Роберт Бойль и возникновение научной химии.

Роберт Бойль (1627-1691) являлся одним из крупнейших химиков, физиков и философов своего времени. В качестве основных научных достижений Бойля в химии можно отметить основание им аналитической химии (качественный анализ), исследования свойств кислот, введение в химическую практику индикаторов, изучение плотностей жидкостей с помощью изобретённого им ареометра. Нельзя не упомянуть и открытый Бойлем закон, носящий его имя (называемый также законом Бойля-Мариотта). Однако главной заслугой Бойля стала предложенная им
новая система химической философии, изложенная в книге «Химик-скептик» (1661). Книга посвящена поискам ответа на вопрос, что именно следует считать элементами, исходя из современного уровня развития химии. Бойль пишет: «Химики до сих пор руководствовались чересчур узкими принципами, не требовавшими особенно широкого умственного кругозора; они видели свою задачу в приготовлении лекарств, в получении и превращении металлов. Я смотрю на химию с совершенно иной точки зрения: не как врач, не как алхимик, а как должен смотреть на неё философ. Я начертал здесь план химической философии, который надеюсь выполнить и усовершенствовать своими опытами и наблюдениями». Книга построена в форме беседы между четырьмя философами: Фемистом, перипатетиком (последователем Аристотеля), Филопоном, спагириком (сторонником Парацельса), Карнеадом, излагающим взглады «мистера Бойля», и Элевтерием, беспристрастно оценивающим аргументы спорщиков. Дискуссия философов показывает, что ни четыре стихии Аристотеля, ни три принципа алхимиков не могут быть признаны в качестве элементов. Бойль пишет: «Нет никаких оснований присваивать данному телу название того или иного элемента только потому, что оно похоже на него одним каким-либо легко заметным свойством; ведь с тем же правом я мог бы отказать ему в этом названии, поскольку другие свойства являются разными». Исходя из опытных данных, Бойль показывает, что понятия современной химии должны быть пересмотрены и приведены в соответствие с экспериментом.

Элементы, согласно Бойлю - практически неразложимые тела
(вещества), состоящие из сходных однородных (состоящих из первоматерии) корпускул, из которых составлены все сложные тела и на которые они могут быть разложены. Корпускулы могут различаться формой, размером, массой. Корпускулы, из которых образованы тела, остаются неизменными при превращениях последних. Главную задачу химии Бойль видит в изучении состава веществ и зависимости свойств вещества от его состава. При этом понятие состава Бойль считает возможным употреблять только тогда, когда из элементов, выделенных из данного сложного тела, можно обратно восстановить исходное тело
(т.е. он фактически принимает синтез за критерий правильности анализа). Бойль не называет ни одного элемента в новом понимании этого понятия; не указывает он и число элементов, отмечая лишь, что «не будет абсурдом, если предположить, что число это много больше трёх или четырёх». Таким образом, книга «Химик-скептик» представляет собой не ответ на насущные вопросы химической философии, но постановку новой цели химии. Главное значение работы Бойля заключается в следующем:

1. Формулировка новой цели химии - изучения состава веществ и
зависимости свойств вещества от его состава.

2. Предложение программы поиска и изучения реальных химических
элементов;

3. Введение в химию индуктивного метода;

Представления Бойля об элементе как о практически неразложимом веществе (следует отметить, что тождество терминов «элемент» и «простое вещество» сохранялось до середины XIX века) быстро получили широкое признание среди естествоиспытателей. Однако научная химия находилась лишь в самом начале своего пути; важнейшими препятствиями, которые лишь предстояло преодолеть, являлись сильные ещё алхимические традиции (Бойль не отрицал принципиальную возможность трансмутации), ложные представления об обжиге металлов как о разложении и спекулятивный (умозрительный) характер атомизма.

 

Теория флогистона.

Первая теория научной химии - теория флогистона - в значительной
степени основывалась на традиционных представлениях о составе веществ и об элементах как носителях определённых свойств. Тем не менее, именно она стала в XVIII веке главным условием и основной движущей силой развития учения об элементах и способствовала полному освобождению химии от алхимии. Именно во время почти столетнего существования флогистонной теории завершилось начатое Бойлем превращение алхимии в химию.

Флогистонная теория горения была создана для описания процессов обжига металлов, изучение которых являлось одной из важнейших задач химии конца XVIII века. Металлургия в это время сталкивается с двумя проблемами, разрешение которых было невозможно без проведения серьезных научных исследований - большие потери при выплавке металлов и топливный кризис, вызванный почти полным уничтожением лесов в Европе.

Основой для теории флогистона послужили традиционные представления о горении как о разложении тела. Феноменологическая картина обжига металлов была хорошо известна: металл превращается в окалину, масса которой больше массы исходного металла (Бирингуччо ещё в 1540 г. показал, что вес свинца увеличивается после прокаливания); кроме того, при горении имеет место выделение газообразных продуктов неизвестной природы. Задачей химиков было дать этому феномену рациональное объяснение, которое можно было использовать для решения конкретных технических задач. Последнему условию не отвечали ни представления Аристотеля, ни алхимические взгляды на горение.

Создателями теории флогистона считаются немецкие химики Иоганн Иоахим Бехер (1635-1682) и Георг Эрнст Шталь (1660-1734). Бехер в книге «Подземная физика» (1669) изложил свои очень эклектичные 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 представляет собой первую попытку предложить нечто новое взамен алхимического учения о трёх принципах. Увеличение массы металла при обжиге Бехер традиционно объясняет 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.

Суть теории флогистона можно изложить в следующих основных
положениях:

1. Существует материальная субстанция, содержащаяся во всех горючих
телах - флогистон (от греческого «ϕλογιστου» - горючее).

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.

Теория Шталя, подобно всем предшествующим, также исходит из
представлений, будто свойства вещества определяются наличием в них особого носителя этих свойств. Положение флогистонной теории об отрицательной массе флогистона (значительно более позднее и признававшееся не всеми сторонниками теории) было призвано объяснить тот факт, что масса окалины (или всех продуктов горения, включая газообразные) больше массы обожжённого металла.

Процесс обжига металла в рамках теории флогистона можно отобразить следующим подобием химического уравнения:

Металл à Окалина + Флогистон

Для получения металла из окалины (или из руды), согласно теории, можно использовать любое тело, богатое флогистоном (т.е. сгорающее без остатка) - древесный или каменный уголь, жир, растительное масло и.т.п.:

Окалина + Тело, богатое флогистоном à Металл

Необходимо подчеркнуть, что эксперимент может только подтвердить справедливость этого предположения; это являлось хорошим аргументом в пользу теории Шталя. Флогистонная теория со временем была распространена на любые процессы горения. Тождество флогистона во всех горючих телах обосновывалось Шталем экспериментально: уголь одинаково восстанавливает и серную кислоту в серу, и земли в металлы. Дыхание и ржавление железа, по мнению последователей Шталя, представляют собой тот же процесс разложения содержащих флогистон тел, но протекающий медленнее, чем горение.

Теория флогистона позволила, в частности, дать приемлемое объяснение процессам выплавки металлов из руды, состоящее в следующем. Руда, содержание флогистона в которой мало, нагревается с древесным углем, который очень богат флогистоном; флогистон при этом переходит из угля в руду, и образуются богатый флогистоном металл и бедная флогистоном зола.

Следует отметить, что в исторической литературе имеются серьёзные разногласия в оценке роли теории флогистона - от резко негативных до положительных. Однако нельзя не признать, что теория флогистона имела целый ряд несомненных достоинств:

- она просто и адекватно описывает экспериментальные факты,
касающиеся процессов горения;

- теория внутренне непротиворечива, т.е. ни одно из следствий не
находится в противоречии с основными положениями;

- теория флогистона целиком основана на экспериментальных фактах;

- теория флогистона обладала предсказательной способностью.

Флогистонная теория - первая истинно научная теория химии – послужила мощным стимулом для развития количественного анализа сложных тел, без которого было бы абсолютно невозможным экспериментальное подтверждение идей о химических элементах. Следует отметить, что положение об отрицательной массе флогистона фактически сделано на основании закона сохранения массы, который был открыт значительно позднее. Это предположение само по себе способствовало дальнейшей активизации количественных исследований. Ещё одним результатом создания флогистонной теории явилось активное изучение химиками газов вообще и газообразных продуктов горения в частности. Появляется т.н. пневматическая химия, основоположники которой Джозеф Блэк (1728-1799), Даниил Резерфорд (1749-1819), Генри Кавендиш (1731-1810), Джозеф Пристли (1733-1804) и Карл Вильгельм Шееле (1742-1786) явились создателями целой системы количественных методов в химии.

Во второй половине XVIII века теория флогистона завоевала среди химиков практически всеобщее признание. На основе флогистонных представлений формируется номенклатура веществ; предпринимаются попытки связать такие свойства вещества, как цвет, прозрачность, щёлочность и.т.п., с содержанием флогистона. Французский химик Пьер Жозеф Макер (1718-1784), автор весьма популярного учебника «Элементы химии» и «Химического словаря» писал в 1778 г., что флогистонная теория «… наиболее ясна и наиболее согласна с химическими явлениями. Отличаясь от систем, порождённых воображением без согласия с
природой и разрушаемых опытом, теория Шталя - надёжнейший путеводитель в химических исследованиях. Многочисленные опыты... не только далеки от того, чтобы её опровергнуть, но, наоборот, становятся доказательствами в её пользу». По иронии судьбы, учебник и словарь Макера появились в то время, когда век флогистонной теории подошёл к концу.