Диамантите са сред най-ценните и желани скъпоценни камъни в света. Но през XVIII век един френски учен решава да направи нещо, което и днес би накарало мнозина да потръпнат: да ги изгори в името на науката. Експериментите на Антоан Лоран Лавоазие не само помагат да се разкрие истинската природа на диамантите, но и допринасят за една от най-големите революции в историята на химията.

През 1772 г. Лавоазие, когото често наричат бащата на съвременната химия, се включва в серия експерименти, при които скъпоценните камъни са подложени на изключително високи температури. Целта не е да бъдат унищожени заради самото разрушение, а да се разбере какво всъщност представляват и какво се случва с тях при нагряване.

Времето, когато учените вярвали, че огънят освобождава невидимо вещество

Когато Лавоазие се ражда през 1743 г., химията все още е далеч от съвременната наука. Макар вече да се провеждат множество експерименти, обясненията за природата на веществата и химичните реакции често се основават на теории, които днес изглеждат странни.

Една от най-разпространените е теорията за флогистона. Според нея всички горими материали съдържат особено вещество, наречено флогистон, което се освобождава при горене и преминава в околния въздух.

Привържениците на тази идея смятат, че пламъкът угасва, когато въздухът се насити с флогистон и вече не може да поеме повече от него. По същия начин се опитват да обяснят и защо човек или животно не могат да дишат продължително в затворено пространство.

Лавоазие обаче започва да се съмнява в подобно обяснение. При експерименти с изгаряне на сяра и фосфор той установява нещо, което трудно се вписва в теорията за флогистона: масата на получените вещества се увеличава.

Ако при горенето веществата само губят флогистон, защо продуктите от реакцията са по-тежки? Лавоазие предполага, че причината е друга: горящите вещества се свързват с определена съставка на въздуха.

Това предположение постепенно ще преобърне представите за химичните реакции.

Откритието на кислорода променя всичко

Важна роля за развитието на идеите на Лавоазие изиграва английският химик, философ и теолог Джоузеф Пристли.

През 1774 г. Пристли нагрява червен живачен оксид и получава безцветен газ, в който пламъкът гори необичайно силно. Той обаче продължава да тълкува резултата през призмата на старата теория и нарича газа „дефлогистичен въздух“.

Пристли разказва за наблюденията си на Лавоазие, който повтаря експериментите и постепенно стига до различно заключение. Според него въздухът не е еднородно вещество, а смес от газове, един от които участва активно в горенето и дишането.

Този газ по-късно получава името кислород. Именно неговото участие, а не освобождаването на някакъв невидим флогистон, обяснява процеса на горене.

Повече за откритието и за ролята на двамата учени може да се прочете в историческия преглед на Американското химическо дружество, посветен на Джоузеф Пристли.

Какво се случва, когато запалиш диамант?

Но да се върнем към диамантите. През XVIII век мнозина ги възприемат като особена субстанция, която няма нищо общо с познати материали като дървените въглища и графита.

Лавоазие се стреми да разбере от какво са изградени веществата и как се променят при химичните реакции. Затова диамантите представляват особено интересен обект за неговите експерименти.

Заедно с други учени той изследва поведението им при силно нагряване. В някои от опитите скъпоценните камъни са поставяни в затворени съдове, а за достигането на необходимата температура се използва голяма леща, която събира слънчевите лъчи в една точка.

Резултатът е удивителен: при подходящи условия диамантът наистина изгаря.

Оказва се обаче, че решаващо значение има наличието на въздух. Когато достъпът му е напълно прекъснат, диамантът може да издържи на много високи температури, без да изгори.

Това е важно наблюдение. То показва, че горенето не се дължи просто на освобождаването на някаква скрита огнена субстанция. За протичането на реакцията е необходимо участието на вещество от околната среда.

При изгарянето на диаманта се образува газ, който днес познаваме като въглероден диоксид. Подобен продукт се получава и при изгарянето на въглища.

Тези резултати насочват учените към смайващ за времето си извод: диамантът може да е изграден от същия химичен елемент, който се съдържа в обикновените въглища.

Историята на тези експерименти и по-късните опити за изкуствено създаване на диаманти е разгледана в материал на Gemological Institute of America.

Защо диамантът е толкова твърд, а графитът е мек?

Днес знаем, че диамантът и графитът са две различни форми на един и същ химичен елемент – въглерода. Но как е възможно веществата да имат напълно различни свойства, след като са изградени от едни и същи атоми?

Отговорът се крие в тяхната подредба.

В диаманта всеки въглероден атом е свързан с четири съседни атома. Така се образува изключително здрава триизмерна кристална структура, която прави диаманта най-твърдия естествен минерал.

При графита въглеродните атоми са подредени по съвсем различен начин. Те образуват плоски слоеве, в които всеки атом е свързан с три други. Връзките вътре в отделните слоеве са здрави, но силите между самите слоеве са много по-слаби. Затова те могат сравнително лесно да се плъзгат един спрямо друг.

Именно по тази причина графитът е мек и оставя следи върху хартията, докато диамантът може да надраска почти всеки друг естествен материал.

Това явление се нарича алотропия – способността на един химичен елемент да съществува в различни структурни форми. Освен диаманта и графита въглеродът може да образува и други структури, сред които графен и фулерени.

Подробно обяснение на разликите между двете вещества предлага и Scientific American.

Така един от най-удивителните уроци на химията се оказва сравнително прост: не само видът на атомите, но и начинът, по който те са свързани, определя свойствата на материята.

Други учени доказват, че диамантът е чист въглерод

Макар експериментите на Лавоазие да дават важни сведения за природата на диамантите, окончателното изясняване на техния химичен състав изисква допълнителни изследвания.

През 1797 г. английският химик Смитсън Тенант провежда серия опити, при които изгаря диаманти и измерва количеството на образувалия се въглероден диоксид.

Той установява, че при изгарянето на еднакви маси диамант и въглероден материал се получава практически еднакво количество от този газ. Резултатите му потвърждават, че диамантът се състои от въглерод, различаващ се от обичайните му форми по своята кристална структура.

По-късно, през 1814 г., Хъмфри Дейви също провежда експерименти с изгаряне на диаманти в кислород и допринася за окончателното утвърждаване на този извод.

Така постепенно отпада представата, че скъпоценният камък е някакво неповторимо вещество, напълно различно от останалите материали.

Както отбелязва Американското химическо дружество в исторически материал за диамантите, тези открития впоследствие насърчават учените да потърсят начин да превърнат обикновен въглерод в скъпоценни кристали.

Експериментите, които променят химията

Каква е практическата стойност на всичко това?

Опитите с диаманти са част от по-широката работа на Лавоазие, която променя из основи разбирането за химичните реакции. Неговият подход се основава на внимателни измервания, претегляне на веществата и проследяване на продуктите, които се получават при взаимодействието им.

Особено важно място в тази работа заема законът за запазване на масата.

Според него при химичните реакции общата маса на веществата се запазва, когато се отчита цялата система. Материята не се появява от нищото и не изчезва безследно. Вместо това веществата взаимодействат помежду си и образуват нови съединения.

В случая с диаманта въглеродът се свързва с кислорода и се превръща във въглероден диоксид. Затова масата на получения газ е по-голяма от масата на първоначалния диамант: част от нея идва от кислорода, участвал в реакцията.

През 1789 г. Лавоазие публикува своя знаменит „Елементарен трактат по химия“, в който представя нов подход към веществата, химичните елементи и реакциите между тях. Трудът поставя основите на съвременната химична терминология и утвърждава количествените измервания като неизменна част от научното изследване.

Повече за тази научна революция може да се прочете в историческия обзор на Американското химическо дружество, посветен на Лавоазие.

А всичко започва с въпроси, които днес може да ни изглеждат почти наивни: защо веществата горят, какво се случва с тях при нагряване и възможно ли е един диамант просто да изчезне в пламъците?

Оказва се, че понякога, за да разбереш от какво е изградено нещо, трябва първо да го унищожиш.

Източници: American Chemical Society, Gemological Institute of America, IFLScience.

Превод и редакция: Владимир Тодоров