Книга: Химия - просто

Глава 3. Флогистон и фанат Ломоносова

Глава 3. Флогистон и фанат Ломоносова

К середине XVII века в науке господствовала идеология Аристотеля. Всецело, безоговорочно, самодержавно. Аристотель заключил всю науку того времени в книги, очень долго служившие неприступной, непреодолимой стеной для прогресса. Признав науку Аристотеля, католическая церковь всячески её защищала, подавляя любые новые воззрения и препятствуя открытиям, так как считала их противоречащими аристотелевским догмам. К тому же средневековые учёные, в том числе химики, жили в основном на содержании богатых князей, поэтому находились в полной зависимости от их настроения. Разумеется, всё это не способствовало развитию свободного научного исследования.

И только церковная реформа XVII века положила конец столь ненормальному положению вещей, отведя науке подобающее ей место. Коперник, Галилей, Бэкон, Бруно (об их борьбе и достижениях тебе наверняка хорошо известно) стали первыми борцами за освобождение опытных наук. Коренное изменение общественных воззрений коснулось и химии: она наконец-то вырвалась из монастырских келий и подвалов на волю.

Химическая лаборатория Амброза Годфри, ассистента Роберта Бойля (XVIII в.)

Тогда же появились первые союзы свободных исследователей и учёных, а также учёные сообщества, на собраниях (прообразах современных научных конференций) которых оглашались новые открытия. Эти сообщества способствовали обогащению различных областей науки новыми идеями.

Наиболее известными среди таких сообществ были «Academia del Cimento» в Италии (1648 г.), «Royal Society of London» в Англии (1662 г.) и «Academia Caesareo-Leopoldina» в Германии (1672 г.). С небольшим отставанием от европейских стран в том же направлении двигалась и Россия: в 1724 году Пётр Великий учредил Петербургскую Академию, членами которой стали как русские, так и выдающиеся иностранные учёные (например, математик Эйлер).

По просьбе Михаила Васильевича Ломоносова (1711–1765), первого профессора химии Петербургской Академии наук, в 1748 году была построена первая русская химическая лаборатория.

Результаты своих исследований учёные распространяли с помощью таких периодических изданий, как «Известия», «Отчёты», «Записки», знакомя тем самым современников с успехами науки и усиливая интерес к научной работе. (В настоящее время подобной популяризацией занимаются различные научные журналы, так как у учёных просто нет времени доносить результаты своей работы до общественности.)

Руководящий состав Академии оказывал рядовым членам всестороннюю поддержку в борьбе с умственным консерватизмом власть имущих. Благодаря устраиваемым в Академии диспутам ложные взгляды исправлялись, приводя к торжеству истины. Это сейчас, в эпоху Интернета, невозможно понять, кто из спорящих до хрипоты «диванных экспертов» прав, а тогда свои слова и идеи приходилось отстаивать лицом к лицу.

Однако что же химия? Как всеобщий подъём в развитии наук отразился на конкретно её развитии?

На дошедших до нас старинных гравюрах химическая лаборатория выглядит так: за лабораторным столом сидит одетый по последней моде химик в парике и рассматривает на свет содержимое пробирки, рядом стоит, почтительно склоняясь, другой учёный (возможно, физик), а неподалёку молодые ассистенты готовят реагенты, устанавливают приборы для опытов, чистят химическую посуду.

Петербургская Академия наук

Химическая лаборатория XVIII века

К семи металлам, известным ещё алхимикам, довольно скоро добавились два новых — металлическая сурьма и висмут. Учёные поделили все металлы, исходя из их свойств, на благородные и неблагородные. Неблагородные (железо, медь, цинк, олово, свинец, сурьма, висмут) при нагревании горели и спустя какое — то время ржавели, а благородные (золото, серебро, ртуть) не горели и, соответственно, не ржавели.

Веществу, образующемуся при горении, было присвоено название «известь», и это вещество стало считаться составной частью металлов. Вообще, согласно научным взглядам того времени, все металлы состояли из извести и флогистона. Но о том, что такое «флогистон», я расскажу чуть позже.

Примерно тогда же все известные вещества были поделены на классы: извести, земли, соли, кислоты (минеральные, растительные, животные) и газообразные тела. Но в эту систему не вписывались три тела: вода (так как химики не были уверены, считать её элементом или сложным телом) и сера с фосфором, которые принимались за соединения серной и фосфорной кислоты с флогистоном. Как видишь, снова этот неведомый «зверь» флогистон. Но потерпи, мой друг, ещё немного.

Сначала хочу рассказать тебе забавную историю о том, как был открыт фосфор, применявшийся потом для изготовления спичек. Итак, фосфор был открыт в 1669 году алхимиком Брандом, который пытался отыскать «философский камень», но в итоге получил светящееся вещество. Бранд проводил опыты с человеческой мочой, так как полагал, что она, обладая золотистым цветом, может содержать золото. Поэтому сначала он в течение нескольких дней отстаивал мочу (до исчезновения неп риятного запаха), а затем кипятил. После нескольких часов кипячения из мочи выделились крупицы белого вещества, которое очень ярко горело и вдобавок мерцало в темноте. Бранд назвал это новое вещество латинским словом phosphorusmirabilis, что в переводе означает «чудотворный носитель света». Открытие фосфора Брандом стало первым открытием нового элемента со времён античности.

Также давай вспомним, что ещё ранее Ван Гельмонт открыл разные виды воздуха, и это дало толчок к изучению газов и методов обращения с ними. Когда исследователи пришли к выводу, что в природе и лаборатории существуют и могут быть получены разные виды газов, они начали собирать сведения о них, изучать их свойства и давать им названия. В ходе их исследований были открыты следующие газы: двуокись углерода (открыл Блэк), водород (горючий воздух) и двуокись серы (открыл Кэвендиш) и хлор (открыл Шееле).

Прежде чем пойти дальше, давай посмотрим, какие вещества были известны в то время.

Если сейчас мы пользуемся таблицей Менделеева, то в период флогистона (опять загадочный флогистон!) система химических соединений выглядела так:

I класс. Металлы: благородные (золото, серебро, ртуть) и неблагородные (железо, медь, цинк, олово, свинец, сурьма, висмут).

II класс. Извести: железная известь, медная известь и цинковая известь.

III класс. Земли: известковая земля, горькая земля и квасцовая земля.

IV класс. Соли: поваренная соль, аммиачная соль, купоросы, квасцы, горькая соль и глауберова соль.

V класс. Щелочные соли: слабые (поташ, сода), едкие (едкое кали, едкий натр) и летучие (аммиачный спирт).

VI класс. Кислоты: минеральные (серная, соляная, азотная, фосфорная, борная), растительные (уксусная, щавелевая, яблочная, янтарная) и животные (молочная, мочевая).

VII класс. Вода, сера, фосфор.

VIII класс. Газы: углекислый газ, сернистый газ, водород, хлор, кислород и азот.

Теперь вернёмся к истории развития научных знаний того времени и вспомним такого учёного, как Роберт Бойль (1697–1691), наверняка известного тебе из уроков физики и химии. Бойль открыл закон давления (сжатия) газов и обосновал аналитическую химию, тем самым обессмертив своё имя как в физике, так и в химии.

Роберт Бойль

Если до Бойля различные химические вещества классифицировали лишь по блеску, окраске и другим физическим свойствам, то он убедительно доказал, что вещества необходимо различать по их «поведению» в аналогичных химических превращениях. Так, если два подобных вещества подвергнуть одинаковому химическому процессу, например горению, то и продукты их превращения должны быть подобны. Следовательно, мы вправе утверждать, что начальные вещества сходны между собою и принадлежат к одному классу. На этом принципе Бойль построил и научно обосновал теорию разложения тел, которая сразу же была признана основополагающей.

Однако наиважнейшей задачей науки в ту далёкую эпоху стало исследование химических явлений самих по себе, изучение химических превращений. И главным и первым предметом изучения стал огонь.

Химики считали, что огонь — не вещество, а явление, которое может принимать самую разнообразную форму. Так, дерево, уголь или бензин при сгорании не исчезают бесследно: они дают нам свет и тепло, а после полного сгорания оставляют иногда ещё и золу.

На основании этих фактов немецкий химик Георг Эрнст Шталь (1659–1734) примерно в 1700 году и сформулировал теорию… флогистона. Вот мы и добрались наконец до нашего таинственного «зверя»! Причём теория флогистона (если проще — теория горения) господствовала в науке до самого конца ХVIII века.

Георг Эрнст Шталь

Согласно этой теории, все тела (независимо от их происхождения) содержат флогистон, который при горении превращается в свет и тепло. Если же некоторые вещества (например, дерево и уголь) состоят не из чистого флогистона, то после их сгорания остаётся зола. Проще говоря, эти вещества представляют собой смесь флогистона и золы.

Конечно, теория флогистона не могла объяснить суть всех известных тогда явлений. Например, остающаяся от сгорания некоторых металлов зола весила больше, чем первоначальный (подопытный) кусок металла (Me + O₂ = MeO₂), и тот факт, что составная часть может оказаться тяжелее суммарной массы вещества, требовал объяснения. Для устранения данного противоречия решено было предположить, что флогистон имеет отрицательный вес. (Именно поэтому и стали считать, что теплота имеет отрицательный вес.)

Для того времени теория флогистона служила не только простым описанием процессов горения, но и неоспоримой истиной. И всё бы оставалось как прежде, если бы не пришёл он — человек, разрушивший всю эту теорию одним взмахом пера. Человек, не опровергший теорию флогистона полностью, однако заменивший её более простой и более точной. Кто же это был?

Михаил Васильевич Ломоносов

Прежде чем назвать тебе его имя, скажу лишь, что этот человек был большим поклонником работ своего великого предшественника Михаила Васильевича Ломоносова, который, собственно, и провозгласил антифлогистонскую теорию первым, просто не был услышан. К мистеру Х, с твоего позволения, я вернусь чуть позже, а пока подробнее остановлюсь на личности и работах Ломоносова.

Михаил Васильевич Ломоносов был родом из простых крестьян и с детства отличался большой тягой к знаниям. Сейчас такое сложно себе представить, но он даже сбежал из дома, чтобы иметь возможность обучаться в школе. Впоследствии Ломоносов, как лучший ученик, был отправлен в Санкт-Петербургскую Академию наук, а оттуда командирован за границу, где и провёл 5 лет, занимаясь изучением металлургии и химии.

По возвращении на родину он представил на суд профессоров две свои диссертации, за которые позднее получил должность адъюнкта (заместителя профессора кафедры) Академии. Шесть лет после этого Ломоносов добивался средств на постройку химической лаборатории, и 12 октября 1748 года его мечта осуществилась. Построенная по плану Ломоносова первая русская химическая лаборатория имела 14 метров в длину, 11 метров в ширину и 4,5 метра в высоту.

Именно в этой лаборатории Ломоносов провёл ряд наиважнейших физико — химических исследований. (Забегая вперёд, скажу, что в те времена физхимия ещё не имела официального признания. Однако если ты и сейчас продолжаешь проводить между физикой и химией жирную границу, то я тебя огорчу: далеко на такой позиции ты не уедешь. Ведь именно на стыке этих двух наук находятся ответы на все часто возникающие в школе вопросы. И неважно, что из них первичнее — физика или химия. Будущее науки — именно за такой сложной и наукоёмкой дисциплиной, как физхимия.)

Итак, Ломоносов сделал целый ряд очень важных теоретических открытий, сильно опередив весь научный уровень той эпохи. Например, в 1742–1744 годах он изложил в диссертации (которая, увы, так и не была опубликована) новое понимание природы и свойств атомов. Более того, он заложил фундамент под закон сохранения энергии, а из опытов по обжигу металлов вывел закон сохранения материи (впервые поведав об этом в 1748 году в письме известному математику Л. Эйлеру).

К одному из важных достижений Ломоносова относится также его вывод о том, что металлы, во время их горения на воздухе, соединяются с частью этого воздуха (с кислородом). Отсюда, собственно, и вытекает принцип сохранения материи: если где-нибудь что-нибудь прибывает, то в другом месте что — нибудь одновременно убывает (причём в равной мере).

К сожалению, фундаментальные открытия Ломоносова не были использованы его современниками. Отклик в обществе получили лишь его работы в области словесности и истории. Работы же в области физики и химии оставались практически неизвестными вплоть до начала XX века, пока наконец не были обнаружены в архивах Борисом Николаевичем Меншуткиным (с этим человеком мы ещё встретимся на страницах данной книги).

Причины, по которым работы Ломоносова оказались невостребованными при его жизни и оставались таковыми ещё в течение почти полутора столетий после его смерти, заключались в следующем:

• многие диссертации не были им закончены;

• его взгляды на науку очень сильно разнились со взглядами других учёных;

• его выдающиеся литературные заслуги полностью затмили научные, поэтому многие смотрели на научную деятельность Ломоносова как на бесполезную трату времени.

Да-да, мой друг, так обычно и случается, если драгоценные идеи не находят благоприятную почву для своего развития. Поэтому нам остаётся лишь радоваться, что 30 лет спустя такую благоприятную почву нашёл наш мистер Х — гениальный экспериментатор и систематик Антуан Лоран Лавуазье (1743–1794). Можно сказать, великая революция в химии произошла в то же время и в том же месте, когда и где произошла великая политическая революция.

Антуан Лоран Лавуазье

Лавуазье родился в Париже. В раннем возрасте он потерял мать, и его воспитывала тётя (сестра матери). После колледжа он поступил на юридический факультет Парижского университета, чтобы стать, как отец, адвокатом, но тяга к изучению точных наук пересилила.

К тому же во время студенчества Лавуазье познакомился с известным минералогом, профессором Геттаром, которому затем помогал в исследованиях различных местностей Франции.

В 25 лет он был избран членом Академии наук. Должность хоть и почётная, но в материальном плане давала мало. Поэтому, с целью увеличения доходов, он купил себе должность сборщика податей.

А. Лавуазье разъясняет Марии результаты своих экспериментов

Вскоре он познакомился с главным сборщиком податей и женился на его 13-летней дочери Марии Польз. Быстро уверовав в недюжинный талант Лавуазье, девушка стала ему не только верной женой, но и бесценной помощницей. Чтобы лучше понимать научные труды мужа, она даже начала изучать точные науки. Принимая участие почти во всех его важнейших опытах, Мария целые часы проводила с ним в лаборатории, вела лабораторный журнал.

Гостеприимный дом Лавуазье стал вскоре центром общественной жизни для всего научного сообщества. Знаменитые учёные всех стран, приезжая в Париж, считали своим долгом нанести визит семейству Лавуазье, чтобы не только выразить уважение хозяину, но и лично засвидетельствовать почтение очаровательной хозяйке, которая поражала их красотой и острым умом с первой минуты знакомства. Мария умела тонко перевести все разговоры в научное русло, при этом исподволь изучая идеи выдающихся учёных мира и собирая тем самым материал для дальнейших исследований мужа.

Опыт с оксидом ртути в запаянной реторте, который привёл Лавуазье к открытию кислорода

Накопив опыт современников и проведя многочисленные эксперименты, Лавуазье вступил наконец в борьбу с теорией флогистона. Он высказал мнение, что горение — это не разложение тел на элементы, а, наоборот, соединение горючего тела с кислородом воздуха. Также он озвучил принцип постоянства массы: «В природе ничто не делается из ничего, и материя не исчезает бесследно».

Вскоре Лавуазье опубликовал результаты своих исследований, доказывающие, что дыхание человека представляет собой химическое явление — медленное горение.

Антуан Лавуазье был членом Учредительного собрания и входил в состав правительственной комиссии, созванной для установления единиц мер и весов, а также в состав многих других комиссий, заботившихся о благе родины и науки. Но все эти высокие посты, равно как и научные заслуги, не помогли ему избежать печальной участи. Пришедшее к власти революционное правительство Робеспьера обвинило Антуана Лорана Лавуазье в должностном злоупотреблении на посту сборщика податей, и он вместе с ещё 30 сборщиками был арестован. Совещательное бюро составило петицию в защиту учёного, однако петиция была отклонена. «Отечество не нуждается в учёных», — прозвучал беспощадный ответ председателя трибунала.

И 8 мая 1794 года, по решению революционного трибунала, голова великого химика угодила под нож гильотины.

Вот так в одно мгновение была уничтожена жизнь гения, появления которого человечество ожидало в течение нескольких столетий…

А что же стало с наукой, спросишь ты? Остановилась ли она в развитии или теории Лавуазье дали мощный толчок к её дальнейшему развитию? Об этом, мой друг, я расскажу тебе в следующей главе.