1.4 История открытий состава воздуха и рудничной атмосферы
Воздух всегда был каким-то невидимым «неосязаемым проявлением» сущности мира. Но он был рядом, был вокруг нас, был везде, был очень значим. Мы живем в нем и с ним, и не только мы, но и почти все животные и растения, кроме тех, для которых средой обитания была вода или земля. Поэтому воздушная стихия являлась фундаментальным первичным элементом всего мира, одной из четырех мировых стихий: Огня, Земли, Воздуха и Воды, образующих структуру Вселенной в античной и средневековой натурфилософии. Удивительно, но древние люди смогли интуитивно уловить, что твердое, жидкое и газообразное состояние вещества зависит от их температуры, от великого преобразователя фаз — огня.
Органы наших чувств позволяли нам различать теплый и холодный, сухой и влажный воздух, чистый и чем-то загрязненный. Мы видели пыль, дым, туман, облака в воздухе, ощущали запахи и ветер, т. е. движение воздуха. Мы различали свежую чистую воду и затхлую воду либо чемто загрязненную мутную воду; прозрачную воду родников или ручьев и черную воду болот; буро-коричневую воду рек, пресную и горько-соленую воду. Копаясь в земле, мы различали разные камни, почвы, глины, пески.
Все «земли» имели замечательное свойство: они оставались такими же, как были, когда их перемещали, и могли на новом месте «лежать» сколь угодно долго. А еще мы могли выбирать из них то, что нужно, и напротив — могли смешивать их.
С водой было сложнее. Ее надо было удерживать — плотинами, краями ямы, сосудами. Мы легко могли загрязнить любую воду, смешать разные воды, но разделить их была проблема из проблем.
С воздухом было еще сложнее. Он казался единым и монолитным, однородным. О его разделении никто и не думал, но он мог быть разным…
Сегодня мы знаем, что основными процессами рудничного проветривания являются процессы адвективного/конвективного переноса и смешения/перемешивания. Применительно к «чистым» и «грязным» объемам воздуха эти процессы выступают как «вытеснение» загрязненных объемов воздуха и замена их более чистыми, а также как «разжижение/разбавление» объемов загрязненного воздуха более чистыми. Процессы эти идут одновременно, но один из них может сильно доминировать. Первый — вытеснение, «сдувание», «выдувание» — был понятен с древности, второй наблюдался, но в терминах — сгущение или разрежение. Чего, — было не совсем ясно. Для того чтобы осознать, что загрязненный воздух есть не разновидность самого воздуха, а смесь чистого наружного, свежего воздуха с тем или иным загрязнителем, нужно было понимание воздуха как смеси (композиции) разных воздухообразных веществ (в современной терминологии — газов, паров, аэрозолей). В описательных терминах И. А. Шлат тера — тяжелый воздух, худой воздух, громовой воздух — такого понимания нет, есть просто описание и наименование разных родов и видов воздуха, отражающие последствия их действия на людей.
Вот воздухом и занялась в XVII—XVIII вв. так называемая пневматическая химия, или пневматология, названия которых произошли от греч. πνεῦμα - дыхание, дуновение, дух. Эти названия в настоящее время используются исключительно как исторические термины, характеризующие ранний период химического исследования газов, в том числе и воздуха, но в XVII—XVIII вв. пневматология считалась особой отраслью химии.
Изучать воздухообразные вещества было очень сложно из-за отсутствия понимания их сущности и соответствующего понятийно-терминологического аппарата. Рассмотрим, опираясь на исследования ряда современных ученых, понятия и термины того времени, касающиеся воздухообразных, воздухоподобных веществ, т. е., говоря современным языком, — веществ в газообразном или парообразном состоянии. Без знания этой терминологии понять ход развития научной аэрологии и практического проветривания будет невозможно.
Наука того времени рассматривает только два агрегатных состояния материи — сохраняющее свою форму нетекущее (твердое) и изменяющее свою форму в зависимости от условий текущее и растекающееся (жидкое), причем к последнему причисляется и воздух. При этом «в ученой» латыни понятие «жидкое тело» (жидкие тела) выражалось сочетанием corpus fluidum или corpus liquidum, materia fluida (fluidum — обычно применительно к воздуху, liquidum — к жидкостям).
Общим русскоязычным наименованием той среды, в которой мы живем и которой дышим, является слово воздух, происходящее от старославянского въздъхъ (от «дух»). В дискурсе того времени, мистическом и религиозном, слово «дух» играло огромную роль в отличие от современного языка. В своем основном значении оно именовало нечто незримое, нематериальное, бесплотное, но «властвующее», т. е. определяющее поведение в данной обстановке, например дух леса, дух гор. Такое понимание годилось и для обозначения незримых, но ощущаемых, а главное, точно существующих «флюидов», определяющих качество воздуха. Такими были иногда видимые в виде белесого пара «испарения «. С ними и стали связывать термин «дух», как некое «летучее» вещество при различных операциях. Аналогичные слова существовали и в других языках помимо русского: лат. spiritus, фр. esprit, нем. Spiritus, Geist, англ. Spirit и т. д.
В современном дискурсе вместо «дух» мы говорим «вещество в газообразном/парообразном состоянии», и наряду с испарением применяем более общий термин «выделение». Именно этим словом мы именуем «переход» природных газов из содержащих их горных пород в рудничную атмосферу. Аналогичное по смыслу слово применяется и в английском языке — exhalations (выделения).
« Воздух есть тѣло тонкое, жидкое, прозрачное, невидимое, тяжелое, упругое», — писалось в те годы , а вот пар и дым были более ощутимы, имели общий важный внешний признак — непрозрачность, а значит, были видны. Хорошо было заметно, что дым рождался при горении и нагреве. К нему примыкали близкие по смыслу слова «возгонка», «курение" и «воскурение», описывающие получение летучих веществ при смолокурении, дегтекурении, углекурении и т. п. — т. е. при сухой перегонке (выкуривании) тех или иных веществ из древесины. По аналогии с этими процессами было названо и винокурение.
Было понятно, что наряду с видимыми выделениями — паром и дымом — могут существовать и невидимые выделения. Укреплению этой мысли о невидимом способствовало то, что легкий дымок спустя какое-то время как бы исчезал, становился невидимым, был ли он вначале при этом белесым паром или черным дымом с копотью удушливым чадом, не суть. Поэтому при переводе понятие, обозначаемое лат. fumus, фр. fumée, англ. fume, нем. Rauch, писалось по-русски то как пар, то как дым, то как чад, т. е. было неустойчивым в применении. По этому даже сейчас часто просто говорят — фьюм, т. е. используют кальку английского fume.
В английском языке, как и в русском, описывались единые для всех стран и народов сущности: smokes (дымы), steams (испарения), damps (испарения в шахтах), vapors (пары), spirits (духи) и др..
В истории горного дела в то время и в современном дискурсе англоязычное слово damp используется для обозначения вредных, удушливых или взрывоопасных газов в шахтах. Английские шахтеры, а они были пионерами подземной добычи каменного угля, делили рудничный воздух на несколько видов, и все они назывались damp. Например, Choke-damp (удушливый газ) — смесь азота и окислов углерода и др., Black-damp (черный газ) — углекислый газ, White-damp (белый газ) — окись углерода, Stink-damp (вонючий газ) — опасная смесь газов, основным компонентом которой является сероводород, Fire-damp (огненный газ) — рудничный газ или метан, который взрывается при контакте с огнем. After-damp (послевзрывной газ) — смесь газов (в основном угарный газ и другие окислы азота), остающаяся после взрыва метана — ядовитая и смертоносная.
Заметим, что другое общее название «дух» — Spirit обозначало «тонкие» субстанции, эманации веществ или летучие соединения. Вообще говоря, в ту эпоху, когда магия, волшебство, наличие различных «духов» казались реальностью, а не фантастикой, разнообразные сущности внешнего природного мира несложно было разделить на телесные и бестелесные. Телесные были видимы, а бестелесные, естественно, нет. Такое мировоззрение легко терпело невидимые бестелесные сущности воздуха — духи (или дуно вения).
Помимо шахт, выделение газов, дымов, паров было хорошо видно на примере болот и вулканов. Богиней вулканических паров и ядовитых газов, исходящих из земли и болот, была в римской мифологии Мефитис. Поэтому, например, в английский язык из латинского перекочевало прилагательное mephitic, производное от Mephitis, которое означает «агрессивный запах; вредный, ядовитый» и толкуется как «зловонные пары, исходящие от поверхности земли, серные пары». Поэтому более широкий термин «мефитический воздух» применяли для наименования как вредного, ядовитого испарения, так и ядовитого, зловонного или удушливого воздуха, который не поддерживает ни горение, ни дыхание.
В то время работать с газообразными веществами было очень сложно, ибо методов их получения, собирания и исследования, особенно с учетом того, что такое газообразное вещество сразу после получения тут же могло перемешаться с воздухом, просто не было. Сбор этих «духов» в бычьи или рыбные пузыри был очень сложным. Как работать с этим «духом» после его сбора, также было во многом неясно. Работать с твердыми и жидкими средами было намного проще, а потому именно этими средами все химики и старались заниматься. Кроме того, идея о том, чтобы выделить разные части воздуха из самого воздуха, в то время никому принципиально не могла прийти в голову, ибо воздух был для всех однородной сущностью. Но вот идея исследовать выделяющиеся в воздух при разных химических процессах воздухообразные вещества, меняющие его свойства, была приемлемой и часто наблюдаемой.
Впервые реализовав эту идею на практике, голландский врач и естествоиспытатель Ян Гельмонт стал, сам того не зная, основоположником пневматической химии, т. е. химии воздуха. Он считал себя ятрохимиком (от др.-греч. ἰατρός - врач), т. е. по сути врачом, но врачом-исследователем, развивающим ятрохимию — одно из рациональных направлений алхимии, которое стремилось поставить химические методы на службу медицине, главным образом с целью приготовления лекарств. Сейчас этим занимается фармацевтика.
Ван Гельмонт стремился проводить эксперименты тщательно и рационально, подкрепляя свои действия количественным анализом. В этом смысле он опирался на разумную идею о том, что ничего из ничего не рождается и в ничего не обращается. Эта идея была стихийным материализмом, но на таком уровне философской абстракции он ее, видимо, не воспринимал, а потому легко укладывал ее рациональные положения в свое достаточно наполненное мистикой мировоззрение. Например, пытаясь понять, как растет и из чего растет дерево, он измерил количество грунта, вес саженца и поливал его водой много лет. Потом замерил снова вес грунта и дерева. Получалось, что дерево выросло из воды. Про фотосинтез он не знал, но его тщательное применение количественного анализа в эпоху мистицизма поражает. А явление фотосинтеза (строительство растений из углекислого газа атмосферы под действием солнечного света) откроет Джозеф Пристли почти через полтора столетия после смерти ван Гельмонта.
В ходе своих разнообразных химических опытов ван Гельмонт наблюдал, как при горении древесного угля выделяется какое-то воздухообразное вещество. Доступные измерения твердых веществ показали, что от 62 фунтов дубового угля остался 1 фунт золы, а остальные вещества — 61 фунт — улетучились. Такой подход давал основание полагать, что улетучился какой-то «дух», до этого содержащийся в древесном угле. Это улетучившееся вещество ван Гельмонт назвал газом: «Сей дух, доселе неизвестный, я называю новым именем газ» (Hunc spiritum, incognitum hactenus, novo nomine gas voco). Хорошо знакомое нам слово «газ» было тогда абсолютно новым, но ван Гельмонт, видимо, не боялся использовать новые слова, придуманные им же, для новых открытых им явлений. В частности, наблюдая за брожением, он ввел термины «фермент» и «ферментация».
Неуловимость полученного им газа (ни метода, ни прибора сбора этого газа еще не было изобретено) ван Гельмонт связал с «хаосом» — беспорядочным правеществом:
Возможно, в выборе слова на ван Гельмонта дополнительно подействовало звучание слова blas (ср. немецкое blasen), которое он употреблял для обозначения холодного воздуха, исходящего из звезд. Есть мнение (оспариваемое другими исследователями), что новый термин gas в звуковом плане мог ассоциироваться ван Гельмонтом не только с его произношением (др.-греч. Χάος), но и с голл. Geest, Ghost «дух, призрак», с немецкими словами Gäscht, Gäst, Geist.
Заметим, что ван Гельмонт был одним из последователей Парацельса, а у Парацельса было понятие spiritus sylvestre — лесной дух, или дикий дух. Поэтому ван Гельмонт окончательно назвал полученный им газ gas sylvestre — «лесной газ» (или «дикий газ»).
Мы думаем, что этот новый термин понадобился ван Гельмонту потому, что выделенный из продуктов горения, а потом полученный и другими способами воздухообразный «лесной газ» (gas silvestre) был однозначно продуктом химической реакции, который смешался с воздухом (и тем самым словно исчез), но сказать, что он был частью воздуха или даже особым видом воздуха, было в то время никак нельзя.
Сегодня мы знаем, что этот газ является постоянным компонентом природного воздуха, а значит, и рудничной атмосферы. Это был углекислый газ (углекислота — в старых текстах; двуокись углерода, диоксид углерода — в современной номенклатуре названий химических соединений) — продукт неполного окисления углерода древесины или метаболических процессов в нашем организме.
Шли годы, и вот в начале XVIII в. английский химик и физиолог Стивен Гейлс (Гейлз) изобрел «пневматическую ванну» — прибор для улавливания газа, который сыграл важную роль в становлении пневматической химии. Это была емкость, заполненная водой, которую вверх дном ставили в другую емкость с водой. Газ, как более легкое вещество, чем вода, пробулькивал пузырьками кверху и там оставался. Теперь его можно было собирать в необходимом для дальнейших экспериментов объеме. С воздухом он не смешивался и никуда не исчезал (кроме поглощения ряда газов водой). Впоследствии воду заменили ртутью, и прибор для сбора газа стал еще более совершенным.
Теперь можно было воздухообразные вещества собирать для дальнейшего изучения. Сначала это были газы, полученные из твердых веществ, которые в обычных опытах без использования пневматической ванны сразу смешивались с наружным воздухом, что делало их дальнейший анализ практически невозможным. Поэтому представления о свойствах выделяющихся «субстанций» получали зачастую косвенно, дополняя химические опыты теоретическим рассуждением. При этом сам воздух считался однородным химическим веществом. Важным процессом, характеризующим воздух, было горение, но теория горения была в то время неразрывно связана со свойствами флогистона.
Теория флогистона (от греч. phlogistos — воспламеняемый, горючий) была предложена немецким химиком Георгом Шталем в 1700 г. Она состояла в том, что все горючие вещества якобы содержат флогистон — особую «огненную материю», или «начало горючести». Само горение в рамках этой теории представляет собой реакцию разложения горючего вещества на остаточную «золу» и улетучивающийся в воздух флогистон. При этом воздух нужен для горения только затем, чтобы поглощать выделяющийся флогистон. Сегодня мы знаем, что, на самом деле, горение — это химическая реакция соединения кислорода воздуха и молекул горящего вещества в газовой фазе, его «окисление». Никакого флогистона нет, а горение — это не процесс разложения, а наоборот — процесс соединения. Понадобится почти 100 лет, чтобы это стало понятно науке.
Теория флогистона была очень популярна, поскольку довольно просто и логично объясняла многие явления, связанные с теплотой и горением. Например, в закрытом сосуде горение прекращается, поскольку воздух в этом сосуде насыщается флогистоном и больше не может его поглощать. В этой теории нет и не может быть места многокомпонентной смеси газов, образующих воздух. В ней воздух — лишь однородная единая свое образная «губка» для флогистона, и только. Такая методология мешала исследованию воздуха как комплекса газов, не позволяла даже ставить перед собой такую задачу.
В 1754 г. молодой шотландский ученый — медик и химик, будущий профессор университетов Глазго и Эдинбурга Джозеф Блэк — открыл «связанный воздух» (fixed air) и описал свое открытие в докторской диссертации, защита которой венчала обучение в университете. Сегодня мы знаем этот газ как углекислый газ (CO₂). Результаты этой выдающейся работы были опубликованы только в 1756 г.
Джозеф Блэк назвал открытый им «воздух» «связанным», поскольку тот содержался в составе твердого вещества — белой магнезии, был ею «связан». Под воздействием прокаливания она «освобождала» его, превращаясь в жженую магнезию. Одновременно, и это оказалось более важным, Дж. Блэк открыл реакцию поглощения выделившегося газа «известковой водой», что позволяло теперь выделять поглощением этот газ из воздуха, если он в нем содержался. Эти опыты явились важнейшей предпосылкой для возникновения газового анализа. Открытие Дж. Блэком того факта, что «воздух» может быть химически связан в твердых телах (в его опытах — в карбонатах), произвело революцию в химии.
Спустя 17 лет, в 1772 г., продолжая свою успешную и насыщенную исследовательскую и преподавательскую деятельность, профессор Дж. Блэк предложил одному из своих учеников (тогда студенту, затем медику и химику) шотландцу Даниелю Резерфорду продолжить его опыты со «связанным воздухом» и разобраться до конца в проблеме: почему после удаления «связанного воздуха» из воздуха оставшийся воздух не поддерживал горение.
И вот Даниель Резерфорд проделал такой опыт. В закрытый сосуд с обычным воздухом он поместил мышь, которая сначала дышала, но потом погибла. В этот воздух Резерфорд поместил горящую свечу, которая вскоре погасла, наконец, в сосуд был внесен горящий фосфор, но и он перестал гореть.
Исходя из опытов Дж. Блэка со «связанным воздухом» (fixed air) и с «лесным газом» (gas sylvestre) ван Гельмонта, под стеклянным колпаком должен был остаться «связанный воздух» (он же «лесной газ») и, по идее, дополнительно еще воздух, насыщенный флогистоном до такого предела, что ни дыхание (его считали эквивалентным горению), ни горение было невозможным. Этот оставшийся под колпаком воздух Резерфорд пропустил через раствор щелочи, и связанный воздух поглотился. Но и в оставшемся воздухе мышь сразу погибала, а свеча не горела.
Это знал еще Джозеф Блэк. Но почему так происходило? Блэку было это неясно. Резерфорд объяснил это так. При дыхании мыши и при горении свечи и фосфора выделяется флогистон и вместе с образующимся связанным воздухом поступает в воздух. После удаления связанного воздуха оставшийся содержит так много флогистона, что больше принять его не может, а потому в таком воздухе уже не могли гореть свеча и даже фосфор. Это был «флогистированный» воздух.
Этот остаточный «флогистированный» воздух Резерфорд назвал mephitic air — «удушливый воздух» в смысле noxious air (ядовитый воздух, испорченный воздух), потому что он не мог поддерживать ни дыхание, ни горение и не реагировал со щелочами, в отличие от связанного воздуха. Все это было описано Д. Резерфордом в его докторской диссертации, венчавшей обучение: «De aere fixo dicto aut Mephitico «(«О так называемом связанном и мефитическом воздухе»).
Сегодня мы знаем этот «мефитический воздух» как азот, а его первооткрывателем считаем Д. Резерфорда. Однако он обозначил открытый им «воздух» как «испорченный», «отравленный», «зловредный» и не поддерживающий ни дыхание, ни горение воздух. Такое название пришло Резерфорду на ум после его дополнительного опыта с мышью, которая в этом воздухе сразу погибла. Из этого факта он сделал вывод о существовании «отравленного» воздуха, в котором гибли живые организмы. О том, что это вещество представляет собой новый химический элемент, Резерфорд даже не подумал. Тем самым он совершил открытие, но истинную сущность своего открытия так и не понял.
В этом же, 1772 г. выдающийся английский ученый Генри Кавендиш, проявлявший особую скрупулезность в исследованиях и получавший очень точные результаты, многократно пропуская воздух над раскаленным углем, а затем обрабатывая его щелочью для поглощения связанного газа, получил остаток, в котором ни горение, ни дыхание было невозможно, и который потому был им назван, совершенно как Д. Резерфордом, «удушливым воздухом», «испорченным воздухом», т. е. в буквальных терминах того времени — «мефитическим (испорченным) воздухом». Фактически Г. Кавендиш выделил азот, но при всей своей гениальности тогда не сумел понять, что это новое простое вещество. К сожалению, не опубликованные им своевременно записи об этом открытии были найдены в архивах ученого уже после его смерти.
Думается, что о новом «мефитическом воздухе» знал и выдающийся ученый, первооткрыватель многих химических веществ — Джозеф Пристли — британский священник, химик, естествоиспытатель, философ. Его основные исследования в области химии были посвящены изучению газов, но он, как и Кавендиш, не всегда торопился публиковать свои наблюдения.
В 1771 г. Пристли поместил в герметический сосуд с воздухом, «испорченным» горением до такой степени, что он уже не поддерживал горение, растение мяты. Спустя несколько недель Пристли смог снова зажечь свечу в этом воздухе. Пристли сделал вывод, что растения «исправляют» испорченный воздух. Так был открыт фотосинтез, без которого нет жизни на земле.
Продолжая свои эксперименты, три года спустя, в 1774 г., Пристли, нагревая окись ртути, выделил новый «вид» воздуха, назвав его «дефлогистированным воздухом» (dephlogisticated air), т. е. воздухом без флогистона. Это был кислород — простое вещество, еще один из важнейших компонентов природного воздуха. Однако из-за приверженности теории флогистона Пристли не смог признать в нем новое простое химическое вещество, для него это был просто воздух, не содержащий флогистона.
При этом «дефлогистированный воздух» (это был кислород), открытый Пристли, казался антиподом «флогистированного воздуха» — «мефитического воздуха» (т. е. азота), выделенного в 1772 г. Даниелем Резерфордом.
Но еще в 1771 г. выдающийся шведский аптекарь и химик Карл Вильгельм Шееле абсолютно независимо от других ученых получил несколькими способами неизвестный ранее «воздух», в котором свеча горела особенно ярко, а горение твердого горючего вещества активно поддерживалось. Он назвал открытый им вид «воздуха» eldluft (вариант — elds luft), что означает «огненный воздух», или «воздух огня". Поскольку Шееле писал свои труды для публикации на немецком языке, то для «воздуха огня» он использовал термин Feuer-Luft. Это был кислород.
Сегодня, понимая роль кислорода в горении, нам может показаться точным как название смысл словосочетания «огненный воздух», но для понимания самого Шееле, скорее всего, более точным будет русскоязычный термин «воздух огня» — воздух, в котором возможен огонь. Это название отражает наблюдение того, что в этом виде воздуха пламя горит особенно ярко и горение активно поддерживается.
В ходе своих экспериментов Шееле понял, что воздух состоит из двух компонентов: «огненного воздуха» (кислорода), поддерживающего горение, и «испорченного воздуха» (азота), не поддерживающего горение и остающегося после того, как возможности «огненного воздуха» исчерпаны. Для азота Шееле использовал термин skämd luft, förorenad luft, что означает «испорченный воздух", или använd luft — «использованный воздух».
Таким образом, Карл Шееле открыл кислород и азот практически одновременно, в рамках одного и того же цикла исследований, примерно в 1771—1773 гг. Пожалуй, он первым описал составной характер воздуха, как смеси разных газов. Сложно сказать, какой именно газ был получен в пробирке первым, поскольку Шееле изучал состав воздуха комплексно и практически одновременно. Свои опыты Шееле описал в рукописи книги «Химический трактат о воздухе и огне» («Chemische Abhandlung von der Luft und dem Feuer «), которую закончил в 1773 г., но ожидая предисловия от своего коллеги, отправил издателю только в 1775 г. Однако по разным причинам (задержки издателя, нерасторопность типографии) книга вышла только в 1777 г. К этому времени Пристли (1774) уже опубликовал свои открытия, поэтому приоритет в открытии кислорода остался за Пристли. А приоритет в открытии азота прочно приписывают Д. Резерфорду.
Важно отметить, что Карл Шееле, как и другие ведущие химики его времени, работал в рамках теории флогистона и не рассматривал найденные им виды воздуха (газы) как химические элементы в современном понимании. Для него «огненный воздух» был видом воздуха, особенно активно поглощающим флогистон, выделяющийся при горении из горящего вещества, а «испорченный воздух» — видом воздуха, уже насыщенным флогистоном и неспособным поддерживать дальнейшее горение.
Все вышеупомянутые ученые верили в теорию флогистона и не понимали до конца, что полученные газы — это отдельные химические вещества, части обычного воздуха, а не «дефлогистированный воздух» (кислород) или «флогистированный воздух» (азот).
Первым человеком, который научно доказал, что воздух представляет собой смесь газов, а не однородное вещество, был великий французский ученый Антуан Лоран Лавуазье. Он сделал это в 1774—1777 гг., и его работа стала фундаментом современной химии.
Прибегая в своих исследованиях постоянно к точному взвешиванию, Лавуазье показал, что в процессе горения вещество не выделяется из горящего тела, а присоединяется к нему. Это противоречило теории флогистона, и она была им отвергнута. Экспериментально установив новый взгляд на процессы горения и окисления и отвергнув теорию флогистона, Лавуазье неизбежно должен был отвергнуть наличие однородного воздуха, который то был флогистирован, то дефлогистирован, и прийти к существованию двух разных химических воздухообразных веществ, ибо они вели себя в химических реакциях по-разному. В итоге он показал, что воздух есть смесь двух газов: один из них — газ, преимущественно поддерживающий горение, «здоровый (salubre) воздух, жизненный воздух», другой газ — «нездоровый (moffette) воздух, безжизненный воздух».
Полученный им «дефлогистированный» «здоровый воздух» (Лавуазье хорошо знал работы Пристли), в котором ярко горела свеча, он назвал кислородом (от лат. Oxygenium — рождающий кислоты), а «флогистированный воздух», в котором свеча тухла и подопытные мыши задыхались, — азотом. Этот термин Лавуазье образовал с помощью греческой буквы α (альфа), прибавление которой перед словом придавало ему противоположное значение, и древне-греческого слова ζωά (зоэ) — жизнь, что стало означать «безжизненный», «непригодный для дыхания». В русском языке этот термин стал звучать как «азот». Заметим, что термин «азот», кроме русского языка, укоренился только во французском. По-немецки азот называется Stockton (удушающее вещество), по-английски — Nitrogen (от лат. Nitrogenium — рождающий селитру).
Доказав, что кислород и азот являются химическими веществами, Антуан Лавуазье первым установил сложный состав атмосферного воздуха. Окончательно свои выводы Лавуазье опубликовал в труде «О горении вообще» (1777) и в знаменитом учебнике «Начальный курс химии» (1789). В них даны основы современных представлений о свойствах воздуха, а в целом эти книги определили становление современной химии.
Однако природный воздух состоит не только из кислорода, азота и углекислого газа. Производя свои опыты с воздухом, Генри Кавендиш в 1766 г. опубликовал работу «Искусственный воздух», где сообщалось об открытии «горючего воздуха» (водорода). Кавендишу удалось получить в чистом виде водород и углекислый газ, установить их относительную плотность и другие свойства.
Вывод о том, что «горючий воздух» Кавендиша представляет собой простое вещество, был сделан в 1784 г. французским химиком Антуаном Лавуазье. Он же впервые получил его из воды и дал этому веществу название Hydrogenium (рождающий воду) (по-русски — водород).
Продолжая свои эксперименты с воздухом, в 1785 г. Кавендиш обратил внимание на пузырьки «остаточного воздуха», занимавшего 1/120 первоначального объема и не изменявшегося даже под действием электрической искры. Он сделал заметки, но бросил заниматься этим делом и не стал ничего публиковать. Его записки были найдены и опубликованы почти полвека спустя. И лишь в 1894 г. английские ученые — физик Рэлей и химик Рамзай — установили, что «остаточный воздух» Кавендиша — это неизвестный ранее химически инертный газ аргон, всегда присутствующий в воздухе. Заметим, что почти весь этот газ в атмосфере Земли образовался при распаде калия-40.
Сегодня мы знаем, что осушенный от влаги природный воздух состоит из смеси азота и кислорода, а также аргона, углекислого газа и других газов, включая водород, в ничтожных относительно земной атмосферы количествах. Более того, природный воздух всегда содержит водяной пар, наличие которого вариативно, но оказывает влияние на измеренные значения концентраций газов в воздухе.
Поскольку рудничная атмосфера формируется при поступлении наружного природного воздуха в шахту или рудник, то основной состав рудничной атмосферы аналогичен газовому составу наружного воздуха. При этом выделяющиеся в ходе горных работ газы составляют хоть и небольшое, но очень существенное для живых организмов и взрываемости газовоздушной смеси количество.
Самыми значимыми газовыми примесями, делающими рудничную атмосферу чрезвычайно опасной, являются горючие газы: водород, метан и его гомологи, пары нефтепроявлений (редко).
В большом количестве в рудничную атмосферу могут поступать азот и углекислый газ, делающие ее опасной для человека, ибо содержание кислорода в такой смеси падает и дышать становится невозможным. Такая рудничная атмосфера получила название «мертвый воздух».
Углекислый газ выделяется в рудничную атмосферу с дыханием людей, при горении или гниении древесины. При полном сгорании образуется ядовитый «угарный газ» — монооксид углерода.
Еще один класс выделяющихся природных газов или образующихся при окислении сульфидных руд — сероводород, сернистый газ — «глазоедка» и др.
Из природных газов следует также всегда иметь в виду радиоактивный газ радон, опасность которого состоит в быстром распаде и образовании «дочерних продуктов распада» — металлических радиоактивных аэрозолей, которые легко задерживаются в легких и, альфа-распадаясь, наносят внутреннее радиационное поражение.
Использование взрывных работ породило образование во время взрыва из-за высокой температуры сильно ядовитых окислов азота и других продуктов сгорания, в целом называемых «отпалочными газами». Использование самоходной техники с двигателями внутреннего сгорания привело к появлению в рудничной атмосфере «выхлопных газов» сложного состава.
Сегодня мы знаем, что основное влияние на организм человека оказывает полученная им доза тех или иных опасных или вредных газов и пыли. Эта доза зависит от длительности вдыхания и концентрации газа в воздухе. Исходя из того, что шахтер дышит воздухом в шахте целую смену и постоянно ходит на работу, в конце ХIX — начале ХХ в. стала складываться концепция предельнодопустимых концентраций вредных газов в рудничной атмосфере. Эта концепция складывалась из представлений о нижних и верхних концентрационных пределах взрываемости и безвредной дозе вредного вещества, полученного в течение всей рабочей жизни. Сегодня эта концепция «порога воздействия», реализованная в нормативно устанавливаемых предельно-допустимых концентрациях, определяет требования к состоянию рудничной атмосферы и, соответственно, проветривания горных выработок.
Кутина Л. Л. Формирование терминологии физики в России: Период предломоносовский: первая треть XVIII века. М. – Л.: Наука, 1966. – 288 с.
Crosland M. «Slippery substances»: some practical and conceptual problems in the understanding of gases in the pre-Lavoisier era / F. L. Holmes, T. H. Levere (eds.). Instruments and experimentation in the history of chemistry. Cambridge, MA: MIT Press, 2002. P. 79−104.
С. 154.
С. 90.
Clericuzio A. Chemistry of life: ferments and fermentation in 17th-century iatrochemistry // Medicina nei Secoli. 2003. Vol. 15 (2). P. 227–248.
Clericuzio A. Chemistry of life: ferments and fermentation in 17th-century iatrochemistry // Medicina nei Secoli. 2003. Vol. 15 (2). P. 227–248.
С. 40.
Ничипорович А. А., Рубин Б. А. Современные проблемы фотосинтеза: к 200-летию открытия фотосинтеза Джозефом Пристли. М.: Изд-во МГУ, 1973. – 213 с.