Всю научную деятельность Лавуазье можно разделить на две части: главная задача первой из них заключалась в правильном истолковании процессов горения, обжигания и дыхания и представляла собой борьбу против теории флогистона. Основной целью второй части была реформа химии — определение химического элемента и экспериментальное доказательство закона сохранения массы вещества.
Лавуазье не занимался специально атомистикой, однако результаты его работ так или иначе способствовали ее утверждению. В отличие от своих предшественников Лавуазье не пытался дать метафизическое определение химическому элементу, подгоняя затем под это определение экспериментальные результаты. Наоборот, он дал определение понятию элемента в релятивистско-экспериментальном смысле потому, что именно оно оказалось плодотворным для химии того времени. В «Элементарном курсе химии» Лавуазье привел перечень всех известных в то время элементов или, вернее, всех веществ, которые он считал элементами. При этом он руководствовался правилом, согласно которому элементом является вещество, которое нельзя разложить на более простые вещества существовавшими тогда аналитическими методами исследования. Элементы стали трактоваться не как предсуществующие в объекте продукты его разложения, а как последний предел, до которого вещества можно разложить в принципе. В литературе отмечено, что первая таблица простых веществ и первая их классификация, данная Лавуазье, представляют собой «документ огромной исторической важности»{221}.
Историки химии отмечают, что в основу предела разложимости тела у Лавуазье легли результаты гравиметрического (весового) метода анализа. Если при последующих операциях масса продукта реакции переставала уменьшаться, считали, что предел разложения достигнут. Необходимо подчеркнуть, что А.Л. Лавуазье и его последователи были уверены, что химические элементы не превращаются друг в друга во всех известных тогда реакциях{222}. Этот факт свидетельствует о том, что алхимические и аристотелевы представления об элементах-качествах к этому времени оказались уже практически изжитыми.
Лавуазье отрицал значения аристотелевских и алхимических элементов, слишком немногочисленных и недостаточных для объяснения сути химических процессов. Работы французского ученого позволили сформировать очень важные представления об ограниченном множестве элементов и их качественной разнородности{223}. Особое значение этих представлений заключалось в том, что на их основе разнообразие свойств химических веществ можно было объяснить разнообразием качеств множества элементов.
В целом Лавуазье классифицировал немногим более тридцати элементов, исходя из их химических свойств. Однако он не утверждал со всей категоричностью, что все эти тела действительно простые. C поистине гениальной прозорливостью он предвидел, что так называемые земли (оксиды металлов) вскоре перестанут причислять к простым веществам{224}. Лавуазье предположил, что безразличие по отношению к кислороду может свидетельствовать о том, что земли насыщены кислородом и представляют собой оксиды металлов. Тем не менее, Лавуазье всегда стремился не смешивать истину, установленную экспериментально, с гипотетическими предположениями.
В своей книге Лавуазье привел таблицу элементов, сгруппировав их в четыре больших класса:
а) принадлежащие к трем царствам природы простые вещества, которые можно рассматривать как элементы — свет, теплород, кислород, азот и водород;
б) простые неметаллические вещества, способные окисляться и давать кислоты — сера, фосфор, углерод, муриевый радикал, плавиковый радикал, борный радикал;
в) простые металлические вещества, способные окисляться и давать кислоты — сурьма, мышьяк, серебро, висмут, кобальт, медь, олово, железо, марганец, ртуть, молибден, никель, золото, платина, свинец, вольфрам, цинк;
г) простые землистые вещества, способные давать соли — известь, магнезия, барит, глинозем, кремнезем.
Как видно из этого списка, только в двух случаях Лавуазье допустил несомненные ошибки: это касается «света» и «теплорода». Впоследствии выяснилось, что они представляют собой не материальные субстанции, а формы энергии.
В отличие от предшествующих теорий о качественно однородной материи концепция Лавуазье не требовала для объяснения происхождения свойств веществ привлечения физических и геометрических параметров, как в корпускулярном учении Р. Бойля. Химическую специфику соединения (наличие определенных химических свойств вещества) Лавуазье объяснял их качественным и количественным элементным составом{225}. При этом полагалось, что каждое качественно индивидуальное вещество обладает определенным и свойственным только ему количественным составом[18].
Таким образом, согласно концепции французского ученого, уже не содержание элемента выводилось из наличия у этого вещества определенных свойств, а свойства выводились из элементного состава{226}. В качестве иллюстрации этого положения часто приводят работы Лавуазье о природе кислот.
В традиционных представлениях о кислотах полагали, что все они содержат некую единую первичную кислоту, которая и придает этой группе веществ их общие свойства. Лавуазье на основании своих экспериментов по разложению серной, фосфорной и азотной кислот (в современном понимании — SO3, P2O5, N2O5) связал свойство кислотности с наличием в их составе специфического элемента — кислорода. Отсюда, как уже говорилось выше, происходит и его название — рождающий кислотный принцип{227}. Лавуазье пришел к выводу, что все кислоты отличаются друг от друга лишь соединенным с кислородом радикалом[19].
Очевидно, что во взглядах Лавуазье еще прослеживается влияние прежних представлений об универсальном начале, определяющем свойства вещества. Тем не менее принципиальная новизна их проявилась в том, что это начало мыслилось как реальная составная часть соединения, существование которой устанавливалось не умозрительно, а на основе результатов аналитических методов и количественных весовых измерений.
C проблемой установления элементов тесно связано экспериментальное обоснование закона сохранения массы. Анализируя результаты своих опытов, А.Л. Лавуазье пришел к выводу о том, что если учитывать все вещества, участвующие в химической реакции, и все образующиеся продукты, то изменения в их массе наблюдаться не будут. Фундаментальный принцип сохранения материи высказывался еще в древности в виде идеи о ее неуничтожимости (см. гл. 3, п. 3.6). В работах по истории химии отмечается, что и в Новое время некоторые ученые (например Э. Мариотт и М.В. Ломоносов) придерживались этого принципа в своих исследованиях{228}.
Таблица «простых тел» А.Л. Лавуазье
Другими словами, Лавуазье доказал экспериментально, что в химических превращениях масса никогда не создается и не уничтожается, а лишь переходит от одного вещества к другому. Дату экспериментального подтверждения этого фундаментального теоретического положения можно точно отнести к 1789 г. Закон сохранения массы стал краеугольным камнем всей химии XIX в. Строгое экспериментальное подтверждение этого закона, подкрепленное авторитетом великого французского ученого, оказало влияние на дальнейшее развитие не только химии, но и всего научного естествознания.
Еще один аспект переворота в химии конца XVIII в. связан с получением в работах Лавуазье и его последователей экспериментального обоснования закона сохранения элементов и закона сохранения массы в химических реакциях. В дальнейшем эти законы явились основой при составлении химических уравнений (см. гл. 8, п. 8.10). А.Л. Лавуазье писал: «Можно положить в виде принципа, что во всякой операции количество материи одинаково до и после операции, что качество и количества начал (элементов) остаются теми же самыми, что происходят только превращения, изменения. На этом принципе основано все искусство делать опыты в химии: необходимо предполагать существование равенства или уравнения между началами (элементами) исследуемых тел и получаемыми из последних посредством анализа»{229}.
Луи Бернар Гитон де Морво (1737–1816)
Антуан Франсуа Фуркруа (1755–1809)
Работы Лавуазье были настолько результативными, что привлекли к себе внимание трех наиболее известных химиков Франции: Гитона де Морво, Клода Луи Бертолле (см. гл. 8, п. 8.3) и Антуана Франсуа Фуркруа. В середине 1786 г. они объединились с Лавуазье для изучения проекта новой рациональной номенклатуры и плана реформы химии, насущную необходимость которой все они хорошо понимали. Результаты их совместного труда по созданию логической системы химической номенклатуры увидели свет в 1787 г.
Реформа химической номенклатуры, проведенная под руководством Лавуазье, принесла существенные плоды. C этого момента химия перестала путаться в названиях веществ времен алхимии, когда каждый исследователь, используя свою собственную систему, мог поставить коллег в тупик. До создания рациональной номенклатуры вещества называли по месту происхождения (например, масло голландских химиков, берлинская лазурь), по характерным признакам — цвету, вкусу, запаху (красная кровяная соль, горькая соль), но особенно часто — по имени ученых, впервые получивших это соединение (глауберова соль, бертолетова соль). На смену этому пришла номенклатура, основанная на логических принципах. Названия соединений, предложенные этой номенклатурой, позволяли определять их химическую функцию и качественный состав, т.е. установить те элементы, из которых они состоят. В новой номенклатуре каждое вещество рассматривали с точки зрения его общих (например, кислота) и конкретных (например, серная кислота) свойств, устанавливаемых на основе экспериментальных данных о его элементном составе. Для того чтобы судить о количественных соотношениях входящих в состав вещества элементов, была разработана четкая система приставок и суффиксов. Разработанные Лавуазье и его коллегами принципы номенклатуры химических соединений во многом сохранились и до сегодняшнего дня. Например, диоксид углерода (углекислый газ — CO2) содержит больше кислорода, чем монооксид углерода (угарный газ — СО). Содержание кислорода максимально в перхлорате калия и падает при переходе к хлорату и хлориту калия, в то время как хлорид калия совсем не содержит кислорода.
Успехи А.Л. Лавуазье были весьма впечатляющими. В своих работах он получил такие результаты, которые привели к изменению фундаментальных концепций химии. Поэтому и другие ученые взяли на вооружение его количественный подход к проведению химических исследований. Во Франции дело А.Л. Лавуазье в той или иной мере было продолжено представителями «новой школы», наиболее известными среди которых были А.Ф. Фуркруа, Л.Н. Воклен и К.Л. Бертолле.
Могучий интеллект и жизненную энергию А.Л. Лавуазье направлял не только на создание фундаментальных теоретических основ естествознания, но и на развитие прикладной химии. Являясь одним из руководителей Управления порохов и селитр, он способствовал совершенствованию технологии этого стратегического материала: к 1788 г. объемы его производства увеличились более чем в два раза (с 1600 до 3700 тыс. фунтов в год), а качество существенно улучшилось{230}. Лавуазье организовал экспедицию для отыскания селитряных местонахождений, вел исследования, направленные на совершенствование методов очистки и анализа селитры. Способы очистки селитры, разработанные А.Л. Лавуазье и А. Боме, дошли и до нашего времени. По инициативе Лавуазье, в 1773 г. Парижская академия наук назначила премию за лучшее исследование, касающееся способа наиболее выгодного производства селитры, причем программа работы была детально продумана самим французским ученым. Лавуазье широко пропагандировал способ отбеливания тканей хлором, открытый К.Л. Бертолле, а также неустанно занимался популяризацией химических знаний. Будучи прекрасным экспериментатором, он устраивал публичные демонстрации опытов не только в своей лаборатории, но и во многих общественных местах, причем приглашал на эти демонстрации не только специалистов-химиков, но и непосвященную публику, пробуждая таким образом интерес к науке у широкого круга людей. Одновременно Лавуазье принимал активное участие в работе Комиссии по разработке метрической системы мер и весов.
Кипучая энергия великого французского ученого проявлялась и в его разносторонней общественной деятельности. Все отчеты А.Л. Лавуазье обнаруживали его необыкновенную способность смотреть в корень проблемы, носили печать ясного, дисциплинированного и уравновешенного ума. Биографы французского ученого свидетельствуют о его благородной натуре; в своей общественной деятельности он опирался на гуманные принципы и представления об общем благе. Это, в частности, проявилось в исследовании тюрем, предпринятом Лавуазье по поручению академии, а также в его деятельности, направленной на улучшение положения простых земледельцев. Ученый настаивал на необходимости устроить около Парижа опытное поле для агрономических экспериментов; сочинял провинциальным собраниям инструкции, касающиеся самых разнообразных сельскохозяйственных вопросов.
Занимаясь только научными исследованиями, Лавуазье не мог обеспечить достойного существования своей семье. По этой причине он стал генеральным откупщиком — чиновником, владеющим правом взыскивать государственные налоги с населения. Во времена Великой французской революции по декрету от 24 ноября 1793 г., как и многие другие откупщики, Лавуазье был арестован и предан суду якобинского трибунала. Вместо того чтобы бежать за границу, он отдался в руки властей в тщетной надежде на то, что его выдающиеся научные и общественные заслуги перед отечеством найдут признание у Конвента.
Многие историки науки обвиняют коллег великого французского ученого (и в первую очередь Морво, Фуркруа, Бертолле и Лапласа, которые состояли в дружеских отношениях с самыми видными революционерами и даже посещали заседания Якобинского клуба) в том, что они не приняли должного участия в судьбе Лавуазье. Только математик Жан Шарль Борда и кристаллограф аббат Рене Жюст Гаюи осмелились направить в Комитет общественной безопасности петицию в защиту человека, чьи заслуги перед наукой были столь высоки{231}. Однако несмотря на это 8 мая 1794 г. выдающийся ученый был казнен на гильотине как явный враг и грабитель французского народа. Лавуазье проявил стойкость перед лицом обрушившихся на него несчастий и достойно встретил свою смерть, доказав, что он был не только великим ученым, но и мужественным человеком. Выдающийся математик Жозеф Луи Лагранж с нескрываемой горечью сказал о казни Лавуазье: «Понадобился лишь один момент, чтобы отрубить голову, подобную которой, может быть, не найти и в течение ста лет»{232}.
А.Л. Лавуазье прожил короткую, но удивительно яркую творческую жизнь. В историографической литературе можно встретить различные точки зрения на его вклад в науку. Соотечественники ученого высказываются о нем исключительно в восторженных тонах (один из его биографов — Э. Гримо писал: «Вся современная наука есть только развитие трудов Лавуазье»{233}). C другой стороны, в работах немецких историков можно увидеть стремление несколько преуменьшить его роль, оспаривая приоритет установления качественного состава воды.
А.Л. Лавуазье является создателем первой подлинно научной фундаментальной теоретической концепции в химии, определившей направление последующих исследований. Ф. Энгельс писал, что великий французский ученый «впервые поставил на ноги всю химию, которая в своей флогистонной форме стояла на голове»{234}. Лавуазье направил химию на путь открытия и изучения истинных химических элементов, при взаимодействии которых образуется бесконечное разнообразие природных и созданных в лаборатории химических соединений.
Благодаря трудам Лавуазье, химия во Франции раньше, чем в других странах, освободилась от тормозившей ее развитие флогистонной теории, стала лидировать в химических исследованиях и сохраняла это положение в течение первой половины XIX в. Несмотря на преждевременную трагическую кончину великого ученого, влияние антифлогистонной кислородной теории распространялось и в других странах Европы. В Англии антифлогистонную систему поддержали Джозеф Блэк, Уильям Хиггинс (см. гл. 8, п. 8.4), а в Германии — Мартин Генрих Клапрот, Христиан Гиртаннер и Сигизмунд Фридрих Гермбштедт. В Германии считалось очень патриотичным придерживаться теории флогистона, поскольку ее автор Г.Э. Шталь был немцем. Поэтому выступление М.Г. Клапрота и других немецких ученых в поддержку теории Лавуазье лишний раз подчеркивает чрезвычайную актуальность открытий, сделанных великим французским химиком.
Одной из наиболее важных заслуг А.Л. Лавуазье перед химией является разработка метода точных количественных измерений как основного критерия истинности научного знания. Систему Лавуазье отмечают логическая стройность и единство. Лавуазье внес в химию тот метод строгой критики и отчетливого анализа явлений, который до него уже оказался столь плодотворным в других областях точного знания: в механике, физике, астрономии. Лишь признав необходимость точных доказательств для подтверждения истинности теоретических концепций, химия превратилась в современную науку. В этом отношении исследования Лавуазье составляют важное звено в цепи научных изысканий, которые ставили целью открытие законов, управляющих явлениями природы. Имя А.Л. Лавуазье стоит в одном ряду с именами основоположников научной методологии современного естествознания, каковыми являются Г. Галилей, И. Ньютон и И. Кеплер.
Не будет большим преувеличением сказать, что работы А.Л. Лавуазье следует рассматривать как начало революции в химии, которая закончилась созданием атомистической теории Джона Дальтона, молекулярного учения Амедео Авогадро и формированием нового научного химического мировоззрения.