У истоков химии

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.

Георг Эрнст Шталь

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 SO₂, который при известных условиях может образовать серный ангидрид SO₃, последний с водой дает серную кислоту Н₂SO₄. 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 СО₂. 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.
Роберт Бойль

Роберт Бойль

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.

П.А.КОШЕЛЬ

^*Софизм – мнимое доказательство.