Открытие фотосинтеза, кислорода. Изобретение газированной воды и ластика. Джозеф Пристли .
учебно-методический материал по физике

Открытие фотосинтеза, кислорода. Изобретение газированной воды и ластика. Джозеф Пристли .

г. Москва, Восточный округ.АНО ОО "Русская Международная Школа" .                                 (Ловцова Анжелика Фёдоровна-учитель физики и астрономии).

17 августа 1771 года английский учёный Дж. Пристли открыл фотосинтез, обнаружив, что воздух, испорченный горением или дыханием, становится вновь пригодным для дыхания под действием зеленых частей растений.

1 августа 1774 г.-Открытие кислорода (O2).

История открытия и изучения фотосинтеза.

Фотосинтез — один из важнейших биологических процессов, протекающих в природе, ведь именно благодаря ему происходит образование органических веществ из углекислого газа и воды под действием света, а главное — выделяется кислород.

История изучения фотосинтеза началась в 1600 г., когда бельгийский ученый Ян Ван Гельмонт провел несложный эксперимент — поместил веточку ивы (предварительно измерив ее вес) в мешок с 80 кг земли и на протяжении пяти лет поливал дождевой водой. За это время вес ивы увеличился на 65 кг, при том что масса земли уменьшилась всего на 50 г. Откуда взялась столь внушительная прибавка в весе, для ученого осталось загадкой.

Следующий шаг к открытию фотосинтеза был сделан Джозефом Пристли в 1771 г. Он поместил мышь под колпак и через пять дней увидел, что та умерла. Тогда он посадил под колпак еще одну мышь, но рядом с ней положил веточку мяты — и в итоге мышь осталась живой. Это навело ученого на мысль, что существует некий процесс, противоположный дыханию, и что зеленые растения способны очищать и восстанавливать воздух, «испорченный» животными. Через несколько лет после этого открытия Пристли опытным путем узнал о существовании кислорода и понял — первая мышь умерла от его отсутствия, а вторая выжила благодаря веточке мяты, которая выделяла этот важный элемент.

В 1782 г. швейцарский ученый Ж. Сенебье доказал, что углекислый газ (СО2) под воздействием света разлагается в зеленых органоидах растений — хлоропластах. А пять лет спустя французский ученый Ж. Буссенго обнаружил, что растения поглощают воду не только при разложении, но и при синтезе органических веществ.

Тем не менее исследователи второй половины XIX — начала ХХ в. рассматривали фотосинтез как одноактный процесс разложения углекислого газа посредством хлорофилла — сложного органического соединения, которое придает листьям зеленую окраску и поглощает солнечный свет. В 1864 г. немецкому ботанику Ю. Саксу удалось рассчитать пропорцию потребляемого углекислого газа и выделяемого кислорода — 1:1. Таким образом, была выведена общая формула этого процесса: вода + углекислый газ + свет → углеводы + кислород (6СО2 + 6Н2О → С6Н12О6 + 6О2).

В 1871 г. К. Тимирязев высказал идею о том, что в ходе фотосинтеза хлорофилл подвергается обратимым окислительно-восстановительным превращениям. В 1905 г. английский физиолог растений Фредерик Блэкман установил основные этапы фотосинтеза, показав, что процесс начинается при слабом освещении и с увеличением светового потока скорость реакций возрастает, однако на определенном этапе дальнейшее усиление освещения уже не приводит к повышению активности фотосинтеза; что повышение температуры при слабом освещении не влияет на скорость фотосинтеза, но при одновременном повышении температуры и усилении освещения скорость процесса растет гораздо заметнее, чем при одном лишь усилении освещения. На основании этих экспериментов Блэкман заключил, что происходят два процесса: первый зависит от уровня освещения, а не от температуры, тогда как второй определяется температурой независимо от яркости света. Позже два процесса получили название «световой» и «темновой» фаз, что не вполне корректно: хотя реакции «темновой» фазы идут и при отсутствии света, но для них необходимы продукты «световой» фазы.

В 1930-х появились высказывания о том, что поглощаемая хлорофиллом энергия света должна быть направлена не на разложение СО2, а на разрыв одной связи ОН в молекуле -воды. Доказательства данного предположения были получены в 1941 г., и решающую роль при этом сыграли исследования с использованием изотопов кислорода (16О, 17О и 18О), соотношения между которыми в воде, атмосфере и углекислом газе неодинаковы.

В 1945 г. А. Виноградова и Р. В. Тейс обнаружили совпадение изотопного состава кислорода природной воды и синтезированной из водорода и кислорода, выделяемого зеленым листом на свету (фотосинтетического). С. Рубен и М. Камен применили в исследованиях иной принцип. Сначала они дали водорослям воду, обогащенную 18О, ― и растения выделили кислород с очень высокой концентрацией этого изотопа. Затем ученые «подкормили» водоросли углекислым газом, также обогащенным 18О, ― однако на выделенном кислороде это не сказалось. Тогда-то и стало ясно, что основная масса кислорода, выделяемого при фотосинтезе, принадлежит воде, то есть место имеет не разложение СО2, а распад молекулы воды, вызываемый энергией света.

Собственно, расщепление воды происходит в первой, «световой» фазе фотосинтеза. Еще в 1930-х это показал К. Б. ван Ниль в ходе изучения пурпурной серобактерии, которой для фотосинтеза нужен сероводород (H2S). Как оказалось, в качестве побочного продукта жизнедеятельности бактерия выделяет атомарную серу, а уравнение ее фотосинтеза выглядит так: СО2 + Н2S + свет → углевод + 2S.

Поскольку у серобактерий, в чьем метаболизме роль кислорода играет сера, фотосинтез возвращает эту серу, ван Ниль предположил, что в любом фотосинтезе источником кислорода является не углекислый газ, а вода. Последующие исследования подтвердили: первой стадией процесса является расщепление молекулы воды. Само улавливание энергии состоит из двух этапов и осуществляется в раздельных кластерах молекул — фотосистеме I и фотосистеме II. Номера кластеров отражают порядок, в котором эти процессы были открыты, однако реакции происходят сначала в фотосистеме II и лишь затем — в фотосистеме I.

Итак, процесс запускается в фотосистеме II, когда излучаемые солнцем фотоны попадают в молекулы хлорофилла, содержащиеся в мембранах клеточных органелл хлоропластов. Фотон сталкивается с 250—400 молекулами фотосистемы II, и энергия, резко возрастая, передается молекуле хлорофилла. В результате молекула хлорофилла теряет два электрона (которые принимает другая молекула — акцептор электронов), а молекула воды распадается, и электроны ее атомов водорода возмещают электроны, потерянные хлорофиллом.

После этого выстроенные цепочкой молекулы-переносчики быстро перебрасывают электроны на более высокий уровень, и часть выделенной энергии идет на образование аденозинтрифосфата (АТФ) — одного из основных аккумуляторов энергии в клетке. Тем временем молекула хлорофилла фотосистемы I поглощает фотон и отдает электрон другой молекуле-акцептору, а на место утерянной заряженной частицы встает электрон, прибывший по цепи переносчиков из фотосистемы II. Энергия электрона фотосистемы I и ионы водорода, образовавшиеся при расщеплении воды, идут на образование НАДФ-Н — еще одного источника энергии.

После того как солнечная энергия поглощена и запасена, наступает черед образования глюкозы. Основной механизм синтеза сахаров в растениях был открыт Мелвином Калвином, который в 1940-х вырастил водоросль в присутствии углекислого газа, содержащего радиоактивный углерод-14. Прерывая фотосинтез на разных стадиях, ученый установил химические реакции «темновой» фазы и открыл так называемый цикл Калвина — процесс превращения солнечной энергии в глюкозу.Сначала молекулы углекислого газа соединяются с «помощником» — пятиуглеродным сахаром рибулозодифосфатом (РДФ). Затем за счет энергии солнечного света, запасенной в АТФ и НАДФ-H, происходит шестиуровневая цепочка реакций связывания углерода с образованием глюкозы, выделением кислорода и воссозданием РДФ.

Очевидно, что обеспечение кислородом земной атмосферы — далеко не единственная цель фотосинтеза. Этот биологический процесс необходим не только людям и животным, но и самим растениям, основу жизнедеятельности которых составляют органические вещества, образующиеся в ходе фотосинтеза.

Великое открытие кислорода и совсем немного о приоритете на право его открытия.

«1 августа 1774 года я попытался извлечь воздух из ртутной окалины и нашел, что воздух легко может быть изгнан из нее посредством линзы. Этот воздух не поглощался водой. Каково же было мое изумление, когда я обнаружил, что свеча горит в этом воздухе необычайно ярким пламенем. Тщетно пытался я найти объяснение этому явлению.»

                                                                                                  Джозеф Пристли

То, что кислород невидим, безвкусен, лишен запаха, газообразен при обычных условиях, надолго задержало его открытие.

Многие ученые прошлого догадывались, что существует вещество со свойствами, которые, как мы теперь знаем, присущи кислороду.

Изобретатель подводной лодки К. Дреббель еще в начале XVII в. выделил кислород, выяснил роль этого газа для дыхания и использовал его в своей подводной лодке. Но работы Дреббеля практически не повлияли на развитие химии. Его изобретение носило военный характер, и все, что было так или иначе связано с ним, постарались своевременно засекретить.

Кислород открыли почти одновременно два выдающихся химика второй половины XVIII в. - швед Карл Вильгельм Шееле и англичанин Джозеф Пристли. Шееле получил кислород раньше, но его трактат "О воздухе и огне", содержавший информацию о кислороде, был опубликован позже, чем сообщение об открытии Пристли.

И все-таки главная фигура в истории открытия кислорода - не Шееле и не Пристли. Они открыли новый газ - и только. Открыли кислород - и до конца дней своих остались ревностными защитниками теории флогистона! Теории - некогда полезной, но к концу XVIII в. ставшей уже "кандалами на ногах науки".

Позже Фридрих Энгельс напишет об этом: "Оба они так и не узнали, что оказалось у них в руках. Элемент, которому суждено было революционизировать химию, пропадал в их руках бесследно... Собственно открывшим кислород, поэтому остается Лавуазье, а не те двое, которые только описали кислород, даже не догадываясь, что они описывают".

Великий французский химик Антуан Лоран Лавуазье (тогда еще очень молодой) узнал о кислороде от самого Пристли. Спустя два месяца после открытия "дефлогистонированного воздуха" Пристли приехал в Париж и подробно рассказал о том, как было сделано это открытие и из каких веществ (ртутная и свинцовая окалины) новый "воздух" выделяется.

До встречи с Пристли Лавуазье не знал, что в горении и дыхании принимает участие только часть воздуха. Теперь он по-новому поставил начатые двумя годами раньше исследования горения. Для них характерен скрупулезный количественный подход: все, что можно, взвешивалось или как-либо иначе измерялось.

Лавуазье наблюдал образование красных чешуек "ртутной окалины" и уменьшение объема воздуха при нагревании ртути в запаянной реторте. В другой реторте, применив высокотемпературный нагрев, он разложил полученные в предыдущем опыте 2,7 г "ртутной окалины" и получил 2,5 г ртути и 8 кубических дюймов того самого газа, о котором рассказывал Пристли. В первом опыте, в котором часть ртути была превращена в окалину, было "потеряно" как раз 8 кубических дюймов воздуха, а остаток его стал "азотом" - не жизненным, не поддерживающим ни дыхания, ни горения. Газ, выделенный при разложении окалины, проявлял противоположные свойства, и потому Лавуазье вначале назвал его "жизненным газом". Лавуазье выяснил сущность горения. И надобность в флогистоне - "огненной материи", якобы выделяющейся при сгорании любых горючих, отпала.

Кислородная теория горения пришла на смену теории флогистона. За два века, прошедших со времени открытия, теория Лавуазье не только не была опровергнута, но еще более укрепилась.

Это не значит, конечно, что об элементе N 8 современной науке известно абсолютно все.

Крупнейшим вкладом Пристли в химию газов было открытие им кислорода (независимо от шведского химика Карла Вильгельма Шееле (1742-1786), аптекаря по профессии, но химика-экспериментатора по призванию).

  1 августа 1774 г. Джозеф Пристли наблюдал выделение «нового воздуха» при нагревании с помощью двояковыпуклой линзы без доступа воздуха ртутной окалины, находящейся под стеклянным колпаком. Это твёрдое вещество было известно ещё алхимикам под названием «меркуриус кальцинатус пер се», или жжёная ртуть. На современном химическом языке это вещество называется оксидом ртути, а уравнение его разложения при нагревании выглядит следующим образом:

2 HgO  =          2 Hg     +          O2

оксид ртути    нагревание      ртуть              кислород

  Получаемый при нагревании оксида ртути неизвестный ему газ он выводил через трубку в сосуд, заполненный не водой, а ртутью, так как Пристли уже ранее убедился в том, что вода слишком хорошо растворяет газы. В собранный газ Пристли из любопытства внёс тлеющую свечу, и она вспыхнула необыкновенно ярко.

  Вы можете теперь представить, как трудно было изучать химию во времена, когда химические формулы ещё не были изобретены. То, что мы только что записали коротким химическим уравнением, Пристли описал в 1774 г. следующим образом: «Я поместил под перевернутой банкой, погруженной в ртуть, немного порошка «меркуриус кальцинатус пер се». Затем я взял небольшое зажигательное стекло и направил лучи Солнца прямо внутрь банки на порошок. Из порошка стал выделяться воздух, который вытеснил ртуть из банки. Я принялся изучать этот воздух. И меня удивило, даже взволновало до глубины моей души, что в этом воздухе свеча горит лучше и светлее, чем в обычной атмосфере».

  Разумеется, такое описание реакции выглядит весьма поэтично по сравнению с обычным химическим уравнением, но, к сожалению, суть произошедшей химической реакции не отражает.

  Сам Пристли, будучи сторонником теории флогистона, так и не смог объяснить суть процесса горения; он защищал свои представления даже после того, как Антуан Лавуазье (Lavoisier, Antoine Laurent, 1743-1794) обнародовал новую теорию горения.

  До сих пор идут жаркие споры - кого надо считать первооткрывателем кислорода: Джозефа Пристли? Карла Вильгельма Шееле? Антуана Лавуазье?… Об истории открытия кислорода и приоритете на право его открытия можно почитать в очерке «Кто же открыл кислород?»

  Прекрасный ученый-экспериментатор, Пристли сам недооценивал и даже не вполне понимал некоторые сделанные им величайшие открытия. И в годы своей высшей славы Пристли считал, что открытый им кислород есть «дефлогистированный воздух», тогда как азот - «флогистированный воздух». Он держался этой концепции и на склоне жизни, горячо отстаивая ее в немногих печатных памфлетах времён своего изгнания в Америку.

  Но в своих работах Джозеф Пристли был пионером и подлинным образцом объективного экспериментатора. Его работы по открытию газов поистине являются классическими. И если сам он их до конца не понял и не развил, то ещё при жизни Пристли другие люди на этой основе развернули во всю ширь то, что стало подлинным фундаментом современной химической науки.

  Однако научные достижения Джозеф Пристли были замечены и оценены. В 1767 г. он был избран членом Лондонского королевского общества; в 1772 г. членом Парижской Академии наук; 11 сентября 1780 г. почетным членом Санкт-Петербургской Академии наук.

Изобретение газированной воды и ластика.

  В наше время уже мало кто знает, что появлением столь популярных газированных напитков человечество обязано Джозефу Пристли. Сама по себе идея производства газированных безалкогольных напитков возникла давно. Своим происхождением она обязана обычной минеральной воде. Все было очень просто - газированная вода из источников всегда вызывала восторг: её было интересно пить, она щекотала нос, а купание в ней было верхом блаженства. Кроме того, минеральная вода оказалась полезной для здоровья.

  Открытие способа газирования воды было сделано очень просто. В одной из пивоварен г.Лидса Пристли водрузил два контейнера с водой над варящимся пивом. Через некоторое время вода зарядилась пивным углекислым газом. Первая бутылка питьевой газированной воды была изготовлена им 1767 г. Тремя годами позже шведский химик Торберн Бергман изобрел прибор, с помощью которого можно было производить газировку в достаточно больших количествах. Якоб Швепп разработал в 1783 г. промышленный метод изготовления газированной воды. Собственно говоря, с этого всё и началось-поехало… В середине 1800-х годов к шипучей воде стали добавлять сахар, фруктовые соки и вкусовые добавки. Потом появились компании, специализирующиеся на выпуске и продаже газированных напитков. Опыты английского провинциального священника и его последователей привели в итоге к тому, что сейчас только в США за год продается газированной воды на сумму около 50 миллиардов долларов. Сам Пристли и не помышлял о таком потенциальном коммерческом успехе своего открытия. Он наивно полагал, что газированная вода может стать прекрасным средством для лечения цинги, основываясь на ложных представлениях, что процессы гниения связаны с потерей «фиксированного воздуха», т.е. углекислого газа. В связи с этим он даже прочитал в 1772 г. в Королевском научном обществе доклад о свойствах газированной воды, подготовив для «презентации» партию «Пирмонтской воды» (содовая газировка по его собственному рецепту). В этом же году была опубликована его книга Изготовление карбонированной воды (On Making Carbonated Water), с которой собственно и началось распространение газированной воды по всему свету. За эту работу Пристли был удостоен медали Лондонского Королевского общества.

Используемые источники.

https://obzor.lt/news/n89446.html?ysclid=llef844a4i199167174https://en.wikipedia.org/wiki/Joseph_Priestleyhttps://ru.wikipedia.org/wiki/Пристли,_Джозеф
http://www.physchem.chimfak.sfedu.ru/Source/History/P..
https://commons.wikimedia.org/wiki/Commons:Copyright_..
https://www.critical.ru/calendar/Priestley.htm
https://elementy.ru/nauchno-populyarnaya_biblioteka/4..