Революция в воздухе. Лавуазье. Современная химия

Получив медаль, Антуан вернулся к геологическим работам с Геттаром, проект которого уже получил официальную поддержку правительства. Во время поездок по северу и востоку Франции Лавуазье мог не только собирать данные, но и любоваться пейзажами, а также достопримечательностями посещаемых им городов, позднее рассказывая обо всех своих наблюдениях отцу и тетке. Он также напрямую общался с городскими жителями и представителями разных учреждений. Но самое главное — эти поездки позволили ему осознать свое истинное призвание.

Что представляла собой химия, когда ею увлекся Лавуазье? Согласно определению, данному одним из самых уважаемых химиков того времени, немецким ученым Георгом Эрнстом Шталем (1659-1734), это «искусство разложения разными способами составных тел». Химия тогда считалась не наукой, а искусством. С другой стороны, неясным оставался и предмет ее изучения, поскольку еще не было дано определение составных тел или соединений, образованных из разных элементов, — в том смысле, в каком мы понимаем это сегодня. В то время понятие элемента было напрямую связано с определением, данным греками Эмпедоклом (V в. до н.э.) и Аристотелем (IV в. до н.э.)

Эти философы утверждали, что материя состоит из четырех стихий: огня, земли, воздуха и воды. В Древнем Китае предлагали похожую классификацию: в ней также присутствовали огонь, вода и земля, однако воздух был заменен металлом и деревом. Как древнегреческие, так и древнекитайские философы считали, что все вещества состоят из разных пропорций этих четырех или пяти элементов. Не только категория или предмет изучения химии оставались неясными. Само название этой науки являлось предметом споров, так как химия была ответвлением алхимии — одновременно и ее наследницей, и ее заложницей. Любопытно, что слово «алхимия» происходит от арабского al-kimiya, которое, в свою очередь возникло от греческого κνμεια (quimia), означающего «смешивание соков».

За век до рождения Лавуазье, благодаря рационалистическим усилиям Исаака Ньютона (1642-1727), исследователи, интересовавшиеся химией, попытались отделиться от алхимии, с которой у них были общие инструменты и методы. Возможно, они не знали, что и сам Ньютон был восторженным алхимиком. В самом расцвете своей карьеры английский ученый проводил больше времени у печей своей лаборатории, нежели за написанием изменивших мир «Математических начал...». Его друг Роберт Бойль (1627-1691) разделял страсть Ньютона к алхимии, являясь наследником итальянского алхимика Бернарда ле Тревизана (1406-1490) и большим поклонником швейцарского врача Парацельса (1493-1541). В те времена, когда Бойль и Ньютон обменивались письмами, полными зашифрованных описаний химических процессов, алхимия была философской системой, которая искала метод получения эликсира бессмертия и богатства с помощью философского камня, способного превращать любое вещество в золото.

Однако не все алхимики преследовали столь эгоистичные цели, как материальное богатство и вечная жизнь. Ньютон, например, стремился разгадать загадки природы и тем самым приблизиться к Богу. Вольнодумец Парацельс хотел узнать новые способы лечения других людей, а Роберт Бойль, благородный и богатый сумасброд, возможно, просто искал приятного времяпрепровождения. Последний утверждал, что Парацельс первым рационально подошел к изучению материи, отбросив идеи античных философов о четырех жидкостях (полагалось, что состояние здоровья зависит от соотношения крови, желчи, черной желчи и слизи). Однако именно труд Бойля The Sceptical Chymist {«Химик-скептик»), опубликованный в 1661 году, считается первым трактатом по химии — искусству, возведенному Лавуазье в ранг науки. Помимо того что Бойль являлся одним из основателей Лондонского королевского общества (на данный момент самого старого научного учреждения Европы), созданного в 1660 году, он открыл закон, согласно которому при постоянной температуре объем газа обратно пропорционален давлению. Этим законом химики пользуются до сих пор, правда во времена Бойля понятия газа не существовало.

Несмотря на то что фламандский ученый и алхимик Ян Баптист Ван Гельмонт (1579-1644) попытался навести порядок в мире воздушных флюидов при помощи понятия kaos (греческого слова, от которого, согласно некоторым ученым, произошло слово «газ»), сообщество химиков того времени не было готово к такой лингвистической революции. Бойль и его наследники продолжали использовать понятие «воздух», пренебрегая газом, однако другой придуманный Гельмонтом термин, характеризующий способность воспламеняться, — phlogistos — ученые встретили благосклонно. В измененном виде понятие phlogiston было связано Шталем с процессом горения, который немецкий химик и эрудит Иоганн Иоахим Бехер (1635-1682) называл terra pinguis. Шталь разработал теорию флогистона, хорошо принятую такими выдающимися английскими химиками, как Генри Кавендиш (1731-1810) и Джозеф Пристли (1733-1804).

Лавуазье читает лекцию о составе воды. Рельеф принадлежит скульптурному ансамблю в честь ученого в Париже, произведение Луи-Эрнеста Барриа(1841-1905).

Гравюра Габриэля Переля (1604-1677), изображающая колледж Мазарини (нынешний Институт Франции), где учился Лавуазье.

Шталь полагал, что окисление представляет собой медленный вариант процесса горения (и это соответствует действительности), во время которого горючие вещества теряют часть содержащегося в них флогистона. Другой подобный процесс — прокаливание, во время которого нагреваемые на воздухе металлы выделяют «известь», называемую сегодня оксидами. Эта известь похожа на руду металлов, извлеченную из недр земли. Процесс нагревания извести с углем для получения металла использовали со времен железного века. Предполагалось, что флогистон переходит из угля в руду, которая, получив флогистон, превращается в металл. Согласно этой гипотезе металл утрачивает свои свойства при прокаливании и выделяет известь из-за того, что теряет содержащийся в нем флогистон, который переходит в атмосферу. Флогистон относили к веществам огня и полагали, что он инициирует процесс горения. Считалось, что воспламеняющиеся материалы, такие как дерево, уголь или сера, богаты флогистоном. Сегодня мы знаем: огонь гаснет из-за отсутствия кислорода. Но в то время Шталь полагал, что огонь гаснет из-за потери флогистона, который насыщает окружающий его воздух, после чего растения поглощают его из атмосферы, и дерево снова получает потерянный при горении элемент.

Флогистон — это вещество или начало огня, хотя сам по себе он огнем не является.

Георг Эрнст Шталь, «Основания догматической и экспериментальной химии» (1723)

Флогистона никогда не существовало, однако эта идея давала разумное объяснение обычным реакциям — горению, окислению, росту растений и получению металла из оксида. Теория флогистона настолько утвердилась в научных знаниях первой половины XVIII века, что философ Иммануил Кант (1724-1804) сравнивал ее с опытами Галилея. И с момента принятия этой теории научным сообществом было очень трудно ее опровергнуть. Даже когда стали очевидны противоречащие ей явления, для сохранения теории ее преобразовали. Так, когда стало ясно, что образующаяся при потере металлом флогистона известь весит больше, чем исходный металл, появилось утверждение, что флогистон может иметь отрицательный вес, тогда как в других процессах его вес может быть положительным. Мы вернемся к данному вопросу в следующей главе.

Лавуазье узнал о теории флогистона в особой интерпретации своего учителя по химии Руэля, равно как и о других теориях, которые больше требовали слепой веры, нежели понимания. Химия того времени скорее походила на религию, чем на науку, и это сильно контрастировало с картезианской логикой математики, которую Антуану преподавал Лакайль, а также с систематичностью металлургии, которую вел Геттар. Хотя химия и металлургия были тесно связаны, последняя, в отличие от химии, была понятно описана в учебнике, опубликованном Агриколой в XVI веке, — образце наглядности и лаконичности. В нем были собраны знания, от которых зависели такие важные области промышленности, как добыча руды и работа с металлами, поэтому в данном учебнике не должно было содержаться смутных и витиеватых объяснений, похожих на те, что заполняли работы по алхимии.