Глава 4. Теория флогистона.

4.1. Начало систематизации экспериментальных данных.

Для химии конца 17- начала 18 вв. характерно возрастание интереса к экспериментальным работам и некоторое отдаление от умозрительных концепций. Область химических исследований расширилась: началось весьма интенсивное изучение состава и свойств веществ минерального (а затем и растительного ) происхождения. Возрастающее количество эмпирических фактов вызывало необходимость их систематизации, которая в первую очередь предполагала установление общих черт, характерных для анализируемых объектов или процессов.

В конце 17 в. при систематизации эмпирических химических фактов рассматривались не столько сами вещества, сколько процессы, которые могут быть с ними произведены. В это время важное место в химических исследованиях заняли всевозможные реакции горения и обжига тел на воздухе, а также обратные операции (например, выделение металлов из их соединений), и постепенно возникла потребность осмысления фактов, накопившихся при изучении этих реакций. Были предприняты попытки выявить то общее, что объединяет эти процессы, и выяснить, что придает телам горючесть.

Вопрос о природе горения.

Отметим, что в 17 в. существовали самые разнообразные представления и природе горения. Среди них следует отметить взгляды немецкого ятрохимика И.И. Бехера. Он считал, что свойство горючести придает телам одна из составных частей горючих тел- жирная земля (в комбинации с серой и частицами соли). Согласно Бехеру, жирная земля наряду с ртутной и стеклующейся землями входила в состав металлов и обладала способностью улетучиваться при их обжиге.

Существовали и иные взгляды на горение тел. Так, английский естествоиспытатель Р.Гук считал этот процесс растворением в воздухе – универсальном растворителе горючих субстанций. Английский врач Дж. Мэйоу высказывал предположение об участии в горении частиц воздушного спирта селитры- вещества,содержащегося в воздухе и в селитре. Некоторые ученые пытались объяснить экспериментальный факт увеличения веса металла при обжиге в открытых сосудах.Н.Лефевр объяснял этот привес фиксацией металлом ,, рассеянного повсюду духа,,, а французский врач Ж.Рей – поглощением воздуха, который как будто подвергался сгущению и прилипал к мельчайшим частицам окалины. Р. Бойль, проводивший аналогичные опыты в запаянных и взвешенных после распаивания сосудах, считал, что при прокаливании тонкая материя огня проникает сквозь стекло сосуда и соединяется с металлом, превращая его в окалину и увеличивая вес. Все указанные примеры хорошо иллюстрируют то упомянутое выше своеобразное сочетание алхимического, корпускулярного и элементаристского (аналитического) подходов во взглядах на вещества и их свойства и превращения, которое существовало в химии 17-18вв.

4.2. Создание теории флогистона.

В начале 18 столетия задача систематизации процессов, связанных с горением, и сведения их к общему принципу была решена в теории флогистона- фактически первой химической научной теории Нового времени. Эту теорию развил немецкий химик и врач Г. Шталь.

Шталь примыкал к эмпирическому элементаристскому направлению и считал химическими началами тел те компоненты, на которые тела могут быть разложены с помощью химических операций- главным образом, обжига. Эти компоненты Шталь считал не элементарными (т.е. принципиально неразлагаемыми), а сложными, но полагал, что их можно рассматривать как исходные составляющие тел, поскольку выделение действительных (неразложимых) элементов не достижимо с помощью химического искусства. Таким образом, Шталь так же как и многие химики того времени, придерживался взглядов о предсуществующих в телах псевдоэлементах ( компонентах), что с современной точки зрения означает отсутствие четкого разграничения между понятиями элемент и химическое соединение. В рамках таких представлений и утверждалась теория флогистона.

Основной теории Шталя была идея о наличии во всех горючих веществах общего компонента- флогистона ( от греч. флогистос – воспламеняющийся), который исчезает в процессе горения. Эта идея, которую, как полагал сам Шталь, он заимствовал у И.Бехера, в действительности имела более глубокие корни ( так, например, сера алхимиков часто считалась носителем качества горючести). В трудах Шталя была, однако, сделана попытка практического подтверждения этой идеи, поскольку понимание компонента было уже во многом вещественным.

Изучая процесс горения дерева,сопровождающийся исчезновением пламени и образованием золы, Шталь сделал вывод о предсуществовании в дереве составляющих его компонентов- огненной субстанции и золы. Аналогичные эксперименты по обжигу некоторых металлов (например,свинца) подтверждали идею об их сложном составе ( окалина и флогистон). Такой же вывод напрашивался и при изучении ржавления ( окисления) железа.Эксперименты Шталя по обжигу неметаллов, например, фосфора и серы, приводили к мысли и об их сложном составе. Так, из факта образования после сгорания этих веществ белой золы (_____) или удушливых паров (____), которые после поглощения водой давали кислую реакцию, делалось заключение о том, что фосфор и сера состоят из кислоты и флогистона.

На многочисленных опытных примерах Шталь доказывал способность флогистона передаваться от одного вещества другом. Например, образование металла при прокаливании лишенных флогистона металлических окалин с углем объяснялось тем, что обогащенный флогистоном уголь передает его окалине. Таким же образом объяснялись и некоторые другие реакции, внешне не напоминающие процесс горения. Например, осаждение меди на железном гвозде в растворе медного купороса представлялось как результат передачи железом своего флогистона для образования меди. Отметим, что последователи теории Шталя отмечали и сходство некоторых жизненных процессов с горением, например, считали, что легкие беспрерывно выделяют флогистон.

______________теории флогистона.

Теория фогистона объединила в определенную систему известные к тому моменту разрозненные факты химии, охватив обширный круг важнейших химических процессов (горения, окисления, восстановления и др). Внешне очень разные реакции удалось свести к общему представлению о присоединении или выделении флогистона и противопоставить им другие, принципиально несходные процессы, например, взаимодействие кислот и щелочей. Эта теория, давшая последовательные и, казалось, подтверждаемые рядом экспериментов объяснения относительно состава тел и сущности многих реакций, была принята (хотя и не сразу) большинством химиков и просуществовала почти до конца 18 в. К числу ее приверженцев принадлежали такие известные ученые, как П.Ж. Макер, Э.Ф.Жоффруа (старший), Г.Ф.Руэль во Франции, Дж.Блэк, Г.Кавендиш, Дж.Пристли, Р.Кирван в Англии, К.В.Шееле и Т.У.Бергман в Швеции, а также большинство немецких химиков- И.Юнкер, А.С.Маркграф и др. Лишь немногие ученые, например, голландский химик Г.Бургаве, сомневались в правильности этой теории.

В плане понимания особенности химического мышления того времени, состоявшей в переходе от традиционного (алхимического и натурфилософского) восприятия веществ и их превращений к мышлению научному, теория флогистона очень показательна. С одной стороны, теория была принята несмотря на то, что флогистон не отождествлялся с каким-либо реальным веществом (было известно лишь его свойство улетучиваться при горении и передаваться от одного тела к другому). С другой стороны, уже ощущалась необходимость соответствия теории эксперименту, стимулировавшая постоянные попытки изолировать это гипотетическое вещество. Хотя Г.Шталь считал флогистон наилегчайшей материальной субстанцией (а не качеством), и в его взглядах чувствуется характерное для сторонников элементаристского направления принятие зависимости свойств тела от его состава, тем не менее, в теории флогистона еще сказывается традиция выведения состава тела из его свойств (раз вещество хорошо горит –значит, оно содержит горючую материю). Традиционным ( соответствующим взглядам античных философов и алхимиков) в теории Шталя осталось и представление о горении как о процессе распада, а не соединения.

Определенную трудность для развития теории флогистона представлял хорошо известный к тому времени факт необходимости воздуха для поддержания горения. Этот факт Г.Шталь объяснял способностью флогистона растворяться в воздухе (причем в ограниченном количестве, т.к. опыты доказывали ограниченную способность определенного объема воздуха поддерживать горение). Отметим, что растворением в воздухе и воспламенением объяснялась и невозможность выделить флогистон и собрать его.

Серьезное несоответствие теории Шталя экспериментальным данным заключалось в том, что отверждение об утрате металлами в реакциях горения некой составной части противоречило упомянутому выше факту увеличения их веса при обжиге. Сам Г.Шталь объяснял это увеличением плотности тела вследствие улетучивания легкого флогистона, другие же ученые не придавали этому факту особого значения. Те последователи теории Шталя, которые сознавали важность факта увеличения веса, объясняли его уникальной способностью флогистона не подчиняться закону тяготения (видимо, на основе наблюдения об устремлении пламени вверх) и приписывали этой гипотетической материи отрицательный вес.

4.3. Пневматическая химия.

В середине 18 в. сторонниками теории Шталя предпринимались многочисленные попытки изолировать флогистон. Особый интерес в этот период вызывала пневмотическая химия (химия газов, от греч. пневма-дух,газ).

Исследования в этой области позволили выделить воздухоподобные вещества из многих химических соединений. В 1750-х гг. шотландский химик Дж.Блэк получил связанный (углекислый газ) при обжиге известняка и белой магнезии (______) и изучил его свойства, а в 1772 г. Английский естествоиспытатель Д.Рутерфорд ( и одновременно и независимо от него английский химик и физик Г.Кавендиш) выделили флогистированный воздух (азот). В 1766-67 гг. Г.Кавендиш изучил горючий воздух (водород), получив его действием кислот на металлы. С позиций теории Шталя металл, растворяясь в кислоте, должен сначала выделить свой флогистон, поэтому получение водорода в указанной реакции сближало его с флогистном. Заключение о том, что горючий воздух входит в состав металла, подтверждалось и реакцией получения водорода действием водяных паров на железо при высокой температуре (поскольку вода считалась неразложимым веществом). Многие химики именно в водороде были склонны видеть наилучшее воплощение идеи флогистона. Однако после обнаружения веса у водорода его больше не отождествляли с флогистоном, а стали принимать за соединение последнего с парами воды.

В начале 1770-х гг. шведский химик К.Шееле разложением магниевой и калийной селитры получил огненный воздух (кислород) и заключил, что он состоит из воды, земли и флогистона. В 1774 г. Шееле при проведении реакции оксида марганца с соляной кислотой открыл новое вещество –хлор (дефлогистированную соляную кислоту), а в 1775 г. Получил мышьяковистый водород. В 1774 г8 английский ученый Дж.Пристли нагреванием оксида ртути и оксида свинца получил кислород, приняв его за дефлогистиованный воздух (воздух, от которого окись ртути отняла флогистон и превратилась в металл). Пристли показал, что в этом процессе остается также значительная часть соединенного с флогистоном, то есть флогистированного воздуха (азота). Таким образом, в соответствии с традиционными представлениями, воздух рассматривался как однородный газ, одна часть которого могла терять, а другая – приобретать флогистон.

Итак, в 1750-1775 гг. химия обогатилась открытием различных форм воздуха (газообразных веществ), среди которых так и не было найдено вещества, идентичного флогистону.

Путь к разграничению понятий ,,элемент,, и ,,соединение,, .

Важно отметить, что развитие пневматической химии и аналитических исследований во второй половине 18 в. оказало определенное влияние на представления химиков об элементах. Представление о различных видах первоэлементов (например, нескольких видов земли или нескольких видах воздуха) свидетельствовало об укреплении представлений о них как о химически индивидуализированных веществах и дальнейшем отдалении от традиционного понимания их как элементов- качеств. Более того, химики постепенно приходили к разграничению понятий элемент и соединение, т.к. к мысли о существовании различных, не разложимых на какие-либо компоненты и не трансмутируемых друг в друга элементов, сочетания которых образуют химические соединения и обусловливают их свойства. И хотя многие из химиков-флогистиков основными элементами по-прежнему считали огонь, воду, землю и воздух, они уже допускали существование других элементов, и, главное, воспринимали сами элементы ,,как результат лабораторно-аналитического исследования, а не как идеальные сущности, единственное назначение которых – объяснить наличие у данного сложного вещества определенного комплекса свойств,,(2). В этом контексте флогистон, выделить и изучить который не удавалось, был веществом в высшей степени неопределенным. Он рассматривался и как вещественные частицы огня, и как огненная материя, соединенная со стихийной землей, и как соединение теплотворного вещества со световым и т.п.

В итоге, расширение объектов химического исследования во второй половине 18 в. привело к открытию настолько большого количества самых разнообразных экспериментальных фактов, что они уже не могли быть систематизированы в рамках теории флогистона, которая, по словам французского ученого А.Фуркруа, ,, казалась потерянной среди этих обширных приобретений,, . Теоретическое переосмысление химической информации в конце 18 в. привело к опровержению флогистики и созданию новой системы представлений о химических веществах и их превращениях.