поташе (он имел в виду NaOH и КОН) были пророческими: действительно, речь шла о соединениях. В самом начале следующего века англичанин Гемфри Дэви (1778-1829), который открыл для себя химию благодаря «Элементарному курсу химии» и участвовал в учреждении Королевского института, разложил посредством электролиза две щелочи и получил два элемента: натрий и калий. Британский ученый также выделил магний, барий, стронций, кальций, бор и хлор. Таким образом, «Элементарный курс осимиш Лавуазье заложил основы современной химии — дисциплины, о которой десятью годами раньше Блэк говорил, что она еще не доросла до ранга науки.

Список химических элементов, опубликованный в первом издании «Элементарного курса химии».

Скульптура Лавуазье, произведение Жана-Леонара Майлье, середина XIX века.

Гравюра 1874 года, на которой Лавуазье демонстрирует открытие кислорода. На втором плане можно видеть его калориметр. Из книги Луи Фигье «Жизнь блестящих ученых XVIII века·.

Хотя англичане и обходятся без этой системы, всем остальным трудно представить жизнь без рациональной, логичной, ясной и универсальной системы измерений. Но было время, когда десятичной системы не существовало. Лавуазье осознал глубину этого недостатка и понял, что его необходимо, наконец, исправить. В конце XVIII века Франция, равно как и другие европейские страны, должна была столкнуться с проблемами, вытекающими из различий систем мер и весов, и Лавуазье много раз бил тревогу по этому поводу во многих своих выступлениях начиная с 1785 года. Хотя в последние годы монархии никаких шагов для решения данного вопроса предпринято не было, в мае 1790 года Национальное учредительное собрание по предложению Шарля Мориса де Таллейрана-Перигора выпустило декрет, в котором официально поручало Академии наук разработать систему мер и весов, пригодную в качестве универсального эквивалента. Академия создала Комиссию мер и весов, и ее первый вывод заключался в том, что единица длины должна быть определена через земной меридиан. Было упразднено определение через длину маятника, которое до тех пор использовалось, потому что амплитуда качания варьировалась в зависимости от широты. В качестве единицы был предложен метр, десятимиллионная часть расстояния от Северного полюса до экватора, измеренного по Парижскому меридиану. Из этой единицы длины появилась единица объема, а из единицы объема — единица массы. Лавуазье работал над граммом, который был весом чистой воды, содержавшейся в кубе с ребром, равным сотой части метра.

Позднее, как происходило во всех комиссиях, в которые входил Лавуазье, он стал ее секретарем и казначеем — это был довольно ответственный пост, если учесть, что бюджет Комиссии составлял 300000 ливров. Помимо прочего, Комиссия должна была взять на себя расходы по путешествиям, осуществленным с целью измерения земного меридиана. Но поскольку Революция изменила жизнь во Франции, Комиссии становилось все труднее продолжать исследования; деньги не поступали, зарплаты не выплачивались, расходы не возмещались,

Лавуазье проводил большую часть времени, составляя жалобы.

Несмотря на это к концу 1792 года оставалось только разработать эталоны, которые предстояло разослать во все страны и научные сообщества для дальнейшего применения.

Члены Комиссии получили поздравления от президента Академии наук, который вызвался представить отчет об их исследованиях в Национальный Конвент. И хотя последний благосклонно принял результаты исследований, тучи над Академией сгущались: все чаще раздавались голоса, требовавшие ее расформирования, поскольку она рассматривалась как остаток старого режима. Лавуазье бросил все силы на защиту учреждения, он писал отчеты и письма, представлявшие собой смесь из эрудиции, ясно выстроенных рассуждений, учтивости, свойственных ему, но также и достаточной самонадеянности. Это было равноценно самоубийству, так как участь Академии была предрешена; защищая ее столь страстно, Лавуазье тем самым подписал себе смертный приговор.

Никогда еще ничего столь же великого и простого, последовательного во всех частях, не вышло из рук человека [как десятичная метрическая система].

Антуан де Лавуазье

Несмотря на сложную ситуацию, Лавуазье продолжал делать измерения, необходимые для завершения работы Комиссии; точнее, ученый сконцентрировал свое внимание на измерениях, имевших отношение к плотности чистой воды. Данные исследования стали последними в его жизни. Согласно легенде, он попросил отсрочки исполнения смертного приговора, чтобы закончить свою работу для Комиссии. На это председатель суда якобы ответил: «Революция не нуждается в ученых».

Лавуазье не мог молить о милосердии, а Жан-Батист Кофиналь, который председательствовал в суде в тот день, не знал, с кем имеет дело. Эта фраза прозвучала в первый раз во время поминальной речи, которую Фуркруа, разрабатывавший с Лавуазье новую химическую номенклатуру, произнес спустя год после смерти своего «друга». Фуркруа стремился говорить в унисон с благоприятствующей Лавуазье критикой, однако в свое время он и пальцем не пошевелил, чтобы спасти его.

Мы видели в предыдущей главе, что одни из первых опытов, проведенных как Лавуазье, так и Пристли, с новым воздухом, открытым в 1774 году, имели своей целью понять, пригоден ли он для горения и дыхания. Оба ученых доказали, что для этих процессов он не только пригоден, но и необходим. Тогда Лавуазье предположил, что оба эти процесса связаны. Поэтому между 1782 и 1784 годами он провел серию опытов вместе с математиком Пьером-Симоном де Лапласом.

Сначала они измерили количество кислорода, потребляемого животным в определенный промежуток времени, а также количество «фиксируемого воздуха», выдыхаемого животным в тот же самый промежуток, эти величины, по аналогии с горением, должны были быть связаны.

С другой стороны, во время дыхания должна выделяться теплота — уже упоминавшийся ранее «теплород», величина которого должна быть связана с потребляемым кислородом и образующимся углекислым газом, похожим на то, что происходило во время горения угля. Измерить потребляемый животным кислород и выдыхаемый «фиксированный воздух» было не сложнее других опытов, которые Лавуазье успешно осуществил в своей лаборатории. Зато определить количество выделяемой животным теплоты было дополнительной проблемой.

В начале 1784 года Лавуазье принимал участие в работе комиссии, которая должна была изучить лечебное действие того, что тогда называли «животным магнетизмом». В комиссию в том числе входили астроном Жан Сильвен Байи (1736-1793), медик Жозеф Иньяс Гийотен, (1738-1814), ставший очень знаменитым через несколько лет, но совсем по другим причинам, ботаник Антуан Лоран де Жюссьё (1748- 1836), химик Жан Дарсе (1724-1801) и ученый Бенджамин Франклин, посол недавно образовавшихся Соединенных Штатов Америки. Запрос на подобное изучение поступил в Академию наук от самого короля, который также поручил изучить этот вопрос и Академии медицинских наук. Немецкий медик Франц Антон Месмер (1734-1815) представлял «животный магнетизм» в обоих учреждениях. В то время лечебные сеансы Месмера стали сенсацией в самых избранных кругах Парижа.

Франц Антон Месмер.

Эти сеансы были групповыми и проходили вокруг овальной ванны примерно 30 см глубиной и 1, 5 м шириной, наполненной водой с железными опилками, в которую были погружены бутылки. Ванна была накрыта металлической пластиной, откуда торчали железные штанги. Пациенты рассаживались вокруг, берясь за руки так, чтобы круг замкнулся, и касаясь друг друга коленями, чтобы «животный магнетизм» мог течь по их телам. Им предлагалось прислониться к железным штангам той частью тела, которая у них болела. Затем ассистенты Месмера начинали массировать пациентов под громкое звучание пианино и пение сопрано. Многие участники впадали в транс, который заканчивался, когда в комнату заходил Месмер и щелкал пальцами. Члены комиссии посетили множество таких сеансов и в итоге заключили, что «воображение без магнетизма порождает выводы, магнетизм без воображения не порождает ничего». В тайном отчете они добавляли также, что лечение магнетизмом не угрожает нравственности. В итоге члены комиссии заявили, что стали свидетелями группового сеанса гипноза, проводимого шарлатаном.

Ошибка ученого с «теплородом» не помешала остальной работе: все его рассуждения и, главное, измерения оказались точными. Чтобы определить теплоту во время особой реакции — той, что поддерживала в живом организме горячую кровь постоянной температуры, — Лавуазье придумал и разработал ледяной калориметр. Для этого он использовал идею «скрытой теплоты», предложенную Джозефом Блэком в 1761 году. Давно было известно, что лед не тает сразу, когда нагревают емкость, содержащую его. Блэк заявил, что он обладает «скрытой теплотой», поскольку ее невозможно измерить с помощью термометра. Величина этой «скрытой теплоты» льда была определена, и Лаплас воспользовался для измерения теплоты, выделяемой морской свинкой, прибором, представленным на рисунке внизу, называемым ледяным калориметром. Он похож на тот, что используют и сегодня.

Ледяной калориметр Лавуазье состоит из трех концентрических отделений; в центральное помещается тело, теплоту которого нужно измерить. От этой теплоты тает лед, находящийся во втором отделении, а образовавшаяся в результате вода стекает в емкость, находящуюся внизу, для этого нужно открыть кран. Эта вода взвешивается с целью установления веса выделившейся теплоты. Во внешнее отделение кладется лед для теплоизоляции всей системы.

Речь шла о емкости, состоящей из трех концентрических отделений. В центральное отделение закладывался уголь для сжигания или животное, теплоту которого собирались измерить; среднее отделение содержало лед, таявший и стекавший в нижнее отделение, где измерялось количество воды; внешнее отделение заполнялось льдом, призванным изолировать атмосферу. Во время первого опыта ученые в течение десяти часов наблюдали за морской свинкой, находившейся во внутреннем отделении, после чего измерили растаявший лед. Также они измерили количество вдыхаемого кислорода и «фиксируемого воздуха», выделившегося за то же количество времени. Они определили количество теплоты, с одной стороны, по растаявшему льду, а с другой — по выделенному С0₂, предположив, что образовавшая его реакция аналогична горению угля, и значит, выделилось то же количество теплоты. Ученые получили очень близкие результаты в обоих случаях и таким образом подтвердили собственную гипотезу о том, что дыхание является определенного рода горением. Их выводы оказались точными:

«Таким образом, дыхание — это горение, очень медленное, но, впрочем, очень похожее на горение угля; оно происходит внутри легких, при этом не выделяется видимого света, поскольку вещество огня, высвободившись, сразу же абсорбируется влажностью органов. Теплота, образовавшаяся в процессе этого горения, попадает в кровь, идущую через легкие, и оттуда распространяется по всему организму. Так, вдыхаемый нами воздух служит для двух жизненно необходимых вещей: он убирает из крови основу «фиксируемого воздуха», избыток которого крайне вредит здоровью; а теплота, образующаяся в легких в результате этого процесса, восполняет постоянную потерю тепла, которую мы испытываем из-за атмосферы и окружающих нас тел».

Совместные опыты с Лапласом были закончены в 1784 году, однако Лавуазье продолжал интересоваться деталями горения, которое поддерживало постоянную температуру тела теплокровных животных. Его не устроило небольшое расхождение в расчетах количества теплоты, полученных в результате измерения растаявшего льда и выделенного морской свинкой С0₂. В 1789 году, после публикации «Элементарного курса химии», Лавуазье снова вернулся к этим исследованиям, однако его совсем не удовлетворяли опыты со свинками. Он хотел знать, как происходит этот процесс у человека. И тогда он провел новую серию опытов с Арманом Сегеном, которому тогда был 21 год. В этих опытах молодой человек был и помощником Лавуазье, и его подопытным кроликом.

Как и во время предыдущих опытов, Лавуазье наблюдал за количеством кислорода, потребляемым во время пищеварения и движения. Он решил провести систематическое исследование того, каким образом эти два фактора влияют на дыхание, а также исследовать и влияние их на температуру. Лавуазье измерил количество потребляемого кислорода, количество образовавшегося С0₂ и сердечный ритм. Из этих данных он заключил, что у человека в состоянии покоя натощак потребление кислорода возрастает примерно на 10%, если температура опускается на 15 °С. При пищеварении потребление кислорода возрастает на 50 %. В течение физических упражнений натощак потребление кислорода возрастает в три раза; если физические упражнения делаются во время пищеварения, потребление кислорода возрастает в четыре раза по сравнению с исходными данными. Во время этих опытов температура тела практически не менялась, но сердечный ритм возрастал пропорционально потреблению кислорода.

Это были первые исследования в области физиологии, и хотя они остались незаконченными, их результаты были невероятными, особенно учитывая обстоятельства. Больше всего поражает, что Лавуазье исключил любую идею о жизненном огне, зажженном высшим существом, и изучал человеческое тело так, как будто речь шла о большом реакторе, в котором происходили сложные химические реакции:

«Мы наблюдали два закона, имеющие огромное значение: сердечный ритм повышался прямо пропорционально поднимаемому на определенную высоту весу, а количество потребляемого жизненного воздуха прямо пропорционально продукту дыхания и сердечному ритму. [...] Цель дыхания — не охлаждение крови, как считалось долгое время; дыхание есть не что иное, как медленное горение углерода и кислорода, во всем похожее на то, что происходит во время горения лампы или свечи; с этой точки зрения дышащие животные являются самыми настоящими горючими телами, которые горят и сжигают себя. Во время дыхания, как и во время горения, кислород и теплород поставляет атмосферный воздух; кровь поставляет горючее, а его окисление в легких объясняет изменение цвета. Это горение, образующее углекислый газ и воду, является источником температуры тела. Итак, жизненный воздух не может превращаться в угольную кислоту кроме как посредством добавления углерода; он не может превращаться в воду кроме как посредством добавления водорода; и этот двойной процесс не способен происходить без того, чтобы жизненный воздух не терял часть своего особого теплорода. Отсюда следует, что суть дыхания есть извлечение из крови части углерода и водорода и — в возмещение — добавление в нее особого теплорода, который во время циркулирования крови распределяется во все части тела животного и поддерживает примерно постоянную температуру, наблюдаемую у всех дышащих животных».

Мы располагаем иллюстрацией опытов Лавуазье в области физиологии благодаря двум прекрасным рисункам Марии, выполненным во время этих опытов; один из них воспроизведен ниже. На нем можно видеть множество людей, работающих в лаборатории Арсенала. На подопытном — плотно облегающий комбинезон, герметично застегнутый для сбора теплоты и влаги, выделяющихся во время потоотделения. Изо рта выходит трубка со стеклянной емкостью для сбора выделяемых газов. Как и на рисунке, помещенном в прошлой главе, справа можно видеть женщину, одетую по моде того времени: это и есть автор рисунка.

Лавуазье был очень близок к получению правильного объяснения метаболизма; только навязчивая идея о «теплороде» помешала ему. Также он открыл отношение между питанием и метаболизмом:

«У этого горения есть энергетическая затрата, это вещество самого животного, это кровь, поставляющая горючее; если бы животные не восполняли питанием то, что они теряют во время своего дыхания, очень скоро лампе не хватило бы масла и животное погибло бы, как гаснет и лампа, когда ей не хватает горючего».

Кроме того, Лавуазье понял, что у организма есть механизм охлаждения на случай, если производится излишнее тепло. Навязчивая идея о «теплороде» подталкивала его к странным объяснениям. Он думал, что во время потоотделения вода выводит из организма теплород. Ученый заметил также, что человек теряет много «теплорода» и воды через легкие во время дыхания.

Итак, в человеческом теле происходят три важнейших процесса — дыхание, потоотделение и пищеварение. Первый совершается в легких и представляет собой реакцию между водородом, углеродом и кислородом из воздуха. В результате этого процесса выделяется теплота, которая благодаря циркуляции крови распределяется по всему телу, поддерживая постоянную температуру. Во время потоотделения потеря воды через кожу и легкие позволяет избавиться от излишков теплоты. В ходе пищеварения пища восполняет в крови то, что та потеряла во время дыхания и потоотделения. Итог своим размышлениям Лавуазье подводил очень поэтично:

«Можно сказать, что аналогия, существующая между горением и дыханием, не ускользнула от поэтов, или скорее от философов античности; они были ее голосом и посредником. Огонь, похищенный у неба, — факел Прометея — заключал в себе не только искусную и поэтическую идею: этот образ — верное отражение процессов, происходящих в природе, по крайней мере с дышащими живыми существами. Вместе с древними учеными мы можем сказать, что пламя жизни загорается в тот момент, когда ребенок делает первый вдох, и гаснет оно лишь со смертью. Возможно, возникнет соблазн предположить, что древние мудрецы глубже, нежели мы могли бы подумать, проникли в храм знаний и этот миф является просто аллегорией, в которой они спрятали важнейшие истины медицины и физики».

Трудно представить, что Лавуазье мог бы открыть в области биохимии — науки, возникшей только спустя несколько веков, — если бы его жизнь не прервалась столь внезапно. Но рассматривая результаты его опытов, осуществленных в беспокойные годы революции, не будет преувеличением вместе с одним из его биографов утверждать: пока мы не придем к выводу, что главным преступлением Французской революции была не казнь Людовика XVI, а казнь Лавуазье, мы не поймем историю.