Книга по химии для домашнего чтения

Fe + 2HCl = FeCl₂ + H₂↑.

Ломоносов считал, что водород выделяется из металлов. Только в 1766 г. английский химик Кавендиш (см. 2.8), ничего не зная о работах Ломоносова, получил водород в реакции

Fe + H₂SO₄ = FeSO₄ + H₂↑

и назвал его «горючим воздухом». В отличие от Ломоносова Кавендиш считал, что «горючий воздух» — это соединение флогистона с водой (см. 1.40; 1.42).

1.40. СПОРЫ О ФЛОГИСТОНЕ

«Химики сделали из флогистона смутное начало, которое не определено в точной мере и которое поэтому пригодно для любых объяснений, в которые его хотят ввести».

(А. Лавуазье, 1783 г.)

Целая плеяда замечательных химиков — Ломоносов (см. 2.1), Шееле (см. 2.7), Кавендиш (см. 2.3), Пристли (см. 2.11) — искала способы выделения флогистона из различных веществ, но так и не смогла их найти. Что же это за «составная часть веществ — флогистон»? Термин «флогистон» (от греческого — воспламеняющийся, горючий) употреблялся врачами со времен Аристотеля (см. 4.2) для указания на особо воспаленное состояние органов дыхания. Понятие о флогистоне для объяснения химических реакций ввел в обиход Георг-Эрнст Шталь (1659–1734), придворный врач герцога Саксен-Веймарского, а затем — прусского короля Фридриха-Вильгельма I. Шталь был членом Прусской академии наук и президентом Медицинской коллегии Пруссии. Он считал, что флогистон — составная часть всех горючих тел. По его мнению, флогистон выделяется при горении или обжигании веществ и, соединяясь с воздухом, образует пламя или огонь. Из воздуха флогистон выделить химическим путем уже нельзя. Только растения могут извлекать его, а через употребление растений флогистон переходит в животные организмы. Чем больше флогистона содержит вещество, тем более оно способно к горению. По Шталю, уголь состоит из почти чистого флогистона, но флогистон не является углеродом. Металлы, по представлению Шталя, являются сложными веществами, состоящими из «известей» и флогистона. Металлы, теряя флогистон, превращаются в «извести», из которых, добавляя флогистон, можно снова получить металлы. Со временем флогистон начали считать особой невесомой жидкостью, способной переливаться из одного тела в другое.

Ломоносов допускал, что флогистон — реальное материальное тело, состоящее из корпускул.

Первый удар по теории флогистона нанес Лавуазье (см. 2.28) в 1775 г. после открытия кислорода. Он показал, что никакого флогистона в природе не существует. Металлы под воздействием кислорода превращаются в оксиды (по Шталю — «извести»), а уголь, сгорая, переходит в диоксид углерода CO₂.

1.41. «СВЕТИЛЬНЫЙ ГАЗ»

C развитием металлургии в России увеличивалось и производство кокса из каменного угля путем нагревания последнего без доступа воздуха. Побочные продукты коксования угля в основном содержали водород H₂, метан CH₄, аммиак NH₃ и каменноугольную смолу. После отделения смолы газ пропускали через воду, которая растворяла аммиак, а оставшиеся газообразные продукты — водород и метан — составляли основу так называемого «светильного газа», который употребляли для освещения городских улиц и для других бытовых нужд. Пропуская газообразные продукты коксования каменных углей через водные растворы серной кислоты H₂SO₄ или хлороводорода НСl, получали сульфат аммония (NH₄)₂SO₄ или хлорид аммония NH₄Cl (нашатырь, см. 1.44).

Выделение газа при нагревании угля без доступа воздуха впервые наблюдал в 1681 г. немецкий алхимик и врач Иоганн-Иоахим Бехер (1635–1682). Только через 100 с лишним лет «светильный газ» нашел практическое применение. В 1792 г. английский инженер Уильям Мурдок построил промышленную установку по сухой перегонке угля для газового освещения своего дома и фабрики. В 1814 г. уже целый квартал Лондона имел газовые фонари (см. 9.21).

1.42. ВОЗДУШНЫЕ ШАРЫ

В июне 1794 г. для наблюдения за передвижением армии интервентов во время боя при Флёрюсе (Франция) был использован привязной воздушный шар, заполненный водородом.

Способ получения водорода действием разбавленной серной кислоты H₂SO₄ на железо Fe (см. 1.39) был очень дорогим. Лавуазье (см. 2.28) и французский военный инженер Жан Мёнье (1754–1793) предложили первый промышленный метод получения водорода, заключающийся в пропускании водяного пара через раскаленный орудийный ствол:

3Fe + 4Н₂O = 4Н₂↑ + (FeFe₂)O₄^[10].

Производительность такого примитивного процесса была крайне мала. Поэтому для заполнения водородом воздушного шара Жан Кутель (1748–1835) — французский инженер и командир воздухоплавательной роты — и Николя Конте (1755–1805) — французский химик — создали более крупную установку, состоящую из семи чугунных труб, вмазанных в печь и заполненных железными опилками. При прохождении водяного пара через раскаленные докрасна железные опилки образовывался водород, который очищался пропусканием через воду и водную суспензию гидроксида кальция Ca(OH)₂.

Производительность такой установки, использовавшей 200 кг железных опилок, составляла 24 м³ водорода в час. В России аналогичную установку впервые создал в 1803 г. русский химик, академик Яков Дмитриевич Захаров (1765–1836), незнакомый с работами французских химиков. Его установка вмещала 819 кг железных стружек и производила 91 м³ водорода в час. Свою установку Захаров использовал для наполнения водородом воздушного шара (см. 2.14).

В настоящее время промышленные способы получения водорода основаны либо на извлечении его из природных газов, либо на электролизе воды.

1.43. ВОЗМУЩЕНИЕ ПРИСТЛИ. ПОЧЕМУ ОБИДЕЛСЯ УАТТ?

В 1774 г. Лавуазье (см. 2.28) провел опыты с нагреванием оксида ртути HgO:

2HgO = 2Hg + O₂↑

и убедился, что выделяющийся газ не имеет ничего общего с диоксидом углерода CO₂, который тогда называли «связанным воздухом». Новый газ O₂ Лавуазье назвал «чрезвычайно чистым воздухом», а позднее — кислородом. О своем открытии он никаких сообщений не сделал, и записи о проведенных опытах остались лишь в его дневнике. В том же году английский химик Пристли (см. 2.11) также при нагревании HgO обнаружил выделение газа, улучшающего горение свечи. Он назвал этот газ «дефлогистированным воздухом». В конце 1774 г. Пристли прибыл в Париж, встретился с Лавуазье и рассказал ему о своих удивительных опытах. После визита Пристли Лавуазье, просмотрев свои дневниковые записи, сделал сообщение в Парижской академии наук об открытии им нового газа без ссылки на разговор с Пристли. А Пристли, узнав об этом, стал утверждать, что Лавуазье использовал его сообщение для присвоения приоритета открытия нового «воздуха». В ответ на возмущение Пристли Лавуазье в 1782 г. писал: «Этот воздух, который г. Пристли открыл приблизительно в то же время, что и я, и даже, я думаю, раньше меня…». В этом споре важно отметить и другое: Пристли считал воздух однородным веществом, а Лавуазье уже в то время был твердо уверен, что воздух содержит в себе два различных газа. Ко времени визита Пристли Лавуазье получил письмо от шведского химика Шееле (см. 2.7) с сообщением об открытии им «райского воздуха» (так назвал Шееле кислород).

Позднее Лавуазье показал, что кислород входит в состав продуктов горения фосфора (P₄O₁₀), серы (SO₂) и что азотная кислота HNO₃ также содержит кислород. Это привело его к мысли, что все кислоты являются продуктами реакции присоединения нового газа к какому-либо веществу. Поэтому он и дал название этому газу «кислород» — «рождающий кислоты».