Теория флогистона

Творец этой теории - Георг Эрнст Шталь - пошел в рассуждениях дальше своих предшественников и заменил понятие "жирная земля" представлением о "флогистоне" (от древнегреческого слова "флогистос" - воспламеняющийся, горючий). Во многих работах Шталь развивал учение о флогистоне, используя его для объяснения особенностей протекания окислительных процессов в органической и неорганической природе ("Основания зимотехники или общая теория брожения", 1697 г.; "Случайные мысли и полезные размышления к спору о так называемой сере", 1716 г.).

Шталь считал, что флогистон содержится во всех горючих и способных к окислению веществах. Горение (или окисление) рассматривалось им как процесс, при котором тело теряет флогистон. Воздух играет при этом особо важную роль. Он необходим для окисления, чтобы "вбирать" в себя флогистон. Из воздуха флогистон попадает в листья растений и в их древесину, из которых при восстановлении он вновь освобождается и возвращается телу (например, "металлической извести", нагреваемой на куске древесного угля).

Так впервые была сформулирована теория, описывающая процессы горения. Ее особенности и новизна состояли в том, что одновременно рассматривались во взаимосвязи процессы окисления и восстановления. Теория флогистона развивала идеи Бехера и атомистические представления. Она позволила объяснить протекание различных процессов в ремесленной химии и, в первую очередь, в металлургии и оказала громадное влияние на развитие химических ремесел и совершенствование методов "экспериментального искусства" в химии [40].

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". Это и сделал А. Лавуазье спустя шесть десятилетий. Тогда химики смогли прийти к тому представлению об элементе, которое до сих пор сохранило свое значение.

Формированию нового понятия "элемент" благоприятствовал ряд обстоятельств. Прежде всего, в результате работ химиков-флогистиков была впервые создана завершенная теоретическая система, положения которой, казалось, полностью подтверждались при экспериментальном изучении реакций окисления и восстановления. Эта же теория позволила раскрыть механизм важнейших химических превращений. Почти все химики XVIII в. были приверженцами теории флогистона. Активным сторонником этой теории в начале своей деятельности был и А. Лавуазье, который в конце концов "низвергнул" флогистон, доказав, что для объяснения окислительно-восстановительных процессов не требуется никакого гипотетического вещества. Лавуазье много размышлял о механизме химических реакций, и вывод, к которому он пришел, оказал большое влияние на дальнейшее развитие химии: количественные отношения взаимодействующих веществ - важнейший фактор, во многом определяющий ход химических реакций.

Георг Эрнст Шталь (1659-1734) (разработал теорию флогистона и впервые доказал взаимосвязь процессов восстановления и окисления; кроме того, пытался применить новые химические знания для совершенствования химических ремесел и энергично боролся против алхимии).^*

^* (Шталь Георг Эрнст - немецкий химик, создатель теории флогистона. Важнейшие положения этой теории были изложены Шталем в работах "Основания зимотехники или общая теория брожения" (1697 г.), "Основания догматической и экспериментальной химии" (1723 г.). "Бехеров пример" - дополнение к посмертному переизданию "Подземной физики" Бехера, опубликованной в 1703 г.- Прим. перев.)

В то же время другие химики пытались сугубо умозрительно разрешить противоречие: отчего, несмотря на потерю флогистона, металлы при прокаливании увеличиваются в весе. Лавуазье, нашел неопровержимые доказательства выдвинутым им теоретическим представлениям. При этом он опирался на результаты не только собственных опытов, но и на экспериментальные данные современников (Пристли, Шееле, Кавендиша).

Прежде чем перейти к рассмотрению фазы наивысшего развития знаний, которой завершился данный этап развития химии, обратимся к одному из более ранних периодов истории. Это необходимо по следующей причине. Некоторые историки химии считают, что флогистонное учение было шагом назад по сравнению с представлениями Бойля, Мэйоу и Рея. Подобное мнение оспаривает Ирен Штрубе в статье "О проблемах единства исторического и логического развития химических теорий в XVIII в." [93]. По ее мнению, хотя Бойль и критиковал устаревшие представления об элементах, сам он не смог дать новой трактовки этого понятия. Так, уже Лемери считал недостаточным представление Бойля, согласно которому все вещества состоят из бескачественной первоматерии, образующей корпускулы. Поэтому наряду с использованием атомистических представлений Лемери развивал учение об элементах. Бойль понимал, что без более точного определения понятия "элемент" химия не может развиваться дальше. Поэтому он предполагал, что, вероятно, элементами следует называть вещества, обладающие большой устойчивостью к сохранению собственной индивидуальности при взаимодействии с другими телами: например, золото и ртуть, которые можно выделить в их первоначальном виде из различных соединений. Но это был вывод скорее из практических наблюдений, не во всем совпадавший с теоретическими представлениями Бойля: все вещества в конечном итоге распадаются до корпускул - частичек бескачественной первоматерии. Гук и Мэйоу придерживались понятия элемента, близкого к тому, которое рассматривал Парацельс. Но в то же время они разделяли и корпускулярные представления Бойля.

Титульный лист работы Г. Э. Шталя

Формулирование понятия "элемент" стало возможным лишь тогда, когда химики начали правильно трактовать процесс горения.

Впервые ученые усомнились в справедливости прежних представлений о природе горения после того, как было обнаружено увеличение веса [массы] металлов при прокаливании. Тогда же возникло предположение, что процесс горения может и не сопровождаться появлением огня. Еще ближе к решению этой проблемы удалось подойти, когда установили, что воздух является причиной увеличения веса [массы] веществ при окислении. Жан Рей писал по этому поводу: "Увеличение веса происходит благодаря воздуху. Воздух в сосуде уплотняется все сильнее и сильнее по мере того, как на него действует тепло печи. Он становится при этом более тяжелым и липким: смешивается с известью^* и прочно пристает к ее мельчайшим частицам." [96].

^* (Металлической известью или просто известью назывались в то время оксиды металлов.- Прим. перев.)

Р. Гук и Д. Мэйоу сделали еще шаг вперед к изучению механизмов окисления. Гук исследовал окисление металлов в разреженном воздухе и пришел к выводу, что в этом процессе играет роль не весь воздух, а особые "воздушные частицы", которые имеют важное значение и для горения. Мэйоу назвал эти частицы "селитряный воздух", поскольку установил, что такие специфические частицы содержатся и в селитре. Наблюдая горение в замкнутом пространстве (под стеклянным колоколом, погруженным в воду), Мэйоу установил, что в этом процессе принимает участие лишь четвертая часть воздуха.

Если рассматривать результаты этих исследований с точки зрения химика второй половины XX в., то трудно удержаться, чтобы не приписать Мэйоу открытие кислорода и понимание механизма процесса горения. В таком случае создание теории флогистона оказывается шагом назад. Однако взаимосвязи ни в истории химии, ни в общем развитии теоретического знания, отнюдь не были простыми. Для становления научной химии нужна была революция - такая же, какую произвело в астрономии создание системы Коперника. Мэйоу, который, казалось бы, пошел дальше других химиков в познании процессов горения, на самом деле оставался в плену устаревших представлений. Для него металл, например, все еще был соединением, которое "разделялось" при горении. Мэйоу приписывал "селитряному воздуху" следующие свойства: он должен разлагать металл при прокаливании, чтобы освобождались "горючие частицы". Частицы "селитряного воздуха" в процессах горения должны были соединяться с частицами соли в металле (в то время считалось, что металлы состоят из трех первоэлементов - серы, ртути и соли). За счет такого соединения происходит увеличение веса [массы] металлической извести [оксида]. Таким образом, Джону Мэйоу не удалось усовершенствовать существовавшие ранее представления о горении. Обнаруженные им факты Мэйоу не сумел объяснить в свете основных положений химии. Прогресс, достигнутый в развитии химии благодаря созданию флогистонной теории, состоял в том, что Шталь предложил механизмы реакций окисления - восстановления и эмпирически попытался доказать их, рассмотрел отношения между начальными и конечными продуктами прямых и обратных химических реакций [93, с. 103]. После открытия Шталя окисление и восстановление стали рассматриваться как взаимосвязанные процессы. Доказательством этого послужили эксперименты по прокаливанию (окислению) металла и его восстановлению углем, а также по превращению серы при горении в диоксид и триоксид серы - с одной стороны, и восстановлению серы из оксидов - с другой. Флогистон при этом рассматривался как вещество, состоящее из мельчайших "частиц". Так же, как "частицы" тепла и света, "корпускулы флогистона" считалось невозможным обнаружить "вещественно". По мнению Шталя, воздух был лишь объектом, который помогал выделять частицы флогистона из различных веществ и поглощать их ("удерживать в себе").

Приборы для демонстрации изменений в составе воздуха (из работы Дж. Мэйоу). Слева направо - при погружении железа в азотную кислоту; при сжигании камфоры с помощью нагревательной линзы; при дыхании животного (все опыты проводятся в закрытых объемах воздуха)

Шталь объяснял процессы окисления и восстановления участием в них флогистона. Поэтому, в отличие от взглядов Мэйоу, для теории Шталя не было важным рассмотрение роли воздуха в процессе окисления. Наблюдение над повышением веса [массы] прокаливаемого металла для Шталя было тесно связано с проблемой "отрицательного веса" флогистона^*. Несмотря на одностороннюю, лишь качественную характеристику процессов, происходящих при горении, теория флогистона имела громадное значение для объяснения и систематизации именно этих превращений.

^* (Наблюдавшееся при окислении металла увеличение веса [массы] металла требовало от последователей флогистонных представлений допустить "отрицательный вес" флогистона, чтобы не вступить в противоречие с неоднократно подтверждавшимся на практике законом постоянства веса веществ при реакциях. См. также: Фигуровский Н. А. Очерк общей истории химии. С древнейших времен до начала XIX в.- М.: Наука, 1969, с. 237, 241, 282-284.- Прим. перев.)

М. В. Ломоносов (сформулировал в общем виде закон сохранения массы и оказал большое влияние на развитие химии и химической промышленности в России).^*

^* (Ломоносов Михаил Васильевич (1711-1765) - великий русский ученый-энциклопедист ("полигистор", как называли его современники). Внес громадный вклад в развитие естественных и гуманитарных наук, в организацию образования в России (основал первый в стране университет), в развитие промышленности и горного дела. В химии знаменит усовершенствованием корпускулярной теории: превращением ее в атомно-корпускулярную, а также стремлением широко внедрить физические методы и представления в изучение химических явлений и в преподавание химии. Прочел первый курс "физической химии".- Прим. перев.)

Однако с течением времени эта теория все чаще стала подвергаться критике именно в связи с экспериментальными данными о количественных соотношениях веществ, вступающих в химические реакции. М. В. Ломоносов обращал внимание химиков на роль воздуха в процессах прокаливания металлов. Он предпочел представления Мэйоу теории флогистона, так как считал, что теория флогистона не позволяет объяснить процессы, происходящие при прокаливании металлов, в соответствии с законом сохранения материи. Но доказать это экспериментально и теоретически первым сумел А. Лавуазье, который, как мы уже отмечали, сначала также был сторонником учения о флогистоне.