Пневматическая химия
В науки истории пневмохимия — область научных исследований XVII, XVIII и начала XIX веков. Важными целями этой работы было понимание физических свойств газов и того, как они связаны с химическими реакциями и, в конечном счете, с составом вещества . Возникновение теории флогистона и замена ее новой теорией после открытия кислорода как газообразного компонента земной атмосферы и химического реагента , участвующего в реакциях горения , рассматривались в эпоху пневмохимии.
Воздух как реагент
[ редактировать ]В восемнадцатом веке, когда область химии развивалась из алхимии , область натуральной философии была создана вокруг идеи воздуха как реагента . До этого воздух в первую очередь считался статическим веществом, которое не вступало в реакцию и просто существовало. Однако, как настаивали Лавуазье и несколько других химиков-пневмохимиков, воздух действительно был динамичным и не только находился под влиянием сгоревшего материала, но также влиял на свойства различных веществ.
Первоначальной проблемой пневматической химии были реакции горения, начиная со Стивена Хейлза . В результате этих реакций выделялись разные «воздухи», как их назвали химики, и эти разные воздухы содержали более простые вещества. До Лавуазье эти воздухы считались отдельными сущностями с разными свойствами; Лавуазье в значительной степени ответственен за изменение представления о воздухе как о том, что он состоит из различных газов, открытых его современниками и более ранними химиками. [1]
Это исследование газов было начато Хейлсом с изобретением пневматического желоба — прибора, способного собирать газ, выделяющийся в результате реакций, с воспроизводимыми результатами. Термин газ был придуман Дж. Б. ван Гельмонтом в начале семнадцатого века. Этот термин произошел от древнегреческого слова χάος, хаос , в результате его неспособности правильно собирать вещества, выделяемые в результате реакций, поскольку он был первым натурфилософом, предпринявшим попытку тщательного изучения третьего типа материи. Однако только после того, как Лавуазье провел свое исследование в восемнадцатом веке, это слово стало повсеместно использоваться учеными в качестве замены слова airs . [2]
Ван Гельмонта (1579–1644) иногда считают основателем пневматической химии, поскольку он был первым натурфилософом, заинтересовавшимся воздухом как реагентом. [3] Алессандро Вольта начал исследовать пневматическую химию в 1776 году и на основе экспериментов с болотными газами утверждал, что существуют различные типы горючего воздуха. [4] В число химиков-пневматиков, открывших химические элементы, входят Джозеф Пристли , Генри Кавендиш , Джозеф Блэк , Дэниел Резерфорд и Карл Шееле . Другие люди, которые исследовали газы в этот период, включают Роберта Бойля , Стивена Хейлза , Уильяма Браунригга , Антуана Лавуазье , Жозефа Луи Гей-Люссака и Джона Далтона . [5] [6] [7]
История
[ редактировать ]Химическая революция
[ редактировать ]«В период между 1770 и 1785 годами химики по всей Европе начали улавливать, выделять и взвешивать различные газы». [8] : 40
Пневмокорыто было неотъемлемой частью работы с газами (или, как их называли современные химики, воздухами). Работа, проделанная Джозефом Блэком, Джозефом Пристли, Германом Бурхаавом и Генри Кавендишем, в основном вращалась вокруг использования прибора, позволяющего им собирать воздух, выделяющийся в результате различных химических реакций и анализа горения. Их работа привела к открытию многих типов воздуха, например, дефлогистированного воздуха (открытого Джозефом Пристли).
Более того, химия воздуха не ограничивалась анализом горения. В восемнадцатом веке многие химики использовали открытие воздуха как новый путь для изучения старых проблем, одним из примеров является область медицинской химии. Один конкретный англичанин, Джеймс Уотт, начал использовать идею воздуха и использовать его в так называемой пневматической терапии , или использовании воздуха, чтобы сделать лаборатории более пригодными для работы со свежим воздухом, а также помочь пациентам с различными заболеваниями в различной степени. успеха. Большинство экспериментов на людях проводилось над самими химиками, поскольку они считали, что эксперименты над собой являются необходимой частью прогресса в этой области.
Авторы
[ редактировать ]Джеймс Ватт
[ редактировать ]Исследования Джеймса Уатта в области пневматической химии включали использование горючего ( H 2 ) и дефлогистированного ( O 2 ) воздуха для создания воды . В 1783 году Джеймс Уатт показал, что вода состоит из горючих и дефлогистизированных газов и что массы газов до сгорания в точности равны массе воды после сгорания. [9] До этого момента вода рассматривалась как фундаментальный элемент, а не как соединение. Джеймс Уотт также стремился изучить использование различных « искусственных газов », таких как гидрокарбонат, в медицинских целях, таких как «пневматическая терапия», сотрудничая с доктором Томасом Беддосом и Эразмом Дарвином для лечения Джесси Уотт, его дочери, страдающей туберкулезом , с использованием фиксированного воздуха. [10]
Джозеф Блэк
[ редактировать ]Джозеф Блэк был химиком, который заинтересовался пневматикой после обучения у Уильяма Каллена . Впервые он заинтересовался темой магнезии белой, или карбоната магния (MgCO 3 ), и известняка , или карбоната кальция (CaCO 3 ) , и написал диссертацию под названием « De юморе кислото a cibis orto, et магнезия белая » о свойствах из обоих. [11] Его эксперименты с карбонатом магния привели его к открытию, что фиксированный воздух, или углекислый газ (CO 2 ), выделяется во время реакций с различными химическими веществами, включая дыхание . Несмотря на то, что он никогда не использовал пневматический желоб или другие приборы, изобретенные для сбора и анализа воздуха, его выводы привели к большему количеству исследований фиксированного воздуха вместо обычного воздуха, при этом желоб фактически использовался. [2]
Газообразный аммиак был впервые выделен Джозефом Блэком в 1756 году путем реакции нашатырного спирта ( хлорида аммония ) с прокаленной магнезией ( оксидом магния ). [12] [13] Он был снова выделен Питером Вульфом в 1767 году. [14] [15] Карл Вильгельм Шееле в 1770 году. [16]
Джозеф Пристли
[ редактировать ]Джозеф Пристли в книге «Наблюдения за различными видами воздуха» был одним из первых, кто описал воздух как состоящее из разных состояний материи, а не как один элемент. [17] Пристли разработал понятия фиксированного воздуха (CO 2 ), фторсодержащего воздуха и горючего воздуха, включив в него «легковоспламеняющийся азотистый воздух», « воздух с серной кислотой » , « щелочной воздух » и « дефлогистированный воздух ». [17] Пристли также описал процесс дыхания с точки зрения теории флогистона . [17] Пристли также установил процесс лечения цинги и других заболеваний с использованием фиксированного воздуха в своих «Указаниях по пропитке воды фиксированным воздухом». Работы Пристли по пневматической химии оказали влияние на его естественное мировоззрение. Его вера в «воздушную экономику» проистекала из его веры в то, что «дефлогистированный воздух» является самым чистым типом воздуха и что флогистон и горение лежат в основе природы. [18] Джозеф Пристли в основном проводил исследования с помощью пневматического желоба, но ему также было поручено собрать несколько новых водорастворимых эфиров. Это было достигнуто в первую очередь за счет замены воды ртутью и установки полки под головой для повышения устойчивости, использования идеи, предложенной Кавендишем, и популяризации ртутного пневматического корыта. [2]
Герман Бурхааве
[ редактировать ]не получил признания за прямые исследования в области пневматической химии, Хотя Бурхааве (учитель, исследователь и ученый) он все же опубликовал « Elementa Chimiae» в 1727 году. Этот трактат включал поддержку работы Хейлза, а также развивал идею воздуха. Несмотря на то, что он не публиковал свои собственные исследования, этот раздел о эфирах в Elementa Chimiae цитировался многими другими современниками и содержал большую часть современных знаний о свойствах эфиров. [19] Бурхааве также приписывают вклад в мир химической термометрии благодаря его работе с Даниэлем Фаренгейтом , которая также обсуждается в Elementa Chimiae. [20]
Генри Кавендиш
[ редактировать ]Генри Кавендиш , несмотря на то, что он не был первым, кто заменил воду в корыте ртутью , был одним из первых, кто заметил, что фиксированный воздух не растворяется в ртути и поэтому может быть собран более эффективно с помощью адаптированного инструмента. Он также охарактеризовал неподвижный воздух ( CO 2 ) и легковоспламеняющийся воздух ( H 2 ). Горючий воздух был одним из первых газов, выделенных и обнаруженных с помощью пневматического желоба. Однако он не использовал до предела собственную идею, а потому не использовал в полной мере ртутный пневмокорыт. [2] Кавендишу приписывают почти правильный анализ содержания газов в атмосфере. [21] В 1784 году Кавендиш также показал, что легковоспламеняющийся воздух и атмосферный воздух можно объединить и нагреть для получения воды. [21]
Стивен Хейлз
[ редактировать ]В восемнадцатом веке, с появлением анализа горения в химии, Стивен Хейлз изобрел пневматический желоб для сбора газов из образцов вещества, которые он использовал; хотя его не интересовали свойства собранных им газов, он хотел выяснить, сколько газа выделялось из материалов, которые он сжигал или давал бродить . Хейлсу удалось предотвратить потерю воздухом своей «эластичности», то есть предотвратить потерю объема путем барботирования газа через воду и, следовательно, растворения растворимых газов.
После изобретения пневматического желоба Стивен Хейлз продолжил свои исследования различных видов воздуха и провел множество ньютоновских анализов их различных свойств. В 1727 году он опубликовал свою книгу «Статика овощей» , которая оказала глубокое влияние на область пневматической химии, о чем многие исследователи упоминали в своих научных работах. В «Овощной статистике » Хейлз не только представил свою корыто, но и опубликовал результаты, полученные им из собранного воздуха, такие как эластичность и состав воздуха, а также его способность смешиваться с другими. [22]
Инструментарий
[ редактировать ]Пневматический желоб
[ редактировать ]Стивен Хейлс , которого называют создателем пневматической химии, создал пневматический корыто в 1727 году. [23] Этот прибор широко использовался многими химиками для исследования свойств различных видов воздуха, например, того, что называлось горючим воздухом (то, что сейчас называют водородом). Лавуазье использовал его в дополнение к своему газометру для сбора газов и их анализа, что помогло ему составить список простых веществ.
Пневматический желоб, который был неотъемлемой частью на протяжении восемнадцатого века, несколько раз модифицировался для более эффективного сбора газов или просто для сбора большего количества газа. Например, Кавендиш отметил, что количество фиксированного воздуха, выделяемого в результате реакции, не полностью присутствует над водой; это означало, что фиксированная вода поглощала часть этого воздуха и не могла быть использована количественно для сбора этого конкретного воздуха. Поэтому он заменил воду в корыте ртутью, в которой большая часть воздуха не растворяется. Сделав это, он смог не только собрать весь воздух, выделяющийся в результате реакции, но и определить растворимость воздуха в воде, положив начало новой области исследований для химиков-пневматиков. Хотя это была основная адаптация корыта в восемнадцатом веке, до и после замены воды ртутью было внесено несколько незначительных изменений , например, добавлена полка, на которую можно было положить голову во время сбора газа. Эта полка также позволит использовать менее традиционные головки, такие как Браунригга животных Мочевой пузырь . [2]
Практическим применением пневматического желоба стал эвдиометр , который использовал Ян Ингенхауз , чтобы показать, что растения производят дефлогистированный воздух под воздействием солнечного света - процесс, который теперь называется фотосинтезом . [8]
газометр
[ редактировать ]Во время своей химической революции Лавуазье создал новый прибор для точного измерения газов. Он назвал этот прибор газометром . У него было две разные версии; тот, который он использовал в демонстрациях для Академии и публики, это была большая дорогая версия, призванная заставить людей поверить в большую точность, и меньшая, более практичная в лабораторных условиях версия с такой же точностью. Эту более практичную версию было дешевле построить, что позволило большему количеству химиков использовать инструмент Лавуазье. [17]
См. также
[ редактировать ]Примечания и ссылки
[ редактировать ]- ^ Левер, Тревор (2001). Преобразование материи . Мэриленд: Издательство Университета Джона Хопкинса. стр. 62–64. ISBN 978-0-8018-6610-4 .
- ^ Jump up to: а б с д и Параскандола, Джон; Иде, Аарон Дж. (1 января 1969 г.). «История пневматического желоба». Исида . 60 (3): 351–361. дои : 10.1086/350503 . JSTOR 229488 . S2CID 144799335 .
- ^ Холмьярд, Эрик Джон (1931). Создатели химии . Оксфорд: Издательство Оксфордского университета. п. 121.
- ^ Томори, Лесли (май 2009 г.). «Истоки газового освещения в пневматической химии восемнадцатого века». Анналы науки . 66 (4). Группа Тейлора и Фрэнсиса: 473–496. дои : 10.1080/00033790903047717 . S2CID 144744220 – через Scopus.
- ^ Партингтон, JP (1951). Краткая история химии (2-е изд.). Макмиллан и компания. стр. 65–151.
- ^ Иде, Аарон Дж. (1984). Развитие современной химии . Дувр. стр. 32–54. (первоначально опубликовано в 1964 г.)
- ^ Хадсон, Джон (1992). История химии . Чепмен и Холл. стр. 47–60.
- ^ Jump up to: а б Гердт Магиелс (2009) От солнечного света к пониманию. Ян ИнгенХаус, открытие фотосинтеза и науки в свете экологии , Глава 5: Важнейший инструмент: взлет и падение эвдиометра, страницы = 199-231, VUB Press ISBN 978-90-5487-645-8
- ^ Карнеги, Эндрю (1905). Джеймс Уотт . Нью-Йорк: Даблдей, Пейдж и компания. стр. 170–173.
- ^ Стэнсфилд, Дороти (1986). «Доктор Томас Беддоуз и Джеймс Уоттс: подготовительная работа 1794-96 годов для Бристольского пневматического института» . Медицинская история . 30 (3): 283. дои : 10.1017/s0025727300045713 . ПМЦ 1139651 . ПМИД 3523076 .
- ^ Уэст, Джон (15 июня 2014 г.). «Джозеф Блэк, углекислый газ, скрытое тепло и начало открытия дыхательных газов». Американский журнал физиологии . 306 (12): Л1057–Л1063. дои : 10.1152/ajplung.00020.2014 . ПМИД 24682452 .
- ^ Блэк, Джозеф (1893) [1755]. Опыты с белой магнезией, негашеной известью и другими щелочными веществами . Эдинбург: WF Clay.
- ^ Джейкобсон, Марк З. (23 апреля 2012 г.). Загрязнение воздуха и глобальное потепление: история, наука и решения . Издательство Кембриджского университета. ISBN 9781107691155 .
- ^ «Бутылка Вульфа» . Химический мир . Проверено 1 июля 2017 г.
- ^ Вульф, Питер (1 января 1767 г.). «Эксперименты по перегонке кислот, летучих щелочей и т. д., показывающие, как их можно конденсировать без потерь и как таким образом мы можем избежать неприятных и вредных паров: в письме г-на Питера Вулфа, FRS, Джону Эллису, эсквайру; FRS « Философские труды » . 57 : 517–536. Бибкод : 1767RSPT...57..517W . дои : 10.1098/rstl.1767.0052 . ISSN 0261-0523 .
- ^ Иллюстрированная история жизни аптекаря-химика Карла Вильгельма Шееле . Американский институт истории фармацевтики. 1942. hdl : 1811/28946/Pictorial%20Life%20History_Scheele.pdf .
- ^ Jump up to: а б с д МакЭвой, Джон (март 2015 г.). «Газы, Бог и баланс природы: комментарий к книге Пристли (1772) «Наблюдения за различными видами воздуха» » . Философские труды Королевского общества . 373 (2039): 20140229. Бибкод : 2015RSPTA.37340229M . дои : 10.1098/rsta.2014.0229 . ПМК 4360083 . ПМИД 25750146 .
- ^ Боулер, Питер (2005). Создание современной науки: исторический обзор . Чикагский университет: Издательство Чикагского университета. стр. 61–64. ISBN 978-0-226-06861-9 .
- ^ Киркер, Милтон (1955). «Герман Бургаве и развитие пневмохимии». Исида . 46 (1): 36–49. дои : 10.1086/348382 . JSTOR 226823 . ПМИД 14353582 . S2CID 5699247 .
- ^ Пауэрс, Джон К. (1 января 2014 г.). «Измерение огня: Герман Бурхааве и введение термометрии в химию». Осирис . 29 (1): 158–177. дои : 10.1086/678102 . JSTOR 10.1086/678102 . ПМИД 26103753 . S2CID 31981457 .
- ^ Jump up to: а б Юнгникель, Криста ; Маккормах, Рассел (1996). Кавендиш . Филадельфия, Пенсильвания: Американское философское общество. п. 261. ИСБН 978-0-87169-220-7 .
- ^ Киркер, Милтон (1955). «Герман Бургаве и развитие пневмохимии». Исида . 46 (143): 36–49. дои : 10.1086/348382 . ПМИД 14353582 . S2CID 5699247 .
- ^ Левер, Тревор (2001). Преобразование материи . Мэриленд: Издательство Университета Джона Хопкинса. стр. 52–55. ISBN 978-0-8018-6610-4 .