Коллектив авторов - 100 великих научных открытий

Исследования Лавуазье сыграли важную роль в развитии химии XVIII в.: созданная им научная теория горения знаменовала отказ от теории флогистона. В борьбе со сторонниками последней у Лавуазье был замечательный союзник — весы. Приступая к какому-либо опыту, ученый тщательно взвешивал все вещества, которые должны были вступить в реакцию, и еще раз взвешивал ее продукты по окончании опыта. По примеру Шееле, Лавуазье тоже сжигал фосфор в закрытой колбе, но не терялся в догадках, куда при горении исчезает пятая часть воздуха, поскольку весы давали ему точный ответ.

Прежде чем положить кусок фосфора в колбу, Лавуазье взвешивал его, а когда фосфор сгорал, взвешивал всю сухую фосфорную кислоту, оставшуюся в колбе. Согласно теории флогистона, фосфорная кислота должна была по весу уступать исходному материалу, ведь, сгорая, фосфор якобы разрушался и терял флогистон. Даже если бы флогистон был невесомым, фосфорная кислота весила бы ровно столько, сколько исходный фосфор. Однако выяснилось, что белый иней, оседавший на стенках колбы после горения, весил больше сгоревшего фосфора. Следовательно, «исчезнувшая» часть воздуха на самом деле никуда не девалась, а просто присоединялась к фосфору, в результате чего и получалась фосфорная кислота (теперь мы называем это вещество фосфорным ангидридом). Понимая, что горение фосфора — не исключительное явление, Лавуазье на других опытах показал: всякий раз, когда сгорает любое вещество или ржавеет металл, происходит то же самое.

К концу 1772 г. ученый представил Академии наук первые результаты — в частности, записи о том, что при сгорании серы и фосфора вес продуктов горения превышает вес исходных веществ за счет связывания воздуха, а вес свинцового глета (оксида свинца) при восстановлении до свинца уменьшается, но при этом выделяется значительное количество воздуха. В 1783 г. Лавуазье повторил опыты Кавендиша по сжиганию «горючего» воздуха (водорода) и сделал вывод, что «вода не есть простое тело», а является соединением водорода и кислорода, и ее можно разложить пропусканием водяного пара через раскаленный докрасна ружейный ствол. В 1877 г. ученый выступил со своей теорией горения на заседании Академии наук, существенно ослабив основы теории флогистона, окончательное поражение которой было нанесено исследованиями состава воды.

Впрочем, подробное изучение свойств кислорода и его роли в процессах горения привело Лавуазье к неправильному выводу, будто бы этот газ представляет собой кислотообразующее начало. В 1779 г. ученый даже ввел для кислорода название oxygenium (от греч. «окис» — кислый, «геннао» — рождаю), то есть «рождающий кислоты». И до конца своей жизни настаивал на том, что кислород представляет собой атомарный «элемент кислотности» и что образуется он только тогда, когда соединяется с «теплородом», «материей теплоты». То, о чем Лавуазье писал в своих статьях, было не столько открытием кислорода, сколько кислородной теорией горения. Эта теория стала ключом для перестройки химии, которую называют революцией в науке.

В настоящее время кислород очень широко используется во многих областях человеческой деятельности. Его применяют для ускорения химических процессов на производствах (например, в производстве серной и азотной кислот, в доменном процессе). Кислородом пользуются для получения высоких температур, для чего различные горючие газы (водород, ацетилен) сжигают в специальных горелках. Смеси жидкого кислорода с угольным порошком, древесной мукой или другими горючими веществами, называемые оксиликвитами, обладают очень сильными взрывчатыми свойствами и применяются при подрывных работах. Кислород давно и широко используют в медицине, при этом далеко не каждый анестезиолог-реаниматолог знает, каким же способом получают столь необходимый для его деятельности газ.

Фотосинтез — один из важнейших биологических процессов, протекающих в природе, ведь именно благодаря ему происходит образование органических веществ из углекислого газа и воды под действием света, а главное — выделяется кислород.

История изучения фотосинтеза началась в 1600 г., когда бельгийский ученый Ян Ван Гельмонт провел несложный эксперимент — поместил веточку ивы (предварительно измерив ее вес) в мешок с 80 кг земли и на протяжении пяти лет поливал дождевой водой. За это время вес ивы увеличился на 65 кг, при том что масса земли уменьшилась всего на 50 г. Откуда взялась столь внушительная прибавка в весе, для ученого осталось загадкой.

Следующий шаг к открытию фотосинтеза был сделан Джозефом Пристли в 1771 г. Он поместил мышь под колпак и через пять дней увидел, что та умерла. Тогда он посадил под колпак еще одну мышь, но рядом с ней положил веточку мяты — и в итоге мышь осталась живой. Это навело ученого на мысль, что существует некий процесс, противоположный дыханию, и что зеленые растения способны очищать и восстанавливать воздух, «испорченный» животными. Через несколько лет после этого открытия Пристли опытным путем узнал о существовании кислорода и понял — первая мышь умерла от его отсутствия, а вторая выжила благодаря веточке мяты, которая выделяла этот важный элемент.

В 1782 г. швейцарский ученый Ж. Сенебье доказал, что углекислый газ (СО 2) под воздействием света разлагается в зеленых органоидах растений — хлоропластах. А пять лет спустя французский ученый Ж. Буссенго обнаружил, что растения поглощают воду не только при разложении, но и при синтезе органических веществ.

Тем не менее исследователи второй половины XIX — начала ХХ в. рассматривали фотосинтез как одноактный процесс разложения углекислого газа посредством хлорофилла — сложного органического соединения, которое придает листьям зеленую окраску и поглощает солнечный свет. В 1864 г. немецкому ботанику Ю. Саксу удалось рассчитать пропорцию потребляемого углекислого газа и выделяемого кислорода — 1:1. Таким образом, была выведена общая формула этого процесса: вода + углекислый газ + свет → углеводы + кислород (6СО 2 + 6Н 2О → → С6Н 12О 6 + 6О 2).

В 1871 г. К. Тимирязев высказал идею о том, что в ходе фотосинтеза хлорофилл подвергается обратимым окислительно-восстановительным превращениям. В 1905 г. английский физиолог растений Фредерик Блэкман установил основные этапы фотосинтеза, показав, что процесс начинается при слабом освещении и с увеличением светового потока скорость реакций возрастает, однако на определенном этапе дальнейшее усиление освещения уже не приводит к повышению активности фотосинтеза; что повышение температуры при слабом освещении не влияет на скорость фотосинтеза, но при одновременном повышении температуры и усилении освещения скорость процесса растет гораздо заметнее, чем при одном лишь усилении освещения. На основании этих экспериментов Блэкман заключил, что происходят два процесса: первый зависит от уровня освещения, а не от температуры, тогда как второй определяется температурой независимо от яркости света. Позже два процесса получили название «световой» и «темновой» фаз, что не вполне корректно: хотя реакции «темновой» фазы идут и при отсутствии света, но для них необходимы продукты «световой» фазы.