Теория флогистона и ее опровержение

2.2 Георг Эрнст Шталь

 
        Георг Эрнст Шталь [15] (1659—1734) в молодости изучал медицину в Иенском университете, по окончании которого, получив ученую степень в 1683 г., вел здесь же преподавательскую работу в качестве приват-доцента. В 1687 г. он был приглашен на должность лейб-медика к герцогу Саксен-Веймарскому, а в 1693 г. переехал в Галле во вновь основанный университет в качестве второго ординарного профессора медицины и химии (первым профессором был Ф. Гоффман, о котором будет сказано ниже). В течение 22-летней профессорской деятельности в Галле Шталь подготовил много учеников, некоторые из которых впоследствии стали видными учеными. Все они были горячими поклонниками и последователями нового флогистического учения и широко пропагандировали его в своих сочинениях. В 1716 г. Шталь переехал в Берлин, стал членом Прусской академии наук и королевским лейб-медиком. В берлинский период своей деятельности он опубликовал свои важнейшие сочинения по химии и, в частности, известный курс «Основания догматической и экспериментальной химии» [16] 
        Теоретические воззрения Шталя окончательно сложились в берлинский период его жизни. В начале своей деятельности в Иене Шталь был близок алхимии. Познакомившись с сочинениями Бехера, он стал горячим последователем его учений. Взгляды Шталя по вопросу об элементарных составных частях тел в этот период в общем отражали господствовавшие в то время представления. Он делил все тела на простые, которые он называл принципами, или началами, и сложные. Эти последние он в свою очередь делил по степени сложности на «смешанные» и «составные» тела. Кроме того, он выделял в особый класс сложные составные тела, которые называл «агрегатами». 
        В качестве главных составных частей сложных тел Шталь принимал элементы алхимиков, а с другой стороны, он считал началами тел и последние составные части, которые могут быть выделены из сложного тела в результате разложения. Те из них, о которых ничего достоверно не было известно, он называл «физическими началами», остальные же — «химическими началами». Последние он именовал по-разному, однако в соответствии с элементами алхимиков — ртутью и солью. Так, он употреблял термины «сухая землистость», «воспламеняемое летучее» и «летучий флюид», или соль, «масло», «спирт» и т. д. 
        В сочинениях, которые Шталь опубликовал в конце XVII в., его взгляды о составных частях сложных тел получили некоторое развитие в связи с объяснением им явлений горения и в особенности явления кальцинации металлов. Еще в Иене Шталь начал исследования, связанные, по-видимому, с рационализацией доменного процесса и металлообрабатывающих производств. Мастеровые обратили его внимание на явление, причинявшее им много неприятностей. Впоследствии Шталь писал об этом следующее: «Кузнецы, медники, литейщики колоколов и пуговичные мастера жаловались на то, что из несовершенных металлов в процессе прокаливания их на воздухе выгорает некоторая часть; металлы при этом распадаются, превращаясь как бы в золу... Почему это происходит, что это за явление, как оно протекает, что именно уходит из металла и, равным образом, как следует поступить, чтобы этого не происходило, или каким образом восстановить потери,— это неизвестно даже таким опытным мастерам» [17]. 
        Несомненно, именно в связи с этой проблемой, Шталь уже в своей «Зимотехнии» [18], вышедшей первым изданием в 1697 г., делает упор на особую роль в процессах горения той «составной части» металлов и горючих тел вообще, которая обусловливает их горючесть. Выясняя природу этой «составной части» горючих тел, он обсуждает, в частности, вопрос о составе серы, которую он относил, как и Лемери⁵ и другие химики того времени, к сложным телам. В том же году Шталь [19] описывает следующий, по его выражению, «новый эксперимент синтеза» серы. Он нейтрализовал серную кислоту поташом и прокалил получившуюся при этом соль (сульфат калия) с углем, в результате чего образовалась «серная печень», т. е. смесь сульфидов калия. Из раствора этой серной печени действием кислот он получил серу. На основании этого опыта Шталь заключил, что сера состоит из кислой части, т. е. серной кислоты, и из другой части — «горючего начала», которое содержится в угле. 
        Здесь же Шталь высказывает мнение, широко развитое им в дальнейших сочинениях, что «горючее начало», содержащееся в угле и жирных веществах, входит также в состав неблагородных металлов. Это следует из того факта, что в присутствии угля и маслянистых субстанций металлы восстанавливаются из «известей» при нагревании. Таким образом, металлы помимо землистой составной части содержат это «начало горючести», и именно это «начало» сообщает металлам их металлические свойства. Для обозначения этого принципа горючести Шталь употребляет термин «флогистон» (от греческих — «огонь» и — «горючий») и пишет это слово по-гречески. 
        В 1703 г. Шталь переиздал книгу Бехера⁶ «Подземная физика». В специальном приложении к этой книге, озаглавленном «Специмен Бехера» («Specimen Becherianum») [20], Шталь вновь развивает взгляды о составных частях металлов и о «начале горючести». Он особо подчеркивает, что эти представления принадлежат собственно не ему, а Бехеру: «Becheriana sunt quae profero», т. е. «то, что я излагаю, принадлежит Бехеру» (78). Однако они довольно значительно отличаются от бехеровских. Действительно, в отличие от Бехера и других своих предшественников, полагавших, что все горючие тела содержат сернистые  или жирные составные части, или terra pinguis, придающие им способность гореть, Шталь имеет в виду некий абстрактный «принцип горючести» и поэтому вводит для него специальное название — «флогистон» [21], с целью устранить путаницу в обозначениях. 
        В дальнейших сочинениях и особенно в вышедшей в 1723 г. книге «Основания химии» Шталь еще шире развивает свои первоначальные представления о флогистоне. Исходя из основного положения, что наличие флогистона в телах служит условием их горючести, Шталь выясняет, в частности, отношение флогистона к огню. По его мнению, огонь (нагревание) необходим для осуществления химических превращений, но он не может рассматриваться в качестве составной части тел, выделяющейся при разложении в виде пламени. Иначе сказать, Шталь отрицает элементарность аристотелевского огня-стихии. Что же касается флогистона, содержащегося в горючих телах, то при выделении из них, утверждает Шталь, он способен соединяться с различными веществами, в частности с воздухом, причем такие соединения весьма прочны. При горении тел флогистон улетучивается из них, производя при этом быстрое вихреобразное движение, и, соединяясь с воздухом, образует то, что обычно называется пламенем или огнем. Из воздуха, в котором флогистон рассеивается, его невозможно выделить химическим путем. Только растения могут извлекать его из воздуха; через растения он переходит и в животные организмы.

2.3 Основание флогистона

 
        Шталь знал, что металлы при нагревании без доступа воздуха не могут превращаться в «извести», но не объяснил достаточно отчетливо этот факт. Он знал также, что при кальцинации вес металлов увеличивается, но говорил об этом как о малозначащем факте и объяснял его в соответствии со взглядами Кункеля. 
        В чистейшем состоянии флогистон, согласно Шталю, содержится в саже, полученной при сжигании хорошо очищенных масел. Таким образом, флогистон как будто бы можно сопоставить с углеродом. Но Шталь не считал флогистон углеродом и вообще каким-либо определенным веществом. Однако, по его представлениям, «горючая субстанция, или способное производить огонь начало, не только нечто действительное, но и нечто телесное» [22] и вместе с тем это простое вещество, которое не может быть разложено на какие-либо составные части.  
        Но Шталь принимал,что флогистон является вещественным лишь в том случае, когда он находится в сочетании с другими веществами в сложных телах. Только тогда он способен при нагревании этих тел проявляться в виде огня. В свободном же состоянии это нечто неопределенное. В «Случайных мыслях» [23] Шталь указывает: «...Вне сомнений, он (флогистон) или совсем не дает огня, представляя собой невидимую тонкость, или же образует далеко разветвленный невидимый огонь, а именно: теплоту». Поэтому, продолжает Шталь, эта первоначальная основная сущность горючести «до сих пор не была найдена и познана сама по себе, вне связи и соединения с другими материями, и не была поэтому описана в соответствии с своими основнымикачествами». 
        Далее Шталь указывает, что именно наличием флогистона в составе тел объясняются их цвета и запахи. Этот принцип горючести «присутствует во всех смешанных телесных вещах в большей или меньшей степени, притом во всех трех царствах — растительном, животном и минеральном». «Особенно часто встречается это вещество в растительных и животных образованиях, все части которых пронизаны им, за исключением находящейся в них случайно воды» [24]. 
        Не трудно понять, что с точки зрения объяснения явлении окисления и восстановления металлов флогистон Шталя — это нечто противоположное кислороду или, лучше сказать, это «отрицательный кислород». Если воспользоваться методом уравнений для изображения процесса окисления металл а, то, сточки зрения последователей теории флогистона, мы получили бы: Металл — флогистон=металлическая известь (окисел). Эту реакцию, как известно, можно выразить уравнением: Металл + кислород = окисел металла («известь» флогистиков). 
        Из сказанного очевидно, что учение Шталя о флогистоне основано на совершенно ошибочных представлениях не только о процессах горения и кальцинации металлов, но и о составляющих тела простых, элементарных веществах. В понятии «флогистон» нельзя не видеть обобщения учений об аристотелевских стихиях-качествах и алхимических принципах тел; принцип горючести, т. е. «сернистой»—«жирной», или «горючей» составной части тел, сопоставлен с аристотелевским элементом-качеством — огнем. По представлениям Шталя, флогистон в большей степени абстрактное понятие, чем материальное тело, т. е. флогистон понимался им аналогично тому, как понималась алхимиками «сера» как принцип вещей или аристотелианцами — «огонь» как элемент-качество. Только впоследствии, уже в период расцвета теории флогистона, химики принялись за поиски среди материальных тел этого неуловимого вещества. Ю. Либих писал в связи с этим: «Вначале флогистон был одно только понятие, вопрос же о материальном его существовании не имел никакого значения до тех пор, пока содержащаяся в нем идея не приносила плодов относительно приведения фактов в порядок и новых обобщений» [25]. 
        Преемственность в представлениях алхимиков и флогистиков очевидна. Она сказалась не только в том, что в основу теории флогистона легло учение о горении тел как об их распаде, и не только в неопределенности и в метафизичности самого понятия «флогистон», но и в том, что теория флогистона не устранила алхимических учений и прежде всего учения о трех первоначалах, составляющих тела. Как известно, именно это учение и было своего рода теоретической основой бесплодных поисков алхимиками философского камня и путей трансмутации металлов. Поэтому, если встать на точку зрения некоторых историков химии, считающих возникновение теории флогистона началом научного развития химии, то следовало бы согласиться с мнением, что «алхимия — мать химии». Однако, как будет видно далее, подлинное научное развитие химии началось лишь тогда, когда из научного обихода были полностью изгнаны основы алхимических учений, прежде всего учение о трех элементах алхимиков, и вместе с ним сам флогистон и другие фантазии, окутанные мистическим туманом. 
        При всем этом теория флогистона принесла несомненную пользу для дальнейшего развития химии. Эта теория позволила рассматривать с единой точки зрения различные химические процессы, которые ранее считались совершенно разнородными и объяснялись в каждом случае особыми причинами. Особенно важно, что эта теория давала возможность просто объяснять явления окисления и восстановления металлов. Правда, «простота объяснения ослепляла как самого Шталя, так и последовавшее за ним поколение химиков, так что никто из них не замечал вопиющих противоречий между флогистической теорией и фактами». Теория флогистона оплодотворила и экспериментальные исследования химиков, получившие в XVIII в. широкое развитие. Как указывает Дж. Бернал: «Центральным вопросом, вокруг которого вращалась эта теория, была универсальность противоположных процессов флогистации-дефлогистации. Таким образом, она объединяла сходные процессы и разделяла несходные» . 
        Следует, однако, иметь в виду, что быстрый прогресс химии в конце XVIII в. был обусловлен отнюдь не тем, что химики истолковывали вновь добывавшиеся ими новые факты с точки зрения флогистического учения. Со второй половины XVIII в. в химии, под влиянием потребностей бурно развивавшейся промышленности и других факторов, в том числе и потребностей самой химии, началось быстрое накопление экспериментального материала, главным образом данных о составе различных солей, минералов, растительных извлечений и т. п. Эти новые факты, добытые в эпоху господства теории флогистона, но совершенно независимо от существования этого учения, и явились той базой, на которой стала возможной и «химическая революция» и внедрение в химию атомистики и учения об элементах. 
        Теория флогистона не сразу была принята всеми химиками. Она получила широкое распространение главным образом благодаря деятельности учеников Шталя, многие из которых прославились не столько как теоретики, сколько как экспериментаторы и химики-технологи. Несомненно, что по крайней мере отчасти их достижения в области технической химии и привлекали внимание ученых разных стран Европы. Из сочинений по технической химии, а также из трудов химиков-аналитиков — сторонников теории флогистона и были восприняты европейскими химиками флогистические доктрины. 
        Приведем в заключение определение, данное Шталем предмету и задачам химии. В курсе «Основания химии» он дает следующее определение химии: «Химия, иначе алхимия и спагирия, есть искусство разделять тела как смешанные, так и составные и агрегированные на их начала (принципы), а также таковые составлять из начал. Ее субъектами служат все смешанные и составные тела, которые могут быть разделены и составлены вновь; цель же ее — само разделение и составление, иначе — разрушение и возрождение» . Это определение, так же как и приведенное ранее определение Лемери, типично для химиков-врачей того времени и отражает лишь задачи химии как искусства с чисто практическим направлением, обслуживающего в первую очередь нужды медицины и фармации. 
        Отметим в заключение, что Шталь был последователем корпускулярной теории, но понимал ее чисто механистически.

2.4 Система Лавуазье

 
        Теория флогистона способствовала и развитию учения об элементах. Приверженцы теории флогистона называли элементами оксиды металлов, рассматривая их как металлы, лишенные флогистона. Металлы же, напротив, считали соединениями элементов (оксидов металлов) с флогистоном. Потребовалось лишь поставить все положения этой теории "с головы на ноги". Что и было сделано в дальнейшем. Для объяснения того, что масса оксидов больше чем масса металлов, Шталь предположил (а, вернее утверждал), что флогистон имеет отрицательный вес, т.е. флогистон соединившись с элементом "тянет" его вверх. Несмотря на одностороннюю, лишь качественную характеристику процессов, происходящих при горении, теория флогистона имела громадное значение для объяснения и систематизации именно этих превращений. На неверность флогистонной теории указывал Михаил Иванович Ломоносов⁷.

Однако экспериментально доказать это смог Антуан Лоран Лавуазье. Лавуазье заметил, что при горении  фосфора и серы же, как и при  прокаливании металлов, происходит увеличение веса вещества. Казалось бы естественным сделать: увеличение веса сжигаемого вещества происходит при всех процессах горения. Однако этот вывод настолько противоречил положениям теории флогистона, что  нужна была недюжинная смелость, чтобы  высказать его хотя бы в виде гипотезы. Лавуазье решил проверить высказанные  ранее Бойлем, Реем, Мэйоу и Ломоносовым  гипотезы о роли воздуха в процессах горения. Он интересовался тем, увеличивается ли количество воздуха, если в нем происходит восстановление окисленного тела и выделение благодаря этому дополнительного воздуха.

Лавуазье  удалось доказать, что действительно  количество воздуха при этом возрастает. Это открытие Лавуазье назвал самым  интересным со времени работ Шталя. Поэтому в ноябре 1772 г. Он направил в Парижскую Академию наук специальное  сообщение о полученных им результатах. На следующем этапе исследований Лавуазье полагал выяснить, какова природа "воздуха", соединяющегося с горючими телами при их окислении. Однако все попытки установить природу  этого "воздуха" в 17721773 гг. Окончились безрезультатно.

Дело в  том, что Лавуазье, так же как и  Шталь, восстанавливал "металлические  извести" путем непосредственного  контакта с "углеобразной материей" и тоже получал при этом диоксид  углерода, состав которого он не мог  тогда установить. Как считал Лавуазье, "уголь сыграл с ним злую шутку". Однако Лавуазье, как и многим другим химикам, не приходила мысль, что  восстановление оксидов металлов можно  осуществить нагреванием с помощью  зажигательного стекла.

Но вот  осенью 1774 г. Джозеф Пристли⁸ сообщил, что при восстановлении окиси ртути с помощью зажигательного стекла образуется новый вид воздуха - "дефлогистированный воздух". Незадолго до этого кислород был открыт Шееле, но сообщение об этом было опубликовано с большим запозданием. Шееле и Пристли объясняли наблюдаемое ими явление выделения кислорода с позиций флогистонной теории. Только Лавуазье смог использовать открытие кислорода в качестве главного аргумента против теории флогистона. Весной 1775 г. Лавуазье воспроизвел опыт Пристли. Он хотел получить кислород и проверить, был ли кислород тем компонентом воздуха, благодаря которому происходило горение или окисление металлов. Лавуазье удалось не только выделить кислород, но и вновь получить оксид ртути. Одновременно Лавуазье определял весовые отношения вступающих в эту реакцию веществ. Ученому удалось доказать, что отношения количества веществ, участвующих в реакциях окисления и восстановления, остаются неизменными. Работы Лавуазье произвели в химии, пожалуй, такую же революцию, как два с половиной века до открытия Коперника в астрономии. Вещества, которые раньше считались элементами, как показал Лавуазье, оказались соединениями, состоящими в свою очередь из сложных "элементов". Открытия и воззрения Лавуазье оказали громадное влияние не только на развитие химической теории, но и на всю систему химических знаний. Они так преобразовали саму основу химических знаний и языка, что следующие поколения химиков, по существу, не могли понять даже терминологию, которой пользовались до Лавуазье. На этом основании впоследствии стали считать, что о "подлинной" химии нельзя говорить до открытий Лавуазье.

Преемственность химических исследований при этом была забыта. Только историки химии начали вновь воссоздавать действительно  существовавшие закономерности развития химии. При этом было выяснено, что "химическая революция" Лавуазье была бы невозможна без существования до него определенного  уровня химических знаний.

Развитие  химических знаний Лавуазье увенчал  созданием новой системы, в которую  вошли важнейшие достижения химии  прошлых веков. Эта система, правда, в значительно расширенном и  исправленном виде, стала основой  научной химии. В 80х гг. XVIII в. Новая  система Лавуазье получила признание  у ведущих естествоиспытателей  Франции - К.Бертолле, А. Де Фуркруа и  Л.Гитона де Морво. Они поддержали новаторские  идеи Лавуазье и совместно с ним  разработали новую химическую номенклатуру и терминологию. В 1789 г. Лавуазье изложил  основы разработанной им системы  знаний в учебнике "Начальный  курс химии, представленный в новом  виде на основе новейших открытий".

Лавуазье  разделял элементы на металлы и неметаллы, а соединения на двойные и тройные. Двойные соединения, образуемые металлами  с кислородом, он относил к основаниям, а соединения неметаллов с кислородом - к кислотам. Тройные соединения, получающиеся при взаимодействии кислот и оснований, он называл солями. Система  Лавуазье основывалась на точных качественных и количественных исследованиях. Этот довольно новый вид аргументации он использовал, изучая многие спорные  проблемы химии - вопросы теории горения, проблемы взаимного превращения  элементов, которые были весьма актуальны  в период становления научной  химии.[25]

Так, для  проверки представления о возможности  взаимного превращения элементов  Лавуазье в течение нескольких дней нагревал воду в запаянной сосуде. В итоге он обнаружил в воде незначительное количество "земли", установив при этом, что изменение  общего веса сосуда вместе с водой  не происходит. Образование "земель" Лавуазье объяснил не как результат  их выделения из воды, а за счет разрушения стенок реакционного сосуда. Для ответа на этот вопрос шведский химик аптекарь К.Шееле в то же время использовал качественные методы доказательства, установив идентичность выделяющихся "земель" и материала сосуда.

Лавуазье, как  и Ломоносов, учитывал существовавшие с древности наблюдения о сохранении веса веществ и систематически изучал весовые соотношения веществ, участвующих  в химической реакции. Он обратил  внимание на то, что, например, при горении  серы или при образовании ржавчины на железе происходит увеличение веса исходных веществ. Это противоречило  теории флогистона, согласно которой  при горении должен был выделяться гипотетический флогистон. Лавуазье счел ошибочным объяснение, согласно которому флогистон обладал отрицательным  весом, и окончательно отказался  от этой идеи. Другие химики, например М.В.Ломоносов или Дж.Мэйоу, пытались объяснить окисление элементов  и образование оксидов металлов (или, как тогда говорили, "известей") как процесс, при котором частицы  воздуха соединяются с какимлибо  веществом. Этот воздух может быть "оттянут  обратно" путем восстановления.

В 1772 г. Лавуазье собрал этот воздух, но не смог установить его природу. Первым об открытии кислорода  сообщил Пристли. В 1775 г. Ему удалось  доказать, что именно кислород соединяется  с металлом и вновь выделяется из него при его восстановлении, как, например, при образовании "извести" ртути и ее восстановлении. Систематическим  взвешиванием было установлено, что  вес металла, участвующего в этих превращениях, не изменяется. Сегодня  этот факт, казалось бы, убедительно  доказывает справедливость предположений  Лавуазье, а тогда большинство  химиков отнеслись к нему скептически. Одной из причин такого отношения  было то, что Лавуазье не мог объяснить  процесс горения водорода.