Учение о составе вещества

Этап XVI — первой половины XVII в. непосредственно подвел к созданию химии как науки. В этот период проведен огромный объем экспериментальной работы и наблюдений в области химии. Так, были разработаны и усовершенствованы конструкции химических печей и лабораторных приборов, такие важные методы очистки веществ, как кристаллизация, перегонка и др., получены новые химические препараты.

Большую роль для становления учения о составе веществ сыграли идеи французского философа П. Гассенди (1592—1655): «Существует определенное число неделимых и непроницаемых атомов, из которых составлены все тела»^[1]. При этом тела образуются не непосредственно атомами, а состоят из их соединений — молекул (от лат. moles — масса, с уменьшительным суффиксом — cula). Так в 1624 г. в химию вошло одно из ее важнейших понятий.

Английский химик и физик Р. Бойль (1627—1691) в 1661 г. публикует труд «Скептический химик», где критикует алхимиков, занятых бесплодными поисками химического способа превращения ртути и свинца в золото. Его мощная научная интуиция проявилась не только в отвержении идеи древних мыслителей о четырех началах как о первичных химических элементах. Бойль отказывается и от поиска единственного первоначала, хотя его современники такие поиски вели: так, голландский ученый Я. ван Гельмонт (1579—1644) считал, что главным химическим элементом на Земле является вода.

Бойля часто называют ученым, который положил конец алхимии, дал определение элементу и заложил основы современной химии. Историки химии показывают, что «все эти утверждения ошибочны, преждевременны и как минимум неточны… на протяжении многих лет бытовал миф, что он дал современное определение понятию „элемент“, и этот миф перепечатывали из одного учебника в другой, не сверяясь с первоисточниками… Однако он не только не дал никакого определения элементу, но и отрицал его существование, основываясь на античной концепции»¹ (табл. 13.1).

Таблица 13.1

Время открытия некоторых химических элементов.

Однако роль Бойля не следует преуменьшать: он выступал за наблюдения и опыты, которые могут либо опровергнуть, либо укрепить какую-либо идею. Он также указывал на отсутствие точного определения понятия «элемент», которое его современники трактовали по-разному. Бойль склонялся к тому, что элементами можно считать «простые или совершенно несмешанные тела». Однако он сомневался, может ли существовать такое тело, которое постоянно встречается «в каждом из тех тел, о которых говорят, что они неразложимы»^[2][3]. Сомнение вполне справедливо: то, что для химии сегодня неразложимо, может быть с развитием химической технологии завтра разложено на составляющие. В это время металлы считались сложными телами, а через век после Р. Бойля к простым веществам относили «земли», которые на деле являлись оксидами металлов.

Таким образом, его атомистика двойственна: с одной стороны, он склонялся «к признанию элементов как материальных носителей химических свойств., а с другой — [она] представляла собой отрицание элементов, умозрительно опирающееся на механику»¹. Такая позиция становится более понятной, если учесть, что к этому времени еще не было известно ни одного химического элемента (только в 1669 г. был открыт фосфор).

Первая последовательная химическая теория — теория флогистона — на протяжении почти всего XVIII в. разделялась большинством химиков и объясняла многие химические явления, хотя и была ложной. Немецкий ученый Г. Э. Шталь (1659—1734) считал: все вещества, способные гореть или изменяться при прокаливании (например, металлы, превращающиеся в оксиды), содержат невесомый флюид — флогистон (греч. Jlogizein — зажигать, гореть), а в процессе горения или обжига вещества этот флюид отдают. Так, пчелиный воск и уголь состоят практически лишь из флогистона, который при горении улетучивается. Шталь утверждал, что металлы состоят из извести и флогистона, который выделяется при горении в виде огня, а в осадке остается соль.

Ценность этой теории состояла в том, что она давала возможность с единой точки зрения объяснять механизмы протекания химических процессов, которые прежде рассматривались как разрозненные. По Шталю, флогистон материален лишь в сочетании с другими веществами в сложных телах, а при нагревании этих тел он проявляется в виде огня. Флогистону даже приписывали отрицательный вес, поскольку продукты прокаливания (оксиды) оказывались тяжелее исходных веществ^[4][5].

Факт из истории науки

В 1766 г. за изыскание наилучшего способа освещения улиц А. Лавуазье получил от Парижской академии наук золотую медаль. В 1768—1791 гг. был членом «Компании откупов» — организации финансистов, которая брала на откуп государственные налоги. Приобрел большое состояние, часть которого израсходовал на устройство химической лаборатории и проведение успешных научных исследований, в результате которых Франция стала страной передовой химической науки. Однако в 1794 г. вместе с другими откупщиками А. Лавуазье был казнен по приговору революционного трибунала.

Главную роль в опровержении этой концепции сыграл французский химик А. Л. Лавуазье (1743—1794), работы которого содействовали превращению химии в науку, основанную на точных измерениях, в частности, на точном взвешивании веществ. Лавуазье:

• • открыл основной закон химических превращений под влиянием тепла и стал родоначальником термохимии;
• • доказал, что вода состоит из водорода и кислорода и искусственно получил воду из этих газов;
• • опубликовал «Начальный учебник химии»;
• • объяснил — даже по современным представлениям совершенно верно — процессы дыхания живых организмов;
• • ввел в практику преподавания химии используемые и по сей день наименования веществ, содержащих несколько элементов.

Выявление им роли кислорода в образовании различных химических соединений позволило отказаться от прежних представлений о флогистоне и показать, что «флогистон Шталя — воображаемое вещество»¹. Он впервые правильно истолковал явления горения и обжигания как процессы соединения веществ с кислородом, который также необходим для дыхания живым существам (поэтому и его назвал «жизненным воздухом»).

Факт из истории науки

Британский физик и химик Г. Кавендиш (1731 — 1810) считал, что «горючий воздух» (водород) — вода, насыщенная флогистоном, а кислород — вода, лишенная флогистона. Когда они соединяются, результатом становится вода, как простое вещество. Синтезировав воду из водорода и кислорода, Лавуазье доказал, что вода — это сложное вещество, а процесс ее синтеза не нуждается во флогистоне. Именно поэтому историки химии говорят, что «вода убила флогистон».

Постепенно химики открывали все новые и новые химические элементы, описывали их свойства и реакционную способность и накопили огромный эмпирический материал, который необходимо было систематизировать. Однако были еще неясны системообразующие факторы, а их прояснение происходило постепенно.

Школьный учитель из Манчестера Дж. Дальтон (1766—1844) обнаружил, что в пяти окислах азота (N₂0, NO, N₂0₃, N0₂, N₂O_f)) весовые количества кислорода и азота соотносятся как целые (а не дробные!) числа: 1: 2: 3 :4: 5. Так был открыт закон кратных отношений (1802): веса химических элементову образующих различные соединения_у относятся друг к другу как целые числа. Объяснить этот факт можно было лишь наличием атомов: «Теория кратных отношений осталась бы без атомистической теории чистой мистикой», — писал Дальтон шведскому химику Й. Берцелиусу^[6][7].

Однако атомизм в химии утверждался с трудом. Основатель физической химии В. Оствальд даже в начале XX в. решительно отрицал существование атомов: «То, что мы называем материей, является лишь совокупностью энергий, собранной воедино в данном месте»^[8].

• [1] Цит. по: Энциклопедия для детей. Т. 17. Химия. С. 20.
• [2] Наука. Величайшие теории. Выи. 45. Под давлением. Бойль. Закон Бойля: пер. с итал.М.: Де Агостини, 2015. С. 124.
• [3] Цит. по: Соловьев 10. И. История химии: Развитие химии с древнейших времен до концаXIX в. М.: Просвещение, 1983. С. 36.
• [4] Кузнецов В. И. Общая химия: тенденции развития. М.: Высшая школа, 1989. С. 34.
• [5] В этот период именно оксиды (т.е. окислы металлов) считались простыми веществами, а металлы характеризовались как сложные вещества, состоящие из оксидов и флогистона.
• [6] Цит. по: Дорфман Я. Г. Лавуазье. М.: Изд-во АН СССР, 1962. С. 209—210.
• [7] Цит. по: Некрасов Б. В. Основы общей химии. М.: Химия, 1973. Т. 1. С. 10.
• [8] Цит. по: Энциклопедия для детей. Т. 17. Химия. С. 153.