Человек давно связал свою судьбу с огнём. Настолько тесно, что с точки зрения взаимоотношений человека и огня можно посмотреть даже на всю историю земной цивилизации. Огонь - это тепло в жилище. Это переход со звериного на человеческий способ питания. Это замена дубины и камня орудиями труда из металла…
Роль огня становилась всё значительнее и всё разнообразнее, а сам он долгое время оставался таинственным и непознанным. До поры до времени это не очень беспокоило, хотя, конечно, о его природе задумывались всегда.
Рост промышленности и металлургического производства, особенно заметный, как уже отмечалось, с XVI–XVII вв., понуждал заняться этим вплотную. Надо было понять, почему, к примеру, так много теряется металла на окалину; почему вес его увеличивается при нагревании. И вообще, что такое горение?
История открытия химических элементов и создания научной теории горения богата фактами, подтверждающими одну парадоксальную мысль, высказанную современным учёным Джоном Берналом: сделать открытие проще, чем понять, что оно сделано.
Вот кислород. Этот элемент вполне мог появиться уже в VIII в. Сведения о нём - косвенные, разумеется, - есть в трактате китайского алхимика Мао Хао. Китайцы знали «деятельное начало», входящее в состав воздуха, и называли его «йын». В XV в. следы кислорода можно обнаружить в трудах Леонардо да Винчи. Потом они снова теряются - до XVII в., когда голландец Дребелль изобретает подводную лодку и очень скоро убеждается, что обычного воздуха для дыхания в ней хватает ненадолго. И он использует селитру, чтобы её кислородом обогатить воздух в подводной лодке. Но этот факт остался незамеченным.
Или возьмём хлор. Трудно поверить, чтобы алхимики с ним ни разу не сталкивались, прокаливая поваренную соль с медным купоросом и квасцами. Алхимикам было не до него. Золото - вот что их интересовало. Да и как поймать и исследовать то, что поймать невозможно: формы оно не имеет и обладает «летучестью»? Первым, кто обратил внимание на эти «летучие» вещества, был знакомый нам Ван-Гельмонт, давший «летучим веществам» название - газы. Однако Ван-Гельмонт тут же предупреждает: газы «нельзя собрать ни в какой сосуд и нельзя сделать видимым телом».
Вряд ли был на свете такой алхимик, который не знал бы, что для горения нужен обычный воздух и что обжиг металла (тогда это называлось кальцинацией) сродни сгоранию дров в камине. Но за разъяснением этих явлений в силу традиции обращались к аристотелевым первоэлементам и к своим алхимическим принципам. Горение представлялось распадом вещества с выделением воздуха. Стало быть, кальцинация - это тоже распад металла.
В XVII в. эта точка зрения стала подвергаться сомнению. В 1673 г. Р.Бойль опубликовал работу «Новые эксперименты о том, как сделать огонь и пламя стойкими и весомыми». В ней он приходит к выводу, что увеличение веса металлов при прокаливании происходит в результате прилипания к нему «огненной материи», которую выделяет горящий уголь.
Чуть раньше, в 1665 г., соотечественник Бойля - Роберт Гук, начинавший у него ассистентом свою научную карьеру, в сочинении «Микрография» предложил, не называя кислорода, иную теорию горения. В воздухе, по мнению Гука, находится вещество, которое в связанном состоянии содержится в селитре (вспомним Дребелля!). Это вещество при высокой температуре растворяет горючие материалы и получается огонь.
И совсем уже незадолго до выхода книги Бойля ещё один его соотечественник, Джон Майов, выпустил на латинском языке трактат «О селитре и воздушном спирте селитры», в котором растворитель Гука был назван «воздушным спиртом». Горение, считал Майов, - это соединение «серных частиц» (дань алхимическому началу сере) с «воздушными огненными частицами»; они-то и увеличивают вес металла при кальцинации. Свою точку зрения Майов доказал опытами, которые стали хрестоматийными. Он погружал в воду стеклянный колокол и зажигал под ним серу, «воздушные огненные частицы» выгорали, общий объем воздуха под колоколом становился меньше, вода поднималась, а горение прекращалось. Если под колокол поместить мышь, горение прекратится еще раньше. Вывод: «воздушные частицы» одинаково нужны и для горения, и для дыхания.
Майов был не только химик, но и врач. И как врач высказал мысли, поразительные для того времени. «Воздушный спирт», считал он, поглощается лёгкими и кровью человека, при этом выделяется тепло, а кровь меняет цвет: тёмная венозная становится ярко-красной артериальной.
И всё-таки первая общая теория горения возникла на основе старых представлений о горении как о процессе, в котором происходит распад, а не соединение веществ. Её творцом был немецкий врач и химик Георг Эрнст Шталь (1660–1734), профессор Йенского университета. В разработке теории он опирался на учение своего предшественника И.И.Бехера о трёх землях и воде - «составных частях всех смешанных тел». Связь этого учения с алхимическими (натрохимическими) воззрениями несомненна. Есть, однако, и существенное отличие. Земля и вода Бехера - материальны, в то время как алхимики, следуя за Аристотелем, обозначали подобными понятиями абстрагированные стихии-качества. Первая земля, по Бехеру, сообщает смешанным телам «телесность, субстанцию и сущность»; вторая придаёт им «консистенцию, цвет, вкус», а третья - «форму, проницаемость, запах, блеск, свечение и т. д.».
Шталь, придерживаясь бехеровской классификации составных частей смешанных тел, вторую землю назвал флогистоном (от греческого флогистос - огонь, воспламеняющийся). Флогистон, по Шталю, - «горючая субстанция, или способное производить огонь начало, - не только нечто действительное, но и нечто телесное». Когда вещество горит, горючая субстанция «улетучивается», оставляя после себя дефлогистированную массу, а пламя - вихреобразное движение этой субстанции в воздухе.
Флогистонная теория сыграла двоякую роль. С одной стороны, она сблизила и объединила окончательно типичные процессы горения с явлениями, наблюдавшимися при обжиге и кальцинировании (окислении) металлов. А с другой, она же стимулировала поиск подлинно научных объяснений этих явлений.
И раньше не раз бывало, что исходные неверные, ненаучные воззрения приводили к открытиям естественнонаучного характера. Флогистон наиболее разительный в этом смысле пример. Химия, по оценке Ф.Энгельса, «…освободилась от алхимии посредством флогистонной теории». Стремясь поймать эту неуловимую «телесную субстанцию» и тем самым доказать справедливость теории, её сторонники успешно рыли ей могилу. На это ушёл почти весь XVIII в.
Трудности у теории начались сразу же. Как же так: если флогистон - это улетучивающаяся «телесная субстанция», то почему вес металла при обжиге не уменьшается, а увеличивается? Флогистон не имеет веса, отвечали сторонники теории. «Телесная субстанция» не имеет веса? - удивились скептики. У неё «отрицательный» вес - нашёлся ученик Шталя Иоганн Юнкер. Хотя никто никогда не видел материальных веществ с отрицательным весом, тем не менее флогистонную теорию признали многие крупные учёные. Более того, изобретались наглядные представления об отрицательном весе флогистона. Француз Гитон де Морво писал: «Приведём в равновесие на весах под водой два свинцовых шара приблизительно одного веса; затем к одной чашке весов подвесим кусок пробки… тогда эта чашка со свинцовым шаром поднимется вверх… несмотря на то, что вес её, очевидно, увеличился. Подобное же происходит при горении, только здесь взвешивание происходит в воздухе…»
Российский академик Михайло Ломоносов в 1756 г. обжигал металлы в запаянной колбе, сравнивал её вес до обжига и после него, и эти опыты убедили его в том, что «славного Роберта Бойля мнение ложно…», потому что вес колбы не изменялся. Он менялся только при обжиге на открытом воздухе. Стало быть, никакой «огненной материи», прилипающей к металлу, нет. А ещё раньше, в 1744 г., в диссертации «Размышления о причине теплоты и холода» Ломоносов высмеял «огненную материю», которая то входит в поры тел, «как бы привлекаемая каким-то приворотным зельем», то бурно покидает их, «как бы объятая ужасом».
Теплоту Ломоносов понимал как движение материальных частиц и впервые отчётливо показал, из чего состоят окружающие нас тела. По его мнению, тела состоят из «первичных корпускул», которые в свою очередь «есть собрание элементов…» А «элемент есть часть тела, не состоящая из каких-либо других меньших и отличающихся от него тел».
Относительно флогистона Ломоносов придерживался мнения, что он существует и представляет собой «горючий воздух», «горючий пар», выделяющийся «при растворении какого-либо неблагородного металла, особенно железа, в кислотных спиртах…» Мы знаем теперь, что «горючий пар», выделяющийся при этих реакциях, - это водород.
Судьбу флогистонной теории решили многочисленные экспериментальные данные, накопленные к концу XVIII в. Окончательный приговор ей вынес француз Антуан Лоран Лавуазье (1743–1794).
Правда, дело обстоит гораздо сложнее, чем кажется на первый взгляд. Существует мнение, что Лавуазье ничего сам не сделал, а лишь присвоил себе чужие открытия, прежде всего шведа Шееле и англичанина Пристли, открывших кислород. Как в этом разобраться?
Карл Вильгельм Шееле (1742–1786) даже среди сторонников Шталя выделялся своей ортодоксальностью, но он был прирождённый экспериментатор. За свою короткую жизнь на простейшем оборудовании, преодолевая отчаянную нужду и болезнь, успел сделать невероятно много. Открыл хлор и марганец, занимался исследованиями сероводорода, фосфора, синтезировал винную, лимонную, щавелевую и другие кислоты, глицерин и эфиры…
В 1768 г. он приступил к исследованиям, которые привели к открытию газа, поддерживающего горение («огненного воздуха»), но опубликовал свои результаты лишь через семь лет в «Химическом трактате о воздухе и огне». А ещё через два года издал книгу. И Пристли, и Лавуазье к этому времени уже опубликовали результаты своих исследований.
Джозеф Пристли (1733–1804) - священник, что не мешало ему быть материалистом и радикалом - он бурно приветствовал Великую французскую революцию. Химиком был по призванию - никакого специального химического образования не имел. Тем не менее именно ему удалось усовершенствовать пневматическую ванну Гейлса, что позволило собирать и анализировать вещества, до этого считавшиеся неуловимыми, т. е. газы. 1 августа 1774 г., нагревая красную окись ртути с помощью линзы, он получил газ, который напоминал обычный воздух: в нём хорошо горела свеча - даже ещё ярче, а тлеющая лучина вспыхивала. Пристли был, как и Шееле, предан флогистону, поэтому открытый газ назвал «дефлогистированным воздухом». Он и умер с мыслью опровергнуть «новую химию» Лавуазье и защитить «превосходную теорию флогистона».
Первые выступления Лавуазье против флогистона (впрочем, без конкретного его упоминания) относятся к 1772 г., когда он представил Французской академии описание опытов по сжиганию фосфора и серы. Вывод тогда он предлагал такой: при горении воздух вступает в соединение с горящим материалом. Через два года горением он стал заниматься ещё более интенсивно и пришёл к твёрдому убеждению, что «первоэлемент» воздух - не простое тело, а смесь газов. Одна часть этих газов нужна для горения, другая - нет. В 1783 г. Лавуазье счёл, видимо, себя вполне подготовленным, чтобы открыто выступить против флогистона. Он издаёт мемуар: «Размышления о флогистоне, являющиеся продолжением теории горения и кальцинации, опубликованной в 1777 году». «Настало время, - решительно говорит Лавуазье, - когда я должен объясниться более чётко и формально по поводу мнения, которое я считаю пагубным заблуждением в химии, задержавшим, как я полагаю, значительным образом прогресс, вводя дурную манеру философствования».
Флогистон Шталя - воображаемое вещество, твёрдо заявляет Лавуазье. Все явления горения проще и яснее объясняются без него, чем с ним.
Ф.Энгельс назвал кислород элементом, «…которому суждено было ниспровергнуть все флогистонные воззрения и революционизировать химию…» И главную роль в этой революции Энгельс отвёл Лавуазье, который открыл, что «…новая разновидность воздуха была вполне новым химическим элементом, что при горении не таинственный флогистон выделяется из горящего тела, а этот новый элемент соединяется с телом, и таким образом, он впервые поставил на ноги всю химию, которая в своей флогистонной форме стояла на голове. И если даже Лавуазье и не дал описания кислорода, как он утверждает впоследствии, одновременно с другими и независимо от них, то всё же по существу дела открыл кислород он, а не те двое, которые только описали его, даже не догадываясь о том, что именно они описывали».
Первым на сторону Лавуазье стал его соотечественник Клод Бертолле, затем Антуан Фуркруа и Гитон де Морво. Спустя некоторое время энергичным сторонником «новой химии» оказался англичанин Джозеф Блэк. Подавляющее же большинство химиков продолжало стоять на флогистонных позициях.
В 1786–1787 гг. Лавуазье совместно с обращёнными в свою веру Фуркруа и Гитоном де Морво разработал «Химическую номенклатуру». Старые воззрения тяжким грузом ещё висели на ногах новой химии: в «Химической номенклатуре» Лавуазье и его коллег наряду с действительно «простыми телами» (элементами) можно найти и «невесомые флюиды» - свет и теплоту…
Введение
Представления древнегреческих натурфилософов оставались основными идейными истоками естествознания вплоть до XVIII в. До начала эпохи Возрождения в науке господствовали представления Аристотеля. В дальнейшем стало расти влияние атомистических взглядов, впервые высказанных Евклидом и Демокритом. Алхимические работы опирались преимущественно на натурфилософские взгляды Платона и Аристотеля. Большинство экспериментаторов того периода были откровенными шарлатанами, которые пытались с помощью примитивных химических реакций получить или золото, или философский камень - вещество, дающее бессмертие. Однако были и настоящие ученые, которые пытались систематизировать знания. Среди них Авиценна, Парацельс, Роджер Бэкон др. Некоторые химики считают, что алхимия - это зря потерянное время. Однако это не так: в процессе поиска золота было открыто множество химических соединений и изучены их свойства. Благодаря этим знаниям в конце XVII века была создана первая серьезная химическая теория - теория флогистона.
Теория флогистона и система Лавуазье
Первая теория научной химии - теория флогистона - в значительной степени основывалась на традиционных представлениях о составе веществ и об элементах как носителях определённых свойств. Тем не менее, именно она стала в XVIII веке главным условием и основной движущей силой развития учения об элементах и способствовала полному освобождению химии от алхимии. Именно во время почти столетнего существования флогистонной теории завершилось начатое Бойлем превращение алхимии в химию. Флогистонная теория горения была создана для описания процессов обжига металлов, изучение которых являлось одной из важнейших задач химии конца XVIII века. Металлургия в это время столкнулась с двумя проблемами, разрешение которых было невозможно без проведения серьёзных научных исследований - большие потери при выплавке металлов и топливный кризис, вызванный почти полным уничтожением лесов в Европе. Основой для теории флогистона послужили традиционные представления о горении как о разложении тела. Феноменологическая картина обжига металлов была хорошо известна: металл превращается в окалину, масса которой больше массы исходного металла (Бирингуччо ещё в 1540 г. показал, что вес свинца увеличивается после прокаливания); кроме того, при горении имеет место выделение газообразных продуктов неизвестной природы. Целью химической теории стало рациональное объяснение этого феномена, которое можно было бы использовать для решения конкретных технических задач. Последнему условию не отвечали ни представления Аристотеля, ни алхимические взгляды на горение.
Создателями теории флогистона считаются немецкие химики Иоганн Иоахим Бехер и Георг Эрнст Шталь . Бехер в книге "Подземная физика" (1669) изложил свои очень эклектичные взгляды на составные части тел. Таковыми, по его мнению, являются три вида земли: первая - плавкая и каменистая (terra lapidea), вторая - жирная и горючая (terra pinguis) и третья - летучая (terra fluida s. mercurialis). Горючесть тел, по мнению Бехера, обусловлена наличием в их составе второй, жирной, земли. Система Бехера очень похожа на алхимическое учение о трёх принципах, в котором горючесть обусловлена наличием серы; однако Бехер считает, что сера является сложным телом, образованным кислотой и terra pinguis. По сути, теория Бехера представляла собой одну из первых попыток предложить нечто новое взамен алхимического учения о трёх принципах. Увеличение массы металла при обжиге Бехер традиционно объяснял присоединением "огненной материи". Эти взгляды Бехера послужили предпосылкой к созданию теории флогистона, предложенной Шталем в 1703 г., хотя и имеют с ней очень мало общего. Тем не менее, сам Шталь всегда утверждал, что авторство теории принадлежит Бехеру.
Суть теории флогистона можно изложить в следующих основных положениях:
- 1. Существует материальная субстанция, содержащаяся во всех горючих телах - флогистон
- 2. Горение представляет собой разложение тела с выделением флогистона, который необратимо рассеивается в воздухе. Вихреобразные движения флогистона, выделяющегося из горящего тела, и представляют собой видимый огонь. Извлекать флогистон из воздуха способны лишь растения.
- 3. Флогистон всегда находится в сочетании с другими веществами и не может быть выделен в чистом виде; наиболее богаты флогистоном вещества, сгорающие без остатка.
- 4. Флогистон обладает отрицательной массой.
Теория Шталя, подобно всем предшествующим, также исходила из представлений, будто свойства вещества определяются наличием в них особого носителя этих свойств. Положение флогистонной теории об отрицательной массе флогистона (значительно более позднее и признававшееся не всеми сторонниками теории) было призвано объяснить тот факт, что масса окалины (или всех продуктов горения, включая газообразные) больше массы обожжённого металла.
Процесс обжига металла в рамках теории флогистона можно отобразить следующим подобием химического уравнения:
Металл = Окалина + Флогистон
Для получения металла из окалины (или из руды), согласно теории, можно использовать любое тело, богатое флогистоном (т.е. сгорающее без остатка) - древесный или каменный уголь, жир, растительное масло и т.п.:
Окалина + Тело, богатое флогистоном = Металл
Необходимо подчеркнуть, что эксперимент может только подтвердить справедливость этого предположения; это являлось хорошим аргументом в пользу теории Шталя. Флогистонная теория со временем была распространена на любые процессы горения. Тождество флогистона во всех горючих телах было обосновано Шталем экспериментально: уголь одинаково восстанавливает и серную кислоту в серу, и земли в металлы. Дыхание и ржавление железа, по мнению последователей Шталя, представляют собой тот же процесс разложения содержащих флогистон тел, но протекающий медленнее, чем горение.
Теория флогистона позволила, в частности, дать приемлемое объяснение процессам выплавки металлов из руды, состоящее в следующем. Руда, содержание флогистона в которой мало, нагревается с древесным углем, который очень богат флогистоном; флогистон при этом переходит из угля в руду, и образуются богатый флогистоном металл и бедная флогистоном зола.
Следует отметить, что в исторической литературе имеются серьёзные разногласия в оценке роли теории флогистона - от резко негативной до положительной. Однако нельзя не признать, что теория флогистона имела целый ряд несомненных достоинств:
- - она просто и адекватно описывает экспериментальные факты, касающиеся процессов горения;
- - теория внутренне непротиворечива, т.е. ни одно из следствий не находится в противоречии с основными положениями;
- - теория флогистона целиком основана на экспериментальных фактах;
- - теория флогистона обладала предсказательной способностью.
Георг Шталь считал, что флогистон содержится во всех горючих и способных к окислению веществах. Горение или окисление рассматривалось им как процесс, при котором тело теряет флогистон. Воздух играет при этом особо важную роль. Он необходим для окисления, чтобы “вбирать” в себя флогистон. Из воздуха флогистон попадает в листья растений и в их древесину, из которых при восстановлении он вновь освобождается и возвращается телу. Так впервые была сформулирована теория, описывающая процессы горения. Ее особенности и новизна состояли в том, что одновременно рассматривались во взаимосвязи процессы окисления и восстановления. Теория флогистона развивала идеи Бехера и атомистические представления. Она позволяла объяснить протекание различных процессов в ремесленной химии и, в первую очередь, в металлургии и оказала громадное влияние на развитие химических ремесел и совершенствование методов "экспериментального искусства" в химии. Теория флогистона способствовала и развитию учения об элементах. Приверженцы теории флогистона называли элементами оксиды металлов, рассматривая их как металлы, лишенные флогистона. Металлы же, напротив, считали соединениями элементов (оксидов металлов) с флогистоном. Потребовалось лишь поставить все положения этой теории “с головы на ноги”. Что и было сделано в дальнейшем. Для объяснения того, что масса оксидов больше чем масса металлов, Шталь предположил (а, вернее утверждал), что флогистон имеет отрицательный вес, т.е. флогистон соединившись с элементом “тянет” его вверх. Несмотря на одностороннюю, лишь качественную характеристику процессов, происходящих при горении, теория флогистона имела громадное значение для объяснения и систематизации именно этих превращений. На неверность флогистонной теории указывал Михаил Иванович Ломоносов. Однако экспериментально доказать это смог Антуан Лоран Лавуазье. Лавуазье заметил, что при горении фосфора и серы же, как и при прокаливании металлов, происходит увеличение веса вещества. Казалось бы естественным сделать: увеличение веса сжигаемого вещества происходит при всех процессах горения. Однако этот вывод настолько противоречил положениям теории флогистона, что нужна была недюжинная смелость, чтобы высказать его хотя бы в виде гипотезы. Лавуазье решил проверить высказанные ранее Бойлем, Реем, Мэйоу и Ломоносовым гипотезы о роли воздуха в процессах горения. Он интересовался тем, увеличивается ли количество воздуха, если в нем происходит восстановление окисленного тела и выделение благодаря этому дополнительного воздуха. Лавуазье удалось доказать, что действительно количество воздуха при этом возрастает. Это открытие Лавуазье назвал самым интересным со времени работ Шталя. Поэтому в ноябре 1772 г. Он направил в Парижскую Академию наук специальное сообщение о полученных им результатах. На следующем этапе исследований Лавуазье полагал выяснить, какова природа “воздуха”, соединяющегося с горючими телами при их окислении. Однако все попытки установить природу этого “воздуха” в 1772-1773 гг. Окончились безрезультатно. Дело в том, что Лавуазье, так же как и Шталь, восстанавливал “металлические извести” путем непосредственного контакта с “углеобразной материей” и тоже получал при этом диоксид углерода, состав которого он не мог тогда установить. Как считал Лавуазье, “уголь сыграл с ним злую шутку”. Однако Лавуазье, как и многим другим химикам, не приходила мысль, что восстановление оксидов металлов можно осуществить нагрева-нием с помощью зажигательного стекла.
Но вот осенью 1774 г. Джозеф Пристли сообщил, что при восстановлении окиси ртути с помощью зажигательного стекла образуется новый вид воздуха - “дефлогистированный воздух”. Незадолго до этого кислород был открыт Шееле, но сообщение об этом было опубликовано с большим запозданием. Шееле и Пристли объясняли наблюдаемое ими явление выделения кислорода с позиций флогистонной теории. Только Лавуазье смог использовать открытие кислорода в качестве главного аргумента против теории флогистона. Весной 1775 г. Лавуазье воспроизвел опыт Пристли. Он хотел получить кислород и проверить, был ли кислород тем компонентом воздуха, благодаря которому происходило горение или окисление металлов. Лавуазье удалось не только выделить кислород, но и вновь получить оксид ртути. Одновременно Лавуазье определял весовые отношения вступающих в эту реакцию веществ. Ученому удалось доказать, что отношения количества веществ, участвующих в реакциях окисления и восстановления, остаются неизменными.
Работы Лавуазье произвели в химии, пожалуй, такую же революцию, как два с половиной века до открытия Коперника в астрономии. Вещества, которые раньше считались элементами, как показал Лавуазье, оказались соединениями, состоящими в свою очередь из сложных “элементов”. Открытия и воззрения Лавуазье оказали громадное влияние не только на развитие химической теории, но и на всю систему химических знаний. Они так преобразовали саму основу химических знаний и языка, что следующие поколения химиков, по существу, не могли понять даже терминологию, которой пользовались до Лавуазье. На этом основании впоследствии стали считать, что о “подлинной” химии нельзя говорить до открытий Лавуазье. Преемственность химических исследований при этом была забыта. Только историки химии начали вновь воссоздавать действительно существовавшие закономерности развития химии. При этом было выяснено, что “химическая революция” Лавуазье была бы невозможна без существования до него определенного уровня химических знаний.
Развитие химических знаний Лавуазье увенчал созданием новой системы, в которую вошли важнейшие достижения химии прошлых веков. Эта система, правда, в значительно расширенном и исправленном виде, стала основой научной химии. В 80-х гг. XVIII в. Новая система Лавуазье получила признание у ведущих естествоиспытателей Франции - К. Бертолле, А. Де Фуркруа и Л. Гитона де Морво. Они поддержали новаторские идеи Лавуазье и совместно с ним разработали новую химическую номенклатуру и терминологию. В 1789 г. Лавуазье изложил основы разработанной им системы знаний в учебнике “Начальный курс химии, представленный в новом виде на основе новейших открытий”.
Лавуазье разделял элементы на металлы и неметаллы, а соединения на двойные и тройные. Двойные соединения, образуемые металлами с кислородом, он относил к основаниям, а соединения неметаллов с кислородом - к кислотам. Тройные соединения, получающиеся при взаимодействии кислот и оснований, он называл солями. Система Лавуазье основывалась на точных качественных и количественных исследованиях. Этот довольно новый вид аргументации он использовал, изучая многие спорные проблемы химии - вопросы теории горения, проблемы взаимного превращения элементов, которые были весьма актуальны в период становления научной химии.
Так, для проверки представления о возможности взаимного превращения элементов Лавуазье в течение нескольких дней нагревал воду в запаянной сосуде. В итоге он обнаружил в воде незначительное количество “земли”, установив при этом, что изменение общего веса сосуда вместе с водой не происходит. Образование “земель” Лавуазье объяснил не как результат их выделения из воды, а за счет разрушения стенок реакционного сосуда.
Для ответа на этот вопрос шведский химик аптекарь К. Шееле в то же время использовал качественные методы доказательства, установив идентичность выделяющихся “земель” и материала сосуда. Лавуазье, как и Ломоносов, учитывал существовавшие с древности наблюдения о сохранении веса веществ и систематически изучал весовые соотношения веществ, участвующих в химической реакции. Он обратил внимание на то, что, например, при горении серы или при образовании ржавчины на железе происходит увеличение веса исходных веществ. Это противоречило теории флогистона, согласно которой при горении должен был выделяться гипотетический флогистон. Лавуазье счел ошибочным объяснение, согласно которому флогистон обладал отрицательным весом, и окончательно отказался от этой идеи.
Другие химики, например М.В. Ломоносов или Дж. Мэйоу, пытались объяснить окисление элементов и образование оксидов металлов (или, как тогда говорили, “известей”) как процесс, при котором частицы воздуха соединяются с каким-либо веществом. Этот воздух может быть “оттянут обратно” путем восстановления.
В 1772 г. Лавуазье собрал этот воздух, но не смог установить его природу. Первым об открытии кислорода сообщил Пристли. В 1775 г. Ему удалось доказать, что именно кислород соединяется с металлом и вновь выделяется из него при его восстановлении, как, например, при образовании “извести” ртути и ее восстановлении. Систематическим взвешиванием было установлено, что вес металла, участвующего в этих превращениях, не изменяется.
Сегодня этот факт, казалось бы, убедительно доказывает справедливость предположений Лавуазье, а тогда большинство химиков отнеслись к нему скептически. Одной из причин такого отношения было то, что Лавуазье не мог объяснить процесс горения водорода. В 1783 г. он узнал, что, используя электрическую дугу, Кавендиш доказал образование воды при сжигании смеси водорода и кислорода в закрытом сосуде. Повторив этот опыт, Лавуазье нашел, что вес воды соответствует весу исходных веществ. Затем он провел эксперимент, в котором пропускал водяной пар через железные стружки, помещенные в сильно нагреваемую медную трубку. Кислород соединялся с железными стружками, а водород собирался на конце трубки.
Таким образом, воспользовавшись превращениями веществ, Лавуазье сумел объяснить процесс горения и качественно, и количественно, и для этого ему уже не нужна была теория флогистона. Пристли же и Шееле, которые, открыв кислород, фактически создали основные предпосылки для появления кислородной теории Лавуазье, сами твердо придерживались позиций теории флогистона.
Кавендиш, Пристли, Шееле и некоторые другие химики полагали, что расхождения между результатами опытов и положениями теории флогистона удастся устранить путем создания дополнительных гипотез. Надежность и полнота опытных данных, ясность аргументации и простота изложения способствовали быстрому распространению системы Лавуазье в Англии, Голландии, Германии, Швеции, Италии. В Германии представления Лавуазье были изложены в двух работах д-ра Гиртаннера “Новая химическая номенклатура на немецком языке” (1791 г.) и “Основы антифлогистонной химии” (1792 г.). Благодаря Гиртаннеру впервые появились немецкие обозначения веществ, соответствующие новой номенклатуре, например кислорода, водорода, азота. Работавший в Берлине Гермбштедт опубликовал в 1792 г. учебник Лавуазье в переводе на немецкий язык, а М. Клапрот после того, как он повторил опыты Лавуазье, признал, новое учение; взгляды Лавуазье разделял и знаменитый естествоиспытатель А. Гумбольдт.
В 1790-х годах в Германии не раз публиковались работы Лавуазье. Большинство известных химиков Англии, Голландии, Швеции, талии разделяли взгляды Лавуазье. Нередко в историко-научной литературе можно прочесть, что для признания теории Лавуазье химикам понадобилось достаточно много времени. Однако по сравнению с 200 годами непризнания астрономами взглядов Коперника 10-15-летний период дискуссий в химии не так уж велик.
В последней трети XVIII в. одной из важнейших была проблема, которая многие века интересовала ученых: химики хотели понять, почему и в каких соотношениях соединяются вещества друг с другом. К этой проблеме проявляли интерес еще греческие философы, а во времена Возрождения ученые выдвигали идею о сродстве веществ и даже строили ряды веществ по сродству. Парацельс писал, что ртуть образует с металлами амальгамы, причем для разных металлов с различной скоростью ив такой последовательности: быстрее всего с золотом, затем с серебром, свинцом, оловом, медью и, наконец, медленнее всего с железом. Парацельс считал, что причиной этого ряда химического сродства является не только “ненависть” и “любовь” веществ друг к другу. В соответствии с его представлениями металлы содержат серу, и, чем меньше ее содержание, тем чище металлы, а чистота веществ в значительной мере определяет их сродство друг к другу. Г. Шталь объяснял ряд осаждения металлов как результат различного содержания в них флогистона. До последней трети XVIII в. многочисленные исследования были направлены на то, чтобы расположить вещества по величине их “сродства”, и многие химики составляли соответствующие таблицы. Для объяснения различного химического сродства веществ выдвигались и атомистические представления, а после того, как в конце XVIII - начале XIX вв. Ученые стали понимать влияние электричества на протекание некоторых химических процессов, для этой же цели пытались использовать и представления об электричестве.
Основываясь на них, Берцелиус создал дуалистическую теорию состава веществ, в соответствии с, например, соли состоят из положительно и отрицательно заряженных “оснований” и “кислот”: при электролизе они притягиваются к противоположно заряженным электродам и могут распадаться при этом на элементы вследствие нейтрализации зарядов. Со второй половины XVIII в. особенно много внимания ученые стали уделять вопросу: в каких количественных соотношениях взаимодействуют друг с другом вещества в химических реакциях? Уже давно было известно, что кислоты и основания могут нейтрализовать друг друга. Предпринимались также попытки установить содержание кислот и оснований в солях. Т. Бергман и Р. Кирван нашли, что, например, в реакции двойного обмена между химически нейтральными сульфатом калия и нитратом натрия образуются новые соли - сульфат натрия и нитрат калия, которые тоже являются химически нейтральными. Но ни один из исследователей не сделал из этого наблюдения общего вывода. В 1767 г. Кавендиш обнаружил, что количество азотной и серной кислот, нейтрализующие одинаковые количества карбоната калия, нейтрализуют также одинаковое количество карбоната кальция. И.Рихтер первым сформулировал закон эквивалентов, объяснение которому было найдено позднее с позиций атомистической теории Дальтона.
Рихтер установил, что раствор, получающийся при смешивании растворов двух химически нейтральных солей, тоже нейтрален. Он провел многочисленные определения количеств оснований и кислот, которые, соединяясь, дают химически нейтральные соли. Рихтер сделал следующий вывод: если одно и то же количество какой-либо кислоты нейтрализуется различными, строго определенными количествами разных оснований, то эти количества оснований эквивалентны и нейтрализуются одним и тем же количеством другой кислоты. Выражаясь современным языком, если к раствору сульфата калия, например, добавить раствор нитрата бария до полного осаждения сульфата бария, то раствор, содержащий нитрат калия, тоже будет нейтрален:
K2SO4 + Ba(NO3)2 = 2KNO3 + BaSO4.
Следовательно, при образовании нейтральной соли эквивалентны друг другу следующие количества: 2K, 1Ba, 1SO4 и 2NO3. Полинг обобщил и сформулировал в современном виде этот закон соединительных весов”: “Весовые количества двух элементов (или их целочисленные кратные), которые, реагируют с одним и тем же количеством третьего элемента, реагируют друг с другом в тех же количествах”. Вначалеработы Рихтера почти не привлекли внимания исследователей, поскольку он пользовался еще терминологией флогистонной теории. Кроме того, полученные ученым ряды эквива-лентных весов были недостаточно наглядны, а предложенный им выбор относительных количеств оснований не имел серьезных доказательств. Положение исправил Э.Фишер, который среди эквивалентных весов Рихтер выбрал в качестве эталона эк-вивалент серной кислоты, приняв его равным 100, и составил, исходя из этого, таблицу “относительных весов” (эквивалентов) соединений. Но о таблице эквивалентов Фишера стало известно лишь благодаря Бертолле, который, критикуя Фишера, привел эти данные в своей книге “Опыт химической статики” (1803 г.). Бертолле сомневался, что состав химических соединений постоянен. Он имел на это основание. Вещества, которые в начале XIX в. считались чистыми, на самом деле были либо смесями, либо равновесными системами различных веществ, а количественный состав химических соединений во многом зависел от количеств веществ, участвующих в реакциях их образования.
Некоторые историки химии считают, что, подобно Венцелю, Бертолле также предвосхитил основные положения закона действия масс, который аналитически выражал влияние количеств взаимодействующих на скорость превращения. Немецкий химик К. Венцель в 1777 г. показал, что скорость растворения металла в кислоте, измеряемая количеством металла, растворившегося за определенное время, пропорциональна “силе” кислоты. Бертолле сделал многое для учета влияния масс реагентов на ход превращения.
Однако между работами Венцеля и даже Бертолле, с одной стороны, и точной формулировкой закона действия масс - с другой, существует качественное различие. Негативное отношение Бертолле к закону нейтрализации Рихтера не могло длиться долго, так как против положений Бертолле энергично выступил Пруст. Проделав в течение 1799-1807 гг. массу анализов, Пруст доказал, что Бертолле сделал свои выводы о различном составе одних и тех же веществ, анализируя смеси, а не индивидуальные вещества, что он, например, не учитывал содержания воды в некоторых оксидах. Пруст убедительно доказал постоянство состава чистых химических соединений и завершил свою борьбу против взглядов Бертолле установлением закона постоянства состава веществ: состав одних и тех же веществ независимо от способа получения одинаков (постоянен).
флогистон лавуазье шталь химия
Заключение
Флогистонная теория - первая истинно научная теория химии - послужила мощным стимулом для развития количественного анализа сложных тел, без которого было бы абсолютно невозможным экспериментальное подтверждение идей о химических элементах.
Следует отметить, что положение об отрицательной массе флогистона фактически сделано на основании закона сохранения массы, который был открыт значительно позднее. Это предположение само по себе способствовало дальнейшей активизации количественных исследований. Ещё одним результатом создания флогистонной теории явилось активное изучение химиками газов вообще и газообразных продуктов горения в частности.
К середине XVIII века одним из важнейших разделов химии стала т.н. пневматическая химия, основоположники которой Джозеф Блэк , Даниил Резерфорд , Генри Кавендиш , Джозеф Пристли и Карл Вильгельм Шееле явились создателями целой системы количественных методов в химии. Во второй половине XVIII века теория флогистона завоевала среди химиков практически всеобщее признание.
На основе флогистонных представлений сформировалась номенклатура веществ; предпринимались попытки связать такие свойства вещества, как цвет, прозрачность, щёлочность и т.п., с содержанием в нём флогистона.
Французский химик Пьер Жозеф Макёр , автор весьма популярного учебника "Элементы химии" и "Химического словаря", писал в 1778 г., что флогистонная теория "…наиболее ясна и наиболее согласна с химическими явлениями. Отличаясь от систем, порождённых воображением без согласия с природой и разрушаемых опытом, теория Шталя - надёжнейший путеводитель в химических исследованиях. Многочисленные опыты… не только далеки от того, чтобы её опровергнуть, но, наоборот, становятся доказательствами в её пользу". По иронии судьбы, учебник и словарь Макёра появились в то время, когда век флогистонной теории подошёл к концу.
Литература
- 1) Ахметов Н.С. Общая и неорганическая химия. - М.: Высшая школа,1988.
- 2) Дикерсон Р., Грей Г., Грей Дж. Основные законы химии: В 2-х т. / Перевод с английского и предисловие Е.Л. Розенберга.-М.: Мир, 1982.
- 3) Некрасов Б.В. Основы общей химии: Т. I. -М.: Химия, 1969.
- 4) Штрубе В. Пути развития химии: В 2-х т. / Перевод с немецкого А.Ш. Гладкой, под редакцией В.А. Крицмана. - М.: Мир, 1984.
Во второй половине XVII в. в химии возникло
новое научное течение, хотя и далеко не свободное
от предрассудков старого схоластического
направления, но во многих отношениях
своеобразное и во всяком случае весьма
замечательное для того времени. Имеется в виду
учение о флогистоне, впервые выдвинутое
И.И.Бехером (1635–1682), подробнее обоснованное и
развитое Г.Э.Шталем (1659–1734).
К тому времени, к которому относится
деятельность этих ученых, задачи химической
науки успели значительно отойти от идеала
алхимиков. Область химии, занимавшая этих ученых
и их современников, находилась несколько в
стороне от той, которая составляла предмет
исключительного интереса алхимиков. Центральное
место заняли теперь всевозможные реакции
горения и обжига тел на воздухе и свойства
продуктов, при этом получающихся.
Они заняли место процессов трансмутации, в
возможность которых благодаря длинному ряду
неудач и разочарований многие перестали верить.
Вместо «философского камня» мысль искала и
находила то общее, что придает телам горючесть.
Это нечто в более или менее смутной форме
выдвигали и алхимики, и ятрохимики под именем
серы. Но роль последней в только что упомянутых
процессах оставалась неясной.
Основными элементами минерального или
подземного царства Бехер считает воду и землю. Но
земля – более отдаленный компонент различных
тел, роль же ближайших составных частей играют
три различные земли: первая
– плавкая или
стекловидная, вторая
– жирная или горючая и третья
– жидкая. Эти земли напоминают, конечно, tria prima
ятрохимиков
и, подобно этим последним, обладают
определенными свойствами. В частности, жирная
земля, по Бехеру, являющаяся носителем горючести,
напоминает серу прежних химиков. Но в отличие от
своих предшественников и в согласии со своими
общими взглядами Бехер считает серу телом
сложным. Ее горючесть обусловлена содержанием
жирной земли, но, кроме того, в сере заключено еще
другое кислотное начало, благодаря чему она и
может служить источником получения серной
кислоты, в то время уже известной. Следует только
освободить серу от горючего начала.
В этих представлениях уже ясно видны основные
черты будущей теории флогистона, развитой во
всей своей полноте последователем Бехера –
Шталем. В противоположность туманным и
противоречивым воззрениям алхимиков и некоторой
недоговоренности, которую мы находим у Бехера,
теория Шталя отличалась замечательной для того
времени ясностью и последовательностью. Горючее
начало Бехера превратилось у Шталя в огненную
материю, или флогистон, составляющую центральную
фигуру в нарисованной им картине химических
превращений. Шталь связал типичные процессы
горения с явлениями обжига или кальцинации
металлов. Последние при этом процессе теряют не
только свои типичные металлические свойства:
блеск, ковкость и пр., но и способность к
дальнейшему изменению при действии огня.
Шталь предположил, что общее горючее начало,
находящееся в различных телах, – причина всех
этих явлений. Когда тела горят, оно выделяется и
может дать начало огню. Когда лишенные горючего
начала вещества подвергаются действию тел,
богатых этим началом, происходит обратное
явление. Так, металлические извести при
прокаливании с углем вновь приобретают все
свойства, утраченные при кальцинации.
Этому горючему началу Шталь дал название флогистон.
Мы теперь считаем, что, когда горит сера, она
соединяется с кислородом, образуя сернистый газ
SO 2 , который при известных условиях может
образовать серный ангидрид SO 3 , последний с
водой дает серную кислоту Н 2 SO 4 . Можно
обратно отнять связанный с серой кислород, хотя
бы по тому способу, о котором упоминает Шталь.
Тогда кислород от серы переходит к углю, образуя
углекислый газ СО 2 . Равным образом при
обжиге металлов последние соединяются с
кислородом, и получаются оксиды. Медь, например,
превращается в черный оксид меди СuО, ртуть – в
красный оксид ртути НgO и т. д.
С нашей точки зрения, сера имеет менее сложный
состав, чем сернистый газ или серная кислота, а
металлы менее сложны, чем их кислородные
соединения.
Для нас образование оксидов серы и оксидов
металлов обозначает усложнение вещества
(синтез), тогда как обратный процесс – разложение
оксидов – есть процесс упрощения (анализ). С
точки зрения теории Шталя дело должно обстоять
как раз наоборот.
Сера сложнее серной кислоты, и металлы сложнее
отвечающим им оксидам («известок»), т. к. содержат
кроме некоторой земли еще флогистон. Они теряют
его при горении или обжиге и вновь приобретают
при прокаливании с углем. Горение есть процесс
разложения, оно, следовательно, связано с
упрощением вещества.
Все горючие вещества содержат флогистон, но
особенно богаты им те, которые сгорают почти без
остатка. Таков уголь. Шталь даже пошел еще дальше
по пути сближения флогистона с углем, считая, что
все живые организмы, растения и животные
содержат в своем составе флогистон. При горении
последний переходит в воздух, откуда вновь
извлекается растениями.
Впоследствии, когда был открыт водород, многие
химики склонялись к тому, чтобы именно в нем
видеть наиболее полное и совершенное воплощение
идеи флогистона.
Однако Шталь вовсе не отождествлял флогистон с
каким-либо реальным веществом. Флогистон
представляется ему необыкновенно тонкой и
легкой землей, которая, однако, никогда не
существует сама по себе, а лишь в комбинации с
другими субстанциями. Огонь и флогистон также не
одно и то же.
Любопытны представления Шталя об огне и самом
процессе горения. Огонь он не считает
определенным веществом, а лишь собранием телец,
находящихся в сильнейшем вихревом движении. Но
флогистон способен приходить в состояние такого
движения и принимать форму огня лишь при наличии
известных посторонних тел и в материальной
среде, в которой он мог бы распространяться или
растворяться.
Роль такого растворителя играет воздух,
необходимость которого для поддержания горения
была хорошо известна Шталю. Причем, как и в случае
ограниченной растворимости солей в воде,
некоторое количество воздуха может воспринять
или растворить лишь определенное максимальное
количество флогистона. Вот почему свеча, погорев
некоторое время в закрытом пространстве, гаснет.
Нельзя не признать, что теория флогистона
охватила обширный круг важнейших химических
процессов, дала им удовлетворительное по тому
времени объяснение, а главное - объединила
разрозненные факты химии в одно стройное целое.
Можно сказать, что многие из числа известных
тогда химических явлений происходят
действительно так, как если бы флогистон на самом
деле существовал и обладал свойствами, которые
ему приписывались.
Нет ничего удивительного в том, что учение Шталя
быстро овладело умами и в течение целого
столетия оставалось господствующим, едва ли не
общепризнанным, превратившимся для многих почти
что в догму.
Блестящему успеху теории флогистона
содействовало и то обстоятельство, что Шталь
пришел к двум важным обобщениям. Вот в каких
выражениях говорит об этих заслугах ученого его
научный противник А.Л.Лавуазье: «Мы обязаны Шталю
двумя важными открытиями: во-первых, что металлы
являются телами горючими, что кальцинация есть
настоящее горение... Второе открытие, которым мы
также обязаны Шталю и которое является еще более
важным, заключается в том, что способность
гореть, быть воспламеняемым, может передаваться
от одного тела к другому. Если, например, смешать
горючий уголь с негорючей серной кислотой, то
последняя превращается в серу; та приобретает
способность гореть, которую в то же время теряет
уголь».
Несомненно, Шталю были известны многие факты,
которые спустя почти целое столетие привели к
крушению его теории. Ему была известна
ограниченная способность определенного объема
воздуха поддерживать горение. Он знал также, что
при обжиге металлов их вес (масса) увеличивается,
но игнорировал эти факты или давал им превратное
объяснение. Так, прибыль в весе при кальцинации
он вслед за И.Кункелем объяснял увеличением
удельного веса тела, происходящим при этом
процессе из-за улетучивания легкого флогистона.
Заметим, что еще Р.Бойлю, на опыты которого
ссылается Шталь, было известно, что на самом деле
переход металлов в «известки» сопровождается не
повышением, а понижением удельного веса.
По мере того как накапливались новые факты,
увеличивалось число возражений против теории
Шталя. Его последователям приходилось поэтому
все более и более прибегать к произвольным,
фантастическим объяснениям, даже к софизмам , дополнять первоначальную
теорию рядом добавочных, часто противоречащих
друг другу допущений. Теория мало-помалу
превращалась в запутанный клубок.
Крушение алхимии.
В древности везде и повсюду были тайны,
которые казались слишком ценными для того, чтобы
таинственный покров мог быть снят с них перед
простым народом. Говоря словами Самуэля Броуна,
«в те дни металлы были солнцами и лунами,
королями и королевами. Золото было Аполлоном,
солнцем небесного купола, серебро – Дианой,
прекрасным месяцем в его безостановочном беге,
гонимым насмешками по небесному лесу, ртуть была
Меркурием с его крылышками, гонцом богов,
воспламенившимся на вершине холма, которую
лобзает небо; железо было красным Марсом в полном
вооружении; свинец был Сатурном с тяжелыми
веками, неподвижным, как камень в заросшем лесе
материальных форм; олово было Diabolus mettallorum
–
истинный дьявол металлов и т. д. и т. п.».
«Здесь были летающие птицы, зеленые драконы и
красные львы. Были девственные источники,
королевские бани и воды жизни. Были соли мудрости
и духовные эссенции, тонкие и летучие. Были здесь
порошки любви, которые привлекали к их
счастливому обладателю все сердца, как мужчин,
так и женщин. И, наконец, здесь был алькагест,
универсальный растворитель. Здесь был великий
эликсир, доставлявший бессмертие и юность
счастливому обладателю, который был настолько
чист и храбр, что он мог лобзать и проглотить
золотое пламя, окружавшее кубок жизни. Здесь был
“философский камень” и камень мудрецов. Первый
был искусство и практика, а второй - теория и
идея превращения простых металлов в благородные.
“Философский камень” был моложе элементов, но
тем не менее достаточно было одного
прикосновения к нему, чтобы грубейшая известь,
покраснев, превратилась в чистейшее золото.
Камень мудрецов был перворожденным среди всех
вещей и старше короля металлов. Одним словом, то
была беспорядочная смесь из немногих, с трудом
добытых фактов природы и множества весьма
фантастических понятий».
Подобного рода объяснения господствовали и в
головах философов, как они любили себя называть,
вплоть до середины XVII столетия. Между тем, однако,
появился метод «допрашивать» природу, принесший
скоро свои плоды. Если эти понятия продолжали
жить и гораздо позже, то первый тяжелый удар они
все же получили именно тогда. То была первая
атака на них в борьбе, в которой им суждено было
погибнуть.
Этот удар был нанесен Бойлем. Каким духом он был
проникнут, когда бросился на вражеские ряды,
лучше всего видно из его собственных слов: «Я
привык рассматривать мнения, как монеты. Когда
мне в руки попадает монета, я обращаю гораздо
меньше внимания на имеющуюся на ней надпись, чем
на то, из какого металла она сделана. Мне
совершенно безразлично, вычеканена ли она много
лет или столетий тому назад, или она только вчера
оставила монетный двор. Столь же мало я обращаю
внимания на то, прошла ли она до меня через много
или мало рук, если я только на своем пробирном
камне убедился, настоящая ли она или фальшивая,
достойна ли она быть в обращении или нет. Если
после тщательного исследования я нахожу, что она
хороша, то тот факт, что она долгое время и
многими принималась не за настоящую, не заставит
меня отвергнуть ее. Если же я нахожу, что она
фальшивая, то ни изображение и подпись монарха,
ни возраст ее, ни число рук, через которые она
прошла, не заставит меня принять ее, и
отрицательный результат от одной пробы, которой
я сам подверг ее, будет иметь для меня гораздо
больше значения, чем все те обманчивые вещи,
которые я только что назвал, если бы они все
доказывали, что она не фальшивая».
В этом духе написана его книга «Скептик-химик,
или Рассуждение об экспериментах, которые
приводятся обыкновенно в доказательство четырех
элементов и трех химических начал в смешанных
телах». В ней автор подробно исследует различные
теории материи, происхождение которых относится
к самым отдаленным эпохам древности и которые с
тех пор подвергались в своем развитии
всевозможным побочным влияниям, так что ко
времени Бойля они составляли огромную массу.
Каждый постулат обсуждается и, если возможно,
подвергается экспериментальной проверке. Если
он правильный, то сохраняется, а если оказывается
ложным, то отвергается.
В начале книги мы находим положение, с давних пор
принимавшееся за истину: подобное притягивается
к подобному. Бойль опровергает это положение,
указывая, что две жидкости, как вода и винный
спирт, будучи сходны по своей прозрачности и
бесцветности и смешиваясь друг с другом во всех
пропорциях, все же легко могут быть отделены друг
от друга замораживанием: когда вода замерзает,
винный спирт остается жидким. Здесь мы впервые
сталкиваемся с экспериментом, который в руках
Бойля дал столь неожиданно важные результаты.
Другой его аргумент сводится к тому, что газы и
жидкости смешиваются друг с другом, но твердые
тела не имеют к этому склонности и что они даже не
пристают друг к другу, кроме тех случаев, в
которых прилипание их может быть объяснено
формой тел и соответствующим влиянием
воздушного давления.
После целого ряда таких нападений Бойль
переходит к рассмотрению общепринятой тогда
гипотезы, по которой соль, сера и ртуть
рассматривались как элементы. Он нападает на эту
гипотезу с двух сторон. Во-первых, говорит он,
если все вещества состоят из соли, серы и ртути и
если животные и растительные вещества содержат,
как это утверждается, много ртути, мало серы и
очень мало соли, то желательно показать, может ли
растение образоваться из вещества, не
содержащего ни одного из тех трех веществ, именно
из одной воды - вещества, которое иногда
называлось флегмой и относилось к элементам. Для
проверки этого он взращивал тыкву в взвешенном
количестве земли. Когда тыква стала достаточно
большой, Бойль доказал, что она состояла из воды,
которую он выделил. Далее ученый также доказал,
что земля ничего не потеряла в весе. Доказав это,
он с торжеством выступает против «вульгарных
спагиристов» (алхимиков) и оспаривает истинность
их теории. В настоящее время мы знаем, что для
того, чтобы выросла тыква, кроме элементов,
содержащихся в воде, необходимы еще другие
элементы. Тем не менее было уже гигантским шагом
вперед доказать, что для этого не нужно ни ртути,
ни соли, ни серы. Бойль рассматривал тыкву как
одно из превращений воды...
Здесь мы замечаем известный поворот во взгляде
на элементы. Это уже не принципы, не основные
начала или абстрактные качества материи, а
элементы, которые действительно существуют как
особые формы материи и соответствующими
процессами могут быть из нее извлечены. Бойль
ясно доказал, что элементы эти не всегда
обнаруживают одни и те же свойства, что не только
«философские» элементы, ртуть и сера, во всех
отношениях отличаются от веществ того же имени,
но даже один род, полученный перегонкой дерева,
совершенно отличается от другого рода,
полученного переработкой костей. Он развивал
свои доказательства далее, подвергнув
дистилляты вторичной перегонке, т. е. осуществив
то, что мы в настоящее время называем
фракционной, или дробной, перегонкой. При этом он
доказал, что каждый дистиллят делится в свою
очередь на разнообразные жидкости,
различающиеся по своим свойствам. Тут он
предвосхищает процесс, который в настоящее время
широко известен, – сухую перегонку древесины.
Бойль спрашивал: действительно ли вещества,
полученные при перегонке, содержались в том же
виде в телах, которые подвергались этой
перегонке, как утверждала теория элементов?
Он нашел, что при перегонке не всегда получаются
одни и те же вещества в одном и том же числе, и
доказал, что сами продукты не были чистыми,
элементарными веществами, а были «смесями».
Бойль говорит: «Действительно ли существует
определенное число элементов или нет, или, если
угодно, все ли сложные вещества состоят из
равного числа элементарных начал или составных
частей? Мы не можем не усомниться в этом».
Трудно переоценить значение работ Бойля в
области химии. Хотя он и первым стал утверждать,
что химия совершенно не зависит от всех ее
применений и должна рассматриваться как часть
великой области естествознания, тем не менее и
практическая польза, которую принесла
человечеству теоретическая и экспериментальная
работа Бойля, неоценима.
Только начиная с его времени могли возникнуть
объяснения методов, используемых на
мануфактурах (предприятиях), и теории,
превратившие усовершенствования и открытия из
игры случайности в плод научной работы. Весь
прогресс современной промышленности основан на
применении научных открытий, которые в свою
очередь представляют не результаты проб наугад,
а тщательные и систематические исследования.
Отсюда ясно благотворное влияние, которое
оказали научные принципы Бойля на развитие
промышленности.
Общеизвестна также работа Бойля о давлении
воздуха, в которой он доказывает, что данное
количество воздуха, находясь под давлением в два
фунта, занимает вдвое меньше пространства, чем
то, которое оно занимало бы в случае давления в
один фунт, но подробно останавливаться на этом мы
здесь не можем. Если это утверждение не абсолютно
точно, то все же оно достаточно правильно для
того, чтобы быть обобщено в закон, носящий имя
Бойля.
Бойль (1627–1691) был ирландцем, родился в графстве
Ватерфорд в знатной семье и был седьмым сыном и
четырнадцатым ребенком графа Корка.
Воспитывался он сначала дома, а с восьми лет в
школе, в Итоне, где Бойль, как он выражался, «забыл
из латыни немало, чему научился дома». Там он с
таким увлечением предался изучению более
солидных отраслей знания, что преисполнился
естественной ненавистью к изучению голых слов. В
одиннадцать лет его обучение в Итоне было
закончено, в сопровождении француза-гувернера
мальчик вместе с братом был отослан в Женеву.
Здесь он учился в течение двадцати одного месяца,
после чего отправился в Италию.
В это время дела его отца очень запутались
вследствие Ирландского восстания 1641–1652 гг.
Когда он вернулся домой, отца уже не было в живых.
Ему достались в наследство два имения, в одном из
них он и поселился. В 1654 г., в 27 лет, он переехал в
Оксфорд, чтобы примкнуть к кружку лиц,
образовавших общество, которое было названо
философской коллегией. Впоследствии оно
перебралось в Лондон и было утверждено Карлом II
под названием Королевского общества в Лондоне
(1660). Задачей его было «содействие развитию
естественных наук».
В первых томах журнала общества мы часто
встречаем имя Бойля. Так, 20 марта «господина
Бойля просят вспомнить об его опытах с воздухом»,
а 1 апреля его просят «ускорить предположенное им
изменение его воздушного насоса». 15 мая Бойль
подарил свою машину обществу, и с ней было
произведено много опытов в присутствии членов
общества. Вот такими «философскими» делами были
наполнены все дни его бедной внешними событиями
жизни.
В состав любого горючего вещества входит особая субстанция - флогистон.
Эта старая химическая теория была основана на идее о том, что есть нечто, входящее в состав любого горючего вещества и представляющее собой его горючую часть. Это нечто получило название «флогистон», что по-гречески значит «воспламеняемый». Суть идеи была такова: когда вещество горит, флогистон выделяется из него и улетучивается. Считалось, что дерево, например, это смесь золы и флогистона, и при сжигании дерева выделяется флогистон, а остается зола. Аналогичным образом полагали, что металлы - это смесь флогистона и веществ, называемых «окалинами».
Однако в этой теории была одна существенная неувязка: если образовавшаяся после горения зола обычно легче, чем изначальный кусок дерева, то окалины (или, как бы мы сказали сегодня, оксиды металлов) обычно тяжелее первоначального куска металла. Теперь мы знаем, как это объяснить: основные продукты сгорания древесины - углекислый газ и водяной пар - уходят в атмосферу, тогда как при соединении металлов с кислородом (например, когда железо ржавеет) образуется оксид - твердое вещество, которое никуда не исчезает.
Последний гвоздь в гроб теории флогистона был вбит Антуаном Лавуазье. Он показал, что химическое соединение веществ с незадолго до того открытым элементом кислородом объясняет как увеличение, так и потерю их массы при химических реакциях горения.
См. также:
Поскольку горение прекращается либо после сгорания горящего вещества, либо после сгорания воздуха в объёме, в котором было заключено вещество, какое-то время воздух был частью теории. Считалось, что флогистон покидает горящее тело и поглощается воздухом. В 1772 году Даниель Рутерфорд (ученик Джозефа Блэка) обнаружил азот , использовал данную теорию для объяснения результата своего опыта. Остаток воздуха, оставленного после горения, фактически являющийся смесью азота и углекислого газа , иногда упоминался как «phlogisticated air» (флогистированный воздух).
Из известных учёных того времени дольше всех оставался верным теории флогистона Дж. Пристли . Он до своей смерти в 1803 году ревностно выступал в её защиту, несмотря на открытия эпохи химической революции, полностью опровергавшие эту теорию. По словам Ж. Кювье , «он, не падая духом и не отступая, видел, как самые искусные бойцы старой теории переходят на сторону её врагов. И когда Кирван уже после всех изменил флогистону, Пристли остался один на поле сражения и послал новый вызов своим противникам в мемуаре, адресованном им к первым французским химикам ».
В компьютерной игре
