Возрождение атомистики. Р. Бойль и его вклад в развитие химической науки. Химик-скептик.
В XVI-XVI I вв. многие химики стремились связать теорию и эксперимент с потребностями ремесленной химии, объяснить природные явления не умозрительно, а на основании экспериментальных данных. Многие исследователи вновь обратились к античной атомистике. Одним из тех, кто полагал, что все многообразие материального мира связано с пространственным перемещением частиц материи, был французский философ, физик, математик и физиолог Рене Декарт (1596-1650). В отличие от древних атомистов, которые допускали существование пустого пространства, Декарт считал, что пространство полностью заполнено материей, поэтому движения должны совершаться по замкнутым кривым. Он отождествлял материю с протяжением, движение — с перемещением тел* По его мнению, движение вкладывает в материю бог, давая ей первый толчок, а затем начинает действовать закон сохранения количества движения. В 1647 г. появилась книга французского философа, математика, астронома и естествоиспытателя Пьера Гассенди (1592-1655) «О жизни, нравах и учении Эпикура», в которой он писал о веществах, состоящих из атомов, отличающихся по величие, форме и весу. В отличие от Эпикура (последователя Демокрита), он признавал сотворение атомов богом. Атомы, по его мнению, — неделимые, непроницаемые частицы. Между атомами в веществе находится пустота. Атомы могут при движении сталкиваться, при этом их скорость может как возрастать, так и уменьшаться. Гассенди высказал предположение, что атомы первоначально соединяются в особые группы, которые он назвал молекулами (это слово можно перевести как «массочка» — уменьшительное от латинского «молес» — масса).
Основы рационализма и экспериментального метода в химии заложил английский ученый Р. Бойль В 1661 г. в труде «Химик-скептик» он существенно развил атомистическую теорию, которая лежала в основе его химических представлений. Бойль ввел понятие о первичных корпускулах (мельчайших частицах) как элементах и о вторичных корпускулах как сложных телах. По Бойлю, элементы— «первоначальные и простые, вполне не смешанные тела, которые не составлены друг из друга, но представляют собой те части, из которых составлены все так называемые смешанные тела и на которые последние, в конце концов, могут быть разложены». Различия в их форме и массе объясняют качества индивидуальных веществ. Бойль совершенно отошел от алхимии, считая элементы именно веществами, а не «принципами» или идеями. Правда, это не мешало ученому считать воду чистым элементом, а золото, медь, ртуть и серу — химическими соединениями или смесями. В 1741 г. в работе «Элементы математической химии» великий русский ученый М.В.Ломоносов высказал вполне со временное представление об атомах как о мельчайших частицах химических элементов, способных связываться в более крупные частицы — молекулы (корпускулы), из которых состоят сложные вещества. Он различал однородные корпускулы, состоящие из одинаковых атомов, и разнородные корпускулы, состоящие из атомов различной природы, Корпускулам и атомам Ломоносов приписывал протяженность, тяжесть и шарообразную форму.
Бойль Роберт (1627-1691) — английский физик и химик. Считал, что химия может добиться истинной самостоятельности путем отделения от алхимии и медицины. В 1661 г. в книге «Химик-скептик» сформулировал первое научное определение химического элемента. Развил и экспериментально обосновал атомистическую теорию, способствовал становлению химии как науки, ввел в химию экспериментальный метод исследования, поло жил начало химическому анализу. В 1663 г. обнаружил, что лишайник «лакмус» меняет цвет в зависимости от кислотности среды, и первым применил его на практике в качестве кислотно-основного индикатора.
Ломоносов Михаил Васильевич (1711-1765) — русский ученый-энциклопедист, академик Петербургской АН с 1745 г. Учредил Химическую лабораторию Академии наук, одновременно проводил опыты на основанном им стекольном заводе вблизи Петербурга. Исследования относятся к области математики, физики, химии, геологии, почвоведения, астрономии. Первым из русских академиков приступил к под готовке учебников по химии и металлургии. Ему принадлежит заслуга создания Московского университета (1755), для которого он со ставил проект и учебную программу. Написал ряд трудов по истории, экономике, филологии. Заложил основы современного литературного русского языка.
Возникновение теории флогистона. Учения Шталя. Роль флогистонной теории в развитии науки.
Теория флогистона
Первая теория научной химии – теория флогистона – в значительной степени основывалась на традиционных представлениях о составе веществ и об элементах как носителях определённых свойств. Тем не менее, именно она стала в XVIII веке главным условием и основной движущей силой развития учения об элементах и способствовала полному освобождению химии от алхимии. Именно во время почти столетнего существования флогистонной теории завершилось начатое Бойлем превращение алхимии в химию.
Флогистонная теория горения была создана для описания процессов обжига металлов, изучение которых являлось одной из важнейших задач химии конца XVIII века. Металлургия в это время столкнулась с двумя проблемами, разрешение которых было невозможно без проведения серьёзных научных исследований – большие потери при выплавке металлов и топливный кризис, вызванный почти полным уничтожением лесов в Европе.
Основой для теории флогистона послужили традиционные представления о горении как о разложении тела. Феноменологическая картина обжига металлов была хорошо известна: металл превращается в окалину, масса которой больше массы исходного металла (Бирингуччо ещё в 1540 г. показал, что вес свинца увеличивается после прокаливания); кроме того, при горении имеет место выделение газообразных продуктов неизвестной природы. Целью химической теории стало рациональное объяснение этого феномена, которое можно было бы использовать для решения конкретных технических задач. Последнему условию не отвечали ни представления Аристотеля, ни алхимические взгляды на горение.
Создателями теории флогистона считаются немецкие химики Иоганн Иоахим Бехер и Георг Эрнст Шталь. Бехер в книге "Подземная физика" (1669) изложил свои очень эклектичные взгляды на составные части тел. Таковыми, по его мнению, являются три вида земли: первая – плавкая и каменистая (terra lapidea), вторая – жирная и горючая (terra pinguis) и третья – летучая (terra fluida s. mercurialis). Горючесть тел, по мнению Бехера, обусловлена наличием в их составе второй, жирной, земли. Система Бехера очень похожа на алхимическое учение о трёх принципах, в котором горючесть обусловлена наличием серы; однако Бехер считает, что сера является сложным телом, образованным кислотой и terra pinguis. По сути, теория Бехера представляла собой одну из первых попыток предложить нечто новое взамен алхимического учения о трёх принципах. Увеличение массы металла при обжиге Бехер традиционно объяснял присоединением "огненной материи". Эти взгляды Бехера послужили предпосылкой к созданию теории флогистона, предложенной Шталем в 1703 г., хотя и имеют с ней очень мало общего. Тем не менее, сам Шталь всегда утверждал, что авторство теории принадлежит Бехеру.
Суть теории флогистона можно изложить в следующих основных положениях:
1. Существует материальная субстанция, содержащаяся во всех горючих телах – флогистон (от греческого φλογιστοζ – горючий).
2. Горение представляет собой разложение тела с выделением флогистона, который необратимо рассеивается в воздухе. Вихреобразные движения флогистона, выделяющегося из горящего тела, и представляют собой видимый огонь. Извлекать флогистон из воздуха способны лишь растения.
3. Флогистон всегда находится в сочетании с другими веществами и не может быть выделен в чистом виде; наиболее богаты флогистоном вещества, сгорающие без остатка.
4. Флогистон обладает отрицательной массой.
Теория Шталя, подобно всем предшествующим, также исходила из представлений, будто свойства вещества определяются наличием в них особого носителя этих свойств. Положение флогистонной теории об отрицательной массе флогистона (значительно более позднее и признававшееся не всеми сторонниками теории) было призвано объяснить тот факт, что масса окалины (или всех продуктов горения, включая газообразные) больше массы обожжённого металла.
Процесс обжига металла в рамках теории флогистона можно отобразить следующим подобием химического уравнения:
Металл = Окалина + Флогистон
Для получения металла из окалины (или из руды), согласно теории, можно использовать любое тело, богатое флогистоном (т.е. сгорающее без остатка) – древесный или каменный уголь, жир, растительное масло и т.п.:
Окалина + Тело, богатое флогистоном = Металл
Необходимо подчеркнуть, что эксперимент может только подтвердить справедливость этого предположения; это являлось хорошим аргументом в пользу теории Шталя.
Флогистонная теория со временем была распространена на любые процессы горения. Тождество флогистона во всех горючих телах было обосновано Шталем экспериментально: уголь одинаково восстанавливает и серную кислоту в серу, и земли в металлы. Дыхание и ржавление железа, по мнению последователей Шталя, представляют собой тот же процесс разложения содержащих флогистон тел, но протекающий медленнее, чем горение.
Теория флогистона позволила, в частности, дать приемлемое объяснение процессам выплавки металлов из руды, состоящее в следующем. Руда, содержание флогистона в которой мало, нагревается с древесным углем, который очень богат флогистоном; флогистон при этом переходит из угля в руду, и образуются богатый флогистоном металл и бедная флогистоном зола.
Теория флогистона имела целый ряд несомненных достоинств:
– она просто и адекватно описывает экспериментальные факты, касающиеся процессов горения;
– теория внутренне непротиворечива, т.е. ни одно из следствий не находится в противоречии с основными положениями;
– теория флогистона целиком основана на экспериментальных фактах;
– теория флогистона обладала предсказательной способностью.
Флогистонная теория – первая истинно научная теория химии – послужила мощным стимулом для развития количественного анализа сложных тел, без которого было бы абсолютно невозможным экспериментальное подтверждение идей о химических элементах. Следует отметить, что положение об отрицательной массе флогистона фактически сделано на основании закона сохранения массы, который был открыт значительно позднее. Это предположение само по себе способствовало дальнейшей активизации количественных исследований. Ещё одним результатом создания флогистонной теории явилось активное изучение химиками газов вообще и газообразных продуктов горения в частности. К середине XVIII века одним из важнейших разделов химии стала т.н. пневматическая химия, основоположники которой Джозеф Блэк, Даниил Резерфорд, Генри Кавендиш, Джозеф Пристли и Карл Вильгельм Шееле явились создателями целой системы количественных методов в химии.
Во второй половине XVIII века теория флогистона завоевала среди химиков практически всеобщее признание. На основе флогистонных представлений сформировалась номенклатура веществ; предпринимались попытки связать такие свойства вещества, как цвет, прозрачность, щёлочность и т.п., с содержанием в нём флогистона. Французский химик Пьер Жозеф Макёр, автор весьма популярного учебника "Элементы химии" и "Химического словаря", писал в 1778 г., что флогистонная теория "…наиболее ясна и наиболее согласна с химическими явлениями. Отличаясь от систем, порождённых воображением без согласия с природой и разрушаемых опытом, теория Шталя – надёжнейший путеводитель в химических исследованиях. Многочисленные опыты… не только далеки от того, чтобы её опровергнуть, но, наоборот, становятся доказательствами в её пользу". По иронии судьбы, учебник и словарь Макёра появились в то время, когда век флогистонной теории подошёл к концу.