Строение и превращение
веществ

Продолжение. См. № 39, 42/2003

Ломоносов – основоположник
молекулярно-кинетической теории теплоты
и кинетической теории газов

В 1745 г. М.В.Ломоносов доложил на заседании Академии наук свою классическую работу «Размышления о причине теплоты и холода», в которой опроверг широко признанное в то время учение Роберта Бойля о том, что в горении участвует особая теплотворная материя – теплород. Выступая против теплорода, Ломоносов доказывает, что теплота получается в результате «внутреннего движения вещества».
«Очень хорошо известно,– пишет он в работе, опубликованной в первом томе научного журнала “Новые комментарии Петербургской Академии наук” в 1750 г., – что теплота возбуждается движением: от взаимного трения руки согреваются, дерево загорается пламенем; при ударе кремня об огниво появляются искры; железо накаливается докрасна от проковывания частыми и сильными ударами, а если их прекратить, то теплота уменьшается и произведенный огонь тухнет».
Вскрывая причины этой теплоты в указанной работе, он доказывает, что «...движение может настолько уменьшиться, что наконец тело достигает состояния совершенного покоя – и никакое дальнейшее уменьшение движения невозможно. Следовательно, по необходимости должна существовать наибольшая и последняя степень холода (температура абсолютного нуля. – П.К.), состоящая в полном покое частичек, в полном отсутствии вращательного движения их».
После подробного и весьма остроумного рассмотрения этого вопроса Ломоносов делает окончательный вывод, что причина теплоты есть «внутренне вращательное движение, связанное с материей».
Иронизируя над сторонниками теплотворной теории, он пишет: «В наше время причина теплоты приписывается особой материи, называемой большинством теплотворной... Это мнение в умах многих пустило такие могучие побеги и настолько укоренилось, что можно прочитать в физических сочинениях о внедрении в поры тел названной выше теплотворной материи, как бы притягиваемой каким-то любовным напитком; и наоборот – о бурном выходе ее из пор, как бы объятой ужасом. Поэтому мы считаем нашей обязанностью подвергнуть эту гипотезу расследованию».
После того как Ломоносов «расследовал» эту гипотезу, от нее не осталось камня на камне. Отвечая сторонникам теплотворной теории, он утверждает, что теплота не слетает на тело неизвестно откуда, а является результатом движения мельчайших частичек, из которых состоит тело. По мнению Ломоносова, движение частиц просто и ясно объясняет расширение и сжатие, плавление и испарение тел. Теплота тел состоит во внутреннем их движении. Теория теплоты, разработанная Ломоносовым, опережает на столетие воззрения современных ему ученых. Достаточно сказать, что А.Л.Лавуазье, безусловно, знавший о работах Ломоносова, не мог подняться до уровня его взглядов и в своей систематике химических элементов на одно из первых мест поставил теплород. Тот самый Лавуазье, с именем которого связано разрушение теории флогистона, все-таки окончательно не избавился от предрассудков своих предшественников и верил в наличие теплорода, который по существу является одним из видоизменений флогистона.
Теория теплоты стала широко известна в Европе и вызвала чрезвычайно сильные возражения со стороны многих ученых того времени, сторонников теплотворной теории. Немецкий физик Арнольд написал диссертацию, задавшись целью опровергнуть «нововыдуманную» теорию, и защищал ее в 1754 г. в Эрлангенском университете, о чем узнал Ломоносов из отчета, напечатанного в немецкой газете «Беспристрастный гамбургский корреспондент». «Господин Арнольд, – указывалось в этом отчете, – совсем опровергает, принимая в свои доказательства также и господина Ломоносова, некоторые предположения, но выводя из них противное нововыдуманной теории».
Ломоносов, ознакомившись с возражениями Арнольда, был глубоко возмущен его недобросовестностью, т. к. не понять существа его взглядов мог только невежда или заклятый враг. Он составляет опровержение и посылает его знаменитому академику Леонарду Эйлеру, жившему в то время в Берлине. Эйлер помещает ответ Ломоносова Арнольду в научном журнале, издававшемся в Амстердаме на французском языке. Сам Эйлер высоко оценил работу Ломоносова. В ответном письме он писал: «Всякий знает, что появлявшиеся до сих пор трактаты о причинах теплоты еще не разъяснили вполне этого предмета, а занимающиеся его исследованием заслуживают величайшей похвалы. Вас нельзя не поблагодарить за то, что вы рассеяли мрак, покрывавший доселе этот вопрос».
В июле 1755 г. Эйлер в официальном письме в Академию наук по поводу этой работы писал: «Совсем другое дело сочинение Ломоносова о причине теплоты: все, что другими было говорено о том, нелепо или неосновательно, и потому весьма далеко от достоверного объяснения; возражения же противников доказывают, с одной стороны, что они его мысли не поняли, а с другой – обличают их грубое невежество».
Таким образом, эта работа Ломоносова не только была известна, но и вызвала большую дискуссию. Имя русского ученого в Европе было известно еще ранее, т. к. одновременно с сочинениями о природе теплоты в журнале, издаваемом академией на латинском языке и рассылаемом всем иностранным академиям и университетам, были напечатаны еще три статьи Ломоносова, в том числе его замечательная работа «Попытка теории упругой силы воздуха», в которой он впервые дал строго обоснованную кинетическую теорию газов.
Следовательно, мы можем говорить не только о приоритете Ломоносова в создании теории теплоты, основанной на молекулярно-атомистических представлениях, но и о том, что эта теория, как и другие его исследования, была в свое время хорошо известна ученым всего мира и широко обсуждалась.
Исходя из этой теории, Ломоносов решает такой важный вопрос физики и химии, как основы кинетической теории газов. До Ломоносова упругость воздуха объясняли особыми «блуждающими жидкостями». Он фундаментально разрешает этот вопрос в своей работе «Попытка теории упругой силы воздуха», где пишет: «Отдельные атомы воздуха, взаимно приблизившись, сталкиваются с ближайшими в нечувствительные моменты времени, и, когда одни находятся в соприкосновении, вторые атомы друг от друга отпрыгнули, ударились в более близкие к ним и снова отскочили: таким образом, непрерывно отталкиваемые друг от друга частыми взаимными толчками, они стремятся рассеяться во все стороны». И далее: «Воздушные атомы отталкиваются друг от друга в зависимости от увеличения или уменьшения степени теплоты более сильным или более слабым взаимным соприкосновением».
Объясняя упругость воздуха, он совершенно ясно и четко утверждает, что взаимодействие атомов воздуха обусловлено только теплотой. Отсюда более теплое тело обладает более быстрым вращением своих частиц, а последние ускоряют вращение частиц более холодного тела, причем движение последних увеличивается настолько, насколько уменьшается движение первых.
Критикуя теорию «блуждающей жидкости», Ломоносов пишет в указанной работе: «Действительно, мы считаем излишним призывать на помощь для отыскания причины упругости воздуха ту своеобразную блуждающую жидкость, которую очень многие – по обычаю века, изобилующего тонкими материями, – применяют обычно для объяснения природных явлений. Мы довольствуемся тонкостью и подвижностью самого воздуха и ищем причину в самой материи его».
Вряд ли эти высказывания Ломоносова нуждаются в разъяснениях. Чтобы оценить их, достаточно указать, что упругая сила воздуха в современной науке объясняется точно так же, как в свое время объяснял Ломоносов. Великий ученый не только открыл причины теплоты и холода, не только создал кинетическую теорию газов, но и страстно боролся с противниками этих теорий.

Ломоносов – основоположник физической химии

М.В.Ломоносов в своей лаборатории

Теоретические основы химической науки Ломоносова постепенно выкристаллизовывались со времени заграничной командировки и окончательное завершение получили в «Слове о пользе химии», а затем в курсе, названном «Курсом истинной физической химии», который он в 1752–1754 гг. читал студентам университета.
Определяя задачи физической химии, он писал: «Физическая химия есть наука, объясняющая на основании положений и опытов физики то, что происходит в смешанных телах при помощи химических операций. Она может быть названа химической философией, но в совершенно другом смысле, чем та мистическая философия, где не только не дают объяснений, но даже самые операции производят тайным образом».
Название этого раздела химии – «физическая химия» – следствие того, что «химик без знания физики (как считал Ломоносов. – П.К.) подобен человеку, который все искать должен ощупом, и сии две науки так созданы между собой, что одна без другой в совершенстве быть не могут».
Ломоносов не только четко определил задачи физической химии, не только читал лекции по этому курсу, но и выполнил ряд научных исследований в этой области. Особенно большой интерес представляют его работы по растворам.
Так, определяя процесс растворения, он пишет: «Растворение имеет место, когда жидкое тело действует на твердое – или тоже жидкое – так, что последовательно разрушает сцепление его частичек и связь их с другими, присоединяет их к себе и с разрушенным и присоединенным телом образует смешанное тело. Тело, производящее растворение, у химиков зовется растворителем». И далее: «Собственно растворение бывает, когда частички твердого (или жидкого) тела, погруженного в растворитель, отрываются последовательно от поверхности и распространяются в самом растворителе. Примеры имеем ежедневно, когда растворяем в воде соль или сахар».
Ломоносов считал, что процесс растворения не сводится только к растворению одного вещества в другом, но растворимые вещества, вступающие в соединение с растворителями, образуют смешанное тело.
Эта мысль о взаимодействии растворителя с растворенным в нем веществом была с предельной ясностью высказана и обоснована другим корифеем русской химической науки – Д.И.Менделеевым – в его «Гидратной теории растворов».
Ломоносов впервые указал на то, что растворимость изменяется с повышением температуры, что в процессе растворения, в частности, соль поглощает тепло. Это явление он объясняет, исходя из своей атомно-молекулярной теории.
Великий ученый первым открыл, что растворы замерзают при более низкой температуре, чем растворители. В исследовании возможности путешествия по северным морям и «возможного прохода по Сибирскому океану в Восточную Индию», он пишет: «Морозы соляного рассолу не могут в лед претворить удобно, как одолевают пресную».
И далее он делает такое замечание: «Мелкое перед океаном Белое море принимает в себя пресную воду из Двины, Онеги, Мезени и других меньших рек, ради слабости рассола меньшим морозам повинуясь, в лед обращается».
Сам Ломоносов высоко ценит свои работы по растворам. В «Конспекте важнейших теорем» он пишет: «Основанная на химических опытах и физических началах теория растворов есть первый пример и образец для основания истинной физической химии, где именно явления объясняются по твердым законам механики, а не на жалком основании притяжения».
Результаты работы в области физической химии оправдывают слова Михаила Васильевича, который писал: «Я не токмо в разных авторах усмотрел, но и собственным искусством удостоверен, что химические эксперименты, будучи соединены с физическими, особливое действие вызывают».
Созданная Ломоносовым физическая химия получила широкое развитие в трудах его преемников – русских ученых Т.Е.Ловица, Г.И.Гесса, Н.Н.Бекетова, Д.И.Менделеева и др.
Ломоносов физическую химию называет философией химии. Этим самым он подчеркивает теоретическое значение этого раздела химической науки и определяет его следующим образом: «Из наблюдений устанавливать теорию, через теорию исправлять наблюдения – есть лучший из всех способов к исканию правды».
К теоретическим исследованиям Ломоносова в области физической химии относятся также упомянутые работы по обоснованию низких температур.
Исследования Ломоносова в области физической химии и физики были высоко оценены передовыми учеными того времени. Эйлер, оценивая его работы, в 1745 г. писал: «Все записки Ломоносова по части физики и химии не только хороши, но превосходны, ибо он с такой осторожностью излагает любопытнейшие, совершенно неизвестные и необъяснимые для величайших гениев предметы, что я вполне убежден в истине его объяснения. По сему случаю должен отдать справедливость господину Ломоносову, что он обладает счастливейшим гением для открытия феноменов физики и химии и желательно было бы, чтобы все прочие академики были в состоянии производить открытия подобно тем, которые совершил Ломоносов».

Ломоносов – зачинатель многих
химических производств и первый химик-аналитик

Михаил Васильевич не принадлежал к числу кабинетных ученых. Он стремился науку обратить прежде всего «к служению новым потребностям и нуждам российского света и российского народа».
С работами Ломоносова связано развитие фарфоровой, стекольной, металлургической, горно-обрабатывающей, соледобывающей отраслей промышленности. Ему первому принадлежат замечательные работы в области добычи золота. Ломоносов первым в России создал мозаику, причем он здесь проявил себя не только как художник, но прежде всего как химик и химик-технолог. В своей химической лаборатории с великим упорством он производил тысячи плавок для того, чтобы разработать получение цветного стекла (смальты) для мозаичных картин. Одновременно он являлся изобретателем красок для окрашивания стекла и фарфора.
Вспоминаются слова Ломоносова, сказанные им 270 лет назад: «Веселитесь, места ненаселенные; красуйтесь, пустыни непроходные: приближается благополучие ваше... скоро украсят вас великие городы и обильные села... Но тогда великой участнице в населении вашем Химии возблагодарить не забудьте, которая ничего иного от вас не пожелает, как прилежного в ней упражнения, к вящему самих вас украшению и обогащению».
Для решения этих задач Ломоносов выдвигает в 1763 г. идею составления карты «о продуктах российских», в которой было бы отражено, «сколько наших продуктов и прочего экономического в России родится, или на фабриках и заводах делается... Такоже определить можно карту рудокопных мест и разных яко то, железных, медных и прочих заводов, карту фабрик, мануфактур и всего того, чем российское государство избыточествует».
Карта российских продуктов была задумана Ломоносовым очень широко. Он намечает составление ежегодных сводок о состоянии народного хозяйства, мотивируя это тем, чтобы всякий год «получая сведения, где что упадает, удобнее можно изыскивать способы, чтобы одно место другому помогло».
В сведениях, которые он желал получить со всех концов России от ряда правительственных учреждений, необходимо было называть не только списки всех фабрик и заводов, сообщать данные обо всех усольях* и варницах, но и представлять образцы квасцов, мрамора, мела, нефти, яшмы, различные пески, минералы. Это показывает большой интерес Ломоносова к природным богатствам своей страны с целью их практического использования.
В глинах, которые он желал получить со всех концов России, предполагалось изыскать различные металлы, в песке Ломоносов предлагал искать золото. Тогда же в связи с этим он организует обучение молодых людей металлургии и пробирному делу, чтобы создать специально обученные кадры для промышленности.
К сожалению, это грандиозное по своему замыслу предприятие, одобренное Сенатом, не было осуществлено из-за преждевременной смерти Ломоносова.
Эти работы великого ученого оказали влияние на развитие горно-заводского дела и металлургии. Он по праву может считаться первым учителем русских рудознатцев и металлургов.
Первая научная техническая книга в области металлургии и горно-рудного дела «Первые основания металлургии, или рудных дел» принадлежит Ломоносову. Этот труд представляет не только перечень различных рецептов в области металлургии, но и научно обосновывает процессы, связанные с выплавкой металла и добыванием руд. Книга по тому времени получила широкое распространение. На ней воспитывались сотни замечательных русских металлургов и горных инженеров.
В своей химической лаборатории Ломоносов изобретает фарфоровую массу, о чем он в свое время пишет: «Трудясь многими исследованиями, изобрел фарфоровую массу». Работа по изобретению последней была тесно связана с работой по производству цветных стекол. Однако ученый не ограничивается только лабораторными исследованиями, а добивается в 1752 г. открытия фабрики. На этой фабрике он организует производство разноцветного стекла, а также бисера, стекляруса и других галантерейных изделий. Здесь же был выполнен первый образец мозаичной работы – портрет Петра I.
Интересно отметить, что Ломоносов, как только была построена фабрика, организует при ней химическую лабораторию, выполнявшую функции, говоря современным языком, заводской лаборатории. В ней Ломоносов и его ученики проводят аналитические работы, связанные с изготовлением новых масс, и производят тысячи опытных плавок стекол. Здесь был разработан состав цветного хрусталя, а также печей «для приготовления крепких водок (кислот) и других припасов».

Ломоносову принадлежит создание и «Основ аналитической химии», ибо первым и единственным химиком-аналитиком в то время в России был он сам. В своей лаборатории ученый исследует образцы соли, поташа, пороха, селитры и различные руды.
Большинство химических анализов было выполнено Ломоносовым по заданию правительственных учреждений. Так, он подверг сравнительному анализу илецкую, астраханскую, печорскую, пермскую и другие соли. В рапорте от 1745 г. он сообщает о результатах своих анализов: «Сего февраля 2 числа даны мне из оного Кабинета (Кабинета императрицы. – П.К.) разные соли для пробования их крепости и доброте одной против другой, также Гирьясской слюды, и оные соли и слюда мною опробированы, а в пробе явились следующей крепости и доброты». В этом рапорте он подробно описывает результаты проб и методику анализов.
В трудах Академии наук имеются документы о том, что академик Ломоносов опробовал краски, поташ, соду и разные руды.
Анализируя краски, Ломоносов создает краску типа берлинской лазури. Его краски получили заключение: «Оные в малярном деле годны, особливо светлые и голубые».
Большой интерес представляют работы Ломоносова в области исследований добывания золота. Эта сторона его деятельности, недостаточно отмеченная исследователями, представляет большой теоретический и практический интерес. Михаил Васильевич первый пришел к мысли, что россыпное золото можно добывать из песков в очень многих местах России, предложил новый способ извлечения золота из золотоносных песков и создал теорию образования россыпного золота, указав, что после открытия золотоносного песка нужно искать коренное месторождение золота, поднимаясь вверх по рекам. Однако на четкие указания Ломоносова в свое время не обратили внимания, и только значительно позже они нашли свое развитие в работах русских золотоискателей.
Ломоносов ревностно заботился о просвещении и подготовке кадров в области промышленности. Он организовал обучение пробирному делу, заботился о создании химических лабораторий. Первую лабораторию он, как известно, организовал при Академии наук в 1748 г., затем в 1752 г. при Усть-Рудицкой фабрике и, наконец, домашняя лаборатория, созданная им при своей квартире в новом доме на Мойке.
Глубокие научные исследования Ломоносова связаны с неустанными заботами о развитии промыслов в России.
«Рачения и трудов для сыскания металлов требует пространная и изобильная Россия, – говорит он в своем «Слове о пользе химии». – Мне кажется, я слышу, что она к сынам своим вещает. Простирайте надежду и руки ваши в мое недро, и не мыслите, что искание ваше будет тщетно... Химическое искусство в средину гор проникнет и что в них лежит без пользы очистит для умножения нашего блаженства; и сверх сего своего сильного в металлургии действия, иные полезные тебе плоды принести потщится».
Создатель теоретических основ горно-рудного дела и металлургии, зачинатель стекольного и фарфорового производства, изобретатель фарфоровой массы и производства цветных стекол и красок, исследователь солеварных промыслов, новатор в области добывания золота, мастер пробирного дела и первый химик-аналитик – вот краткая характеристика деятельности Ломоносова в области промышленности.
Ломоносов – инициатор и поборник просвещения среди широких масс населения для того, чтобы, как он пишет, «в Академии были не иностранцы, а природные россияне».
Он не мог мириться с засилием иностранцев в академии. В своем письме на высочайшее имя писал: «Когда будет довольство ученых людей, тогда ординарные и экстраординарные академики и адъюнкты быть должны природные россияне по доброму примеру Парижской Академии, где все академики природные французы».
Он прилагал много усилий для того, чтобы создать в России университет. И он добился в 1755 г. открытия первого русского университета в Москве. Этот университет, носящий сейчас его имя, прославил результатами своих исследований русскую науку и осуществил заветную мечту Ломоносова об истинной пользе и славе отечества.
Имя Ломоносова стало символом патриотизма, образцом служения народу и примером самоотверженной борьбы за науку.

* Место для добычи и вываривания соли.

ЛИТЕРАТУРА

Павлова Г.Е., Федоров А.С. Михаил Васильевич Ломоносов. М.: Наука, 1988.

П.А.КОШЕЛЬ