Начало формирования химии как науки в XVII в.

В XVII в. вследствие взаимопроникновения науки и производства стали происходить общемировоззренческие изменения в естествознании. Эти изменения проявились в возрастании интереса к решению конкретных, частных задач (в противовес умозрительным обобщениям древних философов), что привело к развитию эксперимента в науке. Значительное влияние на развитие естествознания оказала философия, например, труды Ф. Бэкона, который предложил индуктивный метод изучения природы и выдвинул перед естествоиспытателями задачу опытного исследования.

Развитие эксперимента сыграло определяющую роль в становлении химии как науки. В первую очередь, оно стало трансформировать традиционные представления о причинах разнообразия веществ. Эта проблема приобрела очень важное значение в химии XVII в. В традиционной – натурфилософской или алхимической – концепции индивидуальность каждого объекта определялась комбинацией элементов-качеств (или элементов-принципов), соединяющихся с бескачественной материальной сущностью (эссенцией) тела. Бесплодность подобного абстрактного понимания элемента в условиях развития экспериментальных исследований стимулировала постепенное осознание того факта, что между сущностью предмета и чувственно воспринимаемыми свойствами должно быть некое соответствие. Сближение качеств объекта с самим объектом давало возможность достоверно интерпретировать получаемые экспериментальные результаты и делать обоснованные предсказания.

В результате в химии XVII в. началось переосмысления понятия «элемент», который стал рассматриваться не как абстрактное качество или принцип, а как вполне реальное вещественное составляющее сложных тел.

Зарождающийся аналитический подход к определению составных начал (элементов) принципиально отличался от традиционного подхода, выводящего наличие элемента в составе данного тела на том основании, что оно обладает присущим этому элементу качеством. Традиционные же выводы о составе при восприятии элемента как вещества могли не подтверждаться химическим анализом. Расширение опытных исследований привело многих ученых к изучению циклических последовательностей превращения веществ с обратным выделением исходных реагентов. Эти эксперименты приводили исследователей к мысли о том, что исходные вещества входят в продукты химической реакции в качестве составных частей, и снова выделяются при разложении этого продукта, как бы предсуществуютв разлагаемом теле и являются его составными частями (элементами). Так, традиционное понятие об элементе постепенно трансформировалось в понимание элемента как неразлагаемой составной части тела, вещество же стало рассматриваться как комбинация предшествующих элементов.

Английский ученый XVII в. Р. Бойль к книге «Химик-скептик», подытоживая подобные взгляды, отметил, что многие химики-экспериментаторы стали подразумевать под элементами «некоторые первоначальные, или простые, тела, иначе говоря, ни с чем не смешанные, которые, не будучи в состоянии образовываться ни из других тел, ни друг из друга, являются составными частями, из которых непосредственно слагаются или на которые в конечном счете разлагаются совершенным образом смешанные тела». В рамках новой элементаристской концепции индивидуальность свойств того или иного вещества определялась свойствами входящих в него компонентов (неразлагаемых элементов), т.е. фактически его качественным составом. А так как вещественные компоненты состава в отличие от абстрактных алхимических начал могли быть определены аналитическими методами, многие ученые XVII в. (И. Кункель, Н. Лефевр, Н. Лемери и др.) считали, что изучение этого элементного состава и должно являться важнейшим направлением химических исследований. Важные методики для химического анализа веществ разработал Р. Бойль. Он, будучи экспериментатором (ввел в химию экспериментальный метод), негласно принимал представление об элементах как пределе разложения вещества. Однако его отношение к элементаристской концепции было неоднозначным. Он предложил принципиально другое, теоретическое объяснение происхождения свойств тел на основе корпускулярных представлений о веществе.

К началу XVII в. в научном мире наметилось постепенное возрождение атомизма. Это произошло в результате распространения механистических взглядов. Формирование в рамках механицизма представления о превращениях веществ как процессах сборки-разборки отдельных «блоков» нашло свое воплощение в гипотезах о дискретном корпускулярном (от лат.corpuscula – частица) строении вещества. Существенное влияние на развитие подобных учений оказали работы Р. Декарта, П. Гассенди, Т. Гоббса, В. и М. Кавендиш.

Попытка применить корпускулярную теорию для объяснения превращения веществ в химических реакциях была сделана в трудах Р. Бойля, с именем которого связывают процесс формирования химии как науки, основанной на корпускулярных представлениях. Идея Бойля имела важное методологическое значение. Такое объяснение впервые наполнило понятие качества (свойства) реальным физическим содержанием, представив его не как нечто имеющее неизвестное происхождение и изначально заданное в теле, а как результат определенного внутреннего устройства вещества. Кроме того, работы Бойля способствовали сближению химии с физикой, что в перспективе вело к изменению представления о химии как о разделе медицины и ее становлению как самостоятельной науки.

В начале XVIII в. И. Ньютоном была разработана корпускулярная концепция. Ньютон, подобно Бойлю и другим атомистам, считал корпускулы всех тел неизменяемыми, неделимыми, состоящими из единой субстанции и существующими в пустоте. Однако главную роль в возникновении индивидуальных свойств веществ Ньютон, в отличие от Бойля, отводил сочетанию корпускул посредством особых сил притяжения, которые действуют на малых расстояниях (динамическая концепция). Эта концепция сыграла ведущую роль в формировании новых представлений о химическом сродстве, опровергнув положение о различии в формах частиц и сведя химические процессы к взаимодействию веществ за счет сил притяжения. Концепция Ньютона о взаимодействии тел, обусловленном проявлением сил различной природы, впоследствии сыграла очень важную роль в формировании «химической атомистики». Но в XVII-XVIII вв. корпускулярные представления хотя и были приняты очень многими естествоиспытателями, не получили дальнейшего развития в плане объяснения химических явлений. Например, М. В. Ломоносов в первой половине XVIII в. разработал свою «корпускулярную философию», дав целый ряд определений таким категориям, как атомы и молекулы (корпускулы и элементы).

Ситуация в химии XVII в., уже во многом экспериментальной науки, была неоднозначной. С одной стороны, еще очень сильна была старая алхимическая традиция, что накладывало отпечаток как на интерпретацию экспериментов, так и на мышление в целом. С другой стороны, в XVII в. наряду с весьма популярными алхимическими идеями появились принципиально новые воззрения: эмпирическая концепция предсуществующих элементов, сформировавшаяся в результате расширения эксперимента, и корпускуляристское учение, получившее распространение в результате возрождения атомизма. При этом во всех трех одновременно сосуществующих концепциях совершенно по-разному объяснялась причина разнообразия свойств веществ и сущность химических явлений. Начавшийся с развитием эксперимента прогресс науки свидетельствовал о том, что алхимические взгляды постепенно, но неизбежно утратят свою популярность. Поэтому выбор дальнейшего пути развития химии фактически определялся противостоянием именно элементаристской и корпускуляристкой концепций.

В химии XVIII в. преобладающей стала первая тенденция как более близкая к старым традициям элементаризма и более соответствовавшая эксперименту той эпохи. При этом многие последователи элементаристских идей принимали сам факт существования атомов, или корпускул, но воспринимали их только как абстрактную (структурную) единицу тел, а не как объект, участвующий в химической реакции, т.е. не как объект для химического исследования.

Теория флогистона

Для химии конца XVII - начала XVIII вв. характерно возрастание интереса к экспериментальным работам и отдаление от умозрительных концепций. Область химических исследований расширилась: началось интенсивное изучение состава и свойств веществ минерального и растительного происхождения. Возрастающее количество эмпирических фактов вызывало необходимость их систематизации, которая в первую очередь предполагала установление общих черт, характерных для анализируемых объектов или процессов. Важное место в химических исследованиях заняли реакции горения и обжига тел на воздухе.

В начале XVIII столетия задача систематизации процессов, связанных с горением, и сведение их к общему принципу, была решена в теории флогистона – фактически первой химической научной теории Нового времени. Эту теорию развил немецкий химик и врач Г. Э. Шталь. Основой теории Шталя была идея о наличии во всех горючих веществах общего компонента – флогистона (от греч. «воспламеняющийся»), который исчезает в процессе горения. На многочисленных опытных примерах Шталь доказывал способность флогистона передаваться от одного вещества к другому. Теория флогистона объединила в определенную систему известные к тому времени разрозненные факты химии, охватив обширный круг важнейших химических процессов (горение, окисление, восстановление и др.). Внешне очень разные реакции удалось свести к общему представлению о присоединении или выделении флогистона. Флогистон рассматривался и как вещественные частицы огня, и как огненная материя, соединенная со стихийной землей, и как соединение теплотворного вещества со световым и т.п.

Теория флогистона очень показательна в плане понимания особенностей химического мышления своего времени, состоявших в переходе от традиционного (алхимического и натурфилософского) восприятия веществ и их превращений к научному мышлению. С одной стороны, теория была принята несмотря на то что флогистон не отождествлялся с каким-либо реальным веществом, с другой стороны, уже ощущалась необходимость соответствия теории эксперименту. Так, М. В. Ломоносов выступил против распространенных в науке представлений о теплороде, или «огненной материи». Опираясь на разработанное им атомно-молекулярное учение, он разработал механическую теорию тепла и нашел новые аргументы в пользу принципа сохранения веса вещества и сохранения движения. На базе этого он сформулировал новые задачи химии как науки в противовес определениям своих современников, рассматривавших химию лишь как искусство.

В середине XVIII в. сторонниками теории Шталя предпринимались многочисленные попытки изолировать флогистон. Особый интерес в этот период вызывала пневматическая химия (химия газов). С 1750 по 1775 гг. химия обогатилась открытием различных форм воздуха (газообразных веществ), среди которых так и не было найдено вещества, идентичного флогистону. Развитие пневматической химии и аналитических исследований во второй половине XVIII в. оказало определенное влияние на представление химиков об элементах. Различные виды первоэлементов (например, несколько видов земли или несколько видов воздуха) свидетельствовали об укреплении представления о них как о химически индивидуализированных веществах, а не понимании их как элементов-качеств. Химики постепенно приходили к разграничению понятий элемент и соединение, т.е. к мысли о существовании различных неразложимых на какие-либо компоненты и не трансмутируемых друг в друга элементов, сочетание которых образует химические соединения и обусловливает их свойства.

Расширение объектов химического исследования во второй половине XVIII в. привело к открытию настолько большого количества самых разнообразных экспериментальных фактов, что они уже не могли быть систематизированы в рамках теории флогистона. Ведущую роль здесь сыграли возникновение химии газов и постановка вопроса о весовых соотношениях. Теоретическое переосмысление химической информации в конце XVIII в. привело к опровержению флогистики и созданию новой системы представлений о химических веществах и их превращениях.

 

«Химическая революция» XVIII в.

Глобальные изменения во взглядах на химические явления, которые стали результатом работ французского ученого А. Лавуазье, в историко-химической литературе традиционно называют химической революцией. Это многогранное явление включает в себя такие важные составляющие, как замена теории флогистона кислородной концепцией горения, пересмотр принятой системы составов химических веществ, переосмысление концепции химического элемента и формирование представлений о зависимости свойств веществ от их качественного и количественного состава, а также другие аспекты.

В начале 1770-х гг. А. Лавуазье взялся за выполнение обширной программы исследований с целью анализа и систематизации известных эмпирических фактов о превращении веществ. Подход к этим работам может быть назван физико-химическим, поскольку его отличало последовательное применение экспериментальных методов и теоретических представлений физики того времени.

Лавуазье начал систематически использовать точное взвешивание для определения количеств веществ в химических реакциях. Важно, что, в отличие от своих предшественников, Лавуазье взвешивал все участвующие в химическом процессе вещества, в т.ч. газообразные, основываясь на общем положении о сохранении суммарного веса взаимодействующих веществ. Т.е. его количественный метод базировался на аксиоме сохранения материи – фундаментальном положении классического естествознания, которое высказывалось еще в древности. Лавуазье определял количественно не только вес, но и различные физико-химические характеристики исходных веществ и получаемых продуктов реакции (плотность, температуру и т.п.). Измерение количественных параметров в перспективе давало возможность выяснить детальный механизм химических превращений, уже изученных с качественной стороны. Лавуазье выполнил весовое исследование многих химических процессов, проведенных ранее другими химиками. Это позволило ему выяснить причину увеличения веса веществ при обжиге и в конечном итоге прийти к понимаю сущности горения, принципиально отличному от принятого в теории флогистона. Основные положения кислородной теории горения были сформулированы в 1777 году. Согласно этой теории горение может происходить только в кислороде, и при этом происходит выделение света и огня. Вес сгоревшего вещества увеличивается точно на количество поглощенного воздуха.

Важную роль в укреплении новых теоретических взглядов сыграло установление химического состава углекислого газа и воды. Эксперименты Лавуазье привели к глобальным изменениям во взглядах на всю систему составов химических соединений. До этого в химии воздух, вода, кислоты, окислы металлов считались простыми телами, а металлы, сера, фосфор – сложными. Явления горения и окисления рассматривались как отделение флогистона (т.е. как упрощение вещества), восстановление же считалось процессом усложнения. К концу XVIII в. благодаря работам Лавуазье было принято, что флогистона не существует, воздух представляет собой смесь двух газов (кислорода и азота), вода, кислоты и окислы металлов являются сложными телами, а сера, фосфор и металлы не поддаются разложению.

В методологическом плане важным результатом переворота в химии, произведенного работами Лавуазье, было изменение содержания понятия «химический элемент». Элементы стали рассматриваться не как предсуществующие в объекте продукты его разложения, а как тот последний предел, до которого вещества могут быть разложены в принципе. Элементы стали мыслиться как материальные, определяемые аналитическим путем фрагменты состава, неразложимые на качественно новые образования и сохраняющиеся в процессе любых химических превращений сложных тел, которые они составляют. В работах Лавуазье был предложен критерий предела разложимости тела (его элементарности), в основе которого лежал весовой метод анализа. При этом полагалось, что каждое качественно определенное вещество имеет всегда точно определенный и свойственный только ему количественный состав.

В сочинении «Начальные основания химии» (1879 г.) А. Лавуазье систематически изложил основы новой химии и предложил классификацию химических элементов и их новую номенклатуру. «Таблица простых тел» была, по существу, первой классификацией химических элементов. В нее вошли как реальные химические элементы, так и те соединения, которые тогда не могли быть разложены.В «Таблице» в качестве элементов также фигурируют два начала, теплород и светород, которые, как осознавал Лавуазье, не имеют веса, но появление которых постоянно связано с химическими изменениями. Отнесение тепла к элементам явилось следствием распространенных в то время в физике взглядов на природу теплоты, получивших название теории теплорода.

Известные французские химики К. Бертолле, Л. Гитон де Морво, А. Фуркруа совместно с А. Лавуазье разработали новую химическую номенклатуру. Преобразование химического языка имело целью дать каждому веществу определенное название, характеризующее его химическую функцию и состав (до этого одно вещество могло иметь очень много названий, часто даваемых случайно). В новой номенклатуре каждое вещество рассматривалось с точки зрения его общих (например, кислота) и конкретных (например, серная) свойств, определяемых на основании данных об элементном составе. Такая номенклатура облегчала обмен химической информацией, и хотя в дальнейшем она неоднократно подвергалась изменениям, ее основные принципы сохранились до сих пор.

Еще один аспект переворота в химии конца XVIII в. связан с получением в работах Лавуазье и его последователей экспериментального обоснования закона сохранения элементов в химических реакциях и закона сохранения массы вещества. Эти законы явились основой для составления химических уравнений.

К концу XVIII в. большинство ученых стало придерживаться научных представлений, выработанных Лавуазье. Это завершило период формирования химии как самостоятельной науки. Принятые «элементаристские» представления о веществах и происхождении их свойств открыли путь для возникновения химической атомистики, которая привела к формированию нового научного химического мировоззрения.

 

⇐ Предыдущая123456Следующая ⇒

Поделиться: