Рис. 2
С помощью двойной линзы Пристли фокусировал солнечные лучи на красный окисел ртути HgO, его сильный нагрев приводил к выделению металлической ртути Hg в виде шариков, которые стекали на ртутный столбик, и газа, заполнявшего стеклянную пробирку и оказавшегося кислородом O2. Его опыт соответствует такой реакции:
2HgO + (нагрев) = 2Hg + O2
Газ Пристли назвал «дефлогистированным воздухом» и установил, что он повышает жизнедеятельность мыши, вдыхающей его, и вызывает яркое горение свечи.
Существует мнение, что в это же время, или даже чуть ранее, кислород получил и шведский аптекарь Карл Шееле (17421786). Шееле подробно описал в книге [97], изданной в 1777 г., свои опыты по получению кислорода, состоявшие в нагреве веществ, непрочно удерживающих кислород, и столь же подробно описал свойства кислорода, который он называл «огненный воздух». Впрочем, в указанной книге уже есть ссылки на работы Пристли, а в приведенном письме от 13 июля 1777 г., пояснено, что свои работы Шееле завершил за два года до даты письма, т.е. в 1775 г.
В конце 1774 г. при посещении Парижа Пристли встретился с Лавуазье и рассказал ему о своих опытах по получению «дефлогистированного воздуха». Лавуазье заинтересовался этими опытами и их результатами, в 1775 г. он провел свои опыты с нагревом окиси ртути и установил, что воздух состоит из двух газов в соотношении 1:5. В «огненном» «дефлогистированном воздухе», который Лавуазье назвал кислородом, подопытная мышь чувствовала себя хорошо. В воздухе, в котором отсутствовала доля кислорода мышь задыхалась. Эту часть воздуха Лавуазье назвал азотом от греческого слова «ζωτος» безжизненный. Азот N2 уже был получен Генри Кавендишем в ходе химических опытов, выполненных в 1772 г.
В 1781 г. практически одновременно шотландский физик Джеймс Уатт (17361819) и Генри Кавендиш получили воду из водорода и кислорода. Опыт Кавендиша состоял в пропускании через смесь водорода и кислорода (это «гремучий газ») электрической искры в трубке над сосудом с ртутью. Смесь взрывалась с образованием воды. Кавендиш установил, что при взрыве смеси из двух объемов водорода и одного объема кислорода расходуется весь газ, а вес образовавшейся воды равен весу газовой смеси в трубке. Так фактически была установлена химическая формула воды H2O. Результаты своих опытов Кавендиш опубликовал в 1785 г.
Окончательно формулу воды установил Лавуазье:
в июне 1783 г. Лавуазье повторяет опыт Кавендиша в присутствии французских ученых из кислорода и водорода он синтезирует 2,5 г. воды;
в это же время Лавуазье проводит качественный химический опыт без использования электричества и взрывов через раскаленный докрасна железный ружейный ствол он пропускает горячий водяной пар, при этом в стволе образуется окалина ржавчина, а из дула ствола выходит газ это оказался водород;
окончательно состав воды Лавуазье определил в опыте с железными опилками. Он проводит водяные пары через раскаленные железные опилки, заранее взвешенные, и собирает водород, затем он взвешивает воду, водород и окислившиеся железные опилки. Результат взвешивания точно свидетельствует вода состоит из одной доли кислорода и двух долей водорода.
Так в 1783 г. была точно установлена химическая формула воды H2O.
Второй этап научного изучения, 19 век
На рубеже 19-го века, предположительно в декабре 1799 г., итальянский физик Алессандро Вольта изготовил первую электрическую батарею, которая представляла собой столбик из чередующихся медных и цинковых кружков, разделенных кружочками сукна или войлока вымоченного в слабом водном растворе серной кислоты. Первое сообщение об этой батарее, которую Вольта называет «снарядом, слабо заряженным, но действующим непрерывно, подобно лейденской банке», последовало 20 марта 1800 г. в письме от Вольта к президенту Лондонского Королевского общества Джозефу Банксу. Письмо содержит описание и рисунки Вольта, и рекомендации по применению в батарее разных металлов.
30 апреля 1800 г. английский химик Уильям Николсон (17531815) и его напарник хирург Энтони Карлайл (17681840) на основе вышеупомянутого письма изготовили «столб Вольта» и полностью проверили его работоспособность. Николсон в ходе опыта для улучшения контакта верхней проволоки с цинковым кружком налил на него немного воды и случайно (!) обнаружил, что на этой проволоке, выделяются пузырьки экспериментатор по запаху предположил, что это водород. Николсон и Карлайл провели новый эксперимент в пробирке с водой, в которую через пробки были введении проволоки от «столба Вольта», они впервые разложили воду с помощью электричества на водород и кислород. Водород исследователи собрали, а кислород определили по тому, что у них произошло окисление одной медной проволоки.
В сентябре 1800 г. немецкий физик Иоганн Риттер (1771810) сообщает о своем опыте по разложению воды электричеством, при этом ему удалось собрать и водород и кислород.
Так в самом начале 19-го века для исследования состава воды частично случайно впервые была использована электрическая батарея постоянного тока.
В 1805 г. французский физик Жозеф Гей-Люссак (17781850) и немецкий натуралист Александр фон Гумбольт (17691859) устанавливают закон кратных объемов при химическом взаимодействии газов и находят, что два объема водорода соединяются с одним объемом кислорода в воду.
В 1815 г. удивительную и революционную гипотезу выдвинул английский химик Уильям Праут (17851850). Он утверждал, что первичной материей является водород, а все остальные элементы «сделаны» из него. Идея Праута базировалась на том, что если атомный вес водорода принять за 1, то атомные веса всех известных к тому времени элементов будут выражаться целыми числами, в частности кислород будет иметь атомный вес 16. Гипотезу Праута опровергли тем, что хлор уже имел при таком исчислении атомный вес 35,5. И все же Праут оказался прав атомы всех элементов действительно имели в составе своего ядра ядра водорода и нейтроны, имеющие практически такую же массу, как ядро водорода. Частицу, образующую ядро водорода, в честь Праута назвали «протон», а загадка хлора была разгадана в его атомном весе наряду со стабильным изотопом Cl-35 большую роль сыграл стабильный изотоп Cl-37, о существовании которого в 19-м веке не знали. Так завершились поиски основного элемента нашего мира это оказалась не вода, а ядро атома водорода, следовательно, древние философы оказались правы в своих воззрениях ровно наполовину.
В 1843 г. французский химик Жан Батист Дюма (18001884) занимался определением состава воды, и установил, что отношение весов водорода и кислорода в воде составляет 2:16.
В 1846 г. французский физик Эдмон Беккерель (18201891) провел измерение электропроводности жидкостей.
В 1847 г. немецкий химик Роберт Бунзен (18111899) исследует в длинных трубках воду исландских гейзеров и показывает, что чистая вода, кажется синей. Это было первое правильное использование спектра воды для определения ее чистоты (напомним, что Ньютон считал цвет воды зеленым). Впрочем, с давних времен люди знали, что свежевыпавший снег кристаллы воды имеют голубоватый оттенок.
В 1847 г. английский физик Майкл Фарадей (17911867) и независимо от него немецкий физик Юлиус Плюккер (18011868) занимались изучением магнитных свойств газов, и установили, что все газы в т.ч. водород и водяной пар диамагнитные. Исключение составил кислород, обладающий существенным парамагнетизмом. Термин «диамагнетизм» в сентябре 1848 г. предложил Фарадей. В научном плане диамагнетизм означает возникновение силы отталкивания у вещества от внешнего магнитного поля. В практическом плане невесомый магнит, например, кольцевой ток в невесомом сверхпроводнике будет отталкиваться от поверхности воды, т.е. явление левитации хождения по воде не является чудом, а имеет строгое научное объяснение.
Современные сведения о строении воды
В начале 20-го века знания о воде стабилизировались, и ничего не предвещало новых достижений.
В 1909 году датский биохимик Сёрен Сёренсен (18681939), возглавлявший лабораторию в пивной компании «Карлсберг» в Копенгагене, разработал методы определения концентрации ионов водорода в растворах, и ввел водородный показатель Рн (который называют и кислотностью) и шкалу Рн. Рн-метры, приборы, работающие по шкале Сёренсена, используются и в настоящее время для контроля воды и пищевых продуктов на ее основе.
Прошло 10 лет и свою огромную лепту в изучение воды стали вносить физики-ядерщики.
В 1920 г. британский физик Эрнест Резерфорд (18711937) и независимого от него американский физик Уильям Харкинс (18731951) предсказали существование стабильного изотопа водорода, имеющего атомную массу 2 2Н.
В 1929 г. американские физики Херрик Джонстон (18981965) и Уильям Джиок (18951982) экспериментами доказали существование стабильных изотопов кислорода с атомными массами 17 и 18 17О, 18О. До этого открытия химики считали, что кислород существует только в виде стабильного изотопа с массой 16 16О. От массы изотопа 16О были рассчитаны массы всех известных к 1929 г. химических элементов. И неожиданно оказалось, что масса кислорода О в «Таблице Менделеева» не 16,0, а 16,0035. Открытие Джонстона и Джиока было очень значительным, оно заставило пересчитать все атомные массы. Кроме того, пошатнулась сама идея вписать все изотопы химического элемента в одну «клеточку» таблицы Менделеева. Особенно ярко это проявилось в 1932 г.