4.2 Пневматическая или газовая химия
Пневматической химии предшествовал длительный период пневматической алхимии. До XVIII в. химия не располагала никакими сведениями о составе атмосферного воздуха, который считался в те времена элементарным веществом. При изучении веществ в XV-XVII в.в. основное внимание уделяли таким свойствам вещества, как вес (масса), твердость, цвет, запах, вкус и некоторые другие. Приемы, которые применяли для исследования твердых и жидких веществ, оказались непригодными для исследования газов. Вплоть до XVIII в. Химики не умели собирать газы в закрытые сосуды. Сама мысль о том, что воздух является смесью газов, казалась им нереальной.
Г. Галилей в 1637 г. установил, что воздух в 400 раз легче воды. Затем Роберт Бойль определил относительные плотности воздуха и воды (он получил значения 938:1; 650:1; 1228:1). Роберт Бойль совместно с Робертом Гуком, используя воздушный насос, определили массу и упругость воздуха. Они описали методы перегонки газов при пониженном давлении. Р. Бойль, так же, как и Дж. Мэйоу, наблюдал, что в отсутствие воздуха не могут существовать животные и гаснет свеча, накрытая непроницаемым колпаком.
Голландский доктор медицины, алхимик и теолог И. Б. Ван Гельмонт (1579-1644 г.г.) в 1620 году впервые ввел в науку понятие «газ». Он считал, что существуют газы, отличающиеся друг от друга и от воздуха, они содержатся в различных твердых телах и могут быть выделены из них.
Первым собрал газ методом вытеснения жидкости Р. Бойль в 1660 г. Таким способом он собрал водород, выделяющийся при действии соляной кислоты на железо. Он также собрал оксид азота (II), полученный им при действии разбавленной азотной кислоты на тот же металл - железо.
Мысль о том, что газы принимают участие во многих химических реакциях, приобретает реальный смысл только в начале XVIII века. Применяя кислоты и щелочи при обработке различных руд, минералов и солей стало появляться новое направление, которое привело к развитию химии газов.
В 1724 г. английский священник и ботаник Стефан Гейлс (1677-1761 г.г.) изобрел пневматическую ванну, с помощью которой ему удалось собирать чистые газы. В качестве «реактора» и одновременно газоотводной трубки он использовал изогнутый и закрытый с одного конца ствол ружья. Закрытый конец ствола с веществом нагревался, а открытый был помещен в ванну с водой. Над выходным отверстием ружья висела колба, заполненная водой, горло которой было погружено в воду. Газы, выделяющиеся при нагревании веществ в изогнутом стволе ружья, собирались в наполненной водой колбе, вытесняя при этом воду из нее.
4.2.1 Открытие углекислого газа («связанного воздуха»)
В 1756 г. вышла работа Дж. Блэка (1728-1799 г.г.), английского химика и врача, профессоров в университетах в г. Глазго и г. Эдинбурге. Называлась она «Эксперименты над белой магнезией негашеной известью и некоторыми другими щелочными веществами». Он впервые установил, что «мягкие щелочи» являются карбонатами металлов. Прокаливая навеску белой магнезии до постоянной массы, ученый получил остаток (MgO), который растворил в серной кислоте, а затем добавил раствор поташа (K2CO3). В результате реакции образовался осадок, который обладал свойствами белой магнезии (исходного вещества). Его масса оказалась почти такой же, как у взятой соли. Пользуясь современными формулами, эти операции можно выразить следующим образом:
Дж. Блэк писал: «Магнезия растворяется в кислотах с выделением определенного газа и получает все свои свойства, которые потеряла при прокаливании. Масса возрастает ровно на столько, сколько ее было потеряно при прокаливании. Поскольку растворение в кислоте проходит с выделением газа, то часть массы общей навески обязательно принадлежит этому газу».
Это был пример первого исследования, когда газ участвует в реакции как составная часть химического процесса. И без учета этой части нельзя было составить материальный баланс всей реакции.
Дж. Блэк назвал выделяющийся газ (углекислый газ) «связанным воздухом». Он установил, что «связанный воздух» отличается от обыкновенного воздуха тем, что он тяжелее его и не поддерживает ни горения, ни дыхания. Ученый показал, что «связанный воздух» выделяется в процессе горения, дыхания, брожения и взаимодействует с известковой водой, приводя к ее помутнению.
Аналогичные опыты ученый проводил и с мелом. При этом он показал, что при обжиге мела происходит потеря около 44 % массы первоначально взятой навески вещества. Говоря современным языком, при обжиге 100 частей мела происходит потеря массы, равная 44 частям. То есть можно примерно представить, что выделяющийся газ имел такую массу, а это может быть только углекислый газ.