Мы знаем сегодня, что существование элемента или соединения в твердом, жидком или газообразном состоянии зависит от его давления и температуры. Почти невозможно представить себе времена, когда газ не считался веществом.
И все же это логично: трудно изучать вещества без определенной формы и объема, невидимые, часто без запаха, которые, соответственно, с трудом можно собрать. Поэтому одним из самых важных открытий в химии до Лавуазье стало открытие существования разных видов «воздуха»» и разработка приборов для их сбора. Фламандец Ян Баптист Ван Гельмонт считается отцом «пневматической науки»», поскольку еще в XVII веке он изучал все возможные типы воздуха, хотя так и не сумел определить его состав. Ван Гельмонт выделил воздух, содержавшийся в термальных водах, который является тем же самым веществом, что образуется при горении угля либо в погребах при брожении вина (СO2); с другой стороны, был еще воздух, который улетучивался при горении серы (SO2), и горючий воздух, выделяющийся при гниении органики (Н2, СН4, H2S). Ван Гельмонту мы обязаны и словом «газ»». Большинство историков науки утверждают, что корень данного слова происходит от греческого «хаос»», хотя Лавуазье связывал его с другим словом, означающим «призрак»». Долгое время считалось, что «обычный воздух»», то есть окружающая нас атмосфера, является просто средой, в которой происходят химические реакции, и сам по себе он никакой роли в этих реакциях не играет. В начале XVIII века опыты англичанина Стивена Гейлса и шотландца Джозефа Блэка сделали очевидным тот факт, что во время таких реакций, как горение, атмосфера может быть веществом, активно участвующим в реакции.
Для выделения разных типов «воздуха» необходимо, чтобы они не улетучивались в атмосферу. Поэтому Гейле придумал установку, изображенную на этой гравюре, представленной в его труде Vegetable Staticks (1727). В улучшенном виде данная установка сыграла решающую роль в определении различных газов.
Как видно на рисунке 1, речь шла о стеклянном колпаке, частично заполненном водой, в центре которого находилась пневматическая ванна с емкостью, куда помещали материал для нагревания. Сфокусированные солнечные лучи достигали емкости через поверхность колпака, который, в свою очередь, был погружен в другую емкость, также наполненную водой.
Лавуазье установил, что по мере того как уменьшалось количество «извести» и образовывался чистый металл, выделялся некий газ и уменьшался уровень воды внутри колпака. Объем произведенного газа был в 750 раз больше объема использованной окиси свинца.
Чтобы понять такое огромное увеличение объема, надо принять во внимание, что окись свинца — это твердое вещество, тогда как выделяемый «воздух» является газом, а твердые и жидкие вещества занимают гораздо меньший объем, нежели газообразные. Например, один моль любого газа в нормальных условиях (Р = 1 атм, Т = °0 С) занимает 22, 4 литра. А 1 литр воды (Н2O), плотность которой составляет 1 грамм на миллилитр, весит 1 килограмм и содержит 55, 55 молей.
Газ: 1 моль → 22, 4 литра.
Вода (жидкая): 1 литр → 55, 55 молей.
Плотность других твердых и жидких веществ обычно больше: например, плотность меди — порядка 7 граммов на миллилитр, а ртути — больше 13.
Подтвердив увеличение объема, Лавуазье повторно провел опыт с фосфором, но на этот раз использовал закрытую емкость, чтобы определить, меняется ли объем воздуха вокруг. Он убедился, что воздух теряет между пятой и шестой частью от изначального количества. Лавуазье провел множество опытов, чтобы определить увеличение веса, и в итоге убедился, что 154 грана фосфора поглотили во время горения 80 гранов воздуха или другого «эластичного флюида», содержащегося во вдыхаемом воздухе. Гран, так же как и фунт, являлся единицей веса, используемой в то время: 1 парижский фунт =16 унций; 1 парижская унция = 8 тросов; 1 трос = 72 грана; 1 парижский фунт соответствовал 480 граммам.
Кроме того, Лавуазье заметил, что в закрытой емкости может окисляться только определенное количество фосфора. Предвосхищая важность этих опытов, но не решаясь обнародовать их объяснение, он отправил 1 ноября 1772 года в Академию наук запечатанное письмо, в котором детально изложил свои мысли: