Установка Кавендиша для получения, очистки и собирания водорода

Опубликованные работы Кавендиша касаются в основном исследований газов и относятся к периоду 1766—1788 годов. Мы остановимся на основной работе ученого «Искусственный воздух». Эта работа представляет большой научный интерес, повествуя о составе и свойствах воды.

Пневматические исследования Кавендиша знаменательны количеством открытий, которые они предварили. Среди наиболее значимых из них первое полное изложение свойств водорода и углекислого газа; демонстрация постоянства состава атмосферного воздуха и первый расчет его состава относительно высокой точности; записи известных экспериментов, которые привели к обнаружению нетривиальных свойств воды и к открытию состава азотной кислоты.

До плодотворных экспериментов Кавендиша пневматическая химия едва ли существовала. В работах немногих учёных по всему миру встречались упоминания об 'упругой жидкости', которая участвует в некоторых химических превращениях. Парацельс имел некоторое знакомство с водородом. Ван Гельмонт, который ввел понятие «газ», работал над выделением углекислого газа и некоторых горючих газообразных соединений углерода и серы, Бойль в своих экспериментах столкнулся с угольной кислотой и водородом.

Перечисленные учёные были наиболее близки к пониманию газов как индивидуальных веществ, но слишком мало знакомы с их различными свойствами, по которым эти газы можно отличить и распознать. Убежденность в том, что в процессе реакции выделяются не индивидуальные газы, а простой воздух разной степени нагревания, была свойственна практически всем химикам второй половины XVIII века. Развитие пневматической химии могло произойти только на основании наблюдения отличий между полученным в разных реакциях искусственным воздухом, но химики мало обращали внимания на эти различия, указывая лишь на сходство и отличия полученных газов от атмосферного воздуха.

Ярким примером служат знаменитые очерки Стивена Гейлса, в которых он пишет о реакциях, в которых выделяется «атмосферный воздух» или «упругие жидкости». Согласно современным представлениям, в ходе своего исследования в действительности он получал кислород, водород, азот, хлор, углекислый газ, сернистую кислоту и другие газы. Гейлс не сумел заметить различий в запахе, цвете, растворимости в воде, горючести полученных веществ. Он рассматривал их как идентичные атмосферному воздуху, потому что они проявляли одинаковую эластичность и (как казалось учёному, ввиду неточности оборудования) обладали одинаковыми весами. Их поразительные различия в реакционной способности он считал результатом случайного смешения «истинного воздуха» с инородными примесями, а не как существенные и отличительные свойства различных «упругих жидкостей» или газов.

Хакорт, исследуя эксперименты Бойля, отметил некоторые отличия полученных им «упругих жидкостей» от атмосферного воздуха. За неимением других доказательств эта теория была отмечена как ложная.

В 1754 году, однако, отмечается появление первой диссертации Блэка, в которой показано существование по крайней мере одной «упругой жидкости», которая обладает постоянными химическими свойствами, отличными от свойств атмосферного воздуха. Поскольку результаты его исследований шли вразрез со сложившимся мнением, он не осмеливается дать выделенному газу (водороду) название и ссылается на ошибку эксперимента, планируя в дальнейшем поставить его более точно.

Тем не менее, Блэк делает большой шаг вперед по сравнению со своими предшественниками. В более поздних работах он описывает свойства раствора угольной кислоты; двенадцатью годами позднее Кавендиш показывает, что она обладает точно такими же химическими свойствами и в свободном состоянии.

«Искусственный воздух» [ править | править код ]

Его первое сообщение о газах под названием «Искусственный воздух» было опубликовано в 1766 году. Оно начинается с определения искусственного воздуха, как «любого вида воздуха, который содержится в других органах в „неупругом“ состоянии, и может быть получен оттуда». Далее следуют ссылки на работы Блэка, в которых он заявляет о своем намерении в последующем пользоваться термином «зафиксированный воздух» в отношении газа, содержащегося в карбонатах щелочных и щелочноземельных элементов. Кавендиш также называет этот воздух «негорючим», противопоставляя его воздуху, который выделяется при гниении живых организмов и взаимодействии металлов с кислотами. Термины «горючий» и «негорючий» воздух впоследствии находят широкое применение.

Своё сообщение Кавендиш делит на три части: первая относится к водороду, вторая — к углекислому газу, третья — к газам, выделяющимся во время брожения и гниения. К основным наблюдениям Кавенидша можно отнести следующие: цинк, железо и олово были единственными металлами, которые выделяли «горючий воздух» при взаимодействии с разбавленными растворами серной и соляной кислот. Цинк растворялся в обеих кислотах с большей скоростью, чем железо и олово, однако выделялось одинаковое количество воздуха вне зависимости от используемой кислоты. Железо давало одинаковое количество «горючего воздуха» в растворах серной кислоты разной силы. Олово растворялось лучше всего в теплой соляной кислоте. Унция цинка производила около 356, унция железа — 412 и унция олова — 202 унции «горючего газа».

Все эти металлы легко растворялись в закиси (азотной кислоте) и производили «негорючий воздух» (окислы азота), а также в горячем купоросном масле (концентрированной серной кислоте), также с образованием «негорючего воздуха» с сильным неприятным запахом.

Из этих наблюдений Кавендиш пришёл к выводу, что, когда металлы растворяют в разбавленной серной или соляной кислоте, «их флогистон летит, не изменяя свою природу с изменением кислоты и формируя „горючий воздух“, но когда металлы взаимодействуют с концентрированной серной или с азотной кислотой, их флогистон теряет свою горючесть».

В своей работе Кавендиш указал на следующие свойства «горючего газа» (водорода): он не теряет свою эластичность, не проявляет заметного растворения в воде и взаимодействия с щелочами. Кавендиш также исследовал влияние состава смеси кислорода и водорода на взрывоопасность. Смесь из одной части «горючего воздуха» и девяти «обычного» горела исключительно в пределах рассматриваемого сосуда. Смесь из 8 частей «горючего воздуха» и 2 частей «обычного» воспламенялись без взрыва. При увеличении количества водорода примерно в два раза, горение происходило со взрывом. Из этих экспериментов Кавендиш попытался установить пропорцию между водородом и атмосферным воздухом, необходимую для полного сгорания смеси, однако допустил ошибку, посчитав, что на два объёма водорода необходимо 7 объёмов воздуха, в то время как 5 объёмов последнего было бы достаточно.

Кавендиш также пытался установить массу «горючего газа» водорода. Он пришёл к выводу, что легковоспламеняющийся воздух выходит в 8760 раз легче, чем вода, или в 11 раз легче, чем «обычный воздух» (водород в действительности в 14,4 раза легче воздуха).

Первую часть своей работы Кавендиш завершает исследованием взаимодействия меди с соляной кислотой и попытками получить «горючий газ» этим способом. Учёный приходит к выводу, что газ, выделяющийся в реакции (газообразная соляная кислота), не воспламеняется в смеси с атмосферным воздухом, а также теряет эластичность при взаимодействии с водой (в связи с растворением), а значит получить таким образом «горючий газ» не представляется возможным. Исследованиями газообразной соляной кислоты Кавендиш не занимался.