Русские химики
У истоков химической науки
Во времена Ломоносова химики пользовались большим количеством химических соединений; у них накопилось много практических сведений, приемов, рецептов. Но сама химия выглядела больше ремеслом и искусством, чем наукой. Теории, способной охватить все многообразие имевшихся в распоряжении ученых фактов, не существовало.
В те времена в России были крупные химические лаборатории. Одни из них обслуживали «промыслы», в других изготовлялись лекарства. Однако разработка природных богатств России, растущая промышленность нуждались в специалистах-химиках. И это больше всех понимал Ломоносов.
«Химическое искусство, — писал он, — в средину гор проникает и что з них лежит без пользы — очистит для умножения нашего блаженства».
Сам Ломоносов считал своей «главной профессией» химию и ей посвятил основную часть своей творческой деятельности.
Занимаясь химией, он всегда ратовал за единение науки и производства, считая, что истинный химик обязательно должен быть теоретиком и практиком.
Развитие подлинных знаний в то время тормозили отсталые взгляды. Так, например, кроме химических элементов: меди, железа, олова, ртути, золота и других, химики считали существующей некую материю — флогистон, — которая якобы присутствует в чистых металлах и выделяется при их обжиге.
В познании вещества Ломоносов придерживался атомистических представлений. Он считал, что любое вещество, будь то твердое, жидкое или газообразное, состоит из атомов.
Согласно атомистическим представлениям предшественников Ломоносова — Р. Бойля, И. Ньютона и других ученых, комбинации первичных
атомов не могли дать качественно новых образований вещества. Ломоносов обогатил труды своих предшественников и положил начало развитию химической атомистики, представляющей собой более высокую ступень науки о строении вещества.
Коротко и ясно сформулированы им основные положения атомистической теории.
Все тела, по Ломоносову, состоят из атомов. Атомы соединяются в сложные частицы — молекулы, а последние — в обычные тела.
С атомом он связывает представление о простом веществе, с молекулой — представление о химическом соединении. То, что мы сейчас называем атомом, Ломоносов называл элементом; молекулы он называл корпускулами.
В одном из своих первых трудов — «Элементы математической химии»— в 1741 году русский ученый писал: «Элемент есть часть тела, не состоящая из каких-либо других меньших и отличных между собой тел».
«Корпускулы есть собрание элементов в одну небольшую массу».
«Корпускулы однородны, если состоят из одинакового числа одних и тех же элементов, соединенных одинаковым образом».
«Корпускулы разнородны, когда элементы их различны и соединены различным образом или в различном числе; от этого зависит бесконечное разнообразие тел».
Ученый указывал, что физические и химические свойства вещества определяются расположением мельчайших частиц.
«Наука о самых мельчайших частичках, от которых происходят частичные качества тел, ощущаемых нами, столь же необходима... как сами эти частички надобны для создания тел». Идея о том, что вещество состоит из мельчайших частиц, появилась задолго до Ломоносова. Однако и много лет спустя после работ русского ученого, в XIX веке, немало химиков и физиков путало понятия о простом и сложном теле, то есть о химическом элементе и химическом соединении.
В трудах Ломоносова неразрывно связаны атомные воззрения в химии и молекулярные — в физике. Они рассматривались им как различные стороны единого учения.
Атомно-молекулярное учение Ломоносов распространял на все известные тогда виды и формы движущейся материи.
В отличие от него более поздние атомисты — английский ученый Д. Дальтон и итальянский ученый А. Авогадро — не делали этого в своих воззрениях.
Так, например, Дальтон отвергал молекулярную гипотезу, утверждая , что никаких молекул не существует. Авогадро распространял молекулярную гипотезу лишь на газы.
На основе атомно-молекулярного учения Ломоносов заложил начала новой науки — физической химии, с точки зрения которой «химия первая предводительница будет в раскрытии внутренних чертогов тел, первая проникает во внутренние тайники тел, первая позволит познакомиться с частичками», из которых построено вещество.
Источником человеческого познания Ломоносов считал опыт, эксперимент в единении с теоретическим мышлением. В своем творчестве благодаря этому он смог подняться над кажущимся хаосом явлений и, вооружась атомистическими представлениями, создать цельное научное представление о природе. Все богатство накопленных наукой фактов он превратил в систему, в учения о строении тел, о сущности химических реакций, о природе теплоты, электричества и света. Все эти учения, как единым стержнем, были пронизаны атомистическими представлениями.
Весь дальнейший ход развития науки подтвердил правильность атомно-молекулярного учения Ломоносова и показал необычайную силу научного предвидения нашего великого соотечественника.
В течение XIX века одна за другой торжествовали победу основные мысли Ломоносова о строении вещества. Накануне XX века доказано было реальное существование атома.
Выдвигая свое материалистическое атомно-молекулярное учение, русский ученый вел ожесточенную борьбу со всем, что мешало развитию этого учения, искажало и затемняло его.
Особенно горячо восставал он против идеалистического толкования атомно-молекулярной теории, стремления примирить атомистику с богословскими догматами.
Отдельные философы того времени считали, что атомы вечны и сотворены богом и его волей они сгруппированы в тела. Они говорили, что бог, который сотворил вещество вместе с движением и покоем, сохраняет в нем то самое количество движения и покоя, какое вложил в него при творении.
Макет химической лаборатории Ломоносова.
Опыт Ломоносова, доказавший закон сохранения вещества.
В 1754 году Ломоносов писал Эйлеру о подобных попытках подчинить атомистику идеализму, указывая, что это учение следует до основания уничтожить опытами.
И он доказал, что существует незыблемый закон природы, закон сохранения вещества.
Ломоносов всегда стремился опытом проверить свои теоретические построения. Но для проведения различных химических и физических исследований нужны материалы, приборы, приспособленное помещение — нужна лаборатория. Ломоносов создает проект лаборатории. Много сил и энергии пришлось потратить, чтобы преодолеть сопротивление чиновников, засевших в академической канцелярии. В 1748 году в Петербурге была открыта первая в России научная химическая лаборатория. Для своего времени это было замечательное научное учреждение. В ней имелись химические и физические приборы, микроскопы, весы. В ней были печи и аппараты для плавки, кипячения, перегонки, обжига. Список только одних реактивов, которыми располагала лаборатория, достигал пятисот названий. Это был прообраз современных научно-исследовательских институтов.
Большую ценность для науки имела программа работ, которую Ломоносов представил вместе с проектом учреждения лаборатории. В программе говорится о поисках новых методов химического исследования, о проверке важнейших опытов других ученых, о микроскопических исследованиях, об изучении явлений с количественной стороны (с помощью весов). «Сверх сего, — писал Ломоносов, — к химическим опытам присовокуплять, где возможно, оптические, магнитные и электрические опыты».
Обширную, четкую, целеустремленную программу работ Ломоносова трудно даже сравнивать с планами химиков того времени. Ломоносов смотрел на десятилетия вперед.
Одним из главных средств научного исследования Ломоносов сделал весы — прибор, позволяющий установить количественную сторону того или иного химического или физического процесса. Он горячо ратовал за внедрение весов в обиход ученого. «Желающему делать физико-химические опыты обязательно необходимо пользоваться весом и мерою», — писал он.
Ломоносова по праву считают ученым, положившим начало систематическим количественным измерениям в химии. Своим примером он показал, как много может сделать исследователь, умело пользующийся весами.
Один из таких опытов Ломоносова является классическим. Связанный с великим открытием, он навсегда останется в истории науки как образец эксперимента, исключительного по своей простоте, доказательной силе и революционному воздействию на все естествознание.
В 1673 году знаменитый английский ученый Роберт Бойль поставил такой опыт. В запаянной наглухо реторте он прокаливал металлы. «После двух часов нагревания, — писал исследователь, — был открыт запаянный кончик реторты, причем в нее ворвался с шумом наружный воздух. По нашему наблюдению при этой операции была прибыль в весе на 8 граммов». Бойль не увидел ошибки, допущенной им при постановке опыта, и пришел к выводу, что из пламени сквозь стенки в сосуд проникает сверхтонкая «материя огня», которая присоединяется к металлу. В этом, считал Бойль, причина прибыли веса металла. Такое толкование опыта было во времена Бойля вполне убедительным. Тогда в большой моде были различные «тонкие материи» — «материя тяжести», «материя тепла», «материя электричества» и т. п., присутствием их пытались объяснить свойства тел.
Опыт Бойля, на который, как на фундамент, опиралась теория «теплотворной», «огненной» материи, привлек внимание Ломоносова еще задолго до того, как была построена химическая лаборатория.
Ломоносов, развивая мысли о постоянстве количества вещества при его превращениях, пришел к еще более общей и важной мысли об едином законе сохранения вещества (массы) и движения, изложенном в его известном письме к Эйлеру от 5 мая 1748 года.
Опыт Роберта Бойля был в числе тех важнейших экспериментов, которые надлежало проверить в лаборатории. Это Ломоносов и сделал в 1756 году.
Вооружившись, подобно английскому исследователю, ретортой и весами, Ломоносов начал прокаливать металлы на огне. Но в отличие от Бойля русский ученый взвешивал реторту с металлами и до и после прокаливания в запаянном виде. «Оными опытами нашлось, — с гордостью сообщал Ломоносов,— что славного Роберта Бойля мнение ложно, ибо без пропущения внешнего воздуха вес металла остается в одной мере».
Вес сосуда с металлом после прокаливания оставался без изменений: сколько прибавлял в весе металл, столько терял воздух, заключенный в реторту. Роберт Бойль, взламывая перед вторым взвешиванием горлышко реторты, впускал в нее из атмосферы воздух, который занимал место кислорода, соединившегося с металлом. Этим и объяснялась прибавка в весе.
Не таинственная «материя огня», не «флогистон», а воздух соединяется с металлом при его нагревании, и от этого возрастает его вес, предположил Ломоносов. Он нанес этим сильный удар по теории флогистона.
Позднее, в 1774 году, великий французский химик А. Лавуазье подтвердил и уточнил вывод Ломоносова. Лавуазье, вновь проверив опыт Р. Бойля по прокаливанию металлов в запаянных сосудах, установил, что при этом с металлом соединяется часть воздуха, вследствие чего и происходит возрастание веса металла. Эта часть воздуха, которую он назвал кислородом, как выяснил Лавуазье, окисляет металлы, поддерживает горение и дыхание. Другая же часть воздуха, указал Лавуазье, этими свойствами не обладает. Таким образом, Лавуазье опроверг теорию флогистона окончательно.
После опытов Ломоносова с прокаливанием металлов закон сохранения вещества, бывший до того гениальной гипотезой, вошел в науку как великий закон природы. В 1760 году Ломоносов снова провозглашает этот закон на торжественном публичном собрании Академии наук.
Известно, что ученый мир был ознакомлен с открытием Ломоносова. В научных журналах России, Франции был напечатан труд русского ученого «Рассуждение о твердости и жидкости тел», в котором дана развернутая формулировка великого закона сохранения. Бесспорно, что эти сообщения не прошли бесследно.
Ломоносов за заслуги перед наукой был избран почетным членом двух заграничных академий — Шведской и Болонской.
Повседневная практика промышленности зиждется на использовании закона сохранения вещества.
* * *
Ломоносов особенно методично разработал важный раздел химии, который мы и теперь называем так, как назвал его он сам в 1752 году: «Курс истинной физической химии». Это был первый в мире курс физической химии. Ломоносов дает четкое определение этого предмета: «Физическая химия есть наука, объясняющая на основании положений и опытов физических причину того, что происходит через химические операции в смешанных телах».
В программе опытов по физической химии, составленной Ломоносовым, мы встречаем исследование растворов, кристаллизацию, определение удельных весов, сил сцепления твердых и жидких тел, «застудневание растворов, сцепление студней», то есть коллоидные, а также термохимические, электрохимические и целый ряд других исследований. Сейчас, через двести лет, приходится удивляться, как мало разнится его программа от основных руководств по курсу физической химии конца XIX века. До 1753 года Ломоносов дважды в неделю читал двухчасовые лекции, сопровождая их многочисленными опытами.
Громадное значение придавал Ломоносов теснейшей связи химии, физики и математики. Впервые он отметил это в предисловии к сочинению «О происхождении в природе селитры», но наиболее ярко выразил он свою мысль в знаменитом «Слове о пользе химии» (1751): «Химия — руками, математика — очами физическими по справедливости назваться может...» А в своем курсе физической химии, прочитанном в 1752 году, он писал: «Химия без знания физики подобна человеку, который всегда искать должен ощупом. И сии две науки так соединены между собой, что одна без другой в совершенстве быть не могут». Ломоносов уверенно пользовался данными этих наук. Он, например, обратил внимание на физическое явление, сопутствующее нейтрализации, — выделение тепла.
Ломоносовым была разработана обширная программа изучения растворов. В этот план входило исследование таких важнейших свойств вещества, на которых базируются современные теории растворов, как «расширение на огне»; удельный вес и изменение объема при растворении; исследование упругости пара и точек кипения растворов сравнительно с чистыми жидкостями. Должны были быть исследованы «знобильные материи», «продолжительность сохранения теплоты растворами по сравнению с водой» (теплоемкость растворов); «производится ли при растворении теплота или холод» (теплота растворения); «восхождение в трубках» и «сцепление жидких тел по числу капель» (поверхностное натяжение) и другие свойства растворов.
Ломоносов ясно предсказывал будущую связь химии с учением об электричестве: без химии путь к познанию истинной причины электричества закрыт. Это было сказано в 1756 году. А в 1833 году прозвучали слова Фарадея: «Та же сила обусловливает как электрическое разложение, так и обыкновенное химическое разложение».
Начинания Ломоносова опередили его время. Только с 1865 года Н. Н. Бекетов начал чтение курса физической химии в Харьковском университете, организовав отделение физико-химических наук и физико-химические практические занятия. А некоторое время спустя, с 1887 года, в Лейпциге начал читать физическую химию В. Оствальд.
Своими прогрессивными идеями М. В. Ломоносов способствовал развитию науки. Научные труды Ломоносова были известны итальянским ученым. «Ученые флорентийские ведомости» опубликовали ряд его работ по различным отраслям естествознания. Знали труды Ломоносова также французские, английские и шведские ученые, труды его тоже публиковались в этих странах. Но все-таки следует отметить, что ломоносовские работы по химии за границей публиковались мало. В 1911 году, как мы уже упоминали, праздновалось 200-летие со дня рождения Ломоносова. В Нью-Йорке с речью, посвященной великому русскому химику, выступил председатель Американского химического общества профессор Колумбийского университета А. Смит. «Ломоносов, как химик первой величины, — говорил американский ученый, — так же как и личность исключительного величия, должен занять свое место в рядах галереи величайших людей мира». «Реформа в химии, — признал А. Смит, — могла бы произойти на полвека ранее, если бы труды Ломоносова были широко известны».