Превращение элементов

Рождение и смерть флогистона

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…