Айзек Азимов

Краткая история химии. Развитие идей и представлений в химии

Предисловие редактора перевода

Historia est magistra vitae: История — учитель жизни. По-разному реализовывали этот древний латинский завет историки науки. Иногда история науки использовалась в качестве инструмента оценки науки как важного элемента современной культуры — духовной и материальной. Вспомним капитальный труд Дж. Бернала, посвященный роли науки в истории общества [1]. В. Оствальд писал, что именно история науки дает лучший и наиболее надежный материал, на котором могут быть изучены закономерности в развитии человечества. Сам он в труде «Путеводные нити в химии» использовал историю химии для логической переоценки эволюционирующих основных понятий этой науки [2]. Центробежные тенденции в развитии науки, в частности химии, углубляющийся процесс дифференциации и специализации сделали необходимыми усилия профессиональных историков науки, анализирующих с различных позиций эволюции основных теоретических проблем химии [3] или представлений об ее основных законах [4]. История науки, таким образом, помогает заново воссоздать химию в ее логическом единстве, содействуя новейшим интеграционным тенденциям в ее развитии.

Можно смело признать, что во всех этих трудах история науки действительно предстает перед нами как учитель жизни. Однако здесь ее роль связана прежде всего с самосознанием науки. Она необходима ученым, чтобы лучше понять происходящие перемены, чтобы оценить место любого направления в сложнейшей развивающейся системе знаний.

А как обстоит дело с прямым дидактическим значением истории науки? Может ли она выступать действительно учителем? Можно ли с ее помощью ввести человека в неизвестный ему лабиринт знаний?

Почти никто не высказывает в этом сомнений. Но если мы посмотрим, много ли книг по истории науки можно использовать как своеобразное «Введение в специальность», то убедимся, что число их ничтожно. Оказывается, мало быть хорошим специалистом, чтобы используя исторические примеры, дать определение современной системе основополагающих понятий. Мало быть профессиональным историком, чтобы, отбросив все лишнее, показать только объединяющую логику развития науки. Необходимо обладать какими-то особыми качествами педагога, ученого и популяризатора, чтобы, не искажая исторической достоверности, провести читателя извилистым путем развивающегося знания и объяснить историческую закономерность и научную сущность всех основополагающих понятий науки в процессе их формирования.

Этими качествами обладает известный ученый, популяризатор и писатель-фантаст А. Азимов. Его не нужно представлять советскому читателю — много переводов его книг уже издано в нашей стране. Он знаком нам и как историк науки. В 1967 г. была переведена на русский язык его «Краткая история биологии» [5]. Но лишь в своей «Краткой истории химии», перевод которой мы представляем читателю, Азимов почти полностью реализовал дидактические возможности истории науки. Его книга, даже по строю и по форме,— это книга-учитель, книга-энциклопедия в первоначальном значении этого слова enkýklios paidéia — обучение по всему кругу знания.

Это не означает, что Азимов нашел идеальную форму для изложения истории науки — нет, речь идет только о реализации одной из ее важнейших и очевидных, но с трудом воспроизводимых возможностей. Но одновременно книга Азимова кое-что и потеряла. За ее пределами остались описания острой борьбы сторонников различных воззрений. Ряд принципиальных моментов истории поднесен не всегда точно. Так, в целом объективно излагая ход событий, Азимов поразительно небрежен при оценке роли А. М. Бутлерова в развитии химии. (Это тем более удивительно, что иногда менее значительные и сравнительно мало известные эпизоды — например, приоритет В. Н. Ипатьева перед Ф. Бергиусом — он излагает правильно.) Азимов абсолютизирует значение теории резонанса. Сама структура книги отвечает больше структуре общих курсов химии, нежели современным тенденциям эволюции структуры самой науки.

Всем этим вызвана необходимость в некоторых комментариях. В Советском Союзе исследования по истории химии получили широкое развитие. Труды Г. В. Быкова, В. И. Кузнецова, П. М. Лукьянова, С. А. Погодина, Ю. И. Соловьева, Я. П. Страдыня, Д. Н. Трифонова, Н. А. Фигуровского и других ученых известны далеко за пределами нашей страны. Кроме того, несколько лет назад издательство «Мир» подготовило два издания «Истории химии» М. Джуа в переводе Г. В. Быкова, под редакцией и с комментариями С. А. Погодина [6]. Это образцовое издание как с точки зрения перевода, так и редактирования и комментирования.

Этим наша задача была значительно облегчена. Во всех случаях мы имеем возможность отослать читателя к соответствующим трудам на русском языке. Поэтому комментарии, сопровождающие каждую главу, содержат помимо необходимых кратких дополнений и поправок, указание источников, к которым может обратиться читатель, заинтересовавшийся общими или частными вопросами истории химии соответствующего периода, а также жизнью и деятельностью крупнейших химиков прошлых эпох. Комментарии подготовлены редактором.



Литература

1. Бернал Дж. Наука в истории общества.— М.: ИЛ, 1956.

2. Оствальд В. Путеводные нити в химии. Семь общедоступных лекций по истории химии.— М.: Типо-литография В. Рихтер, 1908, 207 с. (Второе издание на русском языке вышло под названием «Эволюция основных проблем химии». М.,1909).

3. Соловьев Ю. И. Эволюция основных теоретических проблем химии.— М.: Наука, 1971, 380 с.

4. Кузнецов В. И. Эволюция представлений об основных законах химии.— М.;Наука, 1967, 311 с.

5. Азимов А. Краткая история биологии. Пер. с англ.— М.: Мир, 1967, 175 с.

6. Джуа М. История химии. Пер. с англ.— М.: Мир, 1966, 452 с; Джуа М. История химии. Пер. с англ.— М.: Мир, 1975, 477 с.



А. Шамин

Глава 1

Древние

Огонь и камень

Тысячелетия назад человек впервые создал искусственные орудия труда. Он научился обрабатывать камни, придавая им нужную форму, заостряя края. Прикрепив заостренный камень к деревянной палке, он сделал первый каменный топор. Но даже обработанный камень оставался камнем, а дерево — деревом.

Однако молния могла зажечь лес, дерево горело, и на месте пожара человек находил черную золу. Сладкий сок мог прокиснуть и странно бодрил. Люди заметили, что иногда природа вещества меняется.

Сейчас мы знаем, что это — результат химических превращений вещества. Они составляют предмет науки, которая получила название химии.

Как только человек научился разводить и поддерживать огонь, он получил возможность осуществлять химические превращения некоторых веществ. Эти превращения могли быть результатом горения или вызываться выделяемым при горении теплом. Птицу можно было сварить, и она изменяла цвет, вкус, становилась мягче. Глину можно было обжечь, и она становилась прочнее. Если человек разжигал костер в песке, он мог в золе найти стеклянные шарики.

Сначала человек использовал только те материалы, которые он находил вокруг — камни, дерево, кости, шкуры животных. Самым прочным из них был камень. О тех давно прошедших временах нам рассказывают каменные орудия первобытного человека, поэтому мы называем этот период каменным веком.

Человечество находилось еще в каменном веке, когда — около 8000 г. до н. э.— произошло коренное изменение в способе добывания пищи. Раньше человек добывал пищу охотой, теперь он научился приручать животных и заботиться о них. Он научился выращивать растения. С развитием скотоводства и земледелия человек получил возможность создавать запасы пищи, и население земли стало увеличиваться. Занимаясь земледелием, человек вынужден был оставаться на одном месте — возникли постоянные поселения и первые города. С этого началась цивилизация (само это слово происходит от латинского civitas — город).

На протяжении первых двух тысячелетий периода ранней цивилизации камень по-прежнему оставался основным материалом изготовления орудий труда, но способы его обработки значительно усовершенствовались. Для этого нового каменного века, или неолита характерно умение человека шлифовать камень.

Значительно усовершенствовалось гончарное дело. Культура неолита, медленно распространяясь из центральных областей Ближнего и Среднего Востока, достигла европейского континента. К 4000 г. до н. э. пришла пора дальнейших изменений — человек начал осваивать новые материалы, обладавшие очень ценными свойствами. Мы называем эти материалы металлами, возможно, от греческого слова «искать» [1].

Металлы

Первыми металлами, на которые человек обратил внимание, были самородные медь и золото. Красноватую медь и желтоватое золото, отливающие красивым металлическим блеском, нельзя было не заметить среди тусклой серовато-коричневой породы.

Вначале металлы, как и цветные камешки или перламутровые морские раковины, служили лишь украшением. Однако вскоре оказалось, что металлы выгодно отличаются от всех других украшений. Камень при ударе рассыплется в пыль, дерево и кость дают трещины; ударяя же по кусочку металла, можно придать ему нужную форму. Это свойство металлов (ковкость) было обнаружено, безусловно, совершенно случайно. Но вскоре после того, как человек узнал о ковкости металлов, он, повинуясь чувству прекрасного (которое всегда живет в нем), начал изготавливать из металлических самородков различные украшения, стараясь подчеркнуть красоту металла.

Обрабатывая медь, человек заметил, что изготовить из нее наконечник для стрелы гораздо легче, чем из камня, да и тупятся медные наконечники медленнее, чем каменные. Более того, заточить затупившийся медный наконечник намного проще и быстрее. Но меди было мало, найти ее было непросто, поэтому долгое время она служила в основном материалом для украшений.

Однако со временем выяснилось, что медь можно получить из камней определенного вида и что найти такие камни значительно проще, чем чистую самородную медь. Когда и как было сделано это открытие, мы с вами не знаем и, вероятно это навсегда останется тайной.

Но можно представить, как это произошло. Загорелся лес, росший на почве, в которой содержались какие-то голубоватые камни. Пришедшие на пепелище люди нашли в золе сверкающие шарики меди, и кто-то первый догадался, что, нагревая эти голубоватые камни на костре, можно получить медь. Наверное, прежде чем такая догадка осенила человека, он много раз наталкивался на шарики меди на пожарищах.

Возможность получения меди была окончательно установлена, по-видимому, около 4000 г. до н. э., и скорее всего это случилось на Синайском полуострове или в горных областях Шумера (территория современного Ирака), а возможно, и одновременно в этих двух районах [2].



Рис. 1. Плавильные печи устраивали таким образом, чтобы в них можно было получать из руды ковкий или плавкий металл. Медную руду (а) плавили в тигле. Железную руду (б) смешивали с древесным углем и, чтобы повысить температуру пламени, продували при помощи кузнечных мехов через горящую смесь воздух.



Так или иначе, но с этого времени медь стала вполне доступным материалом, и ее начали использовать для изготовления орудий труда, предметов домашнего обихода и т. д. Медная сковорода, найденная в захоронении, расположенном на территории Египта, датируется 3200 г. до н. э. А к 3000 г. до н. э. начали выплавлять и значительно более твердый, чем медь, металл — бронзу — сплав меди и олова. Произошло это также, несомненно, случайно. Вероятно, кто-то по ошибке нагрел вместе с медной и оловянную руду (рис. 1). Изготовленные из бронзы орудия труда найдены в гробнице фараона Итети, который правил в XXX в. до н. э. К 2000 г. до н. э. бронза уже широко использовалась для изготовления оружия и доспехов.

Самым крупным событием бронзового века была Троянская война. Воины того времени были одеты в бронзовые доспехи и вооружены дротиками с бронзовыми наконечниками. Не оснащенный таким образом воин был обречен. Поэтому кузнецы, ковавшие доспехи и оружие, пользовались особым уважением. Даже среди греческих богов был свой кузнец — хромоногий Гефест. И не случайно среди европейских фамилий так распространены фамилии, основу которых составляет слово «кузнец».

И еще раз на человека снизошло озарение. Люди бронзового века узнали о существовании железа — более твердого металла, чем бронза. Вначале железо было очень редким и дорогим металлом, так как это были обломки метеоритов. Получить его из рудного камня, как получали медь, казалось невозможным. Дело в том, что железо прочнее меди связано с рудой, в состав которой оно входит. Выплавить железо из руды на костре не удается, для этого необходимо более «жаркое пламя».

Секрет плавки железа был открыт примерно в 1500 г. до н. э. в Малой Азии [3]. Как было установлено, столь необходимое «жаркое пламя» может дать древесный уголь, если через горящий уголь продувать воздух. Первыми широко применять железо начали хетты (один из народов, населявших Малую Азию). В письме хеттского царя (датируемом 1280 г. до н. э.) наместнику богатого железом горного района совершенно определенно говорится о производстве железа.

Чистое железо не очень твердое. Однако в процессе плавки железо может вобрать в себя столько углерода из древесного угля, что в результате образуется поверхностный слой сплава железа и углерода, называемого сталью. Этот сплав тверже самой лучшей бронзы, и изготовленный из него наконечник после заточки долго остается острым. Получение стали явилось поворотным моментом в истории развития металлургии и в истории развития общества. Наступил железный век.

Располагавшие железным оружием дорийцы вторглись в 1100 г. до н. э. на Балканский полуостров и разгромили микенских греков. Микенские греки были более высокоцивилизованным народом, но еще не имели стали и были вооружены бронзовым оружием. Часть греков проникла в Ханаан и принесла с собой железное оружие. Это были те самые филистимляне, о которых так много говорится в Ветхом завете. И пока евреи не получили железного оружия (а это случилось при царе Сауле), они были по существу беспомощны.

Ассирийская армия была первой армией, полностью оснащенной железным оружием хорошего качества. Благодаря такому превосходству в вооружении ассирийцы покорили многие соседние народы и к 900 г. до н. э. основали могущественное государство.

Расцвету древнегреческой философии предшествовали определенные успехи, достигнутые в прикладной химии. Египетские мастера занимались производством металлов, красителей, они научились бальзамированию.

Согласно одной из теорий, слово khemeia происходит от древнего названия Египта — Kham (в английском переводе библии оно превратилось в Ham), и, таким образом, оно должно означать «египетское искусство». Однако в настоящее время более популярно другое объяснение. Предполагается, что слово γημέία произошло от греческого χυμός — сок растения, так что khemeia — это «искусство выделения соков». Сок, о котором идет речь, может быть и расплавленным металлом, так что khemeia может означать и «искусство металлургии».

Но каковы бы ни были источники слова khemeia, очевидно, что оно предок нашей «химии».

Греческие элементы-стихии

К 600 г. до н. э. греки, естественно научная мысль которых предвосхитила многие позднейшие научные открытия, обратили свое внимание на природу Вселенной и на структуру составляющих ее веществ. Греческих ученых, или «философов» (любителей мудрости), не интересовали способы получения тех или иных веществ и методы их практического использования, их интересовала главным образом суть веществ и процессов. Они искали ответ на вопрос «почему»? Другими словами, древние греки первыми занялись тем, что сегодня называется химической теорией.

Эта теория начинается с Фалеса (640—546 до н. э.) [4]. Фалес был греческим философом. Он жил в Милете, в Ионии — на западном побережье Малой Азии (на месте нынешней Турции). Фалес, вероятно, задавал себе следующий вопрос. Если одно вещество может перейти в другое, как голубоватый камень (азурит) переходит в красную медь, то какова же истинная природа вещества? Что представляет собой это вещество — камень или медь или ни то и ни другое? Любое ли вещество переходит в другое вещество (хотя бы постепенно), и если любое, то не являются ли все вещества разными вариантами одного и того же основного вещества?

На последний вопрос Фалес отвечал утвердительно, ибо только так, по его мнению, можно было внести ясность в описание окружающего мира. Теперь оставалось решить, что же представляет собой это основное вещество, или элемент[5].

Фалес решил, что этим элементом должна быть вода. Вода окружает сушу, насыщает воздух парами, пробивается через земную твердь ручьями и реками, а самое главное — без воды невозможна сама жизнь. Фалес представлял себе Землю в виде плоского диска, накрытого полусферической крышкой неба и плывущего по бесконечному океану воды.

Учение Фалеса о существовании некоего первоначала было воспринято и более поздними философами, спорным оставался лишь вопрос, является ли таковым вода.

В следующем столетии астрономы постепенно стали приходить к выводу, что небо — не полусфера, а сфера и что Земля также имеет сферическую форму и подвешена в центре пустой сферы неба.



Рис. 2. Алхимическая космология включала четыре элемента-стихии Аристотеля. При этом для обозначения и металлов и планет использовали одни и те же символы. На рисунке приведена схема Роберта Фладда (1574—1637), английского ученого эпохи Возрождения, который отдал дань оккультным наукам, предложив свою систему химических «элементов».



Древние греки не могли представить себе возможность существования вакуума (полной пустоты) и поэтому не верили в то, что между подвешенной Землей и далеким небом есть пустое пространство. Поскольку часть пространства между землей и небом, по наблюдениям человека, заполнена воздухом, то вполне можно было предположить, что воздух находится везде [6].

Вероятно, размышления такого рода привели древнегреческого философа Анаксимена из Милета (585—525 до н. э.) к выводу, что первооснова Вселенной — воздух. Анаксимен полагал, что по направлению к центру Вселенной воздух сжимается, образуя более твердые и плотные разновидности вещества — воду и землю (рис. 2).

Другой древнегреческий философ Гераклит (540—475 до н. э.) из соседнего с Милетом города Эфеса подошел к этому вопросу иначе. Если Вселенной свойственно меняться, рассуждал он, то поиск элемента необходимо связывать с поиском субстанции, для которой изменение наиболее характерно. Такой субстанцией Гераклиту представлялся огонь — вечно меняющийся и все изменяющий [7].

Во времена Анаксимена персы завоевали побережье Ионического моря. Пытаясь освободиться от власти персов, греки подняли восстание, но оно было подавлено. После подавления восстания гнет персов еще больше усилился, что не могло не сказаться на развитии науки. Спасаясь от персов, ионийцы бежали на запад. В 529 г. до н. э. покинул свой родной остров Самос и Пифагор (ок. 532—497 до н. э.). Он отправился в южную Италию, где основал философскую школу.

К числу приверженцев учения Пифагора принадлежал и греческий философ Эмпедокл из Агригента (490—430 до н. э.). Он тоже немало потрудился над вопросом, какой элемент лежит в основе мироздания. Ни одна из точек зрения ионийцев не представлялась ему предпочтительной. Почему должно быть только одно начало? Почему не могут существовать четыре начала — огонь Гераклита, воздух Анаксимена, вода Фалеса и земля, которую в число начал ввел сам Эмпедокл?

Представление Эмпедокла о четырех началах разделял величайший древнегреческий философ Аристотель из Стагиры (384—322 до н. э.). Аристотель считал четыре элемента-стихии не материальными субстанциями, а лишь носителями определенных качеств — теплоты, холода, сухости и влажности. Каждый из элементов-стихий является носителем двух свойств. В схеме Аристотеля допускались четыре комбинации: огонь — горячий и сухой, воздух — горячий и влажный, земля — холодная и сухая, вода — холодная и влажная.

Аристотель сделал еще один важный шаг. Каждый элемент он охарактеризовал определенным природным набором свойств. Так, огню присуще подниматься, а земле падать. Но свойства небесных тел отличались от свойств любого вещества земного происхождения. Не падая и не поднимаясь, небесные тела, казалось, постоянно вращались вокруг Земли.

Итак, Аристотель доказывал, что небеса состоят из «пятого элемента», который он называл эфир (от слова, означающего «сиять», ибо характерное свойство небесных тел — сияние). Поскольку небеса казались неизменными, Аристотель считал эфир совершенным, вечным, нетленным и абсолютно отличным от четырех несовершенных элементов земли.

Представление о четырех элементах-стихиях властвовало над умами людей два тысячелетия, и хотя в конце концов наука отвергла его, мы говорим о «бушующих стихиях», когда хотим сказать, что ветер (воздух) и волны (вода) подняли бурю. Что же касается «пятого элемента» (эфира, по латыни quintaessentia), то до сих пор, имея в виду чистейшую и наиболее концентрированную форму чего-то, мы говорим «квинтэссенция» (а ведь это название, которое дал Аристотель пятому всеобщему принципу).

Греческая атомистика

Другим важным вопросом, занимавшим греческих философов, был вопрос о делимости материи. Камень, расколотый пополам или растолченный в порошок, оставался тем же камнем, каждую крупинку которого можно было разделить на еще меньшие частички. До какого предела можно проводить такое деление и существует ли вообще такой предел?

Иониец Левкипп (ок. 500—440 до н. э.) первым задался вопросом, можно ли каждую часть материи, как бы мала она ни была, разделить на еще более мелкие части. Левкипп считал, что в итоге такого деления можно получить настолько малую частицу, что дальнейшее деление станет невозможным.

Демокрит из Абдеры (ок. 470—360 до н. э.), ученик Левкиппа, развил эту мысль своего учителя. Он назвал эти крошечные частички άτομος — «неделимые», и введенный им термин унаследовали и мы. Учение о том, что материя состоит из мельчайших частиц и что деление материи возможно лишь до известного предела, получило название атомистики, или атомистической теории.

Демокриту казалось, что атомы каждого элемента имеют особые размеры и форму и что именно этим объясняются различия в свойствах элементов. Реальные вещества, которые мы видим и ощущаем, представляют собой соединения атомов различных элементов, и, изменив природу этого соединения, можно одно вещество превратить в другое.

Все это звучит удивительно современно, но Демокрит не подкрепил свою теорию экспериментами. Древнегреческие философы вообще не ставили экспериментов, они искали истину в споре, исходя из «первопричин».

Для большинства философов (и особенно для Аристотеля) понятие о материальной частице, которую нельзя расщепить на более мелкие частицы, казалось настолько парадоксальным, что никто из них не мог его принять. Атомистическая теория оставалась не популярной в течение двух тысячелетий после Демокрита, о ней почти никто не вспоминал.

И все-таки атомистическая концепция полностью не исчезла. Древнегреческий философ Эпикур (ок. 342—270 до н. э.) использовал атомизм в своем учении, а эпикурейцы имели немало приверженцев и в последующие века. Одним из этих приверженцев был древнеримский поэт Тит Лукреций Кар (ок. 95—55 до н. э.), известный как Лукреций. Он изложил атомистические взгляды Демокрита и Эпикура в поэме «О природе вещей» («De Rerum Natura») — по мнению многих, лучшей из когда-либо написанных дидактических поэм (цель которых — обучение) [8].

Во всяком случае, в то время как труды Демокрита и Эпикура пропали, оставив лишь отрывки и цитаты, поэма Лукреция сохранилась полностью и донесла атомистическое учение до тех дней, когда в борьбу вступили новые научные методы, которые и привели атомизм к окончательной победе [9].

Глава 2

Алхимия

Александрия

После смерти Александра Македонского (323 г. до н. э.) его громадная империя распалась, но влияние греков по-прежнему распространялось на обширные территории Ближнего и Среднего Востока. И в последующие несколько веков («эллинистический период») в этих районах происходило интенсивное смешение культур. Один из военачальников Александра Македонского — Птоломей-Сотэр воцарился в Египте. В столице государства городе Александрии Птоломей основал храм муз «Мусейон», при котором была собрана богатейшая библиотека.

Древнегреческие философы ионийской школы (Фалес, Анаксимандр, Анаксимен, Гераклит), выдвигая идею о единстве всего сущего, в то же время разъединяли религию и естествознание.

Египтяне же, блестяще владея прикладной химией, тем не менее не выделяли ее в самостоятельную область знаний. Химия в Древнем Египте входила в «священное тайное искусство» жрецов. Обработка и подделка благородных камней, бальзамирование трупов и другие в общем-то совершенно не таинственные операции сопровождались молитвами, заклинаниями. Покровителем химии египтяне считали птицеголового бога Озириса. Познания египтян; в прикладной химии поразили греков, и, перенимая их конкретные знания, греки восприняли многое и из мистики. (Они даже отождествили Озириса с греческим богом Гермесом,) Поэтому слияние прикладной химии египтян с греческой натурфилософией в принципе оказалось не столь плодотворным.

Хотя в древние времена искусство khemeia было тесно связано с религией, простые люди страшились тех, кто им занимался: им казалось, что «химики» владеют тайным искусством и опасными знаниями. (Астролог с пугающим знанием будущего, химик с его удивительной способностью изменять вещества и даже жрец, знающий, как умилостивить богов и снять проклятия, служили прообразами волшебника, колдуна и чародея народных сказаний.)

Это общественное уважение или, правильнее сказать, боязнь заставляла тех, кто занимался khemeia, излагать свои писания загадочными туманными символами, что усиливало впечатление таинственности.

Например, известны семь небесных тел, постоянно меняющих свое положение и поэтому названных «планетами» («блуждающими звездами»). И известны семь металлов: золото, серебро, медь, железо, олово, свинец и ртуть (см. рис. 2). Почему бы не разбить их на пары? Именно тогда золото стали соотносить с Солнцем, серебро с Луной, медь с Венерой и т. д. Химические превращения объяснялись мифологическими сюжетами. Влияние тех взглядов чувствуется и сегодня. Старое название нитрата серебра lunarcaustic, или ляпис, явно указывает на связь серебра и Луны. Ртуть получила название от планеты Меркурий; ртуть — современное название металла, а древнее название ртути — hydrargyrum, т. е. «жидкое серебро»; почти идентично старое английское название — «живое серебро» (quicksilver).

Эта более или менее намеренная неясность языка химии имела два отрицательных следствия. Во-первых, она приводила к торможению прогресса, так как каждый работавший в этой области пребывал в неведении или по крайней мере терялся в догадках относительно того, чем же занимаются его коллеги, так что нельзя было ни учиться на ошибках, ни перенимать опыт. Во-вторых, любой мошенник и шарлатан мог, при условии, что он непонятно изъяснялся, выдать себя за серьезного ученого. Отличить ученого от плута было довольно трудно.

Первым значительным представителем греко-египетского khemeia, имя которого дошло и до нас, был Болос из Менде (ок. 200 г. до н. э.), города в дельте Нила. В своих работах Болос использовал имя Демокрита, и поэтому его называют «Болос-Демокрит» или иногда «Псевдо-Демокрит». Болос посвятил себя одной из важнейших задач khemeia — превращению одного металла в другой, и в частности превращению свинца или железа в золото (трансмутация).

Согласно теории о четырех элементах, различные вещества на Земле различаются только по характеру сочетании элементов. Эту гипотезу можно было принять вне зависимости от атомистических воззрений, так как элементы могут смешиваться и как атомы, и как однородные вещества. Действительно, предположение о том, что сами элементы взаимозаменяемы, не было лишено оснований. Вполне можно было допустить, что вода при испарении превращается в воздух, который в свою очередь превращается в воду во время дождя. Дерево при нагревании превращается в огонь и дым (вид воздуха) и т. п.

Почему же в таком случае не допустить возможность любого изменения? Может быть, все зависит только от выбора метода? Красноватый камень можно, используя ряд приемов, превратить в серое железо. Однако во времена Ахилла — храбрейшего из древнегреческих героев эти приемы были неизвестны, и Ахилл вынужден был осаждать Трою, облачившись в бронзовые доспехи. Почему же нельзя, используя какие-то другие способы, не известные во времена Александра Великого, превратить серое железо в желтое золото?

На протяжении столетий химики самозабвенно старались отыскать способ получения золота. Некоторые из них пришли к выводу, что проще и выгоднее сделать вид, что это им удалось, так как это давало власть и создавало репутацию. Подобные мошенничества продолжались вплоть до нового времени, но мы не будем касаться этой стороны khemeia.

Болос в своих работах приводил подробные описания методов получения золота, но это не было мошенничеством. Можно, например, сплавить медь с металлическим цинком и получить латунь — сплав желтого цвета, т. е. цвета золота. Весьма вероятно, что для древних исследователей изготовление металла цвета золота и означало изготовление самого золота.

Однако в эпоху Древнего Рима общий упадок греческой культуры сказался и на искусстве khemeia. После 100 г. н. э. к старым знаниям фактически перестали добавляться новые, зато работы старых авторов все чаще и чаще стали истолковываться в мистическом духе.

Например, приблизительно в 300 г. н. э. египтянин Зосима написал энциклопедию — 28 книг, которые охватывали все знания по khemeia, собранные за предыдущие пять или шесть веков. Ценность этой энциклопедии не слишком велика. Конечно, в ней можно найти любопытные сведения, в частности, о мышьяке. Зосима описал методы получения ацетата свинца; он указал, что у этого ядовитого соединения сладковатый вкус (название «свинцовый сахар» дошло до наших дней).

Окончательный удар khemeia нанес страх. Римский император Диоклетиан боялся, что получение дешевого золота окончательно подорвет шаткую экономику разваливающейся империи. Он приказал уничтожить труды по khemeia, и это одна из причин того, почему их так мало дошло до наших дней.

Другой причиной было распространение христианства. «Языческие знания» стали не популярны, а искусство khemeia, тесно связанное с древней египетской религией, казалось особенно подозрительным, и вскоре оно фактически стало нелегальным [10].

Древний Рим в целом стал отходить от древнегреческой культуры. Христианство разбивалось на секты, одна из них приняла название несторианской — по имени сирийского монаха Нестора, жившего в V в. Ортодоксальные христиане Константинополя преследовали несториан, и часть из них бежала на восток, в Персию; персидские монархи благоволили к ним (вероятно, надеясь использовать их против Рима). Несториане принесли с собой в Персию греческую культуру; наивысший подъем их власти и влияния приходится приблизительно на 550 г. н. э. [11]

Арабы

В VII в. на мировой арене появились арабы. До тех пор они жили изолированно в пустынях Аравийского полуострова, но со второй половины первого тысячелетия под знаменем новой религии — ислама, начали победоносное шествие и захватили большие районы западной Азии и северной Африки. В 641 г. н. э. они вторглись в Египет и вскоре заняли всю страну, а через несколько лет такая же судьба постигла и Персию. Возникла огромная арабская империя.

Подражая древним властителям, арабские халифы начали покровительствовать наукам, и в VIII-IX вв. появились первые арабские химики. Арабы преобразовали слово khemeia в al-kimiya. Европейцы позднее заимствовали это слово у арабов, и в результате в европейских языках появились термины «алхимия» и «алхимик». Термин «алхимия» сейчас употребляют, когда говорят о периоде истории химии, охватывающем около двух тысячелетий, начиная с 300 г. и до 1600 г.

Впервые с khemeia арабы познакомились довольно необычным образом. В 670 г. корабли арабского флота, осаждавшего Константинополь (самый большой и сильный город христианского мира), были сожжены «греческим огнем» — химической смесью, образующей при горении сильное пламя, которое нельзя погасить водой. По преданию, эту смесь изготовил занимавшийся khemeia Каллиник, который бежал из своего родного Египта (или, может быть, Сирии), спасаясь от арабов.

Страницы европейской истории химии периода между 300 и 1100 гг. фактически пусты. После 650 г. развитие греко-египетской алхимии полностью контролировалось арабами, и так продолжалось в течение пяти веков. Следы этого периода сохранились в ряде химических терминов с арабскими корнями: alembic (перегонный куб), alkali (щелочь), alcohol (спирт), carboy (оплетенная бутыль), naphta (лигроин), zircon (цирконий) и др.

Самым талантливым и прославленным арабским алхимиком был Джабир ибн Хайян (721—815), ставший известным в Европе позднее под именем Гебер. Он жил во времена наивысшего расцвета арабской империи (при Гарун аль-Рашиде, прославленном в «Тысяча и одной ночи»). Многочисленные труды Джабира написаны достаточно понятным языком. (Многие книги, приписанные ему, правда, могли быть написаны и позднее другими алхимиками.) Джабир описал нашатырный спирт и показал, как приготовить свинцовые белила. Он перегонял уксус, чтобы получить уксусную кислоту — самую сильную из известных в то время кислот. Ему удалось получить слабый раствор азотной кислоты.

Джабир изучал возможность трансмутации металлов, и эти его исследования оказали сильнейшее влияние на последующие поколения алхимиков. Джабир полагал, что ртуть является особым металлом, так как благодаря своей жидкой форме она содержит очень мало примесей. Столь же необычными свойствами обладает и сера: она способна воспламеняться (и к тому же она желтая, как и золото). Джабир считал, что все остальные семь металлов образуются из смеси ртути и серы, «созревающей» в недрах земли. Труднее всего образуется золото — наиболее совершенный металл. Поэтому, чтобы получить золото, необходимо найти вещество, ускоряющее «созревание» золота.

В старинных преданиях говорилось, что это вещество представляет собой сухой порошок. Греки называли его xerion, или «сухой», арабы изменили его на al-iksir, и в конце концов в европейских языках появилось слово эликсир. В Европе это удивительное вещество получило название философского камня. (Вспомним, что до 1800 г. «философами» называли всех «ученых».) Эликсир должен был обладать и другими чудесными свойствами: излечивать от всех болезней и, самое главное, давать бессмертие. И в последующие столетия алхимики шли двумя параллельными путями: одни искали золото, другие — эликсир жизни, дававший бессмертие.

Другой арабский алхимик Ар-Рази (865—925), ставший известным в Европе под именем Разес, занимался медициной и алхимией. Он завоевал почти такую же известность, как и Джабир. Ар-Рази описал методику приготовления гипса и способа наложения гипсовой повязки для фиксации сломанной кости. Он изучил и описал металлическую сурьму. Джабир рассматривал серу как принцип горючести, ртуть как принцип металличности, Ар-Рази добавил к этим двум принципам третий — принцип твердости, или соль. Летучая ртуть и воспламеняющаяся сера образовывали твердые вещества только в присутствии третьего компонента — соли.

Ар-Рази интересовался медициной больше, чем Джабир, но самым знаменитым врачом был бухарец Ибн-Сина (ок. 980—1037), гораздо более известный под латинизированным именем Авиценна. Его сочинения служили важнейшими руководствами для врачей в течение многих веков. Авиценна единственный из алхимиков не верил в возможность получения золота из других металлов.

Возрождение в Европе

Авиценна был последним крупным ученым арабского мира; наступала пора упадка. Опустошительные набеги монгольских орд ускорили этот процесс. Центр научной мысли вновь переместился в Европу.

В 1096 г. начался первый крестовый поход; христиане начали отвоевывать у мусульман захваченные ими земли. В 1099 г. христиане завоевали Иерусалим. Почти два столетия на побережье Сирии просуществовало христианское государство. Произошло некоторое смешение культур, и горсточка христиан, возвратившихся в Европу, познакомила европейцев с достижениями арабской науки. В то же самое время христиане постепенно возвращали себе Испанию, захваченную арабами в начале VIII в. Во время этих войн христианская Европа узнала о блестящей мавританской цивилизации [12]. Европейцы узнали, что арабы — обладатели книжных сокровищ: переведенных ими трудов греческих ученых, например Аристотеля, и сочинений своих ученых, например Авиценны.

Несмотря на сопротивление арабов, не желавших передавать столь ценные труды своему заклятому смертельному врагу, начались попытки перевода этих трудов на латинский язык. Этому начинанию всячески способствовал французский ученый Герберт (ок. 940—1003), который в 999 г. стал папой Сильвестром II.

Английский ученый Роберт из Честера был среди тех, кто первым перевел (ок. 1144 г.) арабские труды по алхимии на латинский язык. У него нашлось немало последователей. Лучшим переводчиком был итальянец Герард Кремонский (ок. 1114—1187). Большую часть своей жизни он провел в испанском городе Толедо, который был отвоеван христианами в 1085 г., и перевел с арабского языка 92 трактата.

Начиная с 1200 г. европейские ученые могли, близко познакомившись с наследием алхимиков прошлого, попытаться вновь двинуться вперед по тернистому пути познания.

Первым видным европейским алхимиком был Альберт Больштедский (около 1193—1280), более известный как Альбертус Магнус (Альберт Великий). Он тщательно изучил работы Аристотеля, и именно благодаря ему философия Аристотеля приобрела особое значение для ученых позднего средневековья и начала Нового Времени. Альберт Великий в описаниях своих алхимических опытов дает настолько точную характеристику мышьяку, что ему иногда приписывают открытие этого вещества, хотя, по крайней мере в примесях, мышьяк был известен алхимикам и до него.

Современником Альберта Великого был английский ученый монах Роджер Бэкон (1214—1292), который известен сегодня прежде всего благодаря своему четко выраженному убеждению, что залогом прогресса науки являются экспериментальная работа и приложение к ней математических методов [13]. Он был прав, но мир еще не был готов к этому. Бэкон попытался написать всеобщую энциклопедию знаний и в своих работах дал первое описание пороха. Иногда его называют изобретателем пороха, но это не соответствует действительности: настоящий изобретатель остался неизвестным. С изобретением пороха [14] средневековые замки перестали быть неприступными твердынями, а пеший воин стал более опасен, чем закованный в латы всадник.

Сочинения средневековых алхимиков — испанского врача Арнальда из Виллановы (ок. 1240—1311) и Раймунда Луллия (1235—1313), современников Бэкона, пронизаны мистическим духом алхимии (правда, сомнительно, что они в действительности были авторами этих работ). Эти труды в основном посвящены трансмутации. Считалось, что Луллий даже изготовлял золото для расточительного короля Англии Эдуарда II.

Имя самого видного из средневековых алхимиков осталось неизвестным; он подписывал свои труды именем Джабира, арабского алхимика, жившего за шесть веков до него. Этот «Псевдо-Джабир» был, вероятно, испанцем и жил в XIV в. Псевдо-Джабир первым описал серную кислоту — одно из самых важных соединений сегодняшней химии (после воды, воздуха, угля и нефти). Он также описал, как образуется сильная азотная кислота. Серную и сильную азотную кислоты получали из минералов, в то время как все ранее известные кислоты, например, уксусную кислоту, получали из веществ растительного или животного происхождения.

Открытие сильных минеральных кислот было самым важным достижением химии после успешного получения железа из руды примерно за 3000 лет до того. Используя сильные минеральные кислоты, европейские химики смогли осуществить многие новые реакции и смогли растворить такие вещества, которые древние греки и арабы считали нерастворимыми (у греков и арабов самой сильной кислотой была уксусная).

Минеральные кислоты дали человечеству гораздо больше, чем могло бы дать золото, если бы его научились получать трансмутацией. Если бы золото перестало быть редким металлом, оно мгновенно бы обесценилось. Ценность же минеральных кислот тем выше, чем они дешевле и доступнее. Но, увы, такова человеческая природа — открытие минеральных кислот не произвело впечатления, а поиски золота продолжались.

Шло время, и алхимия после многообещающего начала стала вырождаться в третий раз (в первый раз у греков, второй — у арабов). Поиск золота стал делом многих мошенников, хотя и великие ученые даже в просвещенном XVII в. (например, Бойль и Ньютон) не могли устоять от соблазна попытаться добиться успеха на этом поприще.

И вновь, как при Диоклетиане, изучение алхимии было запрещено. Запрещение преследовало две цели: нельзя было допустить обесценивания золота (вдруг трансмутация удастся!) и необходимо было бороться против мошенничества. В 1317 г. папа Иоанн XXII предал алхимию анафеме, и честные алхимики, вынужденные скрывать, чем они занимаются, стали изъясняться еще более загадочно, хотя жульничество на почве алхимии процветало, как и прежде.

Однако ветры перемен в Европе уже бушевали. Восточно-Римская (или Византийская) империя доживала последние дни. В 1204 г. столица империи Константинополь был варварски разграблен крестоносцами, и большинство памятников греческой культуры, сохранившихся к тому времени, было полностью разрушено. В 1261 г. греки вернули город, но от прежнего его великолепия уже не сохранилось и следа. В последующие два столетия войска турецких завоевателей все неумолимее приближались к городу, и в 1453 г. Константинополь пал и навсегда стал турецким. Спасаясь от нашествия турок, греческие ученые бежали в Европу, и те знания, те традиции древнегреческой науки, которые они принесли с собой, оказали мощное стимулирующее действие. В Европе начался период кропотливых исследований и важных открытий.

В XIII в. был изобретен магнитный компас и начало развиваться мореплавание. Сначала было проведено изучение побережья Африки, а в 1497 г. совершено путешествие вокруг этого континента. Европа начала торговать непосредственно с Индией и другими странами этого региона, не прибегая к посредничеству мусульманских стран. Еще более впечатляющими были путешествия Христофора Колумба (1492—1504 гг.), благодаря которым (хотя сам Колумб никогда не признавал этого факта) была открыта другая половина мира.

Европейцы узнали так много нового не известного великим греческим философам, что возникало ощущение, что греки в конце концов были обычными людьми, которые, как и все люди, могли ошибаться, и поэтому необязательно принимать на веру все их утверждения. Европейцы доказали свое превосходство в навигации, следовательно, можно было попытаться превзойти их и в других науках.

В этом же «веке открытий» немецкий изобретатель Иоганн Гутенберг (ок. 1397—1468) изобрел первый печатный станок с подвижными литерами, собирая которые в текст можно было напечатать любую книгу. Впервые в истории стало возможным выпускать дешевые книги и в достаточном количестве. Одной из первых была напечатана поэма Лукреция (см. гл. 1), благодаря которой в Европе широко распространилось атомистическое учение. С изобретением книгопечатания непопулярные взгляды не исчезали только потому, что никто не хотел взять на себя труд по переписке таких книг.

В 1543 г. были напечатаны две книги, авторы которых высказывали очень смелые по тем временам взгляды. Автором одной из этих книг был польский астроном Николай Коперник (1473—1543), утверждавший, что центром Вселенной является не Земля, как считали древние астрономы, а Солнце. Автор другой книги — фламандский анатом Андрей Везалия (1514—1564) — с беспримерной до него точностью описал анатомию человека. Труд Везалия, опиравшегося на личные наблюдения, опровергал многие представления, восходившие к древнегреческим источникам.

Это одновременное ниспровержение греческой астрономии и медицины (хотя греческие представления в ряде мест еще господствовали в течение столетия и даже более) ознаменовало начало научной революции, которая проникала в мир алхимии весьма медленно, проявляясь в основном в минералогии и медицине.

Конец алхимии

Совершенно иное понимание задач химии наметилось в работах двух современников врачей — немца Георга Бауэра (1494—1555) [15] и швейцарца Теофраста Бомбаста фон Гогенгейма (1493—1541).

Бауэр, более известный под именем Агриколы (что в переводе с латинского означает «крестьянин»), интересовался минералогией и ее возможной связью с медициной. Попытки обнаружить такую связь (как и сочетание врач-минералог) вообще характерны для химии того периода и последующих двух с половиной столетий. В своей книге «О металлургии» [16] («De Re Metallica») (рис. 3), изданной в 1556 г., Агрикола систематизировал практические знания, почерпнутые им у современных ему рудокопов.

Эта книга, написанная понятным языком, с прекрасными иллюстрациями шахтных устройств сразу же стала популярной и считается классической работой и в наше время [17]. Это самая значительная работа по химической технологии, появившаяся до 1700 г.; со времени ее издания минералогия была признана как наука. (Самой ценной книгой по металлургии и общей прикладной химии до Агриколы считали труд монаха Теофила, вероятнее всего грека, жившего примерно в X в.)



Рис. 3. Титульный лист книги Агриколы.



Фон Гогенгейм вошел в историю под выбранным им самим именем Парацельс, т. е. «превосходящий Цельса». Цельс — древнеримский ученый, писавший о медицине. Его труды, незадолго до того напечатанные, оказались (благодаря Парацельсу) предметом чрезмерного и необоснованного поклонения.

Парацельс, как и Авиценна (см. разд. «Арабы»), считал, что основная задача алхимии — не поиски путей получения золота, а изготовление лекарственных средств [18]. До Парацельса в качестве таковых использовались преимущественно растительные препараты, но Парацельс свято верил в эффективность лекарственных средств, изготовленных из минералов. Несмотря на свое негативное отношение к идее трансмутации, Парацельс был алхимиком старой школы. Он принимал древнегреческое учение о четырех элементах-стихиях и учение арабов о трех элементах-принципах (ртуть, сера и соль), искал эликсир жизни (и даже утверждал, что нашел его). Парацельс был уверен, что он открыл металлический цинк, и иногда честь этого открытия действительно приписывают ему, хотя цинк в составе руды и в сплаве с медью (латунь) был известен еще в древности. Труды Парацельса вызывали споры даже полвека спустя после его смерти. Последователи Парацельса усилили мистическое содержание взглядов своего учителя и свели некоторые из них до суеверий [19] и это в тот период, когда алхимики начали стремиться к конкретности и рационализму!

Немецкий врач алхимик Андрей Либау (ок. 1540—1616), известный под латинизированным именем Либавия, опубликовал в 1597 г. «Алхимию» — первый в истории учебник химии.

Либавий первым описал приготовление соляной кислоты, тетрахлорида олова, сульфата аммония и «царской водки» (aquaregia) — смеси азотной и соляной кислот, получившей свое название из-за способности растворять золото. Либавий считал, что минеральные вещества можно опознать по форме кристаллов, полученных после испарения раствора. Тем не менее он был уверен, что превращение металлов в золото возможно и открытие способа изготовления золота явится венцом химической науки, хотя и он соглашался с Парацельсом в том, что основная задача алхимии — служить медицине. В своем труде, написанным четким, ясным языком, Либавий яростно атаковал туманные теории, которые он называл «парацельсианскими».

В 1604 г. немецкий издатель Иоганн Тёльде выпустил книгу некоего средневекового монаха Василия Валентина (скорее всего это был псевдоним самого Тёльде), озаглавленную «Триумфальная колесница антимония», которая получила широкую известность.

Наиболее видным представителем нового направления в химии был немецкий химик Иоганн Рудольф Глаубер (1604—1668). Врач по образованию, он занимался разработкой и совершенствованием методов получения различных химических веществ. Глаубер разработал метод получения соляной кислоты воздействием серной кислоты на поваренную соль. Тщательно изучив остаток, получаемый после отгонки кислот (сульфат натрия), Глаубер установил, что это вещество обладает сильным слабительным действием. Он назвал это вещество «удивительной солью» (sal mirabile) и считал его панацеей, почти эликсиром жизни. Современники Глаубера назвали эту соль глауберовой, и это название сохранилось до наших дней. Глаубер занялся изготовлением этой соли и ряда других, по его мнению, ценных лекарственных средств и достиг на этом поприще успеха. Жизнь Глаубера была менее богата бурными событиями, чем жизнь его современников, занимавшихся поисками путей получения золота, но она была более благополучной.

Даже те, кто был глух к научным доводам, не могли не поддаться влиянию реальной жизни. Развивающиеся наука о минералах и медицина оказались настолько заманчивыми и доходными, что не было никакого смысла терять время на нескончаемые безуспешные попытки получить золото.

И действительно, в XVII в. значение алхимии неуклонно уменьшалось, а в XVIII в. она постепенно стала тем, что мы сегодня называем химией.

Глава 3

Переходный период [20]

Измерение

Несмотря на бурное развитие, химическая наука в определенном отношении все-таки отставала от других областей знания.

Так, например, в астрономии значение количественных измерений и необходимость математической обработки данных были уяснены еще в древние времена. Объясняется это скорее всего тем, что астрономические проблемы, рассматриваемые древними, были относительно просты и некоторые из этих проблем можно было решать, пользуясь только планиметрией.

Итальянский ученый Галилео Галилей (1564—1642), изучавший в 90-х годах XVI в. падение тел, первым показал необходимость тщательных измерений и математической обработки данных физического эксперимента. Результаты его работ почти столетие спустя привели к важным выводам английского ученого Исаака Ньютона (1642—1727). В своей книге «Начала математики» («Principia Mathematica»), опубликованной в 1687 г., Ньютон сформулировал три закона движения, которыми завершилась разработка основ механики. На базе этих законов в последующие два столетия развивалась классическая механика. В той же книге Ньютон сформулировал и закон тяготения, который более двух веков также служил вполне приемлемым объяснением движения планет и звездных систем и до сих пор справедлив в пределах представлений классической механики. При выведении закона тяготения Ньютон применил теорию чисел — новую и мощную область математики, которую он сам и разрабатывал.

При Ньютоне научная революция достигла своей высшей точки. Авторитет древнегреческих теорий был заметно поколеблен, ученые Западной Европы намного превзошли их, и можно было больше не оглядываться назад.

В химии переход от простого качественного описания к тщательному количественному измерению был осуществлен лишь столетие спустя после открытий Ньютона. Как это ни парадоксально, но, возводя здание классической астрономии и физики, грандиозность и красота которого восхитили научный мир, Ньютон оставался приверженцем алхимии и страстно искал рецепт превращения металла в золото.

Но химики лишь отчасти виноваты в том, что путь к неосуществимой цели оказался столь долгим. Все дело в том, что количественные методы Галилея и Ньютона очень трудно приложить к химии. Ведь для этого необходимо результаты химических опытов представить таким образом, чтобы их можно было подвергнуть математической обработке.

И все же химики делали успехи, и уже во времена Галилея наблюдались слабые приметы грядущей революции в химии. Эти приметы имелись например, в работе фламандского врача Яна Баптиста Ван Гельмонта (1579—1644). Ван Гельмонт выращивал дерево в заранее отмеренном количестве почвы, куда систематически добавлял воду, и систематически тщательно взвешивал дерево. Поскольку Ван Гельмонт надеялся обнаружить источник живой ткани, образуемой деревом, то можно сказать, что он применял измерение и в химии, и в биологии [21].

До Ван Гельмонта единственным известным и изученным воздухоподобным веществом был сам воздух, который казался достаточно характерным и непохожим на другие вещества, чтобы древние греки посчитали его одним из элементов (гл. 1). Несомненно алхимики в своих опытах часто получали что-то подобное «воздуху» и «пару», но эти вещества были почти неуловимы, их трудно было изучать и наблюдать и легко было не заметить. О том, что к этим веществам относились как к таинственным, говорят хотя бы их названия. Так, спирт в переводе с латинского означает «дух», «душа», «дыхание».

Ван Гельмонт первым из химиков обратил внимание на пары, образующиеся в процессе некоторых реакций, и начал их изучать. Он обнаружил, что пары в чем-то напоминают воздух, но во многом от него и отличаются. В частности, он нашел, что на воздух похожи и пары, образующиеся при горении дерева, хотя ведут себя они несколько иначе.

Эти воздухоподобные вещества, не имеющие постоянного объема или формы, напомнили Ван Гельмонту греческий «хаос» — вещество первоздания, бесформенное и беспорядочное, из которого (согласно древнегреческой мифологии) был создан космос. Ван Гельмонт назвал эти пары «хаосом», но, согласно фламандскому фонетическому строю, это слово произносится как газ[22]. Так называют воздухоподобные вещества и в наше время.

Газ, полученный при горении дерева и изученный им с особой тщательностью, он назвал «лесной газ» (gas sylvestre). Сегодня мы называем этот газ диоксидом углерода. При изучении газов как простейшей формы материи впервые была использована техника точных измерений, т. е. количественного исследования явлений, которая и послужила столбовой дорогой в мир современной химии.

Закон Бойля [23]

К концу жизни Ван Гельмонта интерес к газам и особенно к воздуху — наиболее распространенному газу неожиданно возрос. В 1643 г. итальянский физик Эванджелиста Торричелли (1608—1647) сумел доказать, что воздух оказывает давление. Торричелли показал, что воздух может поддерживать столбик ртути высотой в 28 дюймов Так был изобретен барометр. После этого открытия газы стали казаться менее загадочными. Как выяснилось, подобно жидкостям и твердым веществам, они имеют вес и от жидкостей и твердых веществ отличаются главным образом гораздо меньшей плотностью.

Немецкий физик Отто фон Герике (1602—1686) убедительно показал, что атмосферный воздух имеет вес. Герике изобрел воздушный насос, при помощи которого воздух выкачивали из сосуда, так что давление воздуха снаружи сосуда становилось больше, чем внутри. В 1654 г. по заказу Герике был изготовлен прибор, состоящий из двух медных полушарий (чтобы соединение было плотным, между полушариями помещали кожаное кольцо, пропитанное раствором воска в скипидаре). Соединив эти полушария, Герике откачал из полученного шара воздух. Наружный воздух давил на полушария и удерживал их вместе, так что их не могли разъединить упряжки лошадей, изо всех сил тянувшие полушария в разные стороны. Когда же Герике впускал в шар воздух, полушария распадались сами. Этот опыт вошел в историю науки как опыт с «магдебургскими полушариями».

Такого рода демонстрации повышали интерес к свойствам воздуха. В частности, они привлекли внимание ирландского химика Роберта Бойля (1627—1691). Сконструированный Бойлем воздушный насос был совершеннее насоса Герике. Освоив методику откачивания воздуха из сосуда, Бойль решил попытаться сделать обратное — сжать воздух.

В ходе опытов Бойль обнаружил, что объем данной массы воздуха обратно пропорционален давлению (рис. 4). Заливая ртуть в очень длинную трубку особой U-образной формы, Бойль запирал пробу воздуха в коротком запаянном конце трубки. Добавляя ртуть в длинный открытый конец трубки, можно было увеличить давление. Когда Бойль добавил такое количество ртути, при котором давление на воздух увеличивалось вдвое (удвоенная масса ртути), объем воздуха уменьшился также вдвое. Если давление увеличивалось втрое, объем уменьшался втрое. В то же время, если давление снижалось, объем увеличивался. Открытая Бойлем обратная зависимость объема от давления получила название закона Бойля. Первое сообщение об этом законе было опубликовано в 1662 г.

Бойль не оговорил особо, что его закон действителен только при постоянной температуре. Возможно, он понимал это и считал само собой разумеющимся. Французский физик Эдм Мариотт (1630—1684), независимо от Бойля открывший этот закон в 1676 г., особо подчеркивал, что такая зависимость объема от давления наблюдается только при постоянной температуре. По этой причине закон Бойля в континентальной Европе часто называют законом Мариотта.



Рис. 4. Схема опыта (а), показывающего, что объем газа обратно пропорционален давлению при постоянной температуре (закон Бойля), и полученная кривая зависимости объем — давление (б). Ртуть, налитая в длинное плечо U-образной трубки, запирает воздух в коротком плече. С увеличением массы ртути высота столбика воздуха уменьшается.



Закон Бойля явился первой попыткой применить точное измерение при выяснении причин изменения веществ [24]. Опыты Бойля привлекли внимание атомистов, к числу которых принадлежал и сам Бойль. Как уже отмечалось выше, атомистические взгляды античных ученых, изложенные в поэме Тита Лукреция Кара (см. гл. 1), разделяли многие европейские ученые того времени. Убежденным атомистом был и французский философ Пьер Гассенди (1592—1655), под влиянием которого сторонником атомистической теории стал и Бойль [25].

Однако, пока химики занимались изучением только жидкостей и твердых веществ, доказать справедливость этой теории было чрезвычайно трудно, и во времена Бойля таких доказательств было ничуть не больше, чем во времена Демокрита (см. гл. 1). Жидкости и твердые вещества подвергаются сжатию лишь в незначительной степени. Если эти вещества и состоят из атомов (материя дискретна) и атомы в них соприкасаются между собой, то больше сблизить их нельзя. Если же жидкости и твердые вещества представляют собой «сплошное» вещество (материя непрерывна), то их также очень трудно подвергнуть сжатию. Поэтому доказать, что жидкости и твердые вещества состоят из атомов, было очень трудно. Как же доказать, что атомы существуют?

В отличие от твердых веществ и жидкостей воздух, как наблюдали еще в древности, а Бойль в свое время наглядно доказал, легко сжимается. Объяснить это можно, только приняв, что воздух состоит из мельчайших атомов, разделенных пустым пространством. Сжатие воздуха в этом случае обусловлено сближением атомов в результате сжатия пустого пространства между ними.

Если газы состоят из атомов, то вполне можно допустить, что жидкости и твердые вещества также состоят из атомов. Например, как испаряется вода? В процессе испарения «исчезают» одна за другой мельчайшие частички воды. Совсем нетрудно представить себе, что вода превращается в пар атом за атомом. Если воду нагревают, она кипит, и при этом образуется пар. Водяной пар имеет физические свойства воздухоподобного вещества, и, следовательно, вполне естественно предположить, что он состоит из атомов. Но если вода состоит из атомов, будучи в газообразной форме, то почему она не может состоять из атомов, находясь в жидком или твердом (в виде льда) состоянии? А если это справедливо для воды, то почему не может быть справедливо для всех видов материи?

Доводы такого рода производили впечатление, и впервые за свою двухтысячелетнюю историю атомизм начал завоевывать приверженцев, число которых быстро росло (например, к атомизму пришел Ньютон). И тем не менее понятие «атом» оставалось неясным. Об атомах ничего нельзя было сказать, кроме того, что если они существуют, то с их помощью проще объяснять поведение газов. Лишь спустя полтора столетия атомизм вновь привлек внимание химиков.

Новый взгляд на элементы

Ко времени начала научной деятельности Бойля термины «алхимия» и «алхимик» почти исчезли из научной литературы. Не удивительно, что Бойль опустил первый слог слова «алхимик» в названии своей книги «Химик-скептик» («The Sceptical Chymist»), опубликованной в 1661 г. С тех пор наука стала называться химией, а работающие в этой области — химиками.

Бойль называл себя «скептиком», потому что не хотел более слепо следовать представлениям античных авторитетов. В частности, Бойль не принимал утверждения древних философов, считавших, что элементы мироздания можно установить умозрительно. Вместо этого он определял элементы как таковые практическим путем. Элемент, как считалось еще со времен Фалеса (см. гл. 1),— это одно из основных простых веществ, составляющих Вселенную. Но установить, что предполагаемый элемент действительно является элементом, можно только с помощью эксперимента. Если вещество можно разложить на более простые компоненты, следовательно, оно не является элементом, а полученные более простые вещества могут представлять собой элементы или по крайней мере могут считаться таковыми до тех пор, пока химики не научатся разлагать и их на еще более простые вещества. Если два вещества являются элементами, то они могут соединиться и образовать третье однородное вещество, называемое соединением. Такое соединение можно разложить на два исходных элемента. Но с этой точки зрения термин «элемент» имеет только условное значение. Вещество типа, например, кварца может считаться элементом до тех пор, пока химику-экспериментатору не удается получить из него два или более простых вещества. В соответствии с этой точкой зрения считать какое-либо вещество элементом можно было лишь условно, поскольку с развитием науки этот предполагаемый элемент удастся расщепить на еще более простые вещества. Только в XX столетии стало возможным установить природу элементов не в условном плане (см. гл. 13).

Тот простой факт, что Бойль добивался экспериментального подхода к определению элементов (подхода, который в конечном счете и был принят), не означал, что он знал о существовании различных элементов. Вполне могло оказаться, что экспериментальный подход подтвердил бы существование «греческих элементов»: огня, воздуха, воды и земли.

Бойль, например, был убежден в обоснованности воззрений алхимиков, считавших, что металлы не являются элементами и что одни металлы можно превратить в другие. В 1689 г. Бойль настоял, чтобы Британское правительство отменило закон, запрещающий алхимикам производить золото (правительство, кроме всего прочего, опасалось экономических последствий), так как верил в возможность получения золота из «основного металла» [26] и считал, что, получив таким образом золото, удастся подтвердить атомную структуру материи.

Однако в этом Бойль ошибался: металлы оказались элементами. В самом деле, девять веществ, которые мы сегодня считаем элементами, были известны еще древним: семь металлов (золото, серебро, медь, железо, олово, свинец, ртуть) и два неметалла (углерод и сера). Кроме того, элементами являются и четыре вещества, также известные еще средневековым алхимикам. Это мышьяк, сурьма, висмут и цинк.

Один из элементов едва не открыл сам Бойль. В 1680 г. он выделил фосфор из мочи. Однако лет за десять до него то же самое сделал немецкий химик Хенниг Бранд (? — после 1710 г.), которого иногда называют «последним алхимиком». Он открыл фосфор совершенно случайно во время поисков философского камня, который собирался найти в моче. Правда, ряд литературных источников свидетельствует, что способ получения фосфора, вероятно, знали еще арабские алхимики XII в.

Флогистон

К числу открытий XVII в., имевших особое значение для развития химии, следует отнести открытие существования давления столба атмосферного воздуха, возможности использования этого давления и возможности создания вакуума. Некоторые исследователи стали приходить к мысли, что вакуум можно получить и без использования воздушного насоса. Предположим, вы вскипятили воду и заполнили камеру паром, затем снаружи остудили камеру холодной водой. При этом пар внутри камеры конденсируется в водяные капли, и в камере создается вакуум. Если одну из стенок такой камеры сделать подвижной, то под действием давления воздуха эта подвижная стенка будет втягиваться в камеру. Когда же в камеру попадет новая порция пара, стенка будет вновь выталкиваться, а затем при конденсации пара вновь втягиваться в камеру. Можно представить себе, что подвижная стенка — это своего рода поршень, совершающий возвратно-поступательные движения; такой поршень можно использовать, например, в насосе, работающем на паре. В 1698 г. такая паровая машина и в самом деле была создана английским горным инженером Томасом Севери (ок. 1650—1715). В этом устройстве использовался пар под большим давлением, что по тем временам было небезопасно. Примерно в то же время (1705 г.)

Томас Ньюкомен (1663—1729), работавший совместно с Севери, изобрел паровую машину, которая могла работать на паре под более низким давлением (рис. 5). Однако машина Ньюкомена не была универсальной, и ее можно было использовать практически только для поднятия воды. Конструкция машины была значительно усовершенствована шотландским механиком Джеймсом Уаттом (1736—1819), который и считается создателем универсальной паровой машины.



Рис. 5. Насосное устройство конструкции Ньюкомена, работавшее при атмосферном давлении. Впрыснутая в цилиндр вода вызывает конденсацию пара, в цилиндре создается вакуум, и поршень опускается вниз. Новая порция пара, поступающая в цилиндр из парового котла, возвращает поршень в исходное положение.



Появление паровой машины ознаменовало собой начало промышленной революции: человек получил машину, которая, казалось, могла переделать всю тяжелую работу на свете. Человек перестал зависеть от капризов силы ветра или месторасположений падающей воды, энергию которой можно было использовать для механической работы.

Не совсем обычное использование огня в паровой машине возродило у химиков интерес к процессу горения. Почему одни предметы горят, а другие не горят? Что представляет собой процесс горения? По представлениям древних греков все, что способно гореть, содержит в себе элемент огня, который в соответствующих условиях может высвобождаться. Алхимики придерживались примерно той же точки зрения, но считали, что способные к горению вещества содержат элемент «сульфур» (хотя необязательно саму серу).

В 1669 г. немецкий химик Иоганн Иоахим Бехер (1635—1682) попытался дать рационалистическое объяснение явлению горючести. Он предположил, что твердые вещества состоят из трех видов «земли», и один из этих видов, названный им «жирная земля» (terra pinguis), принял за «принцип горючести». Последователем весьма туманных представлений Бехера был немецкий врач и химик Георг Эрнст Шталь (1660—1734). Он еще раз обновил название «принцип горючести», назвав его флогистоном — от греческого φλογιστός — горючий. Шталь предложил схему процесса горения, объяснявшую роль флогистона.

Согласно Шталю, горючие вещества богаты флогистоном. В процессе горения флогистон улетучивается, а то, что остается после завершения процесса горения, флогистона не содержит и потому продолжать гореть не может. Шталь далее утверждал, что ржавление металлов подобно горению дерева. Металлы, по его мнению, содержат флогистон, а ржавчина (или окалина) флогистона уже не содержит. Такое понимание процесса ржавления позволило дать приемлемое объяснение и процессу превращения руд в металлы — первому теоретическому открытию в области химии. Объяснение Шталя состояло в следующем. Руда, содержание флогистона в которой мало, нагревается на древесном угле, весьма богатом флогистоном. Флогистон при этом переходит из древесного угля в руду, в результате древесный уголь превращается в золу, бедную флогистоном, а руда, бедная флогистоном, превращается в металл, богатый флогистоном.

Сам по себе воздух, по мнению Шталя, способствует горению лишь косвенно: он служит переносчиком флогистона, когда последний выходит из дерева или металла, и передает его другому веществу (если таковое существует).

Теория флогистона Шталя на первых порах встретила резкую критику. Особенно возражал против нее знаменитый голландский врач Герман Бургаве (1668—1738), который считал, что обычное горение и образование ржавчины не могут быть по сути дела одним и тем же явлением. Ведь горение сопровождается образованием пламени, а ржавление происходит без пламени. Сам Шталь объяснял это различие тем, что при горении веществ, подобных дереву, флогистон улетучивается настолько быстро, что нагревает окружающую среду и становится видимым. При ржавлении флогистон улетучивается медленно, поэтому пламя не появляется.

Несмотря на критику Бургаве, теория флогистона начала завоевывать популярность. К 1780 г. она была принята химиками почти повсеместно, так как позволила дать четкие ответы на многие вопросы. Однако один вопрос ни Шталь, ни его последователи разрешить не смогли. Дело в том, что большинство горючих веществ, например дерево, бумага, жир, при горении в значительной степени исчезали. Остававшаяся сажа или зола была намного легче, чем исходное вещество. Этого, по-видимому, и следовало ожидать, так как при горении флогистон улетучивался из вещества.

Согласно теории Шталя, в процессе ржавления металлы также теряли флогистон, тем не менее еще алхимиками в 1490 г. было установлено, что ржавый металл гораздо тяжелее нержавого. Почему вещество, теряющее флогистон, становится тяжелее? Может быть, как утверждали некоторые химики XVIII в., флогистон обладает отрицательным весом? Почему в таком случае дерево при горении уменьшается в весе? Или, может быть, существуют два вида флогистона — с положительным и с отрицательным весом?

Химикам XVIII в. эта проблема не казалась столь важной, как это представляется нам теперь. Мы привыкли к тщательному анализу явлений, и необъяснимое изменение веса, конечно, взволновало бы нас. Химики же XVIII столетия еще не сознавали важности точных измерений, и изменением в весе они могли и пренебречь. Теория флогистона объясняла причины изменения внешнего вида и свойств веществ, а изменения веса, как в то время считалось, не так уж важны [27].

Глава 4 Газы

Углекислый газ (диоксид углерода) и азот

Непонятные изменения веса веществ при горении, как выяснилось, связаны с появлением или исчезновением газов во время горения. Хотя существование газов было установлено очень давно и еще за век до Ван Гельмонта (см. гл. 1) началось медленное накопление знаний о газах, даже во времена Шталя химики, принимая сам факт существования газов, фактически не обращали на них никакого внимания. Размышляя над причинами изменения веса веществ в процессе горения, исследователи принимали в расчет только твердые тела и жидкости. Понятно, что зола легче дерева, так как при горении дерева выделяются пары. Но что это за пары, никто из химиков сказать не мог. Ржавый металл тяжелее исходного металла. Может быть, при ржавлении металл получает что-то из воздуха? Ответа не было.

Чтобы ответить на этот и подобные вопросы, химики должны были начать систематическое изучение газов, должны были научиться работать со столь трудно уловимыми веществами.

Важный шаг в этом направлении в начале XVIII в. сделал английский ботаник и химик Стивен Гейлс (1677—1761). Он изобрел прибор для собирания газов над водой. Этот прибор известен нам под названием «пневматической ванны». Пары, образующиеся в результате химической реакции, Гейлс отводил через трубку в сосуде водой, опущенный вверх дном в ванну с водой. Пузырьки газа поднимались в верхнюю часть сосуда и вытесняли оттуда воду. Таким образом Гейлс собирал газ или газы, образующиеся в результате реакции. Сам Гейлс не идентифицировал собранные газы и не изучал их свойств, однако сконструированный им прибор для собирания газов сыграл важную роль в развитии пневматической химии.

Другой важный шаг был сделан шотландским химиком Джозефом Блэком (1728—1799). Диссертация, которая принесла ему степень магистра медицины в 1754 г., была связана с химической проблемой и непосредственно касалась свойств газов, выделяющихся при действии кислот на «мягкие» (углекислые) щелочи. (Во времена Блэка химия и медицина были тесно взаимосвязаны.) Блэк установил, что известковый минерал (карбонат кальция) при нагревании разлагается с выделением газа и образует известь (оксид кальция). Выделяющийся газ можно было вновь соединить с оксидом кальция и вновь получить карбонат кальция. Этот газ (диоксид углерода) был идентичен открытому Ван Гельмонтом «лесному газу» (см. гл. 3), но Блэк назвал его «связанным воздухом», так как этот газ можно было связать и вновь получить твердую субстанцию.

Открытие Блэка было важным по ряду причин. Во-первых, он показал, что углекислый газ может образовываться при нагревании минерала подобно тому, как этот газ образуется при горении дерева. Таким образом была установлена очевидная взаимосвязь между живой и неживой природой.

Кроме того, Блэк показал, что газообразные вещества не только выделяются твердыми телами или жидкостями, но могут активно с ними соединяться, вступать в химические реакции. Это открытие сделало газы менее загадочными. Теперь на них стали смотреть как на обычные вещества, несколько отличающиеся по свойствам (по крайней мере химическим) от более знакомых твердых и жидких веществ.

Далее Блэк показал, что если оксид кальция оставить на воздухе, то он медленно превращается в карбонат кальция. Исходя из этого, Блэк заключил (правильно!), что в атмосфере присутствует небольшое количество углекислого газа. Это было первое четкое указание на то, что воздух не простое вещество и, следовательно, вопреки представлениям древних греков он не является элементом в определении Бойля, а представляет собой смесь по крайней мере двух различных веществ: обычного воздуха и углекислого газа. Изучая влияние нагревания на примере карбоната кальция, Блэк установил, как меняется вес вещества при нагревании. Он также определил, какое количество карбоната кальция нейтрализует заданное количество кислоты. Таким образом, Блэк изучал химические реакции, используя метод количественного измерения. Этот метод был развит и усовершенствован Лавуазье [28].

Изучая свойства углекислого газа, Блэк обнаружил, что свеча в нем не горит. Свеча, горящая в закрытом сосуде с обычным воздухом, в конце концов гаснет, и оставшийся воздух уже не поддерживает горения. Такое явление, конечно же, не казалось беспричинным, поскольку было известно, что при горении свечи образуется углекислый газ. Но когда Блэк абсорбировал углекислый газ, оставшийся воздух, который заведомо не был углекислым газом, горение не поддерживал.

Блэк предложил изучить эту проблему одному из своих учеников — шотландскому химику Даниелю Резерфорду (1749—1819). Резерфорд поставил следующий опыт: он держал мышь в ограниченном объеме воздуха до тех пор, пока она не погибла. Затем в оставшемся воздухе он держал горящую свечу, пока она не гасла. В оставшийся после всего этого воздух он поместил горящий фосфор, который горел там очень недолго. Далее Резерфорд пропустил воздух через раствор, способный абсорбировать углекислый газ. В оставшемся в результате воздухе свеча не горела, а мышь гибла.

Резерфорд сообщил об этом опыте в 1772 г. Поскольку и Резерфорд, и Блэк были убежденными сторонниками теории флогистона, то, объясняя результаты проведенных ими опытов, они пользовались представлениями этой теории. Пока мыши дышали и пока свечи и фосфор горели, флогистон выделялся и поступал в воздух вместе с образующимся углекислым газом. Воздух, из которого удалили углекислый газ, содержал так много флогистона, что был как бы «пропитан» им. Этот воздух больше принять флогистона уже не мог, и поэтому ни свеча, ни фосфор в нем не горели.

В связи с этим Резерфорд назвал выделенный им газ «флогистированным воздухом». Сегодня мы называем его азотом.

Водород и кислород

Одновременно с Блэком и Резерфордом успехов в изучении газов добились два других английских химика — Кавендиш и Пристли, также принадлежавшие к числу сторонников флогистонной теории.

Генри Кавендиш (1731—1810) был богатым чудаком, который занимался исследованиями в самых различных областях. Замкнутый по натуре, он не всегда публиковал результаты проведенных им работ. К счастью, результаты своих работ с газами он все же опубликовал.

Кавендиша (возможно, под влиянием Дж. Блэка) особенно заинтересовал газ, образующийся при взаимодействии кислот с некоторыми металлами. Ранее этот газ был выделен Бойлем и Гейлсом, а возможно, и другими исследователями, но Кавендиш первым в 1766 г. провел систематическое изучение его свойств, поэтому ему обычно и приписывается честь открытия этого газа, получившего название водород.

Кавендиш первым установил вес определенных объемов различных газов и в результате сумел установить плотность каждого из них. Он обнаружил, что водород необычайно легок и что его плотность составляет лишь 1/14 плотности воздуха. (И в настоящее время это самый легкий из известных нам газов.) Как выяснилось, водород обладает еще одним необычным свойством: в отличие от углекислого газа и собственно воздуха он легко воспламеняется, и Кавендиш не исключал вероятности того, что он получил сам флогистон.

Вторым химиком, добившимся успехов в изучении газов, был Джозеф Пристли (1733—1804) — протестантский священник, глубоко увлеченный химией. В конце 60-х годов XVIII в. он принял пасторство в Лидсе (Англия). Рядом с Лидсом находился пивоваренный завод, откуда Пристли мог получать углекислый газ в количествах, достаточных для проведения опытов (углекислый газ; образуется при брожении пивного сусла).

Собирая углекислый газ над водой, Пристли обнаружил, что часть газа растворяется в воде и придает ей приятный терпкий привкус. По сути дела Пристли получил напиток типа сельтерской или содовой воды. Поскольку для получения «ситро» необходимо прибавить только сахар и ароматизировать напиток, Пристли можно считать отцом современной индустрии безалкогольных напитков.

В начале 70-х годов XVIII в., когда Пристли вновь занялся изучением газов, химики четко различали только три газа — собственно воздух, углекислый газ Ван Гельмонта и Блэка и водород. Кавендиша; Резерфорд был близок к открытию четвертого газа — азота. Пристли сопутствовала удача: он выделил и изучил еще ряд. газов.

Опыты Пристли с углекислым газом показали, что газы могут растворяться в воде и, следовательно «теряться», поэтому он попытался собирать газы не над водой, а над ртутью. Таким образом, Пристли сумел собрать и изучить такие газы, как оксид азота (I), аммиак, хлорид водорода и диоксид серы (мы даем современные названия газов). Все эти газы настолько хорошо растворяются в воде, что, проходя через нее, полностью поглощаются.

В 1774 г. Пристли сделал, возможно, самое важное свое открытие. Как уже говорилось выше, он собирал газы над ртутью. При нагревании на воздухе ртуть образует кирпично-красную «окалину»-(оксид ртути). Пристли клал немного окалины в пробирку и нагревал ее, фокусируя на ней с помощью линзы солнечные лучи. Окалина при этом вновь превращалась в ртуть, и в верхней части пробирки появлялись блестящие шарики металла. При разложении окалины выделялся газ с весьма необычными свойствами. Горючие вещества горели в этом газе быстрее и ярче, чем на воздухе. Тлеющая лучина, брошенная в сосуд с этим газом, вспыхивала ярким пламенем.

Пристли пытался объяснить это явление, используя теорию флогистона. Поскольку горючие вещества горели в этом газе весьма ярко, то они должны были очень легко выделять флогистон. Чем объяснить это? Как следует из теории флогистона, воздух легко поглощает флогистон, но до определенного предела, после чего горение прекращается. В открытом Пристли газе горение шло лучше, чем в воздухе, и он решил, что этот газ совсем не содержит флогистона. Пристли назвал открытый им газ «дефлогистированным» воздухом». (Однако через несколько лет его переименовали в кислород; этим названием мы пользуемся и сегодня.)

«Дефлогистированный воздух» Пристли казался своего рода антиподом «флогистированного воздуха» Резерфорда. В последнем газе мыши умирали, тогда как в первом были весьма деятельными. Пристли сам попробовал подышать «дефлогистированным воздухом» и почувствовал при этом себя «легко и свободно».

Однако в открытии кислорода и Резерфорда и Пристли опередил шведский химик Карл Вильгельм Шееле (1742—1786) — представитель той плеяды химиков, которые вывели Швецию в XVIII в. на передовые позиции науки.

Приблизительно в 1735 г. шведский химик Георг Брандт (1694—1768) начал изучать голубоватый минерал, напоминавший медную руду. Несмотря на такое сходство, получить из этого минерала медь при обычной обработке не удавалось. Рудокопы полагали, что эта руда заколдована земными духами «кобольдами». В 1742—1744 гг. Брандт сумел показать, что голубоватый минерал содержит не медь, а совершенно иной металл, напоминающий по своим химическим свойствам железо. Этот металл получил название кобальт.

В 1751 г. Аксель Фредрик Кронстедт (1722—1765) открыл новый металл никель, очень похожий на кобальт; Иоганн Готлиб Ган (1745—1818) выделил в 1774 г. марганец, а Петер Якоб Гьельм (1746—1813) получил в 1782 г. молибден.



Рис. 6. Паяльная трубка, введенная в лабораторную практику шведским химиком Кронстедтом (1722—1765), более века была ключевым инструментом химического анализа; этот метод используется до сих пор. Струя воздуха повышает температуру пламени и может менять его направление.



Кронстедт при изучении минералов впервые применил паяльную трубку (рис. 6). Это была длинная постепенно сужающаяся трубка, из узкого конца которой выходила струя сжатого воздуха. Когда такую струю направляли в пламя, температура его повышалась. Минералы, нагреваемые в пламени паяльной трубки, окрашивали его в различные цвета, поэтому по цвету пламени можно было судить о природе и составе минерала, о природе образовавшихся паров и твердого остатка. На протяжении столетия паяльная трубка оставалась основным инструментом химического анализа.

Благодаря использованию новых технических приемов, подобных анализу в пламени паяльной трубки, химикам удалось накопить достаточно много данных о минералах. Исходя из этих данных,. Кронстедт вполне справедливо полагал, что минералы следует классифицировать не только в соответствии с их внешним видом, но и в соответствии с их химической структурой. В 1758 г. он выпустил книгу «Система минералогии», в которой детально описал. новую систему классификации.

Эта работа была продолжена другим шведским минералогом Торберном Улафом Бергманом (1735—1784). Бергман развил теорию, объясняющую, почему одно вещество реагирует с другим веществом, но не реагирует с третьим. Он же предположил, что между веществами существует «сродство» (affinities), и составил тщательно выверенные таблицы различных величин сродства. Эти таблицы пользовались широкой известностью при жизни их создателя и пережили его на несколько десятилетий.

Шееле, еще будучи помощником аптекаря, обратил на себя внимание Бергмана, который помогал ему и поддерживал его. Шееле открыл ряд кислот растительного и животного происхождения, в том числе винную, лимонную, бензойную, яблочную, щавелевую, галловую, молочную, мочевую, а также такие минеральные кислоты, как молибденовая и мышьяковая.

Шееле получил и изучил три сильно ядовитых газа: фторид водорода, сульфид водорода и цианид водорода. (Предполагают, что его ранняя смерть явилась результатом медленного отравления химикалиями, так как он имел обыкновение пробовать на вкус те вещества, с которыми работал.)

Шееле был в числе тех химиков, исследования которых привели к открытию многих элементов, и пользовался большим уважением шведских коллег. Наиболее важные его открытия — получение кислорода и азота (соответственно в 1771 и 1772 гг.). Шееле получал кислород, нагревая вещества, непрочно его удерживающие. В частности, он нагревал тот самый красный оксид ртути, которым несколько лет спустя воспользовался Пристли.

Шееле подробно описал свои опыты по получению и столь же подробно описал свойства «огненного воздуха» (так он называл кислород), но из-за небрежности его издателя эти описания непоявлялись в печати до 1777 г. К этому времени вышли труды Резерфорда и Пристли, которые и завоевали честь первооткрывателей.

Триумф измерения

К концу XVIII в. был накоплен большой экспериментальный материал, который необходимо было систематизировать в рамках единой теории. Создателем такой теории стал французский химик Антуан-Лоран Лавуазье (1743—1794). С самого начала своей деятельности на поприще химии Лавуазье понял важность точного измерения. Его первая значительная работа (1764 г.) была посвящена изучению состава минерального гипса. Нагревая этот минерал, Лавуазье удалял из него воду и определял количество полученной таким образом воды. Лавуазье принял сторону тех химиков, которые, подобно Блэку и Кавендишу, применяли измерение при изучении химических реакций. Однако Лавуазье использовал более систематический подход, что позволило ему доказать несостоятельность старых теорий, уже не только бесполезных, но и мешавших развитию химии.

Даже в 1770 г. ряд ученых придерживались старого определения элементов и утверждали, что трансмутация возможна, поскольку воду, например, при длительном нагревании можно превратить в землю. Предположение о возможности превращения воды в землю считалось справедливым (вначале даже самим Лавуазье), так как при длительном нагревании воды (в течение нескольких дней) в стеклянном сосуде образовывался твердый осадок.

Лавуазье решил проверить возможность превращения воды экспериментальным путем. С этой целью он в течение 101 дня кипятил воду в сосуде, в котором водяной пар конденсировался и возвращался обратно в колбу, так что возможность какой-либо потери вещества в процессе опыта была исключена. И, разумеется, Лавуазье не забывал о точности эксперимента. Он взвешивал и сосуд и воду до и после нагревания.

Осадок при этом действительно появился, но вес воды не изменился. Следовательно, вода не могла образовать осадок. Однако вес самого сосуда, как выяснилось, уменьшился как раз на столько, сколько весил осадок. Другими словами, осадок появился не в результате превращения воды в землю, а в результате медленного разъедания стеклянных стенок сосуда горячей водой. Осадок образовывало выщелоченное стекло, осаждавшееся в виде твердых пластинок. Этот пример наглядно показывает, что простое наблюдение может привести к ошибочным выводам, тогда как количественное измерение позволяет установить истинные причины явления.

Вопрос о том, что такое процесс горения, интересовал всех химиков XVIII в., и Лавуазье также не мог не заинтересоваться им. В 60-х годах XVIII в. он получил золотую медаль за исследование, посвященное улучшению способов уличного освещения. В 1772 г. Лавуазье в складчину с другими химиками приобрел алмаз. Он поместил этот алмаз в закрытый сосуд и нагревал до тех пор, пока алмаз не исчез. При этом образовался углекислый газ. Таким образом было убедительно доказано, что алмаз состоит из углерода и, следовательно, алмаз ближе всех других веществ к углю.

Продолжая свои опыты, Лавуазье нагревал в закрытых сосудах с ограниченным объемом воздуха такие металлы, как олово и свинец. Сначала на поверхности обоих металлов образовывался слой окалины, но в определенный момент ржавление прекращалось. Сторонники теории флогистона сказали бы, что воздух поглотил из металла весь содержащийся в нем флогистон. В то время уже доподлинно было известно, что окалина весит больше, чем сам металл; однако, когда после нагревания Лавуазье взвесил сосуд вместе со всем содержимым (металлом, окалиной, воздухом и пр.), оказалось, что он весит ровно столько же, сколько и до нагревания.

Из этих данных следовало, что, если частично превратившись в окалину, металл увеличил свой вес, то что-то еще из содержащегося в сосуде потеряло эквивалентное количество веса. Это «что-то еще» могло быть и воздухом. Однако в этом случае в сосуде должен был образоваться вакуум. Действительно, когда Лавуазье открыл сосуд, туда устремился воздух, и вес сосуда и его содержимого увеличился.

Таким образом Лавуазье показал, что металл превращается в окалину не в результате потери мистического флогистона, а вследствие присоединения порции самого обычного воздуха.

Это открытие позволило выдвинуть новую теорию образования металлов и руд. Согласно этой теории, в руде металл соединен с газом. Когда руду нагревают на древесном угле, уголь адсорбирует газ из руды; при этом образуются углекислый газ и свободный металл.

Таким образом, в отличие от Шталя, который считал, что плавка металла включает переход флогистона из древесного угля в руду, Лавуазье представлял себе этот процесс как переход газа из руды в уголь. Однако имело ли смысл толкование Лавуазье предпочесть толкованию Шталя? Да, имело, поскольку предположение Лавуазье о переходе газа позволяло объяснить причины изменения веса веществ в результате горения.

Окалина тяжелее металла, из которого она образовалась, ровно на столько, сколько весит соединившееся с металлом количество воздуха. Горение дерева также сопровождается присоединением воздуха, но увеличения веса в этом случае не наблюдается, так как образовавшееся новое вещество — углекислый газ улетучивается в атмосферу. Оставшаяся зола легче сгоревшего дерева. Если бы горение дерева проходило в закрытом сосуде и образующиеся при этом газы оставались бы в сосуде, тогда можно было бы показать, что вес золы плюс вес образовавшихся газов плюс вес того, что осталось от воздуха, равняется начальному весу дерева и воздуха.

Обдумывая результаты проведенных им опытов, Лавуазье пришел к мысли, что если учитывать все вещества, участвующие в химической реакции, и все образующиеся продукты, то изменения в весе никогда наблюдаться не будет (Говоря более точным языком физиков, не произойдет изменения массы.) [29] Другими словами, Лавуазье пришел к выводу, что масса никогда не создается и не уничтожается, а лишь переходит от одного вещества к другому. Это положение, известное как закон сохранения массы, стало краеугольным камнем химии XIX в. [30]

Успехи, достигнутые Лавуазье благодаря использованию метода количественных измерений, были настолько велики и очевидны, что этот метод был безоговорочно принят всеми химиками. [31]

Горение

Однако сам Лавуазье был не вполне доволен полученными результатами. При соединении воздуха с металлом образовывалась окалина, а при соединении с деревом — газы. Но почему в таком взаимодействии участвовал не весь воздух, а только примерно пятая часть его?

В октябре 1774 г. Париж посетил Пристли и рассказал Лавуазье о своем открытии «дефлогистированного воздуха». Лавуазье сразу же оценил значение этого открытия. В 1775 г. он выступил с докладом в Академии наук, а вскоре подготовил и статью, в которой утверждал, что воздух является не простым веществом, а смесью двух газов. Одну пятую воздуха, по мнению Лавуазье, составляет «дефлогистированный воздух» Пристли (Лавуазье, к сожалению, оспаривал у Пристли честь открытия кислорода). И именно эта часть воздуха соединяется с горящими или ржавеющими предметами, переходит из руд в древесный уголь и необходима для жизни.

Лавуазье назвал этот газ кислородом, т. е. порождающим кислоты, так как полагал, что кислород — необходимый компонент всех кислот. В этом, как в дальнейшем выяснилось, он ошибался.



Рис. 7. Схемы опытов, проведенных Лавуазье, показанные в его книге «Элементарный курс химии» (рисунки сделаны женой Лавуазье).



Второй газ, составляющий четыре пятых воздуха («флогистированный воздух» Резерфорда), был признан совершенно самостоятельным веществом. Этот газ не поддерживал горения, мыши в нем гибли. Лавуазье назвал его азотом — безжизненным. Позднее азот был переименован в нитроген [32], что в переводе с латинского означает селитрообразующий, поскольку выяснилось, что азот является составной частью распространенного минерала селитры.

Лавуазье был убежден (и, надо сказать, совершенно справедливо), что жизнь поддерживается процессом, сходным с процессом горения: ибо мы вдыхаем воздух, богатый кислородом и бедный углекислым газом, а выдыхаем воздух, бедный кислородом и значительно обогащенный углекислым газом. Он и его коллега Пьер Симон де Лаплас (1749—1827), впоследствии известный астроном, попытались измерить количество вдыхаемого животным кислорода и выдыхаемого ими углекислого газа. Результаты оказались озадачивающими — часть вдыхаемого кислорода не превратилась в выдыхаемый углекислый газ.

Как мы отмечали выше, в 1783 г. Кавендиш все еще изучал «горючий газ». Он сжигал часть определенного объема этого газа и тщательно изучал образующиеся при этом продукты. Кавендиш выяснил, что образующиеся при горении газы конденсируются в жидкость, которая, как показали анализы, является всего-навсего водой.

Важность этого открытия трудно было переоценить. Теории элементов-стихий был нанесен еще один тяжелый удар, поскольку выяснилось, что вода не простое вещество, а продукт, образующийся при соединении двух газов.

Лавуазье, узнав об этом опыте, назвал газ Кавендиша водородом («образующим воду») и отметил, что водород горит, соединяясь с кислородом, и, следовательно, вода является соединением водорода и кислорода. Лавуазье также полагал, что пищевая субстанция и живая ткань представляют собой множество различных соединений углерода и водорода, поэтому при вдыхании воздуха кислород расходуется на образование не только углекислого газа из углерода, но и воды из водорода. Таким образом Лавуазье объяснил, куда расходуется та часть кислорода, которую он никак не мог учесть в своих первых опытах по изучению дыхания [33].

Новые теории Лавуазье повлекли за собой полную рационализацию химии. Было покончено со всеми таинственными «элементами». С того времени химики стали интересоваться только теми веществами, которые можно взвесить или измерить каким-либо другим способом.

Заложив таким образом фундамент химической науки, Лавуазье решил заняться надстройкой. В течение 80-х годов XVIII в. Лавуазье в сотрудничестве с тремя другими французскими химиками — Луи Бернаром Гитоном де Морво (1737—1816), Клодом Луи Бертолле (1748—1822) и Антуаном Франсуа де Фуркруа (1755—1809) — разработал логическую систему химической номенклатуры. Этот труд был опубликован в 1787 г.

Химия перестала быть мешаниной названий времен алхимии (см. гл. 2), когда каждый химик, используя собственную систему, мог поставить в тупик коллег. Была разработана система, основанная на логических принципах. По названиям соединений, предложенных этой номенклатурой, можно было определить те элементы, из которых оно состоит. Например, оксид кальция состоит из кальция и кислорода, хлорид натрия — из натрия и хлора, сульфид водорода — из водорода и серы и т. д. Четкая система приставок и суффиксов была разработана таким образом, что стало возможным судить о соотношении входящих в состав веществ элементов. Так, углекислый газ (диоксид углерода) богаче кислородом, чем угарный газ (монооксид углерода). В то же время хлорат калия содержит больше кислорода, чем хлорит калия, в перхлорате калия содержание кислорода еще выше, тогда как хлорид калия совсем не содержит кислорода.

В 1789 г. Лавуазье опубликовал книгу «Элементарный курс химии» («Traité élémentaire de chimie»), в которой, основываясь на новых теориях и используя разработанную им номенклатуру, систематизировал накопленные к тому времени знания в области химии. Это был первый учебник по химии в современном понимании. В нем содержался, в частности, перечень всех известных в то время элементов или, вернее, всех веществ, которые Лавуазье, руководствуясь определением Бойля, считал элементами, т. е. веществами, которые нельзя разделить на более простые вещества (рис. 8). Лавуазье привел 33 элемента и, к его чести, только в двух случаях допустил несомненные ошибки. Это касалось «света» и «теплорода» (тепла), которые, как стало очевидно спустя несколько десятилетий, представляют собой вовсе не материальные субстанции, а формы энергии.



Рис. 8. Список элементов, составленный Лавуазье и опубликованный в «Элементарном курсе химии».



Среди приведенных им элементов были золото и медь, известные еще с древности, а также кислород и молибден, открытые всего лишь за несколько лет до публикации книги Лавуазье. Восемь из перечисленных веществ (например, известь и магнезия) недолго считались элементами, так как вскоре после смерти Лавуазье их удалось разложить на более простые вещества. Однако всякий раз каждое из этих простых веществ определялось как новый элемент.

Сторонники теории флогистона, а среди них был и Пристли, пытались доказать несостоятельность взглядов Лавуазье (взглядов, которых придерживаются и сегодня), но большинство химиков восприняли их с энтузиазмом. Среди сторонников Лавуазье был и шведский химик Бергман. В Германии одним из первых приверженцев Лавуазье стал Мартин Генрих Клапрот (1743—1817). Среди немецких ученых считалось очень патриотичным придерживаться теории флогистона, поскольку автор теории Шталь был немцем. Поэтому выступление Клапрота в поддержку теории Лавуазье произвело сильное впечатление. Позднее Клапрот внес свой вклад в открытие элементов: в 1789 г. он открыл уран и цирконий.

В 1789 г. началась французская революция. К сожалению, Лавуазье был связан с налоговым ведомством, которое народ считал порочным инструментом ненавистной монархии. Были казнены все функционеры этого ведомства, которых удалось схватить. Одним из них был Лавуазье [34].

Глава 5