ДАЛЬНЕЙШАЯ РАЗРАБОТКА ОСНОВ «НОВОЙ ХИМИИ»
ДАЛЬНЕЙШАЯ РАЗРАБОТКА ОСНОВ «НОВОЙ ХИМИИ»
Как было сказано, Лавуазье решил открыто выступить против теории флогистона только после того, как сам убедился на основе целого комплекса добытых им и другими учеными многочисленных и разнообразных экспериментальных фактов в справедливости своих новых взглядов. Казалось, что все эти новые факты, экспериментально установленные и проверенные, и сделанные на их основе выводы были неоспоримы. Но теория флогистона была привычной для большинства ученых и прочно удерживалась в их сознании. Вот почему доказательства Лавуазье в пользу новых представлений казались флогистикам недостаточно убедительными. Многие из них хотя и соглашались с доводами Лавуазье, однако одновременно указывали, что его опыты могут быть также хорошо объяснены и с точки зрения флогистических воззрений. Именно такой точки зрения придерживался, например, Кавендиш.
Одновременно некоторые флогистики продолжали рьяно защищать старые представления, не желая уступать новым идеям и объяснениям. Так, известный изобретатель паровой машины Джемс Уатт (1736–1819), производивший почти одновременно с Кавендишем и Лавуазье опыты по сжиганию «горючего воздуха», утверждал в 1783 г., что «вода состоит из дефлогистированного и горючего воздуха, или флогистона, лишенного части своей скрытой теплоты; что дефлогистированный, или чистый, воздух состоит из воды, лишенной своего флогистона и соединенной с теплом и светом; а если свет есть лишь одна из модификаций тепла, или составная часть флогистона, то значит чистый воздух (т. е. кислород. — Н. Ф.) состоит из воды, лишенной своего флогистона и своей скрытой теплоты?» (39).
Такого рода выступления флогистиков, цеплявшихся за традиционные объяснения, требовали от Лавуазье еще более широкого и детального изучения явлений, которые могли бы служить опорой для аргументации флогистиков и которые не были достаточно хорошо изучены. И ему приходилось продолжать свои опыты в самых различных направлениях, постепенно, шаг за шагом отвоевывая у флогистиков их позиции.
Так, в связи с опытами по получению «горючего воздуха» Лавуазье пришлось, в частности, исследовать действие разбавленных кислот на металлы, с тем чтобы выяснить, откуда же, собственно, происходит образующийся при этом водород. Образование «горючего воздуха» при действии кислот на металлы флогистики объясняли, как мы уже видели, разложением металла с потерей им флогистона, или «горючего воздуха». В нескольких сообщениях, в частности в представленном в Академии наук в конце 1783 г. мемуаре о растворении металлов, Лавуазье рассматривает (совместно с Лапласом) этот вопрос и приходит к выводу, что образование водорода происходит лишь в результате разложения воды[39]. Этим выводом он не только устранил существенное возражение флогистиков, но и получил еще одно веское доказательство в пользу новых взглядов.
Значительно более трудной оказалась для Лавуазье проблема объяснения природы «огненной материи», или теплоты. Лавуазье не мог обойти эту проблему в своих исследованиях уже просто потому, что все явления горения, как он сам констатировал, сопровождаются выделением тепла и света. Поэтому уже с самого начала своих исследований о горении тел Лавуазье заинтересовался природой теплоты и в 1777 г. выступил с сообщением, посвященным «соединению огненной материи с испаряющимися жидкостями».
Все дальнейшие исследования о природе теплоты и ее роли в различных процессах Лавуазье вел совместно с Лапласом. Наиболее важные исследования по этим вопросам были опубликованы в 1780-х годах, т. е. тогда, когда основные контуры кислородной теории были уже вполне отчетливы.
Представления о природе теплоты у Лавуазье были недостаточно определенны и в этом отношении не соответствовали его новым взглядам на химические явления. Лавуазье колебался между двумя точками зрения при объяснении природы теплоты. Ему достаточно хорошо была известна молекулярно-кинетическая теория теплоты, но он был более склонен придерживаться старой теории теплотворного флюида. Приведем некоторые высказывания Лавуазье, характеризующие его отношение к молекулярно-кинетической теории теплоты. В «Мемуаре о теплоте» Лавуазье и Лапласа имеется следующее высказывание: «… Физики расходятся во взглядах на природу теплоты… Многие придерживаются теории теплового флюида… Другие физики полагают, что теплота есть не что иное, как результат незаметных движений молекул материи. Известно, что тела, даже самые плотные, содержат большое число пор, или маленьких пустот, объем которых может значительно превзойти объем находящейся в них материи; эти пустые пространства оставляют своим неощутимым (по Ломоносову «нечувствительным». — Н. Ф.) частицам свободу колебаний во всех направлениях, и естественно думать, что эти частицы находятся в непрерывном волнении, которое, если оно возрастает до известной степени, может расчленить и разложить тела; именно это внутреннее движение представляет собой теплоту, по взглядам тех физиков, о которых мы говорим» (40).
Обсуждая эту точку зрения физиков, Лавуазье и Лаплас объясняют на ее основе явление теплопередачи и высказывают следующее положение: «В этой гипотезе, которую мы рассматриваем, теплота есть живая сила, происходящая от неощутимых движений молекул тела: она есть сумма произведений массы каждой молекулы на квадрат ее скорости» (41).
Однако далее Лавуазье и Лаплас замечают, что теория теплородного флюида одинаково хорошо объясняет многие явления, как и молекулярно-кинетическая теория теплоты.
В конце концов Лавуазье совершенно отказался от молекулярно-кинетической трактовки природы теплоты и окончательно склонился к теории «теплового флюида», т. е. теплорода. Это было далеко не единственной данью великого ученого традиционным представлениям и верованиям того времени.
Лавуазье дал следующую характеристику теплотворному флюиду: «Флюид особый в своем роде, очень тонкий, очень упругий, столь мало весомый, что его вес ускользает от всех инструментов, которые были применены до сих пор для его определения, который, по-видимому, проникает во все тела, даже те, которые мы считаем наиболее плотными; этот флюид современные физики именуют теплородом (calorique)» (42). Тут же он приводит и характеристики остальных флюидов, существование которых он принимает: «Многочисленные флюиды, гораздо более тонкие, чем газы, однако менее тонкие, чем теплород, которые проникают сквозь поры отдельных веществ с большей или меньшей легкостью, но которые все же проникают через поры всех тел; таков флюид магнитный, флюид электрический и, без сомнения, многие другие, которые нам еще неизвестны» (43).
В дальнейшем в своих «Началах элементарной химии» («Traite elementairede Ghimie») Лавуазье также обсуждает вопрос о природе теплоты и других невесомых флюидов с тех же самых позиций. В частности, его занимает вопрос, представляют ли невесомые флюиды (свет и теплотвор) собой модификации одной и той же «материи» или же они — различные «вещества» (44).
Несмотря на такие отсталые взгляды на природу теплоты Лавуазье, ему принадлежит большая историческая заслуга в исследовании явлений, сопровождающихся выделением и поглощением тепла. Совместно с Лапласом Лавуазье при помощи сконструированного ими ледяного калориметра провел в течение 15 лет много определений теплот горения и различных тепловых эффектов, а также теплоемкости, коэффициентов теплового расширения и других тепловых характеристик различных веществ. Результаты всех этих исследований положили начало термохимии. Однако не будем касаться здесь ни описаний разработанных ими методов измерений, ни полученных результатов, хотя в истории физики и химии эти определения имели большое значение. Отметим далее роль Лавуазье в основании органической химии. В «Мемуаре о соединении кислородного начала с винным спиртом, растительным маслом и различными другими горючими веществами» (1784 г.), в частности, обсуждается вопрос об образовании в различных случаях воды. Лавуазье показал экспериментально, что вода может быть получена не только путем сжигания «горючего воздуха», но и сжиганием, например, винного спирта и других органических веществ. В связи с этим он подробно исследовал получаемые при сжигании различных веществ продукты и установил, что помимо воды при сжигании органических веществ образуется углекислый газ. На основании этих исследований Лавуазье пришел к выводу, что так называемые органические вещества в основном состоят из углерода и водорода.
Лавуазье не оставил без внимания и вопрос о роли воды в питании растений и о механизме беспрерывного выделения кислорода листьями растений. Этот вопрос привлекал в то время широкое и пристальное внимание биологов, физиков и химиков. В мемуаре, озаглавленном «Размышления о разложении воды растительными и животными веществами» (1786 г.), Лавуазье на основании опытов высказывав мысль, что при вегетационных процессах вода в растениях разлагается с образованием «жизненного воздуха».
В большинстве своих экспериментальных исследований, получивших исключительно важное значение для дальнейшего развития химии, Лавуазье действовал скорее как физик, нежели химик. Часто он, не вдаваясь в тонкости химического анализа, основывался лишь на достаточно точных физических определениях, делал свои далеко идущие выводы, обычно хорошо подтверждавшие первоначально выдвигавшуюся рабочую гипотезу. Кроме того, в своих исследованиях он всегда придерживался некоторых общих положений науки, которые были приняты в то время. К числу таких положений следует отнести прежде всего принцип неуничтожаемости материи.
Во времена Лавуазье этот принцип считался само собой разумеющейся истиной и молчаливо, без деклараций, принимался большинством естествоиспытателей и философов. Однако при этом он странным образом уживался с признанием существования и роли в химических и жизненных процессах невесомых флюидов. Лишь весьма немногие естествоиспытатели в те времена вполне сознавали важное значение этого принципа и сознательно пользовались им, последовательно проводя его в жизнь. К числу таких ученых принадлежал М. В. Ломоносов, который еще в 1748 г., основываясь на своих исследованиях, считал необходимым положить этот принцип вместе с атомно-молекулярным учением в основу химии и физики («корпускулярная философия»). Ломоносов был первым, кто отчетливо сформулировал этот «всеобщий естественный закон» сохранения веществ и движения. В своих исследованиях он применял этот принцип последовательно и безоговорочно.
Лавуазье же, как мы видели, был сторонником и даже своего рода «укрепителем» учения о невесомых флюидах, признание существования которых, как показал Ломоносов, противоречило принципу неуничтожаемости материи. Тем не менее, работая с разнообразными веществами, в том числе и с газами, Лавуазье стоял на почве этого принципа и придавал особое значение количественной характеристике явлений, взвешиванию объемов газов и т. д. По мнению Лавуазье, «нет лучшего средства для определения количества материй, которые употребляются в химических операциях и которые получаются в результате опытов, как сравнение этих количеств с эталонами при помощи весов» (45).
Лавуазье имел в своем распоряжении несколько весов различной точности и для разных нагрузок и постоянно пользовался этими приборами в своих опытах. Исходя из убеждения в полной справедливости положения о неуничтожаемости материи и независимо от признания существования невесомых флюидов, Лавуазье сформулировал этот принцип следующим образом: «Ничто не творится ни в искусственных, ни в природных процессах, и можно принять в качестве принципа, что во всякой операции количество материи одинаково до и после операции, что качество и количество начал остаются теми же самыми, что происходят лишь превращения, видоизменения. На этом принципе основано все искусство делать опыты в химии; необходимо предполагать существование настоящего равенства или отношения между составными началами исследуемых тел и началами, получаемыми из них посредством анализа. Таким образом, например, виноградный сок дает газ угольной кислоты и алкоголь, и я могу сказать, что виноградный сок — угольная кислота + алкоголь» (46).
Таким образом, на примере образования алкоголя при брожении виноградного сока Лавуазье представил химический процесс в виде уравнения реакции. Это первый пример в истории химии пользования химическим уравнением для изображения материального процесса.
Все эти и другие многочисленные исследования, выводы и общие представления Лавуазье существенным образом дополняли и обосновывали его основную концепцию — «антифлогистическую, кислородную теорию» горения и дыхания. Являясь во многих случаях прямым следствием этой теории, такие выводы и обобщения давали в руки Лавуазье новые аргументы в пользу развитых им представлений и в борьбе против теории флогистона. При этом часто они становились основными и важными деталями здания новой химии, контуры которого все более и более отчетливо вырисовывались для Лавуазье.
По-видимому, в середине 1780-х годов у Лавуазье возникла мысль обобщить все полученные им ранее результаты исследований и объяснений разнообразных явлений и изложить их в систематизированном виде в курсе элементарной химии. Основной материал для такого курса уже имелся. Принципы кислородной теории, рационально объяснившие явления горения, обжига металлов, физиологию дыхания и другие явления, оказались ключом для разрешения многих других неясных вопросов, связанных с трактовкой химических явлений.
Однако для создания курса элементарной химии, основанного на новых принципах, Лавуазье должен был преодолеть еще некоторые затруднения и полностью устранить еще остававшиеся неясные вопросы, которые могли бы сделаться опорными пунктами теории флогистона. Такими опорными пунктами старой химии еще оставались учение о принципах тел, или началах (элементы), и старая химическая номенклатура — наследие алхимического, иатрохимического и флогистического периодов в развитии химии.