Вплоть до XIII в. важнейшим средством осуществления химических процессов оставался огонь. Поэтому длительное время во всех сочинениях по химии особое место занимали описания конструкций различных печей для прокаливания, перегонки и плавления. Значительным достижением алхимического периода следует считать создание специальной печи «атанор», где процессы горения могли осуществляться длительное время, поскольку топливо по мере сгорания постепенно проваливалось в печь.
В XV в. Томас Нортон сконструировал, вероятно, первую многорядную муфельную печь, в которой «при одном процессе нагрева можно было осуществлять сразу 60 операций». Дальнейшие изменения конструкции печей, описанные Г. Агриколой, Н. Глаубером, И. Кункелем и И. Бехером, касались, главным образом улучшения качества небольших лабораторных печей.
Атанор. Печь средневековых алхимиков.
Иллюстрация из книги Джабира ибн Хайяна «Summa perfectionis magisterii». Вена, 1751 г.
В то время было еще непросто овладеть искусством управления высокотемпературными процессами. Не только конструкция печей, но и качество горючих материалов имели большое значение для осуществления различных химических процессов. C древних времен как горючие материалы использовали дерево, торф и древесный уголь. Применяя в качестве топлива древесину разных пород, люди хорошо различали специфику их влияния на протекание превращений веществ. Например, еще Псевдо-Джабир (см. т. 1, глава 4, п. 4.5) указывал, что для создания высоких температур следует использовать дерево твердых пород, а для получения умеренных температур — мягкую древесину. При перегонке жидкостей следовало, как советовал Роберт Бойль, сжигать торф из-за равномерного выделения тепла при его горении. В XVII-XVIII вв. для поддержания особенно высокой температуры использовали печи из огнеупорного кирпича, в которых можно было достичь температуры 1500 °С. Эти печи в своих работах многократно применяли Парацельс, Бойль, Беттгер и другие ученые.
Для проведения особенно важных экспериментов использовали «зажигательные стекла». C их помощью, например, в стеклянных колбах плавили и прокаливали свинец, а также другие сравнительно легкоплавкие металлы. М.В. Ломоносов отмечал, что после проведения этих операций образуется «известь», более тяжелая, чем исходный металл.
Еще сложнее было на протяжении длительного времени поддерживать относительно невысокие температуры. Уже Марии Коптской[38] (см. т. 1, глава 4, п. 4.2) приписывали изобретение водяной бани («бани Марии»), Псевдо-Джабир предпочитал зольную баню, иные алхимики — песчаную, Парацельс — баню из железных опилок, нагреваемых паром. Экспериментаторы использовали для нагрева свечи, масляные лампы и, начиная с XVI в. — спиртовые горелки.
После открытия кислорода в конце XVIII столетия его стали использовать для создания еще более высоких температур, чем те, которые до этого достигали лишь с помощью «зажигательных стекол».
Дж. Пристли, а позднее и А.Л. Лавуазье направляли поток газообразного кислорода на горящий уголь. Таким образом они расплавляли помещенные на поверхности угля вещества, которые ранее никому не удавалось превратить в жидкость. В начале XIX столетия было установлено, что можно получить высокие температуры и при вдувании кислорода в пламя спиртовой горелки.
В XIII–XVIII вв. существовали довольно грубые оценки стадий нагрева веществ. Псевдо-Джабир различал три «степени тепла», А. Либавий — четыре «градуса тепла» (см. т. 1, глава 4, п. 4.5).
Тела, нагретые до первого «градуса тепла», можно было держать рукой не испытывая неприятных ощущений. Тела, нагретые до второго «градуса тепла», причиняли раздражение, но не вызывали ожогов кожи. Третий «градус тепла» соответствовал состоянию раскаленного железа, четвертый — еще более высокой температуре. Лишь с изобретением термометра (см. т. 2, глава 3, п. 3.2) химики отвергли эти расплывчатые характеристики степени нагрева. Г. Бургаве (см. т. 1, глава 6, п. 6.5) одним из первых подчеркнул необходимость использования термометра при изучении химических процессов. После работ Бургаве стала ощущаться все большая необходимость точного определения температуры. В 1714 г. Г.Д. Фаренгейт использовал сначала спирт, а затем ртуть для заполнения термометров. Он выделял шесть «степеней тепла», в соответствии с которыми построил многоградусную шкалу измерения температуры. Таким образом, несмотря на изобретение термометра, еще в ходу были различные условные приемы описания химических процессов, хотя разработанные Фаренгейтом характеристики были более совершенными по сравнению с использовавшимися ранее. На основе своей шкалы Фаренгейт смог определять точные температуры плавления и кристаллизации целого ряда веществ.
Плавление, прокаливание, кристаллизация, возгонка, фильтрация и другие процессы, с давних пор применявшиеся в химических ремеслах, стали широко использоваться при проведении экспериментов, и сами становились предметом экспериментального исследования. Особенно это было заметно при осуществлении опытов с малыми, а затем и мельчайшими количествами вещества.
Специальная печь для перегонки и большие медные перегонные аппараты с холодильниками (Н. Лемери).
Перегонка — процесс, очень важный для развития химических ремесел и «пробирного искусства», — долгое время оставалась единственным и незаменимым методом исследования. Процессы перегонки ремесленники применяли еще в древнейшие времена. Уже Аристотель как о хорошо известном факте сообщал, что морскую воду можно сделать пригодной для питья после ее испарения и конденсации водяного пара. Философу было известно, что «субстанции», состоящие из твердых и жидких частиц, можно разделить нагреванием, а затем образовавшийся пар сконденсировать.
C появлением огнестойких сосудов их стали использовать для выпаривания различных веществ, при этом наблюдали появление на крышках капель сконденсированного пара. В пробирном искусстве для перегонки применяли колбы и насадки — «алембики». Уже до начала нашей эры перегонные аппараты служили для многих целей. В них, например, нагревали киноварь с железом для получения ртути. Некоторые способы применения перегонки, в частности, для получения ароматических масел, были известны еще с древнейших времен.
По свидетельству Синезия и Зосимы Панополитанского (см. т. 1, глава 4, п. 4.3), в IV в. н.э. перегонные аппараты состояли из двух сосудов — «пузыря», т. е. основной колбы, и «шлема», от которого отходили одна или несколько труб к сосудам, принимающим отогнанную жидкость. Позже химики стали применять для перегонки реторту.
Несмотря на то, что еще в глубокой древности пытались регулировать температуру химических процессов, аппараты для охлаждения были разработаны значительно позже, чем появились нагревательные устройства. Процессам искусственного охлаждения продуктов реакции стали уделять особое внимание лишь после того, как начали перегонять летучие жидкости. Первоначально Р. Луллий для охлаждения пара при перегонке ставил приемник в сосуд с холодной водой. Василий Валентин использовал бочонок, в который вливалась холодная вода, а нагревшаяся — вытекала наружу (см. т. 1, глава 4, п. 4.5). Однако система противоточного охлаждения была изобретена И. X. Вайгелем лишь в конце XVIII столетия.
Оборудование средневековых алхимиков, предназначенное для восходящей перегонки из водного раствора; сублимации твердых веществ; перегонки с фильтрацией; нисходящей перегонки.
Иллюстрации из книги Джабира ибн Хайяна «Summa perfectionis magisterii». Венеция, 1542 г.
Для осуществления разнообразных химических процессов важными средствами труда, помимо огня, служили различные сосуды. Аппараты для перегонки изготавливали из фаянса. Позже стали применять стеклянные сосуды, которые стоили очень дорого. Стеклянные сосуды получили заметное распространение только с XIII в. Иоганн Кункель, Н. Глаубер, как и за три столетия до них Псевдо-Джабир, были сторонниками применения стеклянных сосудов, которые считали важнейшим оборудованием химических лабораторий.
Значительно реже применяли металлические сосуды. Во-первых, ремесленники опасались, что металлы могут загрязнять вещества, реагирующие или просто хранящиеся в таких сосудах. Во-вторых, они испытывали страх перед отравлениями некоторыми металлами, в частности, медью или свинцом. Поэтому металлические сосуды, как правило, ценились довольно невысоко.
Важным событием для развития химии стало открытие платины. В начале XIX в. невозможно было представить себе химическую лабораторию, в которой не было бы плавильного тигля из платины. Юстус Либих писал: «Без платины было бы невозможным проведение анализа минералов. Минерал должен быть растворен, а перед этим его надо подготовить к растворению. Стекло, фарфор и все другие виды неметаллических плавильных тиглей часто разрушаются вследствие растворения находящихся в них минералов. Тигли из золота и серебра плавились бы при высоких температурах. Платина же более доступна и дешевле ценится, чем золото, более твердая и долговечная, чем серебро; не плавится при температурах, обычно применяемых в наших печах, не повреждается кислотами и углекислыми щелочами, объединяя в себе, таким образом, свойства золота и огнестойкого фарфора. Без платины мы, вероятно, и до настоящего времени не знали бы химических свойств большинства минералов».
Так как химики чаще всего имели дело не с отдельными сосудами, а с их системами, материал и размеры каждого из них, а также способ их соединения оказывали большое влияние на проведение химических экспериментов. Многие столетия сосуды соединяли с помощью пропитанного разными составами сукна. Пропитками служили различные смеси из клея, извести, глины, белка, соли и других веществ. Пробка и каучук в европейских лабораториях стали применять лишь в XVIII–XIX вв. По словам Либиха, «не имея пробки и каучука, мы не смогли бы привлечь к нашей работе механиков. Без использования каучука наши аппараты стоили бы гораздо дороже и были бы более хрупкими. Но главное достижение — это экономия нашего бесценного времени».
Использование огня как «анализатора» в химическом эксперименте было усовершенствовано в XVIII столетии с помощью паяльной трубки, которую еще за сто лет до этого применяли ювелиры при работе с золотом и серебром. Применение паяльной трубки позволило установить состав большинства минералов. При этом огонь вновь проявил себя как важный «инструмент» в разнообразных способах анализа. Только использование огня позволило химикам увидеть многочисленные новые факты, обобщение которых привело к разработке основополагающих химических теорий.
Первое сообщение о применении паяльной трубки появилось в трудах Академии эксперимента (Академиа дель Чименто) во Флоренции в 1660 г. Иоганн Кункель в своем трактате «Искусство получения стекла», опубликованном в 1679 г., рекомендовал широко использовать паяльную трубку для анализа минералов. Г.Э. Шталь, А.Ф. Кронштедт, Т. Бергман, Ю.Г. Ган, А.С. Маргграф, У. Уолластон и, наконец, Й.Я. Берцелиус успешно использовали паяльную трубку в своей повседневной работе. Во второй половине XIX столетия паяльную трубку уже широко применяли для анализа различных соединений, в частности, при анализе «мокрым путем» и спектроскопии.
C помощью паяльной трубки Г.Э. Шталь продемонстрировал особенности проведения процессов окисления и восстановления, после чего использовал полученные сведения для подтверждения созданной им флогистонной теории. В Швеции, где в XVIII в. большое внимание уделяли развитию металлургии и горного дела, многие химики применяли паяльную трубку для анализа минералов и широко пропагандировали этот метод. Выдающимися мастерами в использовании паяльных трубок для анализа различных веществ по праву считают Торберна Бергмана и Юхана Готтлиба Гана (см. т. 1, глава 6, п. 6.6), друга и учителя Й.Я. Берцелиуса. Этих ученых превзошел только сам Берцелиус. C помощью паяльной трубки он определил состав многих минералов и с большой точностью описал их в своей книге «Об употреблении паяльной трубки при химических и минералогических исследованиях», опубликованной в 1821 г. В этой работе были изложены все усовершенствования и способы использования паяльных трубок. Берцелиус в своей книге описал также обнаруженное Бергманом в 1779 г. различие внутренней и внешней зон пламени и его указания о некоторых реагентах: соде, буре, фосфорных солях. Кроме того, там были описаны предложенные Ганом способы применения платиновой проволоки для проб с паяльной трубкой, а также солей кобальта в качестве реактивов для анализа с паяльной трубкой.
