Глава 7. Простейшие вещества

Часто говорят, что серьезной и респектабельной наукой химия стала с 1661 года, когда Роберт Бойль из Оксфордского университета опубликовал «Сомневающегося химика» – первую книгу, где проводилось различие между химиками и алхимиками, но переход к науке был медленным и зачастую беспорядочным. Еще в XVII веке ученые мужи, как это ни странно, могли комфортно чувствовать себя в обоих лагерях. Например, немец Иоганн Бехер, выпустивший безукоризненно серьезный труд по минералогии, озаглавленный Physica Subterranea, в то же время был убежден, что при наличии соответствующих материалов может сделать себя невидимым.

Пожалуй, самым типичным примером странностей и зачастую случайной природы химической науки в тот ранний период служит открытие, сделанное в 1675 году немцем Хеннигом Брандом. Бранд почему-то внушил себе, что золото можно выделить из человеческой мочи. (Возможно, сходство цвета послужило основой для такого вывода.) Он собрал пятьдесят ведер человеческой мочи и много месяцев хранил у себя в подвале. Различными непонятными процессами он превращал мочу сначала в некую ядовитую тестообразную массу, а затем в просвечивающее вещество, похожее на воск. Разумеется, никакого золота из всего этого не получилось, но случилась непонятная и забавная штука. Спустя какое-то время вещество стало светиться. Более того, когда его выставляли на воздух, оно часто самовоспламенялось.

Предприимчивые деловые люди не упустили из виду коммерческий потенциал полученного вещества, которое вскоре стало известно как фосфор – от греческого и латинского корней, означающих «несущий свет». Однако сложность производства делала его слишком дорогим для употребления. Розничная цена унции (28 граммов) фосфора достигала 6 гиней – около 300 фунтов стерлингов в нынешних ценах, – другими словами, он был дороже золота^[97].

Сначала поставлять сырье были призваны солдаты, но такой порядок вряд ли способствовал производству в промышленных масштабах. В 1769 году шведский химик Карл Шееле разработал способ производства фосфора в больших количествах без луж и запаха мочи. В значительной мере именно благодаря овладению методом получения фосфора Швеция стала и остается ведущим производителем спичек^[98].

Шееле был необыкновенным человеком и вместе с тем необыкновенно невезучим. Будучи скромным фармацевтом, почти не имея доступа к сложному оборудованию, он открыл восемь элементов – хлор, фтор, марганец, барий, молибден, вольфрам, азот и кислород – и не удостоился признания ни по одному из этих открытий. Во всех случаях на его открытия либо не обратили внимания, либо они были опубликованы после того, как кто-то другой сделал такое же открытие независимо. Он также открыл много полезных соединений, в том числе аммиак, глицерин и дубильную кислоту, а также первым понял промышленное значение хлора как отбеливателя – словом, сделал открытия, чрезвычайно обогатившие других людей.

Одной из достойных упоминания слабостей Шееле была курьезная страсть попробовать на вкус все, с чем он имел дело, включая такие заведомо неприемлемые вещества, как ртуть и синильная кислота (еще одно из его открытий) – соединение, имеющее настолько дурную славу, что 150 лет спустя Эрвин Шредингер выбрал его в качестве яда для своего знаменитого мысленного эксперимента (см. стр. 179). В конце концов нетерпеливость Шееле обернулась против него. В 1786 году в возрасте всего сорока трех лет его нашли мертвым на своем рабочем месте в окружении массы ядовитых химических реактивов, каждый из которых мог служить объяснением потрясенного выражения, застывшего на лице покойника.

Будь мир справедливым и говорящим по-шведски, Шееле пользовался бы всеобщим восторженным признанием. А так рукоплескания в основном доставались более знаменитым химикам, главным образом из англоязычного мира. Шееле открыл кислород в 1772 году, но из-за различных досадных осложнений не смог вовремя опубликовать свое сообщение. Поэтому честь открытия досталась Джозефу Пристли, который сделал его независимо, но позднее, летом 1774 года. Еще более удивительной была неудача Шееле с признанием открытия хлора. Почти все учебники до сих пор приписывают открытие хлора Гемфри Дэви, который действительно обнаружил его, но через тридцать шесть лет после Шееле^[99].

Хотя за столетие, отделявшее Шееле, Пристли и Генри Каведиша от Ньютона и Бойля, химия прошла большой путь, впереди ей предстояло пройти не меньше. До самых последних лет XVIII века (а что касается Пристли, то и немного позднее) ученые повсюду искали и порой думали, что нашли вещи, которых просто не существовало: испорченный воздух, дефлогистированные морские кислоты, флоксы, калксы, болотные миазмы и прежде всего флогистон, субстанцию, которая считалась активным началом горения^[100]. Где-то среди всего этого, как думали, также скрывалась таинственная e'lan vital – сила, вызывавшая к жизни неживые объекты. Никто не знал, где находится эта неземная субстанция, но две вещи представлялись вероятными: что можно оживлять электрическим разрядом (идея, которую сполна использовала Мэри Шелли в своем романе «Франкенштейн») и что эта субстанция содержится в одних веществах и отсутствует в других, – вот почему в итоге мы имеем два раздела химии: органическую (для веществ, в которых, как считали, субстанция жизни имелась) и неорганическую (для веществ, в которых ее не было).

Чтобы проложить химии путь в новый век, требовался кто-то с чрезвычайно проницательным умом, и такой человек нашелся во Франции. Его звали Антуан-Лоран Лавуазье. Лавуазье родился в 1743 году в семье мелкого дворянина (титул для семьи купил отец). В 1768 году Лавуазье вступил в долевое участие в глубоко ненавидимом населением предприятии, носившем название Ferme Ge'ner' ale («Генеральный откуп» – компания, которая от имени правительства собирала налоги и пошлины), иными словами, он стал откупщиком. И хотя сам Лавуазье, судя по всем отзывам, был мягким и справедливым человеком, компания этими качествами не отличалась. Прежде всего она облагала налогами не богатых, а лишь бедных, к тому же зачастую весьма произвольно. Лавуазье это предприятие привлекало тем, что обеспечивало богатство, позволявшее посвятить себя главному увлечению – науке. В лучшие времена его личные доходы достигали 150 тысяч ливров в год – около 12 миллионов фунтов стерлингов нынешними деньгами.

Спустя три года после начала своего доходного дела он женился на четырнадцатилетней дочери одного из своих боссов. Брак стал подлинным соединением сердец и умов. Мадам Лавуазье была весьма сообразительна и скоро плодотворно трудилась наравне с супругом. Несмотря на загруженность работой и светскими обязанностями, им удавалось почти ежедневно уделять пять часов науке – два рано утром и три вечером, а также все воскресенья, которые они называли jour de bonheur (днями счастья). Кроме того, Лавуазье каким-то образом ухитрялся находить время исполнять обязанности инспектора пороховых дел, руководить возведением стены вокруг Парижа для сдерживания контрабанды, участвовать в создании метрической системы и написании справочника «Система химической номенклатуры», ставшего библией по части названий химических элементов.

Поскольку он был видным членом Королевской академии наук, от него также требовалось быть осведомленным и проявлять живой интерес ко всем злободневным вопросам – гипнотизму, тюремной реформе, дыханию насекомых, водоснабжению Парижа. Именно в этом качестве в 1780 году Лавуазье отрицательно отозвался о новой теории горения, представленной в академию подававшим надежды молодым ученым. Теория действительно была ошибочной, но ученый так никогда и не простил этого Лавуазье. Звали его Жан-Поль Марат.

Единственное, чего не совершил Лавуазье, так это не открыл ни одного элемента. В то время, когда, казалось, почти каждый человек с мензуркой и горелкой и какими-нибудь забавными порошками мог открыть что-то новое – и когда две трети элементов еще только предстояло открыть, – Лавуазье не обнаружил ни одного. И дело тут, конечно, не в нехватке мензурок. В лаборатории Лавуазье – лучшей частной лаборатории того времени, пожалуй, даже излишне шикарной – их насчитывалось тринадцать тысяч.

Вместо этого он брал открытия других и осмысливал их значение. Он отверг флогистон и миазмы. Описал свойства кислорода и водорода и присвоил им обоим современные названия. Словом, он был одним из тех, кто привнес в химию точность, ясность и систематичность.

А его поразительное оборудование пришлось тут как нельзя кстати. Многие годы они с мадам Лавуазье занимались крайне трудоемкими исследованиями, требовавшими точнейших измерений. Они, например, установили, что ржавеющий предмет не теряет в весе, как все долгое время считали, а, наоборот, становится тяжелее, – поразительное открытие. Ржавеющий предмет каким-то образом привлекал из воздуха частицы. Впервые появилось понимание, что материю можно преобразовать, но нельзя уничтожить^[101]. Если вы сейчас сожжете эту книгу, ее вещество превратится в пепел и дым, но общее количество вещества в мире останется тем же. Данный принцип стал известен как сохранение массы. Это была революционная идея. К несчастью, она совпала по времени с другого рода революцией – Французской, – в которой Лавуазье оказался совсем не на той стороне.

Он не только был членом ненавистного «Генерального откупа», но и с энтузиазмом возводил стену вокруг Парижа – сооружение настолько противное восставшим гражданам, что они первым делом принялись рушить ее. Подчеркивая это, Марат, ставший в 1791 году влиятельной фигурой в Национальном собрании, заявил, что Лавуазье давно уже пора повесить. Вскоре «Генеральный откуп» был ликвидирован. А немного спустя Марата убила в ванне молодая женщина по имени Шарлотта Корде, которая считала себя несправедливо обиженной. Но для Лавуазье это было уже слишком поздно^[102].

В 1793 году власть террора, и без того значительная, достигла высшей точки. В октябре на гильотину отправили Марию Антуанетту. В следующем месяце, когда Лавуазье с женой строили запоздалые планы бегства в Шотландию, он был арестован. В мае 1794 года он вместе с другими тридцатью одним генеральным откупщиком предстал перед революционным трибуналом (в помещении суда возвышался бюст Марата). Восьмерых оправдали, а Лавуазье и других отправили прямиком на площадь Революции (ныне площадь Согласия), где французские гильотины работали особенно интенсивно. Лавуазье видел, как обезглавили его тестя, потом сам поднялся на помост, принимая свою судьбу. Менее чем через три месяца, 27 июля, на том же месте и таким же образом казнили Робеспьера, и террор быстро прекратился.

Через сто лет после смерти Лавуазье в Париже ему был воздвигнут памятник. Им немало восхищались, пока кто-то не обратил внимание, что он совершенно не похож на оригинал. При допросе скульптор признался, что использовал голову математика и философа маркиза Кондорсе – которая, видимо, пропадала зря, – надеясь, что никто этого не заметит, а если и заметит, то не придаст значения. И в отношении последнего он оказался прав. Статуя Лавуазье – Кондорсе простояла еще полвека, до Второй мировой войны, когда однажды утром ее сняли и переплавили вместе с металлоломом.

* * *

В начале XIX века в Англии появилась мода вдыхать закись азота, или веселящий газ: стало известно, что его употребление «сопровождается весьма приятным возбуждением». На следующие полвека он станет излюбленным наркотиком молодежи. Одно ученое объединение – Аскезианское общество^[103] какое-то время увлекалось подобными представлениями: в театрах устраивались «вечера веселящего газа», где добровольцы могли подкрепиться доброй дозой зелья, а затем потешать публику своими нелепыми движениями.

Лишь в 1846 году закиси азота наконец нашлось полезное применение в качестве обезболивающего средства. Кто знает, сколько десятков тысяч людей напрасно терпели невыносимые страдания под ножами хирургов лишь из-за того, что никто не подумал о самом очевидном практическом применении этого газа.

Я упоминаю об этом, чтобы показать, как химия, столь далеко продвинувшись в XVIII веке, зашла в тупик в первые десятилетия девятнадцатого, во многом подобно тому, как это случилось с геологией в первые годы двадцатого. Отчасти это произошло из-за нехватки оборудования – например, до второй половины столетия не было центрифуг, что сильно ограничивало многие виды экспериментов, – а отчасти по социальным причинам. Химия, вообще говоря, была наукой деловых людей, тех, кто имел дело с углем, поташом и красителями, а не джентльменов, которые тяготели к геологии, естественной истории и физике. (В континентальной Европе было слегка иначе, но лишь слегка.) В этом отношении показательно, что одно из важнейших открытий столетия – броуновское движение, установившее подвижную природу молекул, принадлежало не химику, а шотландскому ботанику Роберту Броуну. (В 1827 году Броун заметил, что взвешенные в воде крошечные крупинки цветочной пыльцы находились в постоянном движении, сколько бы времени ни давалось на отстаивание. Причина этого бесконечного движения – а именно воздействие невидимых молекул – долгое время оставалась загадкой.)

Дела пошли бы еще хуже, если бы не один невероятно колоритный персонаж – граф фон Румфорд, который, несмотря на свой пышный титул, появился на свет в 1753 году в Уобурне, штат Массачусетс, и звали его просто Бенджамин Томпсон. Томпсон любил порисоваться, отличался честолюбием, был «хорош обликом и статью», а порой проявлял храбрость и чрезвычайную сообразительность, и в то же время не был обременен такими неудобствами, как сомнения и колебания. В девятнадцать лет он женился на богатой вдове, которая была на четырнадцать лет старше его, но с началом революции в колониях он неблагоразумно встал на сторону лоялистов^[104] и одно время шпионил на них. В роковом 1776 году, оказавшись под угрозой ареста «за равнодушие к делу свободы», Томпсон покинул жену и ребенка и удрал от толпы антироялистов, гнавшихся за ним с ведрами горячего дегтя и мешками перьев и всерьез намеревавшихся разукрасить его ими.

Сначала он бежал в Англию, потом в Германию, где служил военным советником при курфюрсте Баварии и произвел на власти такое впечатление, что в 1791 году ему был пожалован титул графа фон Румфорда. В Мюнхене он также спланировал и разбил знаменитый парк, известный как Английский сад.

В промежутках между этими занятиями он каким-то образом находил время всерьез заниматься чистой наукой. Он стал главным авторитетом в мире в области термодинамики и первым разъяснил принципы конвекции в жидкостях и циркуляцию океанских течений. Он также изобрел множество полезных вещей, включая капельную кофеварку, обогреваемое нижнее белье и один из видов кухонной плиты, до сих пор известный как румфордовская печь. В 1805 году во время одной из поездок во Францию он добился руки мадам Лавуазье, вдовы Антуана-Лорана. Брак не был удачным, и вскоре они расстались. Румфорд остался жить во Франции, где пользовался всеобщим, кроме бывших жен, уважением и умер в 1814 году.

Мы упоминаем здесь о нем в связи с тем, что во время сравнительно краткого пребывания в Лондоне он в 1799 году основал Королевский институт, еще одно из множества ученых обществ, которые как грибы возникали по всей Британии в конце XVIII – начале XIX века. Одно время это было практически единственное учреждение, активно развивавшее молодую науку химию, и это было почти полностью благодаря блестящему молодому ученому Гемфри Дэви, который вскоре после принятия в общество был назначен профессором химии и быстро завоевал известность как выдающийся лектор и удачливый экспериментатор.

Заняв свою должность, Дэви вскоре стал один за другим выдавать новые элементы – калий, натрий, магний, кальций, стронций и алюминий^[105]. Он открыл так много элементов не потому, что его так уж часто посещало вдохновение, а благодаря разработанному им способу воздействия электричеством на жидкое вещество – известному как электролиз. Всего он открыл двенадцать элементов, пятую часть всех известных в то время. Дэви, возможно, сделал бы и больше, но, к несчастью, в молодости он пристрастился к закиси азота, причем до такой степени, что прикладывался к ней по три-четыре раза в день. В конце концов, как считают, в 1829 году газ его и погубил.

К счастью, в других местах работали более трезвые люди. В 1808 году суровый квакер по имени Джон Дальтон первым упомянул о природе атома (шаг, о котором речь пойдет чуть дальше), а в 1811 году итальянец, носивший роскошное оперное имя Лоренцо Романо Амадео Карло Авогадро, граф Кваренья и Черрето, сделал открытие, которое в дальнейшем приобретет большое значение, – а именно, что два равных объема газа любого вида при одинаковых давлении и температуре будут содержать одинаковое число молекул.