Глава 8. Закон сохранения веса веществ

Рассказывая о работах М. В. Ломоносова, мы лишь упомянули о законе сохранения веса и энергии; познакомимся подробнее с историей открытия этого закона.

Еще задолго до н. э. было высказано мнение о том, что в природе "сохраняется все существующее". Наиболее четко эту мысль сформулировал Эмпедокл: "Нет рождения из ничего и нет уничтожения в ничто, есть только превращения четырех вечных элементов - огня, воздуха, воды и земли...".

Таких же взглядов придерживались и другие древнегреческие философы - Демокрит, Эпикур, Аристотель. Однако в то время это была лишь гениальная догадка, умозрительное построение, естественно, не подтвержденное опытом, - ведь только в средние века алхимики начинают пользоваться в своих экспериментах весами.

Уже Парацельс настойчиво пропагандирует применение весов и взвешивания, утверждая, что "вес не обманывает". К взвешиванию прибегнул и Ван-Гельмонт, проводя опыт по выращиванию ивы. Он взвесил в горшке землю, посадил в него иву весом 5 фунтов (2,265 кг) и стал поливать ее водой. Через 5 лет Ван-Гельмонт опять взвесил землю (а до этого ежегодно взвешивал опавшие листья) - вес ее не изменился, вес же ивы увеличился на 164 фунта (74,3 кг). Ван-Гельмонт решил, что ива выросла за счет воды, которая превратилась в вещества, идущие на питание растения. Все это как нельзя лучше подтверждало взгляды ученого: при реакциях вещества не исчезают, а только принимают другие формы.

В 1620 г. Френсис Бэкон отмечает, что ничто не делается из ничего и ничто не уничтожается, количество материи остается неизменным.

Вспомним, как объяснял Ж. Рей увеличение веса металлов при прокаливании (гл. 6). Он же отмечал, что если при помощи мехов наполнить баллон воздухом, то такой баллон будет весить больше пустого на столько, на сколько больше в нем воздуха "по сравнению с находившимся там ранее". Таким образом, делает вывод Рей, в природе все имеет вес, в том числе и воздух, и утверждает: "Увеличение веса может происходить только путем прибавления материи, а уменьшение - только путем ее отнятия, настолько неразрывно связаны материя и тяжесть".

В 1673 г. вышла работа Р. Бойля "Новые эксперименты, которыми огонь и пламя делаются останавливаемыми и весомыми". В ней на основании опытов он доказывал, что в огне содержится особый элемент "теплород", с которым вещества связываются при горении. Казалось, что это подтверждается опытами с обжигом металлов: получавшаяся окалина всегда весила больше исходного металла. "Теплород может пройти даже через стекло, ибо металл, нагреваемый в запаянном стеклянном сосуде, тоже сгорает и образует золу, которая весит больше, чем он сам...",-рассуждал Бойль.

Эти выводы были восприняты критически его коллегами. Так, французский химик Шерубен д'Орлеан в 1679 г. писал, что стекло не имеет пор, а поэтому "огненная материя" не может проникать внутрь сосуда. Увеличение же веса металла происходит за счет вошедшего в реторту воздуха.

М. В. Ломоносов, исходя из корпускулярной теории, считал, что в химических реакциях количество частиц не изменяется, а поэтому вес веществ до реакции должен быть равен весу веществ, полученных в результате реакции. Впервые он высказал это в письме к Л. Эйлеру от 5 июля 1748 г.:

"...все встречающиеся в природе изменения происходят так, что если к чему-либо нечто прибавилось, то это отнимается у чего-то другого. Так, сколько материи прибавляется какому-либо телу, столько же теряется у другого... Так как это всеобщий закон природы, то он распространяется и на правила движения: тело, которое своим толчком возбуждает другое к движению, столько же теряет от своего движения, сколько сообщает другому, им двинутому".

Это была первая общая формулировка закона сохранения веса и энергии, который Ломоносов широко применял в своих работах.

Познакомившись с исследованиями Бойля по прокаливанию металлов, Ломоносов решил их тщательно проверить. Ведь выводы Бойля подтверждали основные положения теории флогистона. Ломоносов проделал опыт: прокалив реторту с металлом, отломил ее конец и сразу же взвесил - вес реторты увеличился. Казалось бы, похоже на результаты Бойля. Но Ломоносов не торопится с выводами. Он снова взвешивает реторту с металлом, нагревает ее, охлаждает и, не отламывая конца, взвешивает. Вес остается прежним. Следовательно, "огненная материя" не проникает через стенки сосуда, прибавление веса происходит лишь за счет наружного воздуха, врывающегося в реторту. Вес же вещества до реакции (до обжига) и после оставался одним и тем же. Закон сохранения веса веществ при химических реакциях был экспериментально подтвержден.

С 1774 г. великий французский ученый Антуан Лавуазье начинает проводить систематические опыты по взвешиванию веществ до и после реакции. Своими многочисленными и очень точными экспериментами Лавуазье окончательно подтвердил закон сохранения веса веществ во время реакции. В марте 1789 г. вышла в свет первая часть его классического "Начального учебника химии, изложенного в новом порядке согласно современным открытиям", в котором Лавуазье рассматривал все химические явления на основании этого закона. Благодаря исследованиям ученого закон сохранения веса веществ получил всеобщее признание.

Шли годы. Совершенствовалась техника эксперимента, создавались более чувствительные приборы. Может быть, закон сохранения веса веществ не соблюдается при более точных исследованиях? На протяжении двух десятилетий известный немецкий физикохимик Ганс Ландольт проделывал опыты, взвешивая исходные вещества и продукты реакций с точностью до 0,00001 г, и вновь экспериментально подтвердил справедливость закона при химических превращениях. Этот закон является одним из основных в химии и называется сейчас законом сохранения массы.

Как мы заметили, и Рей, и Бойль, и Ломоносов изучали взаимодействие между металлами и воздухом. А полностью ли присоединяется воздух к прокаливаемым металлам или только какая-то часть его? И вообще, что собой представляет воздух? Ответы на эти вопросы дала пневматическая химия.