На заре человеческой цивилизации, когда химия как наука еще не существовала, древние люди достаточно широко использовали прикладные химические знания не только в тех или иных технологических процессах, но в медицине и повседневной жизни. Задолго до н.э. человек умел дубить кожу, красить ткани, изготавливать керамические и даже стеклянные изделия, получать мыло, лекарственные и косметические средства. Что особенно важно, уже начиная с середины IV тысячелетия до н.э. люди научились использовать и выплавлять металлы и сплавы из руд (см. т. 1, глава 2).
По мнению Ф. Сабадвари и А. Робинсона{430}, аналитическую химию можно назвать матерью современной химии: поскольку прежде чем применить то или иное вещество в конкретных целях, необходимо было выяснить его химический состав. Из древнеегипетских рукописей, известных как Лейденский и Стокгольмский папирусы, видно, что уже во времена господства протонауки ремесленники придавали большое значение качеству производимых ими товаров (см. т. 1, глава 2, п. 2.1). Мировая известность некоторых изделий (например, египетских стеклянных сосудов и украшений, древнегреческих амфор), производство которых было основано на химических процессах, была бы невозможна без строгого контроля качества исходного сырья и продуктов его химических превращений. Несомненно, зачастую состав веществ древние мастера не могли контролировать прямым способом. Поэтому ремесленники использовали косвенные методы: они знали, что оптимальному составу того или иного вещества соответствуют определенные свойства — окраска, запах, твердость (проверка на «пробном камне»), плотность и др. Можно сказать, что в Древнем мире развитие химических ремесел далеко не в последнюю очередь зависело от так называемого «пробирного искусства».
Впервые химический анализ стали широко использовать для проверки качества товаров и материалов, наиболее важными среди которых были драгоценные металлы — серебро и золото. При анализе содержания этих металлов в монетах применяли весы. Как показали археологические исследования, весы известны человечеству с незапамятных времен. Древние люди считали, что они дарованы богами. Найденные при раскопках в Междуречье Тигра и Евфрата каменные гири были датированы XXVI в. до н.э. Эти гири имеют определенную геометрическую форму или походят на фигурки животных. На них указана масса и высечены тайные печати. Существует мнение, что средневековые европейские меры веса — фунты — происходят от древневавилонских.
Первой из наиболее распространенных методик анализа содержания драгоценных металлов было их испытание огнем, или купелирование[36]. Следует признать, что такой анализ золота и серебра применяют и по сей день. Эта количественная методика предусматривает взвешивание анализируемого вещества до и после нагревания. Об испытании драгоценных металлов огнем несколько раз упоминается в Ветхом завете, а также в клинописных табличках древних вавилонян, найденных в долине Нила. Правитель Месопотамии указывает в них египетскому фараону Аменофису IV (1375–1350 гг. до н.э.) на недостаточно высокое содержание золота в монетах, присланных ему из Египта. В Стокгольмском и Лейденском папирусах сообщается о методах анализа чистоты не только золота, но и других металлов, в частности, олова.
Еще одним старинным методом анализа монет или ювелирных изделий на содержание в них золота служило их испытание при помощи пробного камня[37]. Необходимо признать, что в этом случае анализ был основан не на химических, а на физических свойствах драгоценного металла. В этом случае древние мастера испытывали анализируемый объект по его твердости, зная о том, что золото является сравнительно мягким металлом.
Понятие о плотности или «удельном весе» веществ было известно еще с незапамятных времен или, по крайней мере, со времен Архимеда. В трудах греческих авторов, в частности, работах греческого алхимика IV–V веков н.э. Синезия (см. т. 1, глава 4, п. 4.3), говорится о применении ареометра, а Гиппократ писал о том, что одинаковые объемы различных жидкостей отличаются по массе.
Наряду с «пробирным искусством» с начала новой эры можно проследить и совершенствование химического эксперимента. Пробирное искусство в дальнейшем развивалось в тесной связи с медициной и ремеслами, а экспериментирование стало самостоятельным направлением развития химических знаний.
Первыми химиками-экспериментаторами весьма часто оказывались врачи. В поисках новых лекарственных препаратов среди веществ «животного, растительного или минерального царств» они проверяли правильность своих медицинских гипотез, а также эффективность действия на своих пациентов тех или иных целебных снадобий. Это стимулировало совершенствование экспериментального направления в фармации и химии. Но в то же время именно потому, что объектом изучения были люди, медики старались использовать только хорошо проверенные, надежные знания, а поиски новых лекарственных методов лечения постепенно отошли на второй план.
C античных времен медики проявляли интерес к изучению природных источников воды. Мутную воду они очищали яичным белком. Кроме того, было известно, что после перегонки морская вода становится пригодной для питья. Древнеримский архитектор Витрувий определял чистоту воды, взвешивая осадок, полученный после перегонки.
Испытание золота в XV в. Рисунок из книги В. Бирингуччо «Пиротехния», 1540 г.
В области химического эксперимента греко-египетские алхимики не только воспользовались всем опытом, накопленным предшествующими поколениями ученых и ремесленников, но и сами занимались усовершенствованием методик анализа и лабораторного оборудования. Многие трактаты алхимиков этого периода содержат изображения химической посуды и приборов, используемых в ту пору.
Традиция заниматься усовершенствованием лабораторного оборудования перешла к арабским, а затем и западноевропейским алхимикам. Развитие пробирного искусства испытало сильное влияние со стороны представлений о трансмутации (превращения элементов), прогнозирующих получение благородных металлов из
обычных. Существование пробирного искусства в рамках алхимии длилось около двух тысяч лет. За это время значительного усовершенствования достигла процедура купелирования, четкое описание которой содержится в трудах Джабира ибн Хайяна и Альберта Великого (см. т. 1, глава 4, пп. 4.4-4.5). В указе французского короля Филиппа IV Валуа, изданном в 1343 г., эта процедура была узаконена в качестве стандартного метода определения чистоты золота. После открытия алхимиками серной, соляной и азотной кислот, их стали использовать для проверки качества драгоценных металлов. Когда выяснилось, что царская водка растворяет золото, но осаждает серебро, был разработан сравнительно простой способ разделения этих металлов.
Испанский алхимик Раймонд Луллий (см. т. 1, глава 4, п. 4.5) использовал свойство осаждения серебра в виде хлорида для очистки HNO3 от примеси соляной кислоты.
Сосуды для перегонки ртути, фильтрования, дистилляции и разделения летучих и нелетучих веществ.
Иллюстрация из книги Джабира ибн Хайяна «Lignum Vitae est His Qui Apprehendehnt Еam». Венеция, 1544 г.
В XV в. от пробирного искусства, поставленного на службу алхимии, стало «отпочковываться» экспериментальное направление развития химических знаний. Важнейшие предпосылки для этого создало использование химических знаний при совершенствовании ремесел, в частности, при определении свойств веществ и качества товаров, поскольку от этого зависела их стоимость.
Необходимо подчеркнуть, что экспериментальные исследования и пробирное искусство различались не только характером работы ученых. Труд химиков-экспериментаторов имел принципиально иное содержание: он был наполнен научным «духом» и научными методами. Из экспериментов ученые черпали наблюдения, модели, теории способов превращений веществ, важных для производства. Зачастую химики-экспериментаторы, в отличие от представителей пробирного искусства и ремесленной химии, объявляли своей целью получение «чистых» веществ, в данный момент времени не имеющих практической ценности. Однако эти «чистые» субстанции были необходимы для получения знаний о процессах, лежащих в основе наблюдаемых химических превращений веществ. Как было установлено, так называемое «чистое» стремление к накоплению фундаментальных знаний своим зарождением, прежде всего, обязано алхимическому периоду в истории химии{431}.
Прошло немало времени, прежде чем экспериментальное направление в химии нашло настоящую общественную поддержку и признание. В XVI в. обострилась борьба между схоластической философией и новыми естественнонаучными методами. Проявлением повышенного интереса к проведению химических экспериментов среди ученых Западной Европы отмечен период ятрохимии, который совпадает с эпохой Возрождения. В это время Европа переживала второе рождение естественных наук и бурное их развитие. Более продуктивными стали взаимоотношения науки и производства, а экспериментальное направление стало развиваться как самостоятельная область, тесно связанная с химическими ремеслами и с теоретическими представлениями. Кроме того, наметился курс на сближение практики и теории, поскольку становилось все более очевидным, что существующие теоретические знания оказываются все менее полезными при решении научных проблем. Принято считать, что впервые о важности эксперимента в естественнонаучных исследованиях заявил английский философ и государственный деятель Фрэнсис Бэкон (см. т. 1, глава 5, п. 5.4). Однако необходимо отметить, что до него о важной роли эксперимента неоднократно высказывался гениальный Леонардо да Винчи.
Немало ученых было весьма заинтересовано в существовании мощной экспериментальной базы, поскольку в повседневной практической деятельности они занимались изучением природных явлений и взаимного превращения веществ. В свою очередь, эта область химических знаний со временем стала оказывать все большее влияние на развитие химических теорий и совершенствование химических ремесел. Однако как средство познания законов природы искусство эксперимента в его классической форме приобрело свою подлинную значимость лишь в XVII-XVIII вв. Сначала экспериментальные исследования проводили преимущественно отдельные ученые в лабораториях, связанных с академиями или государственными учреждениями. Количество таких исследований было очень невелико. На основе этих лабораторий в XIX в. возникли крупные научные объединения, в какой-то мере похожие на современные научно-исследовательские институты. В этих научных центрах деятельность химиков-экспериментаторов приобретала все большую фундаментальную направленность.
В результате широкого внедрения в химию количественных методов анализа, о чрезвычайной значимости которых говорил еще в XIII столетии английский философ и алхимик Р. Бэкон (см. т. 1, глава 4, п. 4.5), а также благодаря созданному Дж. Дальтоном атомистическому учению, химический эксперимент приобрел более осознанный и плановый характер. В XIX веке направления экспериментальных исследований стала определять теория, а точность экспериментальных методов заметно повысилась. В 1844 г. Ю. Либих писал: «Открытие определяется уровнем экспериментальной техники и способностью человека создавать новые идеи».