«Жизненный воздух»
Как открытие кислорода изменило науку
Первые упоминания о веществах, напоминающих кислород, встречаются в китайских рукописях VIII века. В XVI веке Леонардо да Винчи, изучая процессы горения, предположил, что воздух не является однородной субстанцией, но не смог выделить его отдельные компоненты.
Фото: Getty Images
Фото: Getty Images
До XVIII века в науке господствовала теория флогистона, согласно которой горючие вещества содержали некий «огненный элемент», высвобождающийся при сжигании.
Теория флогистона
Эта теория возникла как попытка объяснить процессы обжига металлов. Она опиралась на традиционные алхимические представления о горении как процессе разложения вещества. Еще в 1540 году итальянский алхимик, металлург и архитектор Ванноччо Бирингуччо обратил внимание на парадоксальный факт: при прокаливании свинец увеличивал свою массу, но при этом выделялись неизвестные в то время газообразные вещества.
Основоположниками теории флогистона стали немецкие ученые Иоганн Иоахим Бехер и Георг Эрнст Шталь, который в 1703 году сформулировал ее основные принципы. Он считал, что во всех горючих веществах содержится особая субстанция — флогистон (от греч. «горючий»). Горение при этом представляет собой распад вещества с выделением флогистона, который безвозвратно уходит в воздух. Флогистон не существует в свободном состоянии, он всегда соединен с другими веществами. Эта субстанция обладает уникальным свойством — отрицательной массой. Через переход флогистона объяснялись и металлургические процессы. Считалось, что чугун получается при умеренном насыщении руды этой субстанцией, а сталь представляет собой железо с ее избытком.
Ко второй половине XVIII века эта теория стала общепринятой в научных кругах, несмотря на очевидные противоречия с наблюдаемыми фактами. Она господствовала в химии почти столетие, пока не была опровергнута открытием кислорода.
Спор за первенство
Лишь в 1770-х годах трое ученых независимо друг от друга приблизились к разгадке природы кислорода. Шведский химик Карл Шееле в 1771 году получил кислород, прокаливая селитру с серной кислотой и разлагая оксид азота. Он назвал газ «огненным воздухом» за его способность усиливать горение. Однако его открытие было опубликовано лишь в 1777 году, из-за чего формальное первенство в открытии досталось другим исследователям. 1 августа 1774 года Джозеф Пристли выделил кислород, нагревая оксид ртути с помощью линзы. Наблюдая, как свеча в новом газе горит ярче, он назвал его дефлогистированным воздухом. Хотя Пристли не сразу понял значение открытия, его эксперименты стали известны благодаря публикациям.
Французский химик Антуан Лавуазье, изучив данные Шееле и Пристли, доказал, что кислород — самостоятельный элемент, а не «часть воздуха». В 1775 году он опроверг теорию флогистона, показав, что горение — это реакция с кислородом. Именно Лавуазье дал газу название «оксиген» (от греч. «рождающий кислоты»), которое закрепилось в науке.
Опровержение теории
Лавуазье сочетал в своих исследованиях методичную экспериментальную работу с революционными теоретическими выводами. Он первым начал систематически использовать сверхточные (для XVIII века) весы, демонстрируя, что при горении металлы не теряют массу, как должно быть по теории флогистона, а увеличивают ее. В своих экспериментах с газом он выяснил, что при нагревании ртути образуется «ртутная окалина» (оксид ртути), а объем воздуха уменьшается ровно на 1/5 часть. При последующем нагревании окалины выделяется ровно тот же объем газа, который теперь поддерживает горение лучше обычного воздуха.
Лавуазье считал, что воздух — это не однородная субстанция, а смесь «жизненного воздуха» (кислорода), поддерживающего горение и дыхание, и «удушливого воздуха» (азота), не участвующего в этих процессах. Он заменил расплывчатое понятие флогистона конкретными схемами, доказав, что горение — это соединение с кислородом, дыхание — это медленное окисление органических веществ, а образование ржавчины — тоже окисление, только более медленное. В 1789 году Лавуазье опубликовал «Элементарный курс химии», в котором ввел современную химическую номенклатуру, составил первый список химических элементов и сформулировал закон сохранения массы.
Главное отличие подхода Лавуазье от его предшественников заключалось в том, что он не просто открыл новый газ, а создал целостную теоретическую систему, объясняющую все известные химические явления. Его методология — сочетание точного эксперимента с глубоким теоретическим анализом — стала образцом для всей последующей науки.
Химическая революция
Открытие кислорода стало поворотным моментом в истории науки, затронув практически все ее области. В биологии это позволило ученым понять механизмы клеточного дыхания и энергетического обмена в живых организмах. Знания об этом легли в основу современной биохимии и физиологии, объяснив фундаментальные процессы жизнедеятельности. Для физики изучение кислорода стало важным этапом в развитии термодинамики и исследовании свойств газов. Оно помогло установить фундаментальные законы сохранения энергии и массы в химических процессах.
Понимание роли кислорода в геологии позволило реконструировать эволюцию земной атмосферы и объяснить процессы окисления минералов. Эти знания критически важны для поиска полезных ископаемых и понимания геологической истории нашей планеты. Космические исследования используют наличие кислорода как главный маркер возможной жизни на других планетах.
Что дальше?
Сегодня кислород остается объектом изучения. В 2015 году ученые обнаружили, что его повышенная концентрация активирует иммунные клетки, борющиеся с раком, а в 2021 году биологи подтвердили, что нехватка кислорода способствует росту опухолей. В 2023 году датские исследователи выяснили, что первые многоклеточные организмы возникли в условиях дефицита кислорода. В 2024-м в Тихом океане нашли «темный кислород» — газ, образующийся без участия фотосинтеза, возможно, благодаря электролизу в железомарганцевых конкрециях.
Открытие кислорода стало не просто очередной вехой в истории химии — оно ознаменовало переход от алхимических представлений к точной науке. История его изучения служит ярким примером того, как фундаментальные открытия, меняя парадигмы, продолжают приносить плоды в самых неожиданных областях.