История открытия кислорода (дополнительный материал к § 28)

Определения и обозначения

Кислород — химический элемент и простое вещество, история открытия которого рассматривается в теме. Как элемент он входит в состав многих соединений, а как простое вещество представляет собой газ, содержащийся в воздухе. Это различие помогает не путать атомы кислорода в составе соединения и газ, который получали учёные. Именно свойства газа позволили исследовать его роль в горении и дыхании.

Флогистонная теория — историческое объяснение горения, по которому горящие вещества выделяют особое начало — флогистон. Эта теория появилась до того, как учёные поняли роль кислорода и состав воздуха. Она помогала описывать знакомые явления, но не объясняла все результаты опытов. Знание этого термина нужно, чтобы увидеть, почему открытие нового газа изменило представления о горении.

Прокаливание — сильное нагревание вещества, обычно с целью вызвать химическое превращение. При нагревании одни вещества разлагались, а другие соединялись с компонентами воздуха, поэтому учёные могли получать новые вещества и сравнивать их свойства. Такой приём помог выделить газ, который прежде оставался незамеченным в составе воздуха или соединений. Нагревание стало важной частью опытов Шееле и Пристли.

Оксид ртути — соединение ртути с кислородом, которое при сильном нагревании разлагается. Пристли прокаливал это вещество и собрал выделившийся газ, позднее названный кислородом. Выбор соединения был важен: нагревание позволило получить заметное количество газа для проверки его свойств. Этот пример показывает, как химическое превращение может служить способом выделения простого вещества.

Как это устроено

До открытия кислорода горение объясняли флогистонной теорией: казалось, что при сгорании вещество теряет нечто горючее. Такое объяснение было удобным, потому что огонь действительно изменяет исходное вещество, а состав воздуха тогда ещё не был понятен. Однако некоторые металлы при прокаливании не становились легче, а, наоборот, приобретали массу. Это наблюдение трудно было согласовать с простым представлением о потере флогистона и заставило учёных искать другое объяснение.

Карл Вильгельм Шееле получал кислород, нагревая разные вещества, в том числе соединения, из которых при разложении выделялся газ. Он назвал его «огненным воздухом», поскольку газ особенно хорошо поддерживал горение. Шееле провёл опыты раньше Пристли — около 1772 года, но опубликовал результаты только в 1777 году. Поэтому по дате опыта он опередил Пристли, а по времени публикации известность открытия сначала получил Пристли.

В 1774 году Джозеф Пристли нагревал оксид ртути и собрал выделившийся газ. Свеча в нём горела ярче, чем в обычном воздухе, а сам Пристли заметил, что газ поддерживает дыхание. Такие наблюдения показали, что полученное вещество не просто присутствует в воздухе, а обладает особыми свойствами и может быть выделено отдельно. Пристли исследовал газ экспериментально, но объяснял результаты в рамках тогдашних взглядов на горение.

Антуан Лавуазье повторял и развивал опыты с нагреванием веществ и тщательно учитывал изменения их массы. Он установил, что при горении вещество соединяется с частью воздуха, а при прокаливании металла эта часть также присоединяется к металлу. Поэтому Лавуазье объяснил горение не выделением флогистона, а соединением горящего вещества с кислородом. Измерения массы и сравнение веществ до и после реакции помогли ему обосновать новое объяснение и отказаться от старой теории.

Лавуазье предложил название «кислород», которое связывалось со значением «рождающий кислоту». Учёный полагал, что кислород обязательно входит в состав каждой кислоты, и это представление отразилось в названии. Позднее химики выяснили, что существуют кислоты без кислорода, поэтому буквальный смысл названия не совпадает с современными знаниями. Название сохранилось, хотя объяснение состава кислот изменилось.

Вклад учёных в открытие кислорода

Таблица помогает сравнить не только способы получения газа, но и то, как каждый исследователь повлиял на развитие знаний. При чтении разделяй дату проведения опыта и дату публикации: они не всегда совпадают. Так становится понятно, почему получение кислорода и его научное объяснение связывают с разными учёными.

Разбор задач

Задача 1. Расположите Шееле, Пристли и Лавуазье по времени получения кислорода и объясните, почему первенство открытия связывают не только с датой опыта.

Нужно отделить получение газа от его опубликования и научного объяснения. Сравним указанные в теме даты и выясним, что именно сделал каждый учёный. Такой порядок помогает избежать вывода, будто единственное число автоматически решает вопрос о первенстве.

1. Шееле получил кислород около 1772 года — раньше остальных, но опубликовал результаты в 1777 году.
2. Пристли получил газ в 1774 году и сообщил об опыте раньше публикации Шееле.
3. Лавуазье исследовал свойства кислорода и объяснил его роль в горении, а не был первым, кто получил газ.

Ответ: по времени получения первым был Шееле, затем Пристли; Лавуазье внёс вклад в объяснение. Первенство обсуждают с учётом не только даты опыта, но и публикации результатов и их научного истолкования.

Задача 2. При нагревании оксида ртути выделился газ, в котором горение шло интенсивнее. Определите, с каким опытом связан этот результат, и объясните его значение.

В условии есть два важных признака: исходное вещество — оксид ртути, а способ получения — нагревание. Их нужно сопоставить с известными опытами, а затем связать наблюдение со свойством выделившегося газа. Не следует сразу приписывать наблюдателю позднейшее объяснение реакции.

1. Оксид ртути нагревал Джозеф Пристли в опыте 1774 года.
2. При нагревании выделился газ, который Пристли собрал и проверил.
3. Более интенсивное горение показало, что газ поддерживает горение лучше обычного воздуха и имеет особые свойства.

Ответ: это опыт Пристли. Он позволил получить кислород и обнаружить его способность поддерживать горение, хотя современное объяснение роли кислорода дал позднее Лавуазье.

Задача 3. Сопоставьте объяснение горения по флогистонной теории с объяснением Лавуазье и укажите, какие результаты опытов поддерживали новое объяснение.

Чтобы сравнить теории, сначала нужно назвать, что, по каждой из них, происходит с веществом. Затем проверим, какая теория лучше согласуется с наблюдениями при нагревании и горении. Ключ к ответу — не только свойства пламени, но и изменение массы веществ.

1. Флогистонная теория предполагала, что горящее вещество выделяет флогистон.
2. Лавуазье считал, что при горении вещество соединяется с кислородом из воздуха.
3. При прокаливании некоторые металлы увеличивали массу, то есть присоединяли часть воздуха; это согласовалось с объяснением Лавуазье лучше, чем с простой потерей флогистона.

Ответ: флогистонная теория объясняла горение выделением особого начала, а Лавуазье — соединением с кислородом. Новое объяснение поддерживали опыты, в которых измеряли массу веществ до и после реакции и наблюдали присоединение части воздуха.

Типичные ошибки

Ошибка — считать, что кислород первым получил Лавуазье. Так думают, потому что именно он дал убедительное объяснение горения и предложил название газа. Проверь себя: разделяй получение вещества и объяснение его роли; газ до этого получили Шееле и Пристли.

Ошибка — смешивать дату опыта Шееле с датой его публикации. Это происходит, когда обе даты воспринимают как одно событие. Проверь себя по отдельности: Шееле получил кислород около 1772 года, а опубликовал результаты в 1777 году, уже после опыта Пристли.

Ошибка — приписывать Пристли современное объяснение горения. Его яркие наблюдения легко принять за готовую теорию, но эксперимент и его истолкование — не одно и то же. Проверь себя: Пристли получил газ и изучил его свойства, а объяснение горения через соединение с кислородом развил Лавуазье.

Ошибка — утверждать, что название «кислород» точно описывает состав всех кислот. Название звучит как научное определение, поэтому легко забыть, что оно возникло из прежней гипотезы. Проверь себя: Лавуазье считал кислород обязательной частью кислот, но современная химия знает кислоты без кислорода.

Связь с другими темами

Для понимания истории открытия нужно различать простое вещество и химическое соединение: кислород может существовать как газ и входить в состав других веществ. Также важно знать, что нагревание способно вызывать химические реакции и разложение соединений. Опыт учёных показывает, как наблюдения и измерения помогают менять научные представления. Эта история связана и с химической номенклатурой: название вещества может сохраняться, даже если первоначальная идея о его свойствах уточнена.

Что запомнить

• Кислород открыли в ходе опытов с нагреванием веществ.
• Шееле получил кислород раньше, чем Пристли, но опубликовал результаты позже.
• Пристли получил кислород при нагревании оксида ртути.
• Лавуазье установил важную роль кислорода в горении и опровергал флогистонную теорию.
• Название «кислород» предложил Лавуазье.
• История открытия включает получение вещества, публикацию результатов и их научное объяснение.