Если бы идеи Роберта Бойля, Джона Мэйоу и Роберта Гука получили в свое время соответствующее экспериментальное и теоретическое обоснование, то процесс эволюции химических знаний в XVIII в. мог пойти в совершенно ином направлении. Однако история распорядилась иначе. Первая химическая теория появилась только на рубеже XVII–XVIII вв. Почти на протяжении целого столетия она владела умами подавляющего большинства ученых-химиков. Ирония истории заключается в том, что в конечном итоге эта теория оказалась ошибочной.
В самом начале XVIII столетия английские инженеры Томас Севери и Томас Ньюкомен разработали первые образцы паровых машин. Эти модели были позднее усовершенствованы шотландским механиком Джеймсом Уаттом, которого считают создателем универсальной паровой машины.
Появление паровой машины ознаменовало начало промышленной революции: человечество теперь имело средство производства во много раз мощнее лошади или быка. Люди перестали зависеть от капризов силы ветра или месторасположения падающей воды, энергию которых они были вынуждены использовать для выполнения тяжелой механической работы.
Не совсем обычное использование огня в паровой машине возродило у химиков интерес к процессу горения{193}. Все предшествующие годы, несмотря на настойчивые попытки западноевропейских алхимиков, ятрохимиков и последователей Роберта Бойля объяснить процессы, протекающие при горении, дыхании и обжиге металлов, сущность этих явлений оставалась неразгаданной и не доступной для экспериментальных исследований.
В конце XVII в. при систематизации экспериментальных фактов химики рассматривали не столько сами вещества, сколько процессы, которые можно осуществить с их помощью. Ученые пытались выявить то общее, что объединяет химические процессы, и установить, что придает телам горючесть{194}. Именно сравнение процессов горения, обжига металлов, а также извлечения металлов из руд и стало отправным пунктом при создании единой теории, охватывающей все явления, относящиеся к превращению материи, которая получила название теории флогистона. Термин флогистон (от греч. φλογistos — горючий, воспламеняющийся) использовали врачи для указания на особое воспалительное состояние органов дыхания. Для немецкого врача и химика Георга Эрнста Шталя — основоположника этой теории, флогистон представлял собой особый флюид — составную часть всех горючих тел, которая выделяется при горении или обжиге. Шталь предложил схему процесса горения, объяснявшую роль флогистона. Основы своих представлений Г.Э. Шталь изложил в 1697–1703 гг., а фундаментальное освещение его взгляды получили в 1723 г. в книге «Основания химии». Согласно Шталю, все горючие вещества богаты флогистоном. При этом флогистон является материальным лишь тогда, когда он находится в сочетании с другими веществами в сложных телах. В процессе горения флогистон улетучивается, а то, что остается после завершения горения, флогистона не содержит и потому гореть не может. Шталь утверждал, что ржавление металлов подобно горению дерева. По его мнению, металлы содержат флогистон, а в ржавчине (или окалине) флогистона уже нет. C позиций теории флогистона был объяснен процесс извлечения металлов из руды, что можно считать первым теоретическим открытием в области химии{195}. По мнению Шталя, руда, которая практически не содержит флогистона, нагревается на древесном угле, весьма богатом флогистоном. Флогистон при этом переходит из древесного угля в руду, в результате чего уголь превращается в золу, бедную флогистоном, а руда обогащается флогистоном и превращается в металл.
Георг Эрнст Шталь (1659–1734)
Анализ трудов Г.Э. Шталя позволяет сказать, что его взгляды были наиболее близки к эмпирическому элементаристскому направлению. Немецкий ученый считал химическими началами макротел те компоненты, на которые их можно разложить при помощи химических операций (например обжига). Эти компоненты, по мнению Шталя, не являлись элементами, т.е. неразлагаемыми на более простые составные части. Напротив, немецкий ученый полагал, что в результате обжига образуются сложные компоненты, поскольку выделения действительных элементов нельзя добиться химическими способами. Подобно многим химикам конца XVII — начала XVIII в., Шталь придерживался преформационистской концепции о пред существующих в макротелах псевдоэлементах{196}. C позиций современной химии это означает, что Шталь не видел четкого различия между понятиями элемент и химическое соединение.
Сторонники теории флогистона в процессах горения и окисления отводили важную роль воздуху. Он служил переносчиком флогистона, а также «вбирал» его при окислении или горении. Из воздуха флогистон попадал в листья растений, а затем в древесину. При восстановлении флогистон снова освобождался и возвращался к телу, например, к оксиду металла, нагреваемому на куске древесного угля.
На первых порах теория флогистона встретила резкую критику. Ее противники особенно возражали против представления горения и ржавления по сути одним и тем же явлением. Однако Шталь опроверг эти нападки заявлением, что при горении флогистон улетучивается настолько быстро, что нагревает окружающую среду и становится видимым, а при ржавлении флогистон улетучивается медленно, поэтому пламя не образуется. Итак, реакция окисления соответствует потере флогистона, а восстановления — его приобретению. Аналогичным образом при помощи флогистона можно было объяснить процесс дыхания.
В результате работ химиков-флогистиков была сформулирована теория, новизна и отличительные особенности которой состояли в том, что она одновременно и взаимосвязано рассматривала противоположные реакции окисления и восстановления. Теория флогистона позволила качественно объяснить протекание многих процессов, используемых в химических ремеслах и, самое главное, в металлургии, а также оказала влияние на совершенствование методов «экспериментального искусства».
Еще одной отличительной чертой эпохи теории флогистона следует считать бескомпромиссную полемику, которую Шталь и его последователи развернули со сторонниками алхимических представлений. Немецкий ученый осознавал не только бесперспективность, но и явный вред алхимической доктрины, поэтому решительно с ней боролся, стремясь отграничить от нее химию. «Именем алхимии… можно и следует называть, говоря кратко, златоделие, — подчеркивал Шталь. — Напротив, химия обозначает обоснованные, разумные исследования, в результате которых возникают надежные, проверенные фундаментальные знания»{197}. Однако стоит отметить, что при всем этом Шталь считал трансмутацию теоретически возможной и лишь ставил под сомнение необходимость изготовления благородных металлов из обычных, считая такой процесс крайне нерентабельным. Своей критикой, основанной главным образом на экономических соображениях, создатель флогистонной теории инициировал кампанию, направленную против алхимиков. В предисловии к немецкому изданию его книги «Основания зимотехники» (1734) Шталь пишет: «Я не берусь оценить вред, который нанесли эти мошенники-алхимики. Позволю себе только заметить, что со времен Парацельса в нашем многоуважаемом отечестве не было ни одной войны, которая бы причинила столько зла, сколько эти люди».
В соперничестве флогистиков с алхимиками сталкивались не только два различных взгляда на протекание химических процессов, но и два основополагающих учения о природе и обществе. Сторонники алхимии защищали свою доктрину с помощью религиозных, мистических, астрологических, каббалистических и магических воззрений, а также опираясь на алхимические традиции и авторитет крупнейших алхимиков прошлого. Более прогрессивные ученые — флогистики считали эксперимент, разум и критическое осмысление наблюдений высшими «судьями», которые и должны были решать, правильна данная теория или ошибочна. Химики-флогистики, деятельность которых отвечала интересам промышленной буржуазии, одержали победу над алхимиками прежде всего потому, что им удалось преодолеть ограниченность алхимических представлений, эмпирических, с одной стороны, и сугубо умозрительных — с другой.
Однако нельзя забывать, что противникам алхимии приходилось вести борьбу в условиях, когда феодальные общественные отношения в Европе были еще достаточно прочными. Эта проблема отчетливо просматривается, например, в первом учебнике «флогистонной» химии И. Юнкера «Полное руководство по химии» (1749). Юнкер стремился дать общую оценку алхимии. Но так как он не мог привести неопровержимых доказательств ложности учения о трансмутации, то выступал в качестве «благоразумного и пытливого» ученого, который хотел бы использовать алхимический опыт для расширения своих знаний о химии. Правда, Юнкер замечал, что еще предстоит проверить достоверность этого опыта. Он считал, что процессы трансмутации могут быть использованы для совершенствования химических теорий, если «действие тинктур поможет объяснить нам состав и особенности строения металлов». Представление о превращении неблагородных металлов в благородные, по мнению Юнкера, полезно, поскольку оно позволяет, в частности, рассмотреть процесс «улучшения металлов». По словам Юнкера, он написал свой учебник не для тех, кто говорит, что хочет познать «высокие тайны алхимии и философии, а на самом деле стремится к общепочитаемому золоту», а для тех, «кто стремится к истине — несравненно более ценному и вечному идеалу, чем золото»{198}. Несмотря на то что Юнкер признавал возможность трансмутации, он критиковал многие сочинения алхимиков Средневековья за их мракобесие, бессмысленность, неясность, суеверные суждения, болтовню о «семенах золота». Алхимики, по мнению Юнкера, написали «лживые и фальшивые книги», чтобы «водить за нос легковерных». Выступая против «алхимической чумы» или «сумасшествия», он говорил, что не следует испытывать даже малейшей надежды на успех, работая в этом направлении.
В своем учебнике И. Юнкер иронизировал над доверчивыми адептами и всячески отговаривал их от занятий алхимией. Не без сарказма он замечает: чтобы добиться успеха в поисках философского камня, алхимик должен обладать выдающимися «человеческими и сверхчеловеческими качествами», ну а поскольку такие качества простому смертному вряд ли присущи, следовательно, этот камень не дано найти никому. Таким же образом Юнкер критиковал тех врачей и алхимиков, которые пытались создать универсальное лекарство. Он считал невозможным, чтобы та же субстанция, которая «изгоняла бы болезни из человеческого тела или в кратчайшее время исцеляла бы внутренности, восстанавливая те их части, которые поразила болезнь … могла бы обладать вдобавок и той силой, чтобы превращать в золото неблагородные металлы».
Г.А. Гофман, который написал одну из первых книг по практической химии, критиковал алхимиков за то, что они призывали «отдавать значительно больше уважения старинным химическим знаниям». «Химические теории, — писал Гофман, — как и другие научные знания и искусства, ценятся независимо от их возраста, старинные они или новые. Но при этом отнюдь не следует утверждать, как это делают многие, что самые ценные и неоспоримые химические знания были накоплены в древности египтянами, халдеями, евреями, вавилонянами… Некоторые алхимики придерживаются высокого мнения о себе в связи с тем, что их искусство, дескать, имеет весьма почтенный возраст. Поэтому они стараются доказать, что алхимия возникла едва ли не во времена сотворения мира. В этом не было бы необходимости, если бы алхимия в наши дни приносила хоть какую-нибудь пользу». Давая историческую оценку попыткам алхимиков получить философский камень, Гофман писал: «В те мрачные времена нетрудно было прослыть за многознающего. Кто объявлял, что может делать золото, вызывал у людей преклонение своей ученостью… Простое обладание 10000 талерами само по себе заставляло считать, что их обладатель умен, а 100000 талерами — очень умен. Золото могло убедить в чем угодно»{199}.
В середине XVIII столетия капиталистические общественные отношения в Западной Европе развивались быстрыми темпами. Как ученые, так и владельцы мануфактур все яснее осознавали необходимость непосредственного применения химических знаний в производстве. Последователи теории флогистона понимали, что алхимики со своими эмпирическими и умозрительными обобщениями, тратившие массу сил и средств в погоне за недостижимыми целями и несбыточными иллюзиями, отвлекали интеллектуальные и материальные ресурсы общества от решения насущных задач, и тем самым тормозили прогресс науки. Магия, астрология, вера в существование призраков и чудеса постепенно уступали место научному анализу материального и духовного мира.
Среди немецких ученых-флогистиков, решительно выступавших против алхимии, особое место занимал аптекарь и химик Иоганн Христиан Виглеб. В 1777 г. он опубликовал книгу «Историко-критическое исследование алхимии, или воображаемого искусства получения золота». От других аналогичных работ это произведение отличается обоснованностью, последовательностью и ясностью изложения основных концепций. C помощью исторического анализа Виглебу удалось доказать, что основные представления алхимиков и большая часть их экспериментов оказались бесплодными. Он считал возможность опытной проверки важнейшим критерием правильности химических теорий и ценности исследований. В подкрепление своего вывода он приводил китайское изречение: «Сомнение есть начало науки: кто ни в чем не сомневается, тот не пытается ничего проверить; кто ничего не проверяет, тот ничего и не откроет; кто ничего не открывает, тот слеп и останется слепым»{200}.
Иоганн Христиан Виглеб (1732–1800)
Виглеб подробно исследовал «гнилое дерево» алхимических заблуждений. Разбирая сначала лишь некоторые его «ветви», затем «ствол» и, наконец, «корни», Виглеб полностью опровергал возможность трансмутации. Он критически относился к утверждениям всех «алхимических» кумиров и к историческим свидетельствам об их успехах, вскрывал ошибочность всех их теорий, а также ложность доказательств.
Несмотря на все трудности концептуального противостояния, сторонникам теории флогистона удалось одержать решительную победу над алхимиками. Это еще раз подчеркивает, насколько насущным и необходимым явился поиск новых, прогрессивных направлений в химических исследованиях. Эти новые направления были необходимы не только для развития производства, но для совершенствования экспериментальной базы и создания химических теорий. По словам Ф. Энгельса, «химия освободилась от алхимии посредством флогистонной теории»{201}.
Последователям флогистонной теории, среди которых наиболее известными учеными были К. Нейман, И.T. Эллер, И.Г. Потт и А.С. Маргграф, приходилось сражаться одновременно на разных идеологических фронтах. С одной стороны, им приходилось отбивать контратаки сторонников алхимических воззрений, а с другой — противостоять критическим высказываниям в адрес самой флогистонной теории со стороны других крупных ученых-химиков. Одним из наиболее решительных противников теории флогистона был знаменитый голландский врач Герман Бургаве. Однако имеющихся у него критических сомнений было не достаточно, чтобы поколебать теорию флогистона. В противоположность господствующему тогда мнению Бургаве утверждал, что между веществами, не сходными друг с другом, имеется большое стремление к химическому соединению. Современники высоко ценили
Г. Бургаве за удивительное лекторское искусство и энциклопедическую эрудицию. В 1732 г. он издал большой трактат «Основания химии» («Elementa chymiae»), в котором с поразительной четкостью представил систематизацию известных к тому времени фактических знаний по химии. Как пишет М. Джуа, ясная логика и четкость изложения, присущие работам всех без исключения выдающихся голландских химиков, живших в более позднее время: X. Вант-Гоффа, X. В. Розебома и других, явились продолжением той замечательной традиции, которую заложили книги Г. Бургаве{202}. Полемизируя с приверженцами теории флогистона, Бургаве, правда со многими оговорками, склонялся к мысли, что трансмутации в принципе возможны. Он с почтением относился к авторитетам и считал маловероятным, чтобы все доказательства успехов алхимии за всю ее многовековую историю были сплошной мистификацией. Бургаве подчеркивал, что алхимией занимались многие именитые и эрудированные ученые, поэтому, учитывая лишь несовершенство человеческих знаний, нельзя с уверенностью утверждать, что занятия алхимией были непрерывной цепью обманов и фальсификаций.
Герман Бургаве (1668–1738)
Лекция Г. Бургаве в Лейденском университете. Гравюра XVIII в.
Несмотря на критику, теория флогистона завоевывала все новых и новых сторонников. К 1780 г. она была принята европейскими учеными практически повсеместно, поскольку позволяла давать четкие и однозначные ответы на многие вопросы химиков-экспериментаторов, хотя одну проблему ни Шталь, ни его последователи разрешить не могли. Утверждение, что в реакциях горения или ржавления теряется флогистон,
противоречило твердо установленному экспериментальному факту — при обжиге металлов происходит увеличение их массы. Сам основатель теории флогистона не придавал этому факту большого значения, а его последователи, чтобы предупредить возражения, стали приписывать флогистону отрицательную массу.
Идея об отрицательной массе флогистона, по всей видимости, впервые была высказана Пьером Жозефом Макером, которого считают одним из наиболее ревностных сторонников этой теории среди французских ученых. Наиболее известными сочинениями П.Ж. Макера является «Химический словарь» (1766) и «Основания практической химии» (1751).
В «Химическом словаре» французский ученый высказал свои теоретические соображения, которые в определенной степени созвучны некоторым положениям Р. Бойля. Согласно идее Макера, сложные вещества построены из основополагающих принципов (principiate principles), которые различаются степенью простоты и подчиняются строгой иерархии{203}.
Пьер Жозеф Макер (1718–1784)
В теории П.Ж. Макера материальные сущности, которые не могут быть далее расчленены на составляющие части, следует рассматривать как простые и называть первичными принципами; вторичные принципы образуются в результате объединения первичных принципов, принципы третьего порядка — это те, которые составлены из вторичных принципов, и так далее.
Уловка с отрицательной массой флогистона для приспособления теории к экспериментальным фактам ярко демонстрирует, насколько мало химические исследования даже в XVIII в. прониклись духом значимости точных измерений. Теория флогистона хорошо объясняла причины изменения внешнего вида и свойств веществ, а изменения массы, как считали в то время многие химики, не так уж и важны. Необходимо отметить, что теорию флогистона для объяснения своих открытий привлекали такие великие химики XVIII в., как Джозеф Блэк Генри Кавендиш, Джозеф Пристли и Карл Вильгельм Шееле (см. гл. 6, п. 6.6).
Возникновение теории флогистона и развитие «экспериментальной философии» можно считать одним из проявлений духа Просвещения в химии. Все это, в конечном счете, способствовало становлению химии как самостоятельной науки. Теория флогистона очень показательна в плане особенности понимания химического мышления, состоявшей в переходе от алхимического и натурфилософского восприятия веществ и их превращений к научному мировоззрению.
Г.Э. Шталь считал флогистон наилегчайшей материальной субстанцией (а не качеством), и в его взглядах чувствовалось характерное для сторонников элементаристского направления принятие зависимости свойств тела от его состава. Тем не менее среди флогистиков была еще довольно сильна традиция выведения состава тела из его свойств: если вещество горит — значит, оно содержит горючую материю. Таким образом, в теории флогистона осталось представление о горении как о процессе распада, а не соединения, доставшееся «в наследство» от античных натурфилософов и алхимиков{204}.
При том что во второй половине XVIII в. теория флогистона получила весьма широкое распространение во многих странах Европы, необходимо признать существование немалочисленной группы химиков-эклектиков, которые, хотя и не разделяли ее идей, тем не менее не принимали участия в ее последовательной критике. Деятельность этих ученых способствовала прогрессу главным образом экспериментальной химии. Наиболее заметными фигурами в этой группе были профессор медицины университета в Галле Ф. Гофман, французские химики Э.Ф. Жоффруа и А.Л. Де Монсо, а также итальянские ученые Я.Б. Беккари и Дж. Б. Беккариа.
Наибольший интерес для истории химии представляют работы Этьена Франсуа Жоффруа. Опубликованная в «Записках Парижской академии наук» его знаменитая «Таблица различных соотношений» (1718) явилась результатом размышлений автора над проблемой химического сродства. Эта таблица имеет большое историческое значение и заслуживает упоминания в контексте эволюции химических символов, используемых для обозначения элементов, простых веществ и химических соединений{205}.
Таблица соотношений, наблюдаемых между различными веществами Э.Ф. Жоффруа (1718):
1 — кислые спирты (кислоты);
2 — кислота морской соли (соляная);
3 — селитряная (азотная) кислота;
4 — купоросная (серная) кислота;
5 — нелетучая щелочная соль (поташ, сода); 6-летучая щелочная соль (аммиак);
7 — поглощающая земля;
8 — металлические вещества;
9 — ртуть;
10 — королек сурьмы;
11 — золото;
12 — серебро;
13 — медь;
14 — железо;
15 — свинец;
16 — олово;
17 — цинк;
18 — галмей;
19 — ископаемая сера;
20 — маслянистое (серное) начало;
21 — уксусный спирт (кислота);
22 — вода;
23 — соль;
24 — винный спирт или горючие спирты