ЗАРОЖДЕНИЕ НОВЫХ ПРЕДСТАВЛЕНИЙ О ГОРЕНИИ И ДЫХАНИИ
ЗАРОЖДЕНИЕ НОВЫХ ПРЕДСТАВЛЕНИЙ О ГОРЕНИИ И ДЫХАНИИ
Хотя в XVII в. химия в теоретическом отношении прогрессировала крайне медленно, процесс накопления нового фактического материала неуклонно продолжался. Потребности расширяющегося производства выдвигали перед химиками новые задачи, требовавшие решения. Одной из таких задач, возникших в связи с быстрым развитием металлургии, было научное объяснение процессов восстановления металлов при их получении из руд и явлений при обжигании металлов. В практическом отношении эти вопросы были давно решены, но не имели сколько-нибудь удовлетворительного объяснения, что естественно отражалось и на развитии технологических приемов металлургии и обработки металлов. Считали, например, что при окислении (прокаливании на воздухе) металл «умирает», превращаясь в «мертвую землю» (окалину, известь, золу), а при восстановлении из нее вновь возрождается.
С давних времен процесс обжигания металла на воздухе, или «кальцинация», т. е. превращение металла в известь (от calx — «известь»), сопоставляли с процессами горения дерева, угля и других горючих тел. в результате которых также оставалась земля (зола). Горение же таких тел рассматривалось как разрушение или распад тела с выделением летучих продуктов. Роль воздуха в процессах горения оставалась невыясненной, несмотря на то что в металлургической практике с древнейших времен применялось дутье для усиления пламени, а металлурги и естествоиспытатели хорошо знали, что для «питания» огня необходим воздух (еще в XV в. об этом писал Леонардо да Винчи). Не уделялось никакого внимания и выяснению природы летучих продуктов горения. Лишь Ван-Гельмонт в XVII в. указал, что в результате горения дерева и угля образуется «лесной дух».
Естественно, что при таком понимании процесса горения кальцинацию металлов также рассматривали как распад металла с выделением неизвестных летучих продуктов. Несмотря на то что такому взгляду противоречил уже давно известный факт увеличения веса металлов при кальцинации на воздухе, химики (иатрохимики) упорно держались этой, ставшей традиционной, точки зрения и не обращали никакого внимания на несообразность такого объяснения.
В 1630 г. французский химик и врач Жан Рей (1583–1645) опубликовал сочинение «Опыты изыскания причин увеличения веса олова и свинца при прокаливании» (16). Здесь впервые приводятся достаточно правдоподобные объяснения этого явления. Работа была начата Реем после обращения к нему аптекаря Брена из Бержерака с письмом, в котором описывался опыт кальцинации олова и свинца. Брен взял 2 фунта 6 унций чистейшего английского олова, поместил его в железный котелок и при постоянном перемешивании прокаливал олово на сильном огне в течение 6 часов. В результате он, к своему крайнему удивлению, получил 2 фунта 13 унций «чистейшей белой извести». Повторив опыт с 6 фунтами свинца, он нашел, наоборот, потерю в весе — около 6 унций. В заключение Брен писал: «Вы меня очень обяжете, если дадите мне объяснение этого чуда» (17).
В ответ на просьбу Брена Рей сделал подробный критический анализ мнений, высказанных ранее о причине этого явления. В
частности, он отверг объяснение Цезальпина, считавшего, что увеличение веса олова происходит вследствие осаждения сажи, и высмеял Либавия, который утверждал: «…Превращение [свинца в золу] изменяет вес… обжигание увеличивает вес… Конечно, не надо быть ни великим химиком, ни великим логиком, чтобы над этим не посмеяться» (18).
Рей совершенно отчетливо сознавал, что воздух имеет вес и что «увеличение веса может происходить только посредством прибавления материи, а уменьшение — только посредством ее отнятия, настолько нераздельно связаны материя и тяжесть» (19).
На основании логических рассуждений Рей пришел к такому выводу: «Итак, опираясь на вышеизложенное, я отвечаю на этот вопрос и торжественно утверждаю: что это увеличение веса происходит от воздуха, который в сосуде был сгущен, утяжелен и благодаря сильному и продолжительному жару печи стал как бы липким; этот воздух смешивается с окалиной (чему помогает частое перемешивание) и пристает к ее мельчайшим частицам, подобно тому как вода утяжеляет песок, который вы в нее бросаете и перемешивается с ней…».
В начале своих «Опытов» Рей доказывает, что огонь и воздух должны обладать весом и что воздух становится более тяжелым при сжатии (уплотнении). Рей выступает против мнения о «смерти» металлов, а также и против допущения потери ими при прокаливании каких-либо летучих веществ. Уменьшение веса свинца во втором опыте Брена он объясняет тем, что свинец был нечистым (21). Предел прибыли в весе металла при прокаливании, по его мнению, связан с насыщением извести воздухом, который, как вода — песок, обволакивает все, в том числе и самые мельчайшие частицы извести (22).
Сочинение Рея, однако, не получило какого-либо отклика его современников. Только через 150 лет, при втором издании книги в 1777 г., взгляды ученого стали широко известны и оказались созвучными формировавшимся в этот период новым представлениям о горении и кальцинации металлов.
Спустя 35 лет после появления мемуара Жана Рея, в 1665 г. известный английский физик Роберт Гук (1635–1703) опубликовал сочинение под названием «Микрография» (23), в котором была изложена общая теория горения. Гук рассмотрел вопрос о роли воздуха не только при кальцинации металлов, а вообще в процессах горения. Он полагал, что в воздухе содержится особое вещество, похожее на то, которое имеется в связанном состоянии в селитре. Это вещество, по его мнению, обладает способностью растворять все горючие тела, но лишь при условии, если температура этих тел будет достаточно высокой. При этом возникает огонь, представляющий собой, как считает Гук, только результат движения. Продукты «растворения» горючих тел могут быть твердыми, жидкими или воздухообразными. В селитре растворяющее горючие тела вещество находится в сильно сжатом состоянии, так что в определенном объеме селитры его содержится значительно больше, чем в соответствующем объеме воздуха. Горение в замкнутом пространстве прекращается, как только горючее тело будет насыщено этим «растворителем». При доступе воздуха, т. е. при постоянном притоке растворителя, наоборот, горение проходит интенсивно и тело полностью сгорает. Гук обещал в своем сочинении далее развить изложенную теорию, однако никаких новых данных по этому вопросу в его дальнейших трудах не появилось (24).
Взгляды Р. Гука на горение развил другой английский химик, оксфордский врач Джон Майов (1640–1679). В 1669 г. он издал на латинском языке трактат «О селитре и воздушном спирте селитры» (25). Майов рассмотрел вопрос о растворителе Гука, содержащемся в воздухе, еще более широко. Он назвал этот растворитель «воздушным спиртом селитры» (spiritus nitroaereus). Прежде всего Майов подробно изучил селитру и ее составные части. По его мнению, это удивительное вещество должно было произвести полный переворот в науке, такой же, какой оно произвело в военном деле. Майов считал, что селитра состоит из двух частей: кислого селитряного спирта (селитряной кислоты, т. е. азотной) и щелочного вещества. Это доказывалось тем, что при действии селитряной кислоты на щелочь получается настоящая селитра. Таким же путем, по его мнению, селитра образуется и в природе. Однако в воздухе содержится лишь составная часть этого спирта, а именно: «воздушный спирт селитры». Это вещество обладает способностью поддерживать горение, оно же необходимо и для дыхания животных (26).
Далее Майов указывает, что это вещество, входящее в состав селитряного спирта и содержащееся в воздухе, не является собственно селитрой, как думают некоторые, а представляет собой «воздушные огненные частицы», необходимые для поддержания пламени. При горении добавление селитры к горящему телу, например к сере, делает его способным гореть без доступа воздуха в замкнутом пространстве. Сами воздушные огненные частицы не являются ни кислыми, ни щелочными. Они способны вступать в соединение с металлами при их обжиге и являются причиной увеличения веса, происходящего при этом. Эти частицы, по мнению Майова, содержатся также и в кислотах.
Исторический интерес представляют опыты Майова над горением и дыханием животных. Эти опыты проводились в приборе, представляющем собой опрокинутый стеклянный колокол, погруженный в воду. Майов установил, что при горении серы под колоколом вода поднимается вверх и, следовательно, объем воздуха уменьшается. Если во время горения свечи под колоколом там же находится животное (мышь), то горение прекращается быстрее. Отсюда Майов пришел к выводу, что воздух, содержащий воздушные огненные частицы, необходим и для дыхания. При горении и дыхании расходуется не весь воздух, а только часть его. Майов констатирует, что воздух, оставшийся под колоколом, после опыта несколько легче, чем обычный воздух, и не поглощается водой.
Развивая далее теорию дыхания, Майов указывал, что воздушно-селитряные частицы при вдохе поглощаются легкими и кровью, в результате чего возникает брожение, сопровождаемое образованием тепла, подобно тому как это происходит при действии этих частиц на колчедан, который превращается при этом в купоросное масло с выделением тепла. Брожение крови и является причиной теплоты крови. Поглощение воздушных частиц кровью вызывает изменение темной окраски венозной крови в ярко-красный цвет артериальной крови. Резюмируя свои представления о дыхании, Майов писал: «Я придерживаюсь того взгляда, что и у животных, и у растений селитряный воздушный спирт есть главный источник жизни и дыхания» (27).
Что касается объяснений кальцинации металлов Майовом, то на них в известной степени отразились господствовавшие в ту эпоху представления. Майов считал, что тела горят не только потому, что содержат в себе способные гореть составные части (он называл их «сернистыми частицами» — particulae sulphurea), но и потому, что эти сернистые частицы соединяются с воздушно-селитряным спиртом. Горение, таким образом, состоит во взаимодействии сернистых частиц сжигаемого тела с воздухом, в результате чего и появляется пламя. Майов произвел опыт обжигания сурьмы на воздухе при помощи зажигательного стекла; взвесив вещество до и после опыта, он обнаружил некоторое увеличение веса и пришел к следующему заключению: «Я отлично знаю, что по общепринятому взгляду кальцинирование сурьмы заключается в удалении содержащейся в ней серы. Несмотря на это, я склонен думать, что взгляд этот неверен».
Отчетливые и в основном правильные представления о горении и дыхании, высказанные Майовом более чем за 100 лет до появления теории горения и дыхания А. Л. Лавуазье, не были приняты его современниками, в том числе даже такими передовыми учеными, как Р. Бойль. Причину этого, по-видимому, следует искать в том, что, с одной стороны, идущие от глубокой древности традиционные взгляды на горение лишь как на процесс распада горючих тел, сопровождающийся удалением в виде тонкого «флюида» содержащихся в них горючих (сернистых) частиц, еще полностью владели умами ученых XVII в. С другой стороны, хотя Майов и стоял на грани открытия кислорода, его доводы о существовании воздушно-селитряного спирта не казались современникам убедительными, так как не были достаточно обоснованы. Возможно, что если бы Майов не умер слишком рано (в 38-летнем возрасте), он мог бы развить и доказать свою теорию.
Проблеме горения и кальцинации металлов были посвящены и исследования некоторых других ученых второй половины XVII в., о которых будет сказано в дальнейшем. Казалось бы, что передовые представления, развитые Ж. Реем, Р. Гуком и особенно Дж. Майовом, должны были привести к быстрому и полному выяснению истинного механизма горения. Однако недостаток экспериментальных данных и отсутствие общей руководящей теории, объясняющей химические явления, обусловили иной ход событий. Представление о горении лишь как о распаде горючих тел, осталось господствующим в науке, в результате чего химия пошла по ложному пути.
Понадобилось более 100 лет, чтобы ученые в конце концов убедились в неправильности этих традиционных представлений и вновь вернулись к идеям, высказанным Майовом. Но это произошло уже, когда были открыты многие новые явления и факты и была дана их количественная оценка.