История науки

5. Химия

5.1. Возникновение научной химии

Происхождение слова «химия» спорно. Чаще всего его связывают с одним из наименований Древнего Египта —Хем. По другой версии слово «химия» про­ изошло от древнегреческого chemeia — искусство выплавки металлов. В со­ временном представлении химия — одна из областей естествознания, наука о веществах, их составе, строении, свойствах и взаимных превращениях.

Первой формой существования химии явилась алхимия, тесно связанная с астрологией. Алхимию трудно назвать наукой, поскольку весомой и неотъемлемой частью алхимии были «тайные силы». Основная цель алхи­ мии в течение многих веков — отыскание философского камня для приго­ товления с его помощью золота — отступила на второй план в XVI в. перед задачей поиска препаратов для лечения болезней. Это направление получи­ ло название натрохимии, но по сути это была также алхимия с ее поисками «эликсира молодости». Алхимики многое сделали для становления химии как науки. Чтобы получить философский камень — Materia prima — алхи­ мики варили, плавили и смешивали все вещества, на которые они только наталкивались. Хотя таким образом не удалось найти Materia prima, но зато были проведены многие ценные наблюдения и опыты, была расчищена пло­ щадь для более высокой, подлинно научной работы и был сделан, во мно­ гом случайно, ряд ценных открытий. Так, например, фосфор был открыт выпариванием и перегонкой мочи. Лейбниц так писал об алхимиках:

«Наделе же такой человек знает иногда из опыта и наблюдения природы больше фак­ тов, чем иной уважаемый в свете ученый, который умеетукрашать свою вычитанную из книг эрудицию поэтическими штучками, ловко используя ее, междутем как пер­ вый благодаря своим чудачествам становится ненавистным или презренным в гла­ зах всех. Но мудрый правитель в благоустроенном государстве не должен обращать на это внимание, а должен пользоваться такими людьми, давая им определенные ре­ гулярные амплуа или работу и избавляя таким образом ихталант от гибели».

Король Фридрих I Прусский своего алхимика графа Каэтано, итальянца, обещавшего ему изготовить золото на шесть миллионов таллеров в несколь­ ко недель и, естественно, не сдержавшего обещания, приказал повесить.

Развитие алхимии в форме натрохимии привело к появлению ряда дей­ ственных лекарственных препаратов, например глауберовой соли, назван­ ной так в честь ее изобретателя Иоганна-Рудольфа Глаубера (1604—1668).

Постепенно чисто практический интерес к получаемым соединениям стал переходить в научный. В основании химии как науки важное значение имели труды Р. Бойля. Исследования Бойля, работавшего вместе с Ньюто­ ном и Гуком, имели совершенно иную ориентацию, совершенно в духе его великих коллег — поиск научной истины. Именно в таком подходе нужда­ лась зарождавшаяся химия. Бойль определил задачу химии как изучение свойств тел. Он писал:

«Химики руководствовались до сих пор узкими принципами, не глядели на вещи

сболее высокой точки зрения. Они имели свою задачу в изготовлении лекарств

ив превращении металлов. Я попытался рассмотреть химию с совершенно дру­ гой точки зрения, не как врач или алхимик, а как естествоиспытатель».

Бойлю удалось дать достаточно точное определение химического элемента:

«Ни одно тело, которое не является совершенно однородным, а может быть даль­ ше разложено на любое число отдельных субстанций, как бы малы они ни были

... не представляет собой элемента».

Такое представление положило конец учению о стихиях и алхимическо­ му учению о принципах (соль, сера и ртуть).

Бойль же впервые установил отчетливое различие между механически­ ми смесями и химическими соединениями. Характерной чертой соедине­ ний он считал то, что в них исчезают свойства их составных частей.

Период в химии от Бойля до Лавуазье называют эпохой флогистона. Вплотную к теории флогистона подошел сам Бойль. Расплавляя олово и сви­ нец, он показал, что получившиеся при этом окислы металлов тяжелее этих металлов. Для объяснения этого явления он предположил, что в реакции уча­ ствует некоторое вещество, происходящее из огня и соединяющееся с плавя­ щимися металлами. Эту идею в стройную теорию преобразовали Г.Э. Шталь (1660-1734) и И.Бехер (1635-1682).

Шталь стремился свести к одному принципу те многообразные изменения вещества, которые происходят при горении. Таким основным началом, по представлению Шталя и Бехера, являлась некая тонкая материя, существо­ вание которой предполагалось во всех горючих телах. Шталь назвал эту ма­ терию флогистоном. Процесс горения, по мнению Шталя, сопровождался удалением флогистона из данного тела. Чем меньше продуктов сгорания ос­ тается от горючего тела, тем больше в нем содержалось флогистона. Уголь, который при сгорании дает лишь незначительное количество золы, считался практически чистым флогистоном. При сгорании цинк, например, распадал­ ся, как считалось, на две составляющие — цинковые белила (окись цинка) и флогистон. Тело с большим количеством флогистона, например уголь, мог­ ло передавать флогистон другому телу, которое его потеряло. Например, когда

тел видеть своего сына адвокатом. После поступления на юридический факуль­ тет Антуан Лоран Лавуазье тем не менее не оставил занятий естествознанием. Его влечет физика, облаченная математическими формулировками. Что каса­ ется химии, то она казалась Лавуазье слишком туманной. В университете Ла­ вуазье увлекся минералогией. Здесь не обошлось без влияния друга семьи Лавуазье геолога Жана Этьена Гетгара, одержимого идеей нанести на карту Франции минералогический состав почв.

После окончания юридического факультета Лавуазье решает распрощать­ ся с юриспруденцией навсегда. Ему казалось, что в мире нет ничего инте­ реснее минералогии. В «душу» минералов Лавуазье пытался заглянуть с по­ мощью химии. Однако известность в научных кругах пришла к Лавуазье в совершенно иной области — благодаря его проекту фонарей для уличного освещения Парижа. Париж того времени считался одним из самых грязных городов Европы, и перемещаться по нему, особенно во время дождя, было затруднительно. Кроме того, ночью французская столица наполнялась гра­ бителями. Поэтому в 1765 году Королевская Академия наук объявила все­ народный конкурс на разработку фонарей для городского освещения. Ла­ вуазье принял участие в конкурсе и был награжден золотой медалью.

Вмае 1768 года его избрали в Академию наук в качестве адъюнкта. Про­ движение Лавуазье по академической лестнице было быстрым. Он становит­ ся экстраординарным академиком (1774), ординарным академиком (1778) и, наконец, директором Академии (1785).

С 1768 года начинается и карьера Лавуазье-финансиста, кончившаяся гильотиной. В этом году Лавуазье вступил в Генеральный Откуп — могуще­ ственную финансовую организацию, арендовавшую у короля право взимать пошлины на монопольную торговлю табаком, солью и вином. Лавуазье, ра­ ботая в Откупе, значительно увеличил свой капитал, и без того немалый.

В1771 году Лавуазье женился на 14-летней М арии Анне Пьеретте Польз — дочери одного из генеральных откупщиков Жака Польза. Жена оказалась верным другом и помощником Лавуазье. Будучи неплохой худож­ ницей, ученицей Жака Луи Давида, Мария Анна Пьеретта иллюстрировала публикации мужа, в том числе и его знаменитый «Начальный курс химии». «Курс» написан великолепным литературным языком. В изложении Лавуа­ зье привлекает сведения из гуманитарных наук, смежных с химией облас­ тей знаний. Этот курс историки относят к бессмертным творениям челове­ ческой мысли. В процессе учебы Лавуазье считал необходимым сочетать приятное с полезным. В учрежденном Лавуазье «Лицее наук и искусств», директором которого он сам являлся, одной из форм преподавания были спектакли, в ходе которых зрители и участники обсуждали и изучали пре­

подаваемые предметы.

Лавуазье не жалел денег на научные исследования. Он собрал вокруг себя круг замечательных ученых, среди которых были Лагранж, Бертолле, Лап­ лас, Монж. По воскресеньям они собирались у Лавуазье, обсуждали науч­ ные проблемы, проводили опыты. С конца 70-х гг. начался удивительно пло­ дотворный период в жизни Лавуазье, но наступили события, именующиеся в истории Великой французской революцией.

Во исполнение декрета Конвента о розыскании злоупотреблений по финан­ совому управлению, двадцать восемь арендаторов налогов, в числе которых были Лавуазье и его тесть, предавались суду революционного трибунала. До­ нос в Конвент подал некто Дюпен — бывший слуга г. Польза, тестя Лавуазье. Лавуазье, узнав о грозящей ему опасности, укрылся у одного из друзей. Но пос­ ле того, как все его коллеги, и в том числе тесть, были арестованы, Лавуазье за­ хотел разделить их участь и отдался в руки правительства. Лавуазье не мог пред­ положить, что дело дойдет до смертной казни. Он был готов к тому, что его иму­ щество будет конфисковано, и рассчитывал открыть аптеку, чтобы таким об­ разом зарабатывать на жизнь. Лавуазье не мог предположить, что все его зас­ луги перед Францией будут забыты. Но Лавуазье ошибся. Конечно, главное об­ винение состояло в участии в Откупе. Но были и еще важные обстоятельства. Одно из них — обвинение в принадлежности к-«врагам народа» — так «неис­ товый» Робеспьер, «демон революции» назвал «безбожную секту энциклопе­ дистов», распространявших материалистические воззрения. Робеспьер и Лаву­ азье не только были знакомы, они принадлежали к одной масонской ложе.

Но не только Робеспьер подталкивал Лавуазье к гильотине. Это делал и «друг народа» Жан Поль Марат (1743—1793). Марат был сам не чужд науч­ ных исследований, но не достиг значительных успехов. Однако ему очень хотелось славы, известности, триумфа. Он пошел «другим путем» — стал ниспровергать великих и, чтобы не мелочиться, начал с Ньютона. Отпор, полученный со стороны Академии, только взбесил Марата. Всех видных уче­ ных Франции, в число которых попали Лаплас и Лавуазье, он назвал шар­ латанами и стремился показать, что все они сродни королевским чиновни­ кам, сидевшим на шее трудового народа.

Суд трибунала свершился. Двадцать восемь откупщиков были обезглав­ лены. Четвертым по счету, вслед за тестем, на эшафот вошел Лавуазье. До этого, узнав о приговоре, он попросил об отсрочке казни. Эта просьба была представлена трибуналу. Ответ был дан устами президента Дюма: «Респуб­ лика не нуждается в химиках». На следующий день после казни Лагранж, потрясенный этим событием, сказал: «Всего мгновение потребовалось им, чтобы срубить эту голову, а и во сто лет не явится такой другой».

Вскоре не стало Робеспьера и Марата. Робеспьер был отправлен на гиль­ отину, а Марат пал от кухонного ножа Шарлотты Корде.

В марте 1796 года Лавуазье был признан несправедливо осужденным. Обычное дело.

Лавуазье вошел в историю науки как основатель количественного метода исследования. Качественная сторона процессов, которую он изучал, была в большинстве случаев установлена его предшественниками. Благодаря точнос­ ти своих измерений, среди которых выделялось взвешивание, и логической строгости выводов Лавуазье сумел найти связующую нить явлений, всех изве­ стных тогда и открытых впоследствии фактов.

Важнейшие результаты были найдены Лавуазье при исследовании про­ цессов горения. Ключ к пониманию этих процессов ему дал Пристли во вре­ мя своего пребывания в Париже. Пристли раскрыл Лавуазье способ полу­ чения кислорода из красной окиси ртути. Лавуазье установил, что процесс

горения аналогичен обжигу металлов и заключается в соединении горяще­ го тела с одной из частей воздуха — «дефлогистированным» или «огнен­ ным» воздухом, который Лавуазье назвал «чистым» воздухом. Позднее, когда Лавуазье уяснил значение «чи­ стого» воздуха для образования кис­ лоты, он стал называть его кислоро­ дом (образующим кислоты).

В составе воздуха Лавуазье обнару­ жил и другую часть, не способную под­ держивать ни горение, ни дыхание, то есть обладающую как бы противопо­ ложными свойствами по сравнению с кислородом. Им оказался «связанный воздух». Он установил, что при сжига­ нии древесного угля также образуется «связанный воздух». Лавуазье заклю­ чил, что это не что иное, как соедине­ ние углерода с кислородом (С 02).

В своих опытах Лавуазье установил, что в процессе горения фосфора и серы

13 составе воздуха Лавуазье обнаружил и., происходит увеличение веса продуктов

свою гипотезу: при горении происходит соединение веществ с кислородом. Ла­ вуазье, таким образом, пришел к теории горения, в которой флогистону места не оставалось. Лавуазье, разумеется, понимал кардинальность и необычность своей теории. В мемуарах «Размышления о флогистоне, служащие продолжением тео­ рии горения и обжига, опубликованной в 1777 году» (1783 г.), Лавуазье пишет:

«Я не жду, что мои взгляды будут сразу приняты. Человеческий ум привыкает видеть вещи определенным образом, и те, кто на протяжении части своего жиз­ ненного пути рассматривал природу с известной точки зрения, обращается лишь с трудом к новым представлениям. Итак, дело времени, подтвердить или опро­ вергнуть выставленные мною мнения».

Благодаря новой теории правильное объяснение получил не только про­ цесс горения, но и процесс дыхания. По Лавуазье дыхание состоит в соеди­ нении кислорода с составными частями органического вещества, причем в этом процессе, как и при горении, выделяется теплота. Совершенно пра­ вильно (в общих чертах) Лавуазье рассматривал и процесс брожения, пола­ гая, что при брожении происходит распад соединения, состоящего из трех элементов (С, Н и О) на спирт и углекислоту.

К началу 80-х годов, не без участия Г.Кавендиша (1731—1810), Лавуазье выяснил химическую природу воды. Кавендиш синтезировал воду из «го­

рючего воздуха» и кислорода. В 1787 году Кавендиш определил «горючий воздух» как новый химический элемент и дал ему название «водород». Ла­ вуазье провел анализ воды, получив при этом водород.

Сочетание анализа и синтеза Лавуазье считал основополагающим прин­ ципом химии. Он писал:

«У химии есть вообще два способа определить состав какого-нибудь вещества: синтез и анализ. Не следует считать себя удовлетворенным, пока не удастся ис­ пользовать оба эти способа проверки».

Таким образом, Лавуазье исследовал и атмосферный воздух, и воду, и другие химические соединения.

Лавуазье строго придерживался принципа, -что при химических процес­ сах ничто не возникает и ничто не исчезает, а масса всех участвующих в про­ цессе веществ остается неизменной. Сейчас мы называем этот принцип за­ коном сохранения массы. Сформулированное в развернутом виде в «Началь­ ном курсе химии» (1789 г.), это открытие Лавуазье стало одним из фунда­ ментальных принципов естествознания.

5.3. Химическая атомистика

Вряд ли мы ошибемся, если посчитаем, что атомистические представления существовали во все времена, то есть с самого начала естествознания. Вспомним, к примеру, воззрения Демокрита и Эпикура. Однако до середи­ ны XIX века модели строения вещества относились больше к фантазии, чем к науке. Для того, чтобы человечество смогло проникнуть в микромир, дол­ жен был появиться соответствующий теоретический и экспериментальный научный инструментарий. Современные понятия об атоме и молекуле со­ здала химия. Отцом химической атомистики считается Джон Дальтон (1766 — 1844), имя которого широко известно по описанной им цветовой слепоте, называемой дальтонизмом. Первым шагом к установлению атоми­ стической гипотезы в химии был закон кратных отнош ений, открытый Дальтоном. Уже Лавуазье и Кавендиш предполагали, что для определенных химических соединений весовые отношения химических элементов, входя­ щих в это соединение, является неизменной величиной. Дальтону, пытав­ шемуся распространить закон постоянства весовых отношений на газооб­ разные соединения, пришла в голову счастливая мысль вычислить весовые отношения при соединении элементов с кислородом. Оказалось, что весо­ вые количества кислорода, соединяющегося с определенным количеством другого элемента, находятся между собой в простых целочисленных отно­ шениях. Дальтон сформулировал закон, получивший название «закон крат­ ных отношений». По этому закону, вообще, весовые количества одного и того же элемента, вступающие в реакцию с неизменным количеством дру­ гого элемента, находятся между собой в простых кратных отношениях. Ос­ новываясь на этом законе, Дальтон разработал теорию атомного строения