Что скрывает атмосфера, или Как возник воздух…

Всего через несколько лет, в разгар Французской революции, главный соперник Пристли тоже стал жертвой расправы, учиненной возбужденной толпой. Но Лавуазье был не только ученым, он был аристократом: он занимался сбором налогов в королевскую казну, а однажды заплатил невозможные деньги (эквивалент 280 000 долларов США) за портрет, на котором он и его жена были изображены на фоне химического оборудования. К сожалению, при всех своих научных талантах он был полностью лишен умения разбираться в людях. В частности, он так никогда и не понял, какое горячее пламя свободы может гореть в груди униженных и обездоленных людей, и именно поэтому оказался на гильотине.

Кислород и азот – соседи по периодической таблице, и оба образуют двухатомные газы (N₂ и O₂). Накопление азота миллиарды лет назад стало причиной возникновения третьей, менее суровой, атмосферы Земли, а появление кислорода ознаменовало зарождение четвертой атмосферы – весьма взрывоопасной. Азот – вещество сонное, малоактивное, а кислород изменчив и задирист. Он является ядом для многих форм жизни, а 2 млрд лет назад стал причиной самой страшной катастрофы в истории жизни на Земле – так называемой кислородной катастрофы.

Однако каким-то образом жизнь сохранилась, и бывший яд стал насущной потребностью. Это может показаться банальным, но данное превращение напоминает мне известную историю о том, что в китайском языке слово «кризис» складывается из двух иероглифов: один обозначает опасность, а другой – возможность. Правда, синологи утверждают, что это ерунда, но в отношении кислорода факт остается фактом: кислород уничтожил первые формы жизни, поскольку очень легко разрушает клетки, но, когда клетки научились контролировать содержание кислорода, его активность стала важнейшим преимуществом. Учитывая разрушительную мощь кислорода, не приходится удивляться, что он разрушил жизнь всех химиков, приложивших руку к его открытию. Это настоящий «алмаз Хоупа» в периодической таблице элементов.[19]

Открытие кислорода связано с одним из важнейших открытий в области газов, которое заключается в том, что воздух представляет собой смесь нескольких газов. Раньше ученые не видели различий между разными типами газов; любой дым или пар был для них «воздухом».

Физик и алхимик Ян Баптист ван Гельмонт установил истину в начале XVII в. У него были для этого все возможности. Он и другие алхимики уже отказались от идеи греков о том, что все в мире состоит из четырех базовых элементов (веществ, которые нельзя разложить на более простые составляющие): воздуха, земли, огня и воды. В частности, алхимики заявляли, что земля и огонь вообще не элементы: земля представляет собой смесь различных материалов, а огонь – скорее явление, нежели субстанция. Однако после ряда экспериментов у ван Гельмонта не было твердой уверенности относительно природы воздуха. Он обратил внимание, что при нагревании некоторых веществ – древесины, угля или минералов – происходит выделение паров, свойства которых отличаются от свойств воздуха. Кроме того, он отметил различные свойства паров, выходящих из шахт, выгребных ям и человеческого желудка при отрыжке. Для обозначения этих субстанций ван Гельмонт стал использовать слово «газ», образованное им из греческого слова «хаос».

Эта этимология вполне обоснованна, учитывая неупорядоченное поведение молекул газов, однако ван Гельмонт пошел дальше и стал говорить о газах как о непобедимых диких духах. Он даже сравнивал газы с душами и утверждал, что ученым никогда не удастся заключить газы в какие-либо земные сосуды (возможно, ван Гельмонт никогда не плавал или, по крайней мере, не пытался удерживать дыхание под водой). Позднее ученые отказались от метафизики ван Гельмонта, но сохранили его идею о том, что воздух и газы – различные понятия: воздух – это вещество, а газ – состояние материи.

Следующие важные шаги в изучении воздуха в середине XVII в. сделал ирландский ученый Роберт Бойль, который исследовал физические, химические и биологические свойства воздуха. Физические свойства воздуха он исследовал путем анализа его эластичности, в данном случае легкости сдавливания. Он установил, что при сдавливании какого-то объема газа автоматически возрастает его давление (верно и обратное: расширение объема газа приводит к снижению давления). Что касается химических свойств воздуха, он обнаружил, что воздух необходим для поддержания горения – под колпаком пламя гаснет. Аналогичную и не очень благородную традицию он ввел и для изучения биологических свойств воздуха: помещал под колпак птиц, мышей, кошек, змей и сырных клещей и отмечал, когда они начнут задыхаться.

Для хранения и изучения газов Бойль обычно пользовался мочевым пузырем быка, но те, кто работал после него, выяснили, что удобнее пропускать пузырьки газов через слой воды или ртути, а затем собирать и хранить в перевернутых вверх дном сосудах. Благодаря новой технологии шотландский физик Джозеф Блэк в XVIII в. достиг заметного прогресса в изучении свойств воздуха.