Р. БОЙЛЬ И ЗАРОЖДЕНИЕ «НАУЧНОЙ ХИМИИ»

Р. БОЙЛЬ И ЗАРОЖДЕНИЕ «НАУЧНОЙ ХИМИИ»

В развитии химии в XVII в. особенно значительная роль принадлежит английскому ученому Р. Бойлю. В многогранной научной и научно-общественной деятельности Бойля нашли яркое отражение новые веяния в науке и прежде всего борьба против схоластического аристотелизма и традиционных пережитков алхимического периода. Последователь и пропагандист индуктивной философии и экспериментального метода Ф. Бэкона, Бойль явился одним из первых и ярких представителей экспериментальной химии. Но он не был простым собирателем опытных данных. На основе экспериментального материала, полученного как им самим, так и его современниками, он сделал важные теоретические выводы и обобщения.

При всем этом некоторые его идеи и представления носят печать ограниченности знаний XVII в. Бойль не смог преодолеть силы традиций при объяснении некоторых химических явлений, в частности явлений горения и кальцинации металлов. На него, по-видимому, не произвели никакого впечатления передовые идеи Р. Гука — его бывшего ассистента и Дж. Майова, с работой которого Бойль был, несомненно, хорошо знаком. Вместе с тем в деятельности Бойля отразился и религиозный характер английской буржуазной революции, современником которой он был. Бойль наряду с научными исследованиями много занимался теологическими проблемами и комментированием «священного писания».

Роберт Бойль родился 25 января 1627 г. Он был четырнадцатым ребенком в семье ирландского аристократа, графа Корка. Бойль был болезненным и слабым и всю жизнь придерживался строгого режима «регулярного образа жизни» и соблюдал диэту. По обычаю, распространенному в то время среди ученых, Бойль не был женат. Общее образование он получил дома и в аристократическом колледже в Итоне. В 12-летнем возрасте Бойль был послан отцом для продолжения образования в Европу. В Женеве он в течение полутора лет изучал философию и юриспруденцию, одновременно занимаясь и математикой. Затем Бойль отправился в путешествие по Италии и другим странам Европы, а в 1646 г. вернулся на родину.

Не застав отца в живых, он поселился в одном из оставшихся ему в наследство имений (Стальбридже), где, по-видимому, впервые начал экспериментальные исследования. В 1654 г. он переехал в Оксфорд и вступил в кружок ученых, называвшийся невидимой коллегией (invisible college), который впоследствии стал основой для возникновения Лондонского королевского общества. В оксфордский период жизни Бойль провел несколько весьма важных исследований по физике и химии. В 1668 г. он переехал в Лондон и стал деятельным членом только что организовавшегося Королевского общества. В 1680 г. Бойль был избран его президентом, но отказался от этой должности. Умер Бойль 30 декабря 1691 г.

Бойль принадлежал к распространенному в Европе в течение XVII и XVIII вв. типу ученых-богачей. Он располагал собственными, хорошо оборудованными лабораториями и имел нескольких помощников-ассистентов и мастеров. Публикации научных исследований Бойля стали появляться с 1660 г. В то время ученый занимался исследованиями упругости воздуха. Основываясь на трудах Г. Галилея, давшего метод определения веса воздуха, Э. Торричелли, изобретшего барометр, и О. Герике, демонстрировавшего в 1654 г. «магдебургские полушария» и построившего первый воздушный насос, Бойль в своей первой опубликованной работе описывает сконструированный им воздушный насос, который в дальнейшем он использовал для опытов. Здесь же описаны опыты определения упругости воздуха при помощи неравноплечной U-образной трубки с одним запаянным концом. В результате этих опытов Бойль сформулировал свой известный закон об обратной пропорциональности объема и давления воздуха. Спустя 17 лет этот же закон, независимо от Бойля, был открыт Эдмом Мариоттом (1620–1684), причем Мариотт для получения опытных данных, в сущности, пользовался тем же прибором, что и Бойль.

В 1661 г. появилась (в первом издании анонимно) книга Бойля «Химик-скептик» («The Sceptical Chemist») (30). Книга эта представляет особый исторический интерес. Она посвящена анализу и критике теории перипатетиков (схоластических аристотелианцев) и спагириков (алхимиков, последователей Парацельса) о составных частях веществ. Бойль подробно обсуждает вопрос: можно ли признать «элементы» перипатетиков — огонь, воздух, воду и землю, — а также «принципы» спагириков — ртуть, серу и соль — в качестве истинных элементов тел. В книге «Химик-скептик» (31) Бойль поставил пять главных вопросов. Каждому из них он посвятил особую главу книги. Вопросы эти таковы:

1. Является ли огонь «универсальным анализатором» всех тел?

2. Являются ли продукты прокаливания (кальцинации) действительно элементами, или началами?

3. Может ли быть число веществ, которые принимаются в качестве элементов, или начал, действительно ограничено тремя, четырьмя или пятью?

4. Действительно ли существуют элемент «соль», элемент «сера» и элемент «ртуть», которые так называют?

5. Существуют ли вообще реальные элементы, или начала?»

В последней (шестой) главе книги Бойль излагает свою теорию и дает собственное определение понятия «элемент».

Чтобы выяснить значение поставленных Бойлем вопросов, отметим, что проблема элементов, или основных составных частей тел, в то время была в центре внимания физиков и химиков. Единой точки зрения по вопросу об элементах не было. Иатрохимики и их последователи в своей практической (врачебной и фармацевтической) деятельности в общем удовлетворялись аристотелевскими элементами-качествами. При назначении лекарств они продолжали руководствоваться аристотелевскими характеристиками их свойств (горячительные, охладительные, влажные и пр.) и применяли их в соответствии с симптомами болезни. Но это относилось главным образом к лекарствам растительного происхождения. Минеральные же (химические) лекарственные средства они расценивали с точки зрения спагирического учения об элементах. К тому же значительная часть химиков-врачей еще находилась во власти алхимических идей и веры в возможность трансмутации металлов. В литературе того времени нередко обсуждался вопрос, действительно ли металлы содержат все три принципа алхимиков или же состоят только из двух.

Поэтому учение о четырех элементах-качествах Аристотеля в XVII в., в сущности, было вполне равноправным с учением алхимиков о tria prima, т. е. трех принципах, или началах. Противоречия, которые возникали при толковании различных явлений при помощи обоих учений о первоначальных составных частях тел, сглаживались тем, что в элементах Аристотеля многие видели принципы алхимиков, например соль сравнивали с землей, ртуть — с водой, серу — с огнем. Но некоторые химики не удовлетворялись такими сопоставлениями и пытались примирить оба учения другими путями. Ощущая недостаточность того или другого отдельно взятого учения об элементах, для характеристики состава всех без исключения тел они стремились эклектически слить оба учения воедино. В результате появились теории о пяти или шести элементах.

При обсуждении вопроса о том, какие же именно вещества следует считать элементами, в XVII в. получила распространение точка зрения, что в качестве элементов следует признать продукты разложения тел. В частности, Ван-Гельмонт на основе этого считал реальным элементом лишь воду, получаемую при разложении растений и животных материалов с помощью огня. Однако число средств разложения сложных тел было в то время весьма ограниченно.

Химические методы разложения (например, действием кислот) практически не применялись. Главным средством разложения считали «универсальный анализатор» — огонь. «Sine igne nihil operamur» (32), — говорили химики и, получая в результате прокаливания тел, в частности в результате кальцинации металлов, различные выделения и остатки, трактовали их как элементы. Реальными элементами считались и продукты других операций, производимых при помощи нагревания (дистилляции, сублимации и пр.). Кроме огня упоминался еще «универсальный растворитель», или универсальный анализатор — «алкагест», но он существовал лишь в воображении алхимиков.

В первой главе книги «Химик-скептик» Бойль сформулировал исходные предпосылки, которые он положил в основу обсуждения поставленных вопросов. В этих предпосылках-тезисах сформулированы основные положения корпускулярной теории, которой придерживался Бойль. Тезисы эти таковы:

«1. Не представляется абсурдным допущение, что при первом творении смешанных тел универсальная материя, из которой они составлены, так же как и все тела мира, может быть реально разделена на маленькие, различным образом движущиеся частицы, обладающие различной величиной и формой.

2. Также не невозможно, что некоторые из этих малых частичек, наиболее мелкие и смежные, могли бы соединяться в маленькие массы, или «кучки», и, благодаря таким соединениям, образовывать большое количество таких мелких первичных твердых телец, или масс, которые нелегко разъединить на частицы, из которых они составлены.

3. Я не хочу решительно оспаривать, что из большинства смешанных тел животного и растительного происхождения невозможно при помощи огня получить определенное число (будь то два, три, четыре или пять, или меньше, или больше) субстанций, которые таковы, что им можно присвоить различные названия.

4. Равным образом можно признать, что различные субстанции, которые можно получить из твердых тел, или из которых последние состоят, без очень большой натяжки можно назвать элементами или принципами» (33).

Принимая существование атомов и молекул (первичных частиц и корпускул), взаимодействием которых можно объяснить разнообразные химические явления, Бойль допускает существование в «смешанных» телах (т. е. в соединениях и смесях) промежутков, или пор, между корпускулами. Эти поры, по его мнению, заполнены испарениями из очень мелких частиц. Именно эти испарения, согласно Бойлю, и являются основной причиной химических взаимодействий. Испарения, содержащиеся в порах одних тел, активно взаимодействуют с испарениями других тел, в результате чего происходит либо химическое разложение, либо соединение. Вообще пористой структуре тел и особенно роли испарений Бойль придавал исключительно важное значение в своих объяснениях химических явлений.

На основе всех этих предпосылок Бойль подробно разбирает в своей книге вопрос об элементах. Критикуя представления сторонников учения Аристотеля и алхимическую теорию о трех принципах, он приходит к выводу, что концепция ограниченного числа «универсальных элементов», из которых будто бы состоят все без исключения тела, несостоятельна и что, таким образом, в действительности не существует ни аристотелевских, ни спагирических элементов как веществ, из которых составлены все тела и на которые эти тела могут быть разложены. Критика Бойля направлена против схоластических и метафизических учений, господствовавших в то время. Как сторонник экспериментального метода в химии Бойль приводит в качестве аргументов не только чисто логические доводы, но и полученный им самим экспериментальный материал. В частности, он приводит результаты своего опыта с выращиванием тыквы, поливавшейся только водой (ср. опыты Ван-Гельмонта с ивой).

В результате обстоятельного обсуждения поставленной проблемы Бойль приходит к следующему определению понятия «элемент»: «Я понимаю под элементами, в том смысле, как некоторые химики ясно говорят о принципах, определенные, первоначальные и простые, вполне несмешанные тела, которые не составлены друг из друга, но представляют собой те составные части, из которых составлены все так называемые смешанные тела и на которые последние в конце концов могут быть разложены» (34).

Это определение было весьма важным для того времени. Оно впервые поставило перед химиками реальную задачу: искать те последние, далее уже неразложимые составные части сложных тел (а не понимать их только философски, как это делали схоласты-перипатетики и спагирики), познание которых должно в конце концов решить стоявшую в течение многих веков задачу о природе сложных тел в связи с их свойствами. Признавая значение огня (нагревания) в качестве «анализатора» сложных тел и зная природу продуктов, получающихся при разложении тел, Бойль, в отличие от своих современников, не считает эти продукты элементами. Таким образом, «скептицизм» Бойля в оценке господствовавших в то время учений принес весьма важные плоды.

Бойль в следующих словах характеризует свое скептическое отношение к различным мнениям, в том числе и к господствующим среди ученых: «Я привык рассматривать мнения, как монеты. Когда мне в руки попадает монета, я обращаю гораздо меньше внимания на имеющуюся на ней надпись, чем на то, из какого металла она сделана. Мне совершенно безразлично, вычеканена ли она много лет или столетий тому назад, или она только вчера оставила монетный двор. Столь же мало я обращаю внимания на то, прошла ли она до меня через много или мало рук, если я только на своем пробирном камне убедился, настоящая ли она или фальшивая, достойна ли она быть в обращении или нет. Если после тщательного исследования я нахожу, что она хороша, то тот факт, что она долгое время и многими не принималась за настоящую, не заставит меня отвергнуть ее. Если же я нахожу, что она фальшивая, то ни изображение, ни подпись монарха, ни возраст ее, ни число рук, через которые она прошла, не заставят меня принять ее, и отрицательный результат от одной пробы, которой я сам подверг ее, будет иметь для меня гораздо больше значения, чем все те обманчивые вещи, которые я только что назвал, если бы они все доказывали, что она нефальшивая» (35).

Заметим, однако, что, отвергнув старинные учения об элементах и началах тел и сформулировав определение понятия «элемент» в новом слысле, Бойль не называл ни одного конкретного элемента в новом понимании. Впрочем, это не может вызвать удивления. В его распоряжении еще не имелось ни достоверных экспериментальных данных, ни убедительных доводов в пользу того, что известные ему тела действительно представляют собой элементы.

Среди других исследований Бойля упомянем здесь о его книге, вышедшей в 1673 г. под заглавием «Новые эксперименты о том, как сделать огонь и пламя стойкими и весомыми»[20]. В ней описываются опыты прокаливания металлов на воздухе. Естественно, что при этом Бойль констатировал увеличение веса. При объяснении этого явления он, однако, оказался во власти старых традиционных представлений. Как мы видели, он с самого начала своей исследовательской деятельности интересовался воздухом и его физическими свойствами. Помимо упругости воздуха он изучал его влияние на химические реакции и для этого применял свой воздушный насос, под колоколом которого («бойлевский вакуум») он осуществлял соответствующие опыты. Производя такие опыты горения различных тел в ограниченном объеме воздуха, Бойль заметил (так же, как и Майов), что горение прекращается, хотя оставшийся под колоколом воздух сохраняет еще свою упругость. На основании этих и других опытов (над дыханием животных) Бойль пришел к правильному заключению, что не весь воздух поддерживает горение и дыхание, а только часть его.

Как уже говорилось, Бойль, несомненно, знал об опытах по кальцинации металлов своего ассистента Р. Гука, а также Дж. Майова и об объяснении ими явлений увеличения веса металлов при прокаливании на воздухе. Тем не менее при объяснений собственных опытов по кальцинации металлов он высказал совершенно иную точку зрения. Он полагал, что через поры стеклянной реторты, в которой прокаливался металл, проникает тончайшая «огненная материя», образовавшаяся при горении нагревающих реторту углей. Эта «огненная материя» прилипает к металлу, «материализуется» и, таким образом, увеличивает вес металлической извести.

Можно, конечно, видеть в этой «огненной материи» известный намек на воздушно-селитряный спирт Майова. Но Бойль ничего не говорит об ее связи с воздухом как имеющимся в реторте, так и поступающим извне через ее отверстие. Некоторые историки химии видят в «огненной материи» Бойля прообраз «горючей материи», или флогистона, который вскоре занял совершенно особое место в трактовке химических явлений в XVIII в. Именно поэтому принято считать, что флогистический период в химии начинается с Бойля. Но сопоставление «огненной материи» с флогистоном нельзя признать правильным. Как мы увидим в дальнейшем, «горючая материя» по представлениям флогистиков освобождается из горящего тела, а также и из металла в процессе кальцинации в виде огня, а отнюдь не присоединяется к ним.

Следует особо отметить химико-аналитические исследования Бойля, тесно связанные с главной проблемой, которую он разрабатывал — изучением состава тел. Современники Бойля почти не уделяли внимания химическому анализу, если не считать анализа при помощи огня. В редких случаях они пользовались простейшими приемами пробирного анализа с помощью пробирного камня, а также некоторыми «сухими» методами. Лишь в трудах иатрохимика Тахения можно найти отдельные примеры анализа «мокрым» путем. Бойль систематизировал известные до него методы такого рода определений и сам предложил несколько химико-аналитических реакций.

Обычно Бойлю приписывается заслуга введения в химию термина «анализ» (от «разложение»), под которым он понимал способы разделения тел и определения их составных частей. Для производства качественного анализа Бойль применял различные чувствительные реактивы и по явлениям осаждения, по цвету и форме осадков, по изменению цвета испытываемых растворов судил о присутствии в них тех или иных веществ. Так, серную кислоту он узнавал по осадку, образующемуся при добавлении к раствору известковых солей, соляную — при помощи раствора ляписа (нитрата серебра), соли меди он определял по синему окрашиванию при добавлении к раствору избытка аммиака или летучей щелочной соли (карбоната аммония), железо определялось им по черному окрашиванию при добавлении к раствору настоя чернильных орешков или настоя дубовой коры и т. п. Кроме того, Бойль ввел в употребление индикаторы в растворах или пропитывал ими бумажки. Так, кислоты и щелочи он узнавал по изменению цвета настоек лакмуса, фиалок и васильков.

При анализах Бойль пользовался и «универсальным анализатором» — огнем. Он упоминает также об «алкагесте» Ван-Гельмонта как о «всеобщем растворителе». Изучая химические взаимодействия веществ и, в частности, вытеснение металлов из их солей, Бойль ввел первоначальные понятия о химическом сродстве. Способность веществ к взаимодействию он объяснял «симпатией» и «антипатией» одних веществ по отношению к другим.

Не останавливаясь здесь на других сторонах научной деятельности Бойля, укажем лишь, что для дальнейшего развития химии его экспериментальные исследования и теоретические обобщения имели исключительно большое значение. Особенно велика роль Бойля как основоположника экспериментальной химии. Выше всего Бойль ставил опыт, который, по его мнению, должен служить главным критерием правильности умозаключений и теорий. Применение экспериментального метода позволило Бойлю рассматривать задачи химии неизмеримо шире по сравнению с его предшественниками и современниками, особенно принадлежавшими к иатрохимической школе.

Бойль в следующих словах высказал свои представления о новых задачах химии: «Химики до сих пор руководствовались чересчур узкими принципами, не требовавшими особенно широкого умственного кругозора; они усматривали свою задачу в приготовлении лекарств, в извлечении и превращении металлов. Я смотрю на химию с совершенно другой точки зрения; я смотрю на нее не как врач, не как алхимик, а как должен смотреть на нее философ. Я начертал здесь план химической философии, который надеюсь выполнить и усовершенствовать своими опытами и наблюдениями. Если бы люди принимали успехи истинной науки ближе к сердцу, нежели свои личные интересы, тогда можно было бы легко доказать им, что они оказывали бы миру величайшие услуги, если бы посвятили все свои силы производству опытов, собиранию наблюдений и не устанавливали бы никаких теорий, не проверивши предварительно их справедливости путем опытным» (36).

Стремление Бойля рассматривать химию как «науку» — химическую философию, в отличие от его современников, считавших химию лишь «искусством», было, пожалуй, несколько преждевременным. Однако сделанные им открытия и теоретические обобщения, и в особенности введение в химию экспериментального метода, действительно привели к зарождению «научной химии», как экспериментальной науки. Ф. Энгельс отметил эту заслугу Бойля весьма определенно и лаконично: «Бойль делает из химии науку» (37).

Представляет интерес оценка Бойля современными нам английскими историками науки. Виднейший историк химии Д. Р. Партингтон дает следующую характеристику достижениям Бойля: «Бойль должен быть назван основателем современной химии по трем причинам: 1. Он высказал мнение, что химия достойна изучения с точки зрения ее собственных целей, а не единственно только с той точки зрения, что она представляет собой вспомогательное средство для медицины или алхимии, несмотря на то, что он верил в возможности последней (т. е. алхимии. — Н. Ф.). 2. Он ввел строгий экспериментальный метод в химию. 3. Он дал ясное определение элемента и экспериментально показал, что четыре элемента Аристотеля и три начала алхимиков (ртуть, сера и соль) не заслуживают того, чтобы называться элементами, или началами, — с того времени ни один из этих элементов не мог «извлекаться» из тел, например металлов. Во многих отношениях Бойль был предварен Ван-Гельмонтом, труды которого тщательно изучал и на которого часто ссылался как на авторитет» (38).

В заключение — несколько слов о мировоззрении Бойля. Как мы видели, в области науки он был, в общем, передовым ученым-материалистом. Вместе с тем он оставил довольно много теологических трактатов и комментариев «священного писания» и, таким образом, совмещал научные занятия с активной религиозной деятельностью. Одно время, около 1660 г., он даже намеревался целиком отдаться служению церкви, но, к счастью, этого не произошло. С 1662 г. он занимал пост руководителя «Корпорации по распространению библии в Новой Англии». Завещание Бойля проникнуто религиозными мотивами (39).

При оценке такой ярко выраженной двойственности Бойля, следует иметь в виду крайнюю и даже болезненную религиозность средних и высших классов Англии в XVII в. Известно, что и некоторые другие современники Бойля — ученые, в том числе И. Ньютон, — также были весьма религиозными людьми, что связано, конечно, с их воспитанием в эпоху, в которую идеология периода религиозных войн XVI в. была в Англии господствующей. Это отразилось и на мировоззрении буржуазии и части дворянства в период английской буржуазной революции (1649), т. е. в годы молодости Бойля.

Пример Бойля церковники пытались (и до сих пор пытаются) использовать для пропаганды тезиса о совместимости плодотворных научных занятий с религиозностью ученых. Однако двойственность мировоззрения Бойля ничего не доказывает, поскольку его естественнонаучные и теологические труды по идейной направленности полностью исключают друг друга. Деятельность Бойля подтверждает лишь, что ученые, независимо от того мировоззрения, которого они держатся, решая серьезные вопросы науки, вольно или невольно становятся на материалистическую почву. Будучи при этом глубоко религиозными, они объективно подрывают своими трудами и открытиями религиозные догмы и, в частности, мифы о сотворении мира. «С богом никто не обращается хуже, — писал Ф. Энгельс, — чем верующие в него естествоиспытатели». Бойль и принадлежал к числу таких естествоиспытателей — «стихийных материалистов», о которых писал В. И. Ленин.