ЛАВУАЗЬЕ, АНТУАН ЛОРАН

ЛАВУАЗЬЕ, АНТУАН ЛОРАН (Lavoisier, Antoine Laurent) (1743–1794), выдающийся французский химик, один из создателей современной химии. Обнаружил, что воздух имеет сложный состав, определил состав воды, объяснил сущность горения и окисления, разработал принципы химической номенклатуры.

Родился 26 августа 1743, в очень состоятельной буржуазной семье. Отец был одним из 400 адвокатов, находившихся в ведении Парижского парламента, и хотел, чтобы сын тоже стал адвокатом, и тот окончил юридический факультет Парижского университета. Но Лавуазье больше привлекали естественные науки, поэтому одновременно с юриспруденцией он изучал математику, астрономию, ботанику, минералогию и геологию, химию под руководством лучших парижских профессоров. Уже в возрасте 22 лет представил работу в Парижскую Академию наук на тему О лучшем способе освещать улицы большого города, за которую в 1766 был награжден золотой медалью академии. При выполнении этой работы ярко проявились качества Лавуазье как исследователя: необыкновенная настойчивость и целеустремленность, изобретательность и тщательность при проведении экспериментов. Не имея приборов для измерения силы света (тогда таких приборов еще не было), он полтора месяца провел в темной комнате, повысить чувствительность глаз к свету. А участие в 1763–1767 в составлении минералогической карты Франции помогло ему выработать такие качества как наблюдательность и тщательность ведения рабочих журналов.

Благодаря работам по химическому анализу минералов, привезенных из экспедиции (статью Анализ гипса он представил в Академию еще в 1765), Лавуазье стал известен среди химиков. В 1768 он избран сверхштатным адъюнктом Академии наук по химии, в 1774 – экстраординарным, а в 1778 – ординарным (т.е. действительным) академиком. Во время Великой Французской Революции Лавуазье прилагал все силы, чтобы спасти академию, но это ему не удалось: в 1793 академия была упразднена, а в следующем году жертвой революции стал и он сам.

Кроме научных работ, Лавуазье выполнял множество других обязанностей. В 1775 он был назначен управляющим пороховым делом, которое требовало очень больших усилий. В результате за 13 лет производство пороха во Франции удвоилось, а его качество значительно улучшилось. При этом сам он жил в пороховом арсенале и здесь же устроил лабораторию, в которой выполнил основные исследования. Эта лаборатория стала фактически научным центром Парижа, в ней он устраивал демонстрации опытов, на которые приглашал не только химиков, пробуждая у широкого круга людей интерес к науке.

Помимо этого, Лавуазье выполнял массу самых разнообразных поручений: занимался изучением тюремного дела, улучшением положения земледельцев, контролем качества продуктов, снабжением водой морских судов, организацией благотворительных учреждений и страховых касс, народным просвещением, школами прядения и ткачества... В 1790 стал секретарем и казначеем комиссии по выработке рациональной системы мер и весов. В результате была разработана метрическая система, распространившаяся постепенно по всему миру. Но основные интересы Лавуазье были связаны с химией. В работе ему помогала жена Мария, которая стала фактически его секретарем, вела его рабочие журналы, переводила для него с английского научные статьи, рисовала и гравировала чертежи для его книг. На известной картине Портрет господина Лавуазье и его жены кисти Жака Луи Давида (1788) супруги Лавуазье запечатлены у лабораторного стола (сейчас эта картина хранится в Метрополитен-музее в Нью-Йорке).

Огромный вклад Лавуазье в науку заключался не только в получении новых фактов – этим занимались многие. Лавуазье фактически создал новую философию химии, новую систему ее понятий. В лаборатории, оборудованной по последнему слову науки и техники конца 18 в., Лавуазье провел эксперименты, выводы из которых оказали огромное влияние на химию и другие науки. Например, он показал, как с помощью точного взвешивания можно не только получить новые научные данные, но и подтвердить научную теорию.

В качестве примера можно привести опровержение одного заблуждения. В то время полагали, что вода при нагревании может самопроизвольно превращаться в твердое вещество. Действительно, когда «чистую» воду упаривали досуха, всегда обнаруживали некоторое количество сухого остатка, который называли «землей», поэтому и считали возможным превращение воды в твердое вещество – «землю». Это положение Лавуазье и решил проверить экспериментально в 1770. Прежде всего он постарался получить как можно более чистую воду. В те времена это можно было сделать единственным способом – перегонкой. Лавуазье взял наиболее чистую природную воду – дождевую, перегнал ее последовательно восемь раз, налил в предварительно точно взвешенный стеклянный сосуд, который затем герметично закупорил, и снова взвесил. После этого Лавуазье нагревал сосуд с водой почти до кипения в течение 100 дней. После прекращения опыта оказалось, что в воде действительно появилась «земля»! Однако повторное точное взвешивание сухого сосуда показало, что его масса уменьшилась, причем ровно настолько, сколько в нем образовалось твердого вещества. Таким образом, Лавуазье убедительно показал, откуда в воде появляется «земля» – она выщелачивается горячей водой из стекла; понятно, что при повышении температуры этот процесс идет значительно быстрее. В сильно упрощенном виде этот опыт и сейчас показывают на уроках естествознания в младших классах, выпаривая каплю водопроводной воды на стеклянной пластинке: сухой остаток показывает, что даже очень чистая с виду вода содержит небольшое количество солей. А термин «земля», как его понимали химики 18 в., до сих пор сохранился в названии щелочноземельных и редкоземельных элементов.

Самый важный вклад Лавуазье в науку – опровержение господствовавшей многие десятилетия теории флогистона и создание теории горения, основанной на опытных данных. Еще со времен Бойля большинство ученых полагало, что превращение многих металлов (железа, ртути, цинка, меди, свинца и др.) в оксиды при их прокаливании совершается за счет «присоединения огня». Опровержение этого постулата имело огромное значение для развития химии. В одном из опытов Лавуазье поместил в герметически закрытый стеклянный сосуд олово и нагрел его с помощью большой линзы. Олово превратилось в порошок оксида, что сопровождалось увеличением массы, однако общий вес сосуда остался неизменным, и это означало, что никакой огонь извне внутрь не проникал, а к металлу присоединилась какая-то часть воздуха.

Более известен знаменитый «двенадцатидневный опыт», который провел Лавуазье. Он нагревал ртуть в запаянной реторте, где она превращалась в оксид HgO, соединяясь с кислородом. Опыт продолжался так долго, потому что ртуть – малоактивный металл и при обычной температуре на воздухе не окисляется. Для проведения реакции Hg + 1/2O₂→ HgO требовалось длительное нагревание при температуре, близкой к температуре кипения ртути 357° C. Нагревать же реторту еще сильнее, чтобы ускорить реакцию кислорода с парами ртути, было нельзя, поскольку при температурах выше 400° C оксид ртути снова разлагается на металлическую ртуть и кислород. Поэтому и пришлось непрерывно прокаливать реторту в течение многих суток, пока содержащаяся в ней ртуть не превратилась полностью в оксид.

С помощью точного взвешивания Лавуазье показал, что масса оксида ртути равна массе металла и соединившегося с ним кислорода, и наоборот – образовавшийся оксид ртути разлагается с выделением тех же самых количеств ртути и кислорода. Увеличение массы металлов при прокаливании за несколько десятилетий до Лавуазье установил еще М.В.Ломоносов, однако его труды в то время оставались неизвестными в европейских странах. Таким образом, Лавуазье фактически заново открыл закон сохранения материи, который иногда называют законом Лавуазье – Ломоносова. Но Лавуазье не ограничился взвешиванием сосудов, а проанализировал изменения происходящие с воздухом, находящимся в контакте с металлом. Было известно, что при этом из воздуха исчезает 1/5 часть, но никто не знал, что собой представляет эта израсходованная часть воздуха и чем она отличается от оставшейся. Как показали эксперименты, остаток воздуха не поддерживает горения и дыхания лабораторных животных. Аналогичные результаты были получены при сжигании серы и фосфора.

Открытый в 1774 шведским химиком К.В.Шееле и английским химиком Дж.Пристли кислород помог Лавуазье понять, что именно кислород – это та пятая часть воздуха, которая присоединяется к металлу при прокаливании. (О своем открытии Пристли лично сообщил Лавуазье во время своего посещения Парижа в 1774). Развитая Лавуазье теория горения и окисления окончательно покончила с флогистоном – мифической горючей субстанцией, которая в процессе горения якобы выделяется из тел. Одновременно Лавуазье первым показал, что воздух – это не простое вещество, как считали до этого, а смесь «жизненного воздуха», или кислорода, и «нездорового воздуха», или азота, причем их объемы относятся примерно как 1:4. Лавуазье не только провел анализ воздуха, но осуществил его синтез, смешивая азот с искусственно полученным из оксида ртути кислородом.

Он объяснил также, какие изменения происходят с воздухом и при горении в нем свечи, и при дыхании мыши в замкнутом пространстве. Лавуазье показал, что дыхание – это по сути медленное горение, дающее животному энергию. При этом поглощается кислород и выделяется углекислый газ. Он также установил состав углекислого газа. Для этого в одном из опытов он сжег алмаз, повторив эксперимент флорентийских академиков, которые еще в 1649 «испаряли» алмазы с помощью большого зажигательного зеркала. Доклад Опыты над дыханием животных и об изменениях, которые совершаются в воздухе, проходящем через их легкие, Лавуазье зачитал на заседании Академии 3 мая 1777 Эти опыты были исключительно важны для развития не только химии, но и физиологии.

Лавуазье подробно исследовал роль кислорода в образовании кислот. Известные тогда кислоты содержали этот элемент, поэтому он и получил латинское название oxygenium, то есть «рождающий кислоты». Особенно важную роль сыграли тщательные эксперименты по соединению с кислородом «горючего воздуха», то есть водорода, открытого Генри Кавендишем в 1767. Лавуазье, в соответствии со своей теорией, надеялся при сгорании водорода в кислороде получить какую-либо кислоту. Оказалось, однако, что при горении водорода образуется чистая вода. Горение водорода в кислороде и образование воды Лавуазье продемонстрировал, в сотрудничестве с физиком и математиком Пьером Симоном Лапласом, на заседании Академии наук 24 июня 1783. Собрав немного продукта реакции горения, Лавуазье и Лаплас обнаружили, что это совершенно чистая вода.

Спустя два года Лавуазье, работая совместно с инженером Жаном Батистом Мёнье, получил уже 45 г «искусственной воды». Для этого им пришлось сжечь в кислороде 60 л водорода. Количественные измерения показали, что 12 объемов водорода соединяются с 22,92 объемами кислорода. Отклонение этих результатов от истинного соотношение объемов (1:2) объясняется, очевидно, примесями в изучаемых газах. Одновременно было установлено соотношение масс этих газов, которое показало, что 1 часть водорода требует для сгорания примерно 8 частей воздуха. Таким образом, Лавуазье и воду «перевел» из разряда простых тел в сложные.

После синтеза воды Лавуазье провел ее анализ, как он привык поступать при работе с другими веществами. Вместе с Мёнье он разложил пары воды, пропуская их через раскаленный ружейный ствол и собирая выделяющийся газ. Одновременно железный ствол покрылся изнутри окалиной, то есть соединением металла с кислородом: 3Fe + 4H₂O ® Fe₃O₄ + 4H₂, а газ оказался водородом. Это подтвердило качественный состав воды. А взвешивание продуктов реакции позволило рассчитать и ее количественный состав: 85% кислорода и 15% водорода (современные значения – 88,81 и 11,19%). Более того, Лавуазье теперь мог правильно истолковать такие реакции, как восстановление металлов из их оксидов водородом (например, CuO + H₂® Cu + H₂O) и выделение водорода при действии кислот на металлы (например, Fe + Н₂SO₄® FeSO₄ + H₂). Лавуазье предложил «железопаровой способ» получения водорода для заполнения воздушных шаров (вместо более дорогого, основанного на реакции чугунных стружек с раствором серной кислоты). Этот способ получения водорода применялся, наряду с другими, вплоть до середины 20 в.

Новая теория горения, несмотря на свою простоту и плодотворность, была враждебно встречена многими химиками. В Берлине, где особо чтили память создателя теории флогистона немецкого химика Георга Эрнста Шталя, Лавуазье был объявлен «научным еретиком», а его портрет подвергнут показательному сожжению. И даже соотечественник Лавуазье Пьер Жозеф Макёр, открывший желтую кровяную соль (См. также ЛАЗУРЬ БЕРЛИНСКАЯ), высмеивал его теорию. Но постепенно убедительные рассуждения Лавуазье, подкрепленные не менее убедительными опытами, начали привлекать на его сторону все большее число химиков. Этот процесс значительно ускорился после издания в 1789 Начального курса химии, который в течение трех лет был переведен на голландский, английский, итальянский и немецкий языки, опубликован во многих странах Европы и Америки. Сдался даже английский химик Ричард Кирван, один из самых жестких критиков Лавуазье, издавший в 1784 Очерк о флогистоне и о конституции кислот (в 1787 он вышел во французском переводе с критическими замечаниями Лавуазье и его соратников). В 1792 Кирван в письме к виднейшему французскому химику Клоду Луи Бертолле признался в том, что «кладет оружие и оставляет флогистон». Таким образом, теория Лавуазье восторжествовала.

Лавуазье сделал также много других научных открытий. Найдя, что при сжигании органических соединений образуется вода и углекислый газ, он установил, что в состав этих соединений входят углерод, кислород и водород. Одновременно Лавуазье выполнил первые анализы органических соединений, сжигая навески спирта, масла, воска и т.п. в определенном объеме кислорода и определяя объем выделившегося углекислого газа. Для сжигания он использовал также вещества, легко отдающие кислород: HgO, MnO₂, KClO₃. Исследуя процессы брожения сахаристых веществ, Лавуазье установил, что виноградный сахар при этом расщепляется с образованием спирта и углекислого газа. Вместе с Лапласом Лавуазье сконструировал ледяной калориметр, провел измерения тепловых эффектов химических реакций и этим заложил основы новой науки – термохимии.

В своем Курсе химии Лавуазье дал классификацию тел, деля их на простые и сложные, отнеся к последним оксиды, кислоты и соли. Всего он классифицировал в качестве элементов более 30 веществ, среди которых, помимо кислорода, азота, водорода, серы, фосфора, углерода и металлов, были также «теплород», «известь», «кремнезем» и т.п. Правда, он не утверждал, что все тела в его таблице действительно простые. «Элементами будут считаться все соединения, – писал он, – которые нельзя разложить никаким образом на более мелкие части; иными словами, если у нас нет способов разделить какое-либо вещество, то мы должны рассматривать его как элемент, как простое тело и не должны пытаться рассматривать его как сложное тело до той поры, пока эксперименты и наблюдения не приведут нас к противоположному выводу». Это определение сыграло важную роль на начальном этапе развития химии. Лавуазье предугадал сложный состав некоторых щелочей и кислот, ряда минералов, которые ранее считались элементарными, то есть неразложимыми на более простые. Очень важно, что Лавуазье, как истинный ученый, четко разделял опытные факты и гипотезы. Так, по поводу возможности в будущем разложить некоторые «земли» на металл и кислород (что было сделано Г.Дэви в начале 19 в.) Лавуазье пишет: «Я высказываю здесь простое предположение и надеюсь, что читатель не смешает то, что я даю как фактическую и опытную истину, с тем, что еще только гипотетично. Большое значение для науки имела работа Лавуазье в составе комиссии по химической номенклатуре. В 1787 Лавуазье, совместно с рядом известных французских химиков, предложил новую рациональную химическую номенклатуру. В соответствие с ней, получили современные названия многие простые и сложные неорганические соединения. Названия элементов подбирались так, чтобы по возможности отразить их свойства: кислород, водород, углерод, азот (в переводе с греческого – «нежизненный»). Кислоты получили название от элементов или веществ, из которых они получались: серная кислота, соляная, азотная, угольная, фосфорная и т.д. Это значительно облегчило систематизацию веществ.

Весьма плодотворная и полная высочайших научных достижений жизнь Лавуазье была достаточно спокойной в бытовом плане. Как писал итальянский историк химии Микеле Джуа, «его жизнь до последних лет не представляет ничего, что могло бы привлечь особое внимание историка; но ее финал, перенесенный стоически, ставит Лавуазье в ряды мучеников, достойных восхищения».

Знаменитый «93-й год» стал гибельным не только для французской монархии. Лавуазье погубила принадлежность к «Компании откупов», куда он вступил в 1769. Это была организация из 40 крупных финансистов, которые вносили в казну все государственные косвенные налоги (на соль, табак и т.п.) за счет собственных средств, а взамен получали право «откупать» эти налоги, взимая их с населения. Понятно, что в накладе они при этом не оставались, собирая вдвое больше потраченного, не считая большого жалованья. Поэтому народ ненавидел и систему откупа, и самих откупщиков. К 1791, когда система откупов была ликвидирована, Лавуазье нажил на ней огромное состояние – более миллиона ливров. Правда, сам он значительную часть доходов от откупа тратил на научные опыты. Так, только на опыты по определению состава воды он потратил 50 тыс. ливров. Но все это не могло служить оправданием в глазах революционного Конвента. «Республика не нуждается в ученых», – заявил председатель трибунала Коффиналь.

В 1793–1794 якобинцы развернули жестокий террор против «врагов народа», к которым причисляли любого, заподозренного во враждебности революции, будь то роялисты или сами революционеры. По декрету от 24 ноября 1793 были арестованы и все бывшие откупщики. Лавуазье мог скрыться, но сам отдался в руки властей, уверенный, что на суде он сможет опровергнуть обвинения, а его научные заслуги и широкая известность будут способствовать его оправданию. К сожалению, почти никто, даже из его ближайших друзей-академиков, палец о палец не ударил, чтобы способствовать спасению великого ученого. А ведь среди них были видные революционеры – Луи Бернар Гитон де Морво, Антуан Франсуа Фуркруа, Клод Луи Бертолле. А физик П.С.Лаплас, математик Г.Монж, химик Ж.А.Ассенфрац были активными членами Якобинского клуба. Многие из них благополучно пережили годы террора, а при правлении Наполеона получили в награду за научные труды графские титулы и богатое жалованье.

Как утверждает биограф Лавуазье Э.Гримо (его книга была опубликована в Париже в 1888), жена Лавуазье говорила, что ее муж стал жертвой не столько революции, сколько ученых, которые не спасли его. Возможно, ими руководил страх за собственную жизнь, как это часто бывает в годы террора, когда от гнева диктатора не спасает самое высокое положение. Так, английский биограф Фуркруа У.А.Смитон в своей книге, изданной в Лондоне в 1962, приводит такой факт. Фуркруа в Комитете общественного спасения произнес речь в защиту Лавуазье, но председатель Комитета Робеспьер никак на нее не отреагировал. Когда же Фуркруа ушел, Робеспьер разразился по его адресу такими угрозами, что один из членов Комитета немедленно сообщил Фуркруа, что его жизни угрожает опасность.

Официальную петицию в защиту Лавуазье направили только математик Ж.Ш.Борда и минералог Р.Ж.Аюи. Она не возымела действия, и Лавуазье, вместе с другими откупщиками был приговорен к смерти. В формулировке приговора фигурировали самые нелепые обвинения, например, в том, что Лавуазье подмачивал табак и добавлял в него вредные для здоровья вещества. Лавуазье был гильотинирован 8 мая 1974 Смерть он встретил достойно и мужественно. Узнав об этом, знаменитый математик Ж.Л.Лагранж сказал не менее знаменитому математику и физику Ж.Л.Даламберу: «Понадобилось лишь одно мгновение, чтобы отрубить эту голову, но, может быть, и столетия будет мало, чтобы создать подобную ей». Через два года Лавуазье был посмертно реабилитирован.

Лавуазье сделал так много для науки, что его жизнь и деятельность стала предметом спекуляций. С одной стороны, французские ученые 19 в. безудержно восхваляли его: «Химия – французская наука: она создана бессмертным Лавуазье» (Ш.А.Вюрц); «Вся современная наука есть только развитие трудов Лавуазье» (Э.Гримо). С другой стороны, в некоторых странах, особенно в Германии, роль ученого пытались всячески принизить. А изобретатель паровой машины Джеймс Уатт еще при жизни Лавуазье называл его пренебрежительно «французским финансистом». Утверждали даже, что Лавуазье прославился потому, что присваивал себе выдающиеся достижения других ученых. Это мнение опровергается не только фактами, но и тем, как Лавуазье вел себя в последние дни своей жизни. «Очевидно, – пишет М.Джуа, – что подобный человек не мог пытаться присвоить себе научные заслуги других, во что хотят заставить поверить его хулители». Современные историки науки единодушны в мнении о том, что «работы Лавуазье произвели в химии, пожалуй, такую же революцию, как два с половиной века до того открытия Коперника в астрономии» (Вильгельм Штрубе).

Илья Леенсон