Закон сохранения массы

Флогистонная теория была окончательно отброшена во второй половине XVIII в. в результате появления многих новых экспериментальных фактов и открытия первого фундаментального закона химии — закона сохранения массы. Это открытие связано с деятельностью первого великого русского ученого М. В. Ломоносова.

Михаил Васильевич Ломоносов родился 8 ноября 1711 г. в деревне Денисовкс близ г. Холмогоры Архангельской губернии в семье рыбака-помора. Обучившись чтению и письму у одного грамотного односельчанина, Ломоносов скоро перечитал все книги, какие только мог достать в деревне. Огромная любознательность и страстная тяга к знанию побудили его в возрасте 19 лет покинуть родную деревню. Зимой 1730 г. Ломоносов пешком и почти без денег отправился в Москву, где добился зачисления в Славяно-греко-латинскую академию — единственное в то время в Москве высшее учебное заведение.

Суровая обстановка в академии и тяжелое материальное положение не сломили стремления молодого Ломоносова к знаниям. Блестящие способности и упорный труд позволили ему за четыре года пройти программу семи классов академии. Последний класс Ломоносов не окончил, гак как был переведен, в числе 12 лучших учеников, в Петербург для обучения в университете при Академии наук.

Меньше чем через год после переезда в Петербург Ломоносов был направлен за границу для изучения металлургии и горного дела. В 1741 г. после возвращения на родину Ломоносов был назначен адъюнктом Академии по физическому классу, а вскоре стал профессором химии и полноправным членом Российской академии наук.

Ломоносов принадлежал к числу тех редких исключительно одаренных натур, научные идеи которых на многие десятилетия опережают свою эпоху. Его кипучая научная и практическая деятельность отличалась поразительной широтой и разносторонностью. Характеризуя эту деятельность, академик С. И. Вавилов в 1947 г. писал: «Только теперь, спустя два века, можно с достаточной полнотой охватить и должным образом оценить все сделанное этим удивительным богатырем науки. Достигнутое им одним в областях физики, химии, астрономии, приборостроения, геологии, географии, языкознания, истории достойно было бы деятельности целой Академии».

Ломоносов впервые определил химию как науку, в то время как его современники — западноевропейские химики рассматривали ее как описание операций, при помощи которых можно овладеть искусством «разлагать смешанные тела (сложные вещества) на их составные части или получать тела соединением составных частей». Ломоносов указывал, что предметом химии являются не сами химические операции, а то, что происходит «в смешанных телах» при химических операциях.

По Ломоносову, «химия — наука об изменениях, происходящих в смешанном теле…». Эту науку Ломоносов представлял себе как химические факты, объединенные математическим способом изложения и приведенные в систему на основе представлений о строении вещества. Человек, обладающий знанием внутренней природы вещества, «может объяснить все возможные изменения его, и в том числе разделение, соединение и т. д.». «Истинный химик должен быть теоретиком и практиком», — говорил Ломоносов. Точные опыты с чистыми веществами, с применением «меры и весов» должны сопровождаться теоретическим анализом результатов. Ломоносов указывал, какое важное значение имеет при этом представление о строении вещества: «Во тьме должны обращаться физики, и особливо химики, не зная внутреннего нечувствительных частиц строения». Опередив на десятилетия своих современников, Ломоносов разработал корпускулярную теорию строения вещества, предвосхитившую атомно-молекулярную теорию.

Ломоносов считал своей главной профессией химию, но он был в то же время и первым замечательным русским физиком.

Ясно представляя необходимость тесной связи между химией и физикой, он считал, что химию следует изучать при помощи физики и что химические явления могут получить правильное истолкование только на основе физических законов. В «Слове о пользе химии» Ломоносов писал: «Химик без знания физики подобен человеку, который всего искать должен ощупом. И сии две науки так соединены между собою, что одна без другой в совершенстве быть не могут».

Применяя физику для объяснения химических явлений, Ломоносов заложил основы новой науки — физической химии. В «Курсе истинной физической химии» он впервые дал четкое определение этой дисциплины: «Физическая химия есть наука, объясняющая на основании положений и опытов физики то, что происходит в смешанных телах при помощи химических операций».

Глубоко веря в могущество человеческого знания, Ломоносов все годы своего пребывания на посту академика неутомимо боролся за распространение просвещения в России, за процветание русской науки. В частности, по проекту Ломоносова и указу императрицы Елизаветы в 1755 г. был открыт Московский университет, ставший важнейшим центром русского просвещения и науки.

Одним из главных вопросов, занимавших химиков того времени, был вопрос о природе огня и о сущности процессов горения и обжига металлов. Флогистонная теория объясняла эти процессы тем, что обжигаемые металлы теряют флогистон. Наряду с этой теорией широкое распространение имела теория, предложенная в 1673 г. Р. Бойлем, согласно которой при обжигании металлов тончайшая «материя огня» проникает в металлы и, соединяясь с ними, вызывает увеличение их массы.

Ломоносов весьма скептически относился ко «всякого рода невесомым материям», перемещением которых в то время объясняли явления тепла и холода, электричества и света. В своей диссертации «Размышления о причине тепла и холода», доложенной Академии в 1745 г., он подвергает резкой критике теорию «теплотворной материи», или «теплорода», доказывает невозможность существования такой материи и излагает разработанную им механическую теорию тепла, объясняющую тепловые явления движением мельчайших частичек, образующих все тела. В этой же работе Ломоносов впервые высказывает мысль о том, что увеличение массы металлов при прокаливании может происходить не от проникновения в них «материи огня», как предполагал Бойль, но от соединения металлов с окружающим воздухом. Эта же мысль в более категорической форме выражена Ломоносовым в 1748 г. в его письме к знаменитому математику Л. Эйлеру, где, разбирая опыты Бойля с обжиганием металлов, он пишет: «Нет никакого сомнения, что частички воздуха, непрерывно текущего над обжигаемым телом, соединяются с ним и увеличивают вес его».

Позднее, добившись после долгих усилий организации при Академии наук химической лаборатории, Ломоносов приступает к опытной проверке своих предположений. С этой целью он решает прежде всего проверить опыты Бойля с обжиганием металлов.

Бойль прокаливал металлы в запаянных стеклянных ретортах. Когда на металлах образовывалось некоторое количество окалины, Бойль вскрывал реторты, отмечая при этом вхождение в них воздуха как доказательство герметичности запайки реторт, после чего взвешивал их. Ломоносов проделал такие же опыты, как и Бойль, с той только разницей, что он взвешивал реторты с металлом до и после прокаливания, не вскрывая их. Сохранилась следующая запись Ломоносова об этих опытах: «Делал опыты в заплавленных накрепко стеклянных сосудах, чтобы исследовать, прибывает ли вес металла от чистого жару. Оными опытами нашлось, что славного Роберта Бойля мнение ложно, ибо без пропущения внешнего воздуха вес сожженного металла остается в одной мере».

Из опытов Ломоносова прежде всего вытекало, что увеличение массы при обжигании металлов не может быть объяснено ни присоединением к ним «материи огня», как полагал Бойль, ни потерей ими флогистона, как утверждали флогистики. В то же время, вскрывая сосуды по окончании опытов, Ломоносов установил, что масса сосудов увеличивается именно потому, что в них входит воздух. Тем самым он доказал, что прибавление массы металла при накаливании происходит от соединения металла с воздухом. Так простейшие с современной точки зрения, но тщательно продуманные опыты Ломоносова позволили установить закон сохранения массы в применении к химическим реакциям.

Суммарная масса веществ до реакции равна суммарной массе веществ после реакции.

Именно это и было показано Ломоносовым. В реакции вступали часть помещенного в сосуд металла и часть имевшегося там воздуха, но масса продуктов реакции вместе с не вступившими в реакцию веществами оставалась неизменной. Приведем закон сохранения массы, как он был сформулирован Ломоносовым в 1760 г.: «Все перемены, в натуре случающиеся, такого суть состояния, что сколько чего у одного тела отнимется, столько же присовокупится к другому. Так ежели где убудет несколько материи, то умножится в другом месте». На 18 лет позднее Ломоносова закон сохранения массы открыл великий французский химик А. Лавуазье. В Европе не были знакомы с трудами Ломоносова, но это, конечно, не его вина. Сам Ломоносов опирался на труды предшественников и, в частности, изучал работы Р. Бойля.

Мысль о том, что вещество вообще не может исчезать или возникать вновь, что количество его во Вселенной остается неизменным, была высказана греческими философами еще в V в. до н.э. и принималась многими философами XVII и XVIII вв. как положение, не требующее никаких доказательств. Однако химики того времени еще не оценили всей важности этого положения для химии и не обращали должного внимания па количественную сторону химических процессов.

Ломоносову принадлежит заслуга введения в химию количественных определений. При всех химических опытах он неизменно пользовался весами, определяя вес (массы) веществ, взятых для проведения реакции и полученных в результате реакции.

Как выяснилось в ходе дальнейшего развития науки, закон сохранения массы является предельным случаем сохранения массы-энергии для процессов, сопровождающихся сравнительно небольшими энергетическими эффектами. Такими процессами являются все химические реакции. Изменения массы реагирующих веществ за счет выделения или поглощения энергии находятся далеко за пределами достигнутой точности определения массы.

Закон сохранения массы неоднократно подвергался проверке на протяжении XIX и начала XX вв. Особенной тщательностью отличаются исследования Г. Г. Ландольта, относящиеся к 1909 г. Ландольт производил взвешивания с точностью до 10^_6% и пришел к заключению, что в этих пределах масса вещества при химических реакциях остается неизменной.