Изучение процессов горения во второй половине XVII века

1. Изучение  процессов горения  во второй половине XVII века.

В семнадцатом  столетии началось бурное развитие механики, которое оказалось плодотворным и для химии. Развитие механики привело  к созданию паровой машины и положило начало промышленной революции. Человек  получил машину, которая, казалось, может делать всю тяжелую работу на свете. Но 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?

Задолго до XVIII века греческие и западные алхимики пытались ответить на эти вопросы. 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 в себе элемент «сульфур». 

Химики  второй половины XVII века большое внимание уделяли толкованиям явлений горения и кальцинации (превращение в «известь») металлов. Это связано с потребностями расширявшегося производства. Развитие металлургической и металлообрабатывающей промышленности, стекольного производства и других отраслей техники привело в ряде стран Западной Европы к катастрофическому истреблению лесов. Недостаток древесного топлива и особенно древесного угля — единственного в то время средства для восстановления металлов из руд, широко применявшегося в производстве, поставил перед учеными и практиками задачу найти пути более экономичного и рационального использования топлива. Одновременно начались поиски заменителей древесного угля в металлургических процессах. Еще в 1619 г. Дадлей (1599—1684) предложил применять в доменном процессе вместо древесного угля каменный. Поэтому технологи-металлурги и химики, разрабатывавшие пути осуществления этого предложения, довольно широко изучали процессы горения и свойства топлива.

С другой стороны, быстро развивающаяся металлургическая промышленность испытывала нужду в  рационализации технологии производства в других отношениях. В частности, обсуждался вопрос о больших потерях  металла, превращавшегося в окалину  при плавке и термической обработке. Поэтому широко изучался процесс  кальцинации металлов и восстановления их из окислов. Кроме того, металлурги XVII века столкнулись с проблемой добычи металлов из бедных руд. Требовалось научное обоснование переработки таких руд с минимальными потерями металлов.

Развитие  представлений о горении и  кальцинации металлов происходило  в тесной связи с учениями о  составных частях сложных тел. На общем фоне господства многих традиционных пережитков средневековья, схоластических догматов и алхимических верований  эти учения нередко принимали  уродливые формы. Единой точки зрения по вопросу об основных первоначалах тел не существовало. Одни химики придерживались учения о трех первоначалах спагириков, а другие признавали лишь старинное аристотелевское учение о четырех элементах-качествах; большинство же химиков XVII века пыталось примирить оба учения, придумывая при этом различные гипотетические принципы вещей; четвертые, наконец, такие, как Бойль, высказывали сомнение в справедливости учений перипатетиков и спагириков, формулировали новые идеи, но были непоследовательными в их приложении к объяснениям химических явлений.

Убеждение в том, что при горении и  прокаливании тела разлагаются на более  простые составные части по сравнению  с самим прокаливаемым телом, едва ли можно ставить в вину химикам  того времени. Они повседневно наблюдали  такое разложение, получая в остатке  землю (золу) и, в виде летучих продуктов, воду и некоторые воздухообразные  вещества, еще неясной в то время природы. Естественно, что и кальцинацию металлов они рассматривали как частный случай горения с образованием в остатке той же земли («извести»). Подтверждение того, что при прокаливании металл разлагается на составные части, они видели и в образовании дыма, например в случае кальцинации сурьмы посредством зажигательного стекла и нечистых металлов. Никого из них не смущало то, что в результате кальцинации металлы значительно увеличиваются в весе. Этот факт рассматривался как второстепенное, побочное явление, не имеющее большого значения при трактовке процессов кальцинации как разложения металла. Любое объяснение этого факта казалось приемлемым, лишь бы оно не противоречило основной концепции. Бойль дал одно из таких объяснений, допустив, что при кальцинации металлов к ним присоединяется огненная материя. И его точка зрения без критики была принята большинством химиков. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

2. Открытие  теории флогистона.

Создателями теории флогистона считаются немецкие химики Иоганн Иоахим Бехер и Георг Эрнст Шталь (смотри рисунок 1).

Бехер в книге "Подземная физика" (1669) изложил свои взгляды на составные  части тел. Таковыми, по его мнению, являются три вида земли: первая - плавкая  и каменистая (terra lapidea), вторая - жирная и горючая (terra pinguis) и третья - летучая (terra fluida s. mercurialis). Горючесть тел, по мнению Бехера, обусловлена наличием в их составе второй, жирной, земли. Система Бехера очень похожа на алхимическое учение о трёх принципах, в котором горючесть обусловлена наличием серы; однако Бехер считает, что сера является сложным телом, образованным кислотой и terra pinguis. По сути, теория Бехера представляла собой одну из первых попыток предложить нечто новое взамен алхимического учения о трёх принципах. Увеличение массы металла при обжиге Бехер традиционно объяснял присоединением "огненной материи". Эти взгляды Бехера послужили предпосылкой к созданию теории флогистона, предложенной Шталем в 1703 г., хотя и имеют с ней очень мало общего. Тем не менее, сам Шталь всегда утверждал, что авторство теории принадлежит Бехеру.

В своей  книге «Зимотехнии», вышедшей первым изданием в 1697 году, Шталь 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 к сложным телам. В том же году Шталь 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»)

В 1703 г. Шталь переиздал книгу Бехера «Подземная физика». В специальном приложении к этой книге, озаглавленном «Специмен Бехера» («Specimen Becherianum»), Шталь вновь развивает взгляды о составных частях металлов и о «начале горючести». Он особо подчеркивает, что эти представления принадлежат собственно не ему, а Бехеру. Однако они довольно значительно отличаются от бехеровских. Действительно, в отличие от Бехера и других своих предшественников, полагавших, что все горючие или жирные составные части, придающие им способность гореть, Шталь имеет в виду некий абстрактный «принцип горючести» и поэтому вводит для него специальное название — «флогистон», с целью устранить путаницу в обозначениях.

В вышедшей в 1723 году 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.

Шталь знал, что металлы при нагревании без доступа воздуха не могут превращаться в «извести», но не объяснил достаточно отчетливо этот факт.

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 и вместе с тем это простое, 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» 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 основными качествами».

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».

Не трудно понять, что с точки зрения объяснения явлений 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).

Суть  теории флогистона можно изложить в  следующих основных положениях:

1. Существует  материальная субстанция, содержащаяся  во всех горючих телах –  флогистон.

2. Горение  представляет собой разложение  тела с выделением флогистона, который необратимо рассеивается  в воздухе. Вихреобразные движения  флогистона, выделяющегося из горящего  тела, и представляют собой видимый  огонь. Извлекать флогистон из  воздуха способны лишь растения.

3. Флогистон  всегда находится в сочетании  с другими веществами и не  может быть выделен в чистом  виде; наиболее богаты флогистоном  вещества, сгорающие без остатка.

4. Флогистон  обладает отрицательной массой.

Рисунок 1. Георг Эрнст Шталь (1660 г. –1734 г.) 
 
 
 
 
 
 
 

3. Ошибки и заблуждения теории флогистона.

В результате работ таких замечательных химиков, как М. В. Ломоносов,

К. Шееле, Г. Кавендиш, Д. Пристли, которые пытались выделить флогистон и исследовали газообразные продукты реакций, стала очевидной несостоятельность теории флогистона.

Ошибкой теории флогистона было то, что она  теплоту и флогистон считала  разными материями, а также то, что причину образования оксидов  металлов она связывала с потерей  флогистона. В то время как причиной их образования было взаимодействие атомов металла с кислородом воздуха, а флогистон выделялся вследствие уплотнения частиц в образовавшихся молекулах. Несмотря на эти замечания, флогистонная теория в целом более  правильно объясняла механизм окислительно-восстановительных  процессов, чем современная наука, так как считала флогистон (теплоту) составной частью металлов, а, следовательно, и атомов, что соответствует действительности. В отличие от нее, современная  наука пользуется моделью строения атома, предложенной Н. Бором, не имеющей  ничего общего с реальным его строением. Поэтому и механизм окислительно-восстановительных  процессов объясняется неверно.

Российский  академик Михайло Ломоносов сделал немало опытов, указывая на неверность флогистонской теории. Он обжигал металлы в запаянной колбе, сравнивал ее вес до обжига и после него, при этом вес колбы не изменялся. Он менялся только при обжиге на открытом воздухе. Стало быть, никакой «огненной материи», прилипающей к металлу, нет. В 1744 г., в диссертации «Размышления о причине теплоты и холода» Ломоносов высмеял «огненную материю», которая то входит в поры тел, «как бы привлекаемая каким-то приворотным зельем», то бурно покидает их, «как бы объятая ужасом».