Творчество А.Л.Лавуазье

      В основе весового метода изучения химических превращений лежит идея о неуничтожаемости материи. Высказанная еще индийскими, а затем древнегреческими и римскими философами, она разделилась на   протяжении долгого ряда столетий всеми передовыми мыслителями, в том числе и философами-материалистами эпохи Просвещения. Но, в то время как Эмпедокл, Аристотель, Лукреций, Гассенди, Бэкон, Гольбах, Дидро высказывали идею о вечности материи в виде априорного положения, Лавуазье дал ей прочное экспериментальное обоснование. Лавуазье,  впервые   сознательно   применив  в химии  положение И. Ньютона о том, что количество (масса) материи «определяется по весу тела ибо оно пропорционально весу» (1686), считал взвешивание  «лучшим средством для определения количества употребляемых в химических операциях и получаемых в опытах веществ". По его мнению, «определение веса исходных веществ и продуктов до и после опытов — основа всего полезного и точного, что может быть сделано в химии». Поэтому он особенно заботился о точности взвешивания. По его заказу знаменитый парижский мастер Фортэн изготовил весы неслыханной до того времени чувствительности. Вот некоторые данные об этих весах . Большие весы Лавуазье при нагрузке около 10 кг допускали взвешивание с точностью до 20 мг, средние весы при нагрузке 600 г были чувствительны до 5 мг и малые при нагрузке 4 г позволяли определять вес до 0,1 мг. Лавуазье подчеркивал необходимость проверки разновесов, двойного взвешивания, охлаждения взвешиваемых тел до комнатной температуры. Он ввел в практику принятый и ныне обычай держать весы в отдельной весовой комнате вдали от разъедающих газов и паров. Таким образом, Лавуазье не только сделал весы главным инструментом химика, но и поднял технику взвешивания на небывалую до него высоту. Не ограничиваясь определением веса твердых тел и жидкостей, он впервые стал систематически измерять и вес газов. Измеряя газы по объему, он приводил этот объем к условиям, принятым им за нормальные, т. е. к давлению 28 дюймов и температуре 10° Реомюра, что имело следствием, введение в обиход химика, барометра и термометра. Он определил вес кубической единицы важнейших газов. С современной точки зрения, ошибки определения Лавуазье довольно велики; их относительная погрешность лежит в пределах от 3 (состав углекислого газа) до 20% (состав воздуха). Однако, благодаря своей гениальной интуиции, он сумел за этими погрешностями, обусловленными несовершенстом измерительной техники, увидеть весовые законы химических превращений.

      Весьма   поучительно   проследить, как  постепенно и осторожно: подходит Лавуазье в своем  «Учебнике»  к утверждению  закона сохранения материи. Описывая сожигание фосфора в кислороде, он говорит, что устройство прибора не позволило собрать и взвесить белые хлопья продукта горения, и добавляет: «его вес можно найти только вычислением, предполагая, что он равен сумме весов кислорода и фосфора; но как бы очевидно ни было это заключение, в физике и химии никогда не позволительно предполагать то, что можно определить прямыми опытами». Сделав опыт в другом приборе, Лавуазье путем взвешивания находит, что «вес нового вещества равен сумме весов сожженного фосфора и кислорода, который был им поглощен, что, впрочем, было легко предвидеть a priori».   Лавуазье неоднократно возвращается к закону сохранения материи и постоянно подчеркивает его важность. Например, в главе о замазках  он настаивает на необходимости герметически соединять сосуды, что имеет особенное значение с того времени, когда опыты признаются   удовлетворительными лишь постольку, поскольку вес полученных продуктов оказывается равным весу материалов, взятых для опыта. Наиболее законченную формулировку  закона сохранения  материи Лавуазье дает при описании процессов винного брожения: «Ничто не творится ни в действиях искусства, ни в действиях природы, и можно положить в принципе, что во всякой операции количество материи одинаково до и после операции, что качество и количество начал (т. е. 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».

      В этих словах Лавуазье не только выражает закон сохранения материй, как это  отмечают все историки химии, но высказывает  и закон сохранения элементов  при химических реакциях, на что обычно не обращается внимания. Эти оба закона являются, как он пишет,  основой для составления химических уравнений, т. е. материальных балансов всех химических превращений. Нет надобности разъяснять, какое первостепенное значение имеет знание материального баланса химических реакций для всех естественных наук, а также для химических и металлургических производств.

      Третий  Основной закон химии — закон  постоянства состава — Лавуазье, насколько мы могли установить, нигде  не формулировал. Но его многочисленные определения количественного состава химических индивидов как путем анализа, так и путем синтеза, использованеи им постоянства состава углекислого газа и воды для анализа органических веществ были бы совершенно непонятны, если бы он не был убежден в постоянстве состава химических соединений.

      Таким образом, химия обязана Лавуазье своими тремя основными законами, послужившими в руках его ближайших  последователей Джона Дальтона (1766—1844) и Иенса Якоба Берцелиуса (1779—1848) фундаментом для ее дальнейшего развития, в первую очередь для приложения атомной теории в химии.

      Изучая  процессы горения, Лавуазье окончательно (в 1777 г.) показал, что при них ничто  весомое не теряется и что, следовательно, вопреки распространенному тогда  убеждению, выделяющаяся при горении теплота или, как он ее называл, «огненная материя» ее имеет веса. Вскоре ему удалось впервые измерить и количество  этой  теплоты.

      Мало  кому известно, что классические работы Лавуазье в этой области, положившие основание термохимии, возникли в близкой связи с запросами практики. В 1779 г, управление финансов пожелало установить «отношение размера налогов на различные виды топлива» и, чтобы разъяснить поставленные вопросы, Лавуазье «пришлось сделать несколько опытов». Эти опыты состояли в оценке теплотворной способности различных видов топлива посредством сожигания их в одной и той же топке под котлом, содержащим одно и то же количество воды, причём определялся: вес топлива, израсходованного на ее испарение при температуре кипения. Продолжая работу в этом направлении, Лавуазье в сотрудничестве с Пьером Симоном Лапласом (1749—1827) сконструировал прибор для гораздо более точного измерения количества тепла, выделяющегося при химических реакциях, — ледяной калориметр в котором количество тепла, выделившееся при горении, измерялось по весу льда, растаявшего при поглощении этого тепла.

      При помощи своего прибора Лавуазье и  Лаплас сделали первые определения  теплот горения ряда простых и  сложных веществ. Лавуазье и Лаплас пришли к выводу, что для разложения соединения на составные части необходимо затратить столько же тепла сколько выделяется при его образовании из тех же составных частей. Это заключение следует рассматривать как частный случай постоянства сумм тепла, установленного только в 1840 г. петербургским академиком Германом Генриховичем Гессом (1802—1850) и первый в истории науки пример применения закона сохранений энергии,  высказанного еще Ломоносовым (1748), но окончательно доказанного только в первой половине прошлого века. Не останавливаясь на других экспериментальных работах Лавуазье в области тепловых термохимии и тепловых явлений, мы должны охарактеризовать его взгляды на природу теплоты как имеющие теснейшую связь с его системой химических воззрений.

      Лавуазье  признает молекулярное строение материи; он считает, что молекулы тел «повинуются двум силам - притяжения и отталкивания. Отталкивание молекул вызывается нагреванием. «Все тела природы находятся в твердом, жидком и упругом или воздухообразном состоянии в соответствии с отношением между силой притяжения их молекул и отталкивающей силой теплоты или, что сводится к тому же, в соответствии с градусом теплоты, которому они подвергнуты».

      «Физики, - пишут Лавуазье и Лаплас,— держатся различных мнений о природе теплоты. Некоторые рассматривают ее, как флуид (т. е. невесомую жидкость), распространенный во всей природе и которым все тела более или менее проникнуты... Другие физики думают, что теплота— не что иное, как следствие неощутимого движения молекул материн». Лавуазье и Лаплас не высказываются ни за одну из этих гипотез, так как «возможно, что они обе имеют место одновременно». Но в своем «Учебнике» Лавуазье присоединяется к первой гипотезе. Он возвращается к представлению (высказанному им еще в 1777 г.) об «огненном флуиде» или «тепловой материи», которой в 1787 г. было дано название calorique; оно переводится, как «теплород или теплотвор». «Теплотвор не только окружает все тела со всех сторон, он наполняет промежутки между их молекулами».

      Существование вещества в трех состояниях — твердом, жидком и газообразном — зависит «единственно от их градуса теплоты, то есть, от количества теплорода, которым они проникнуты». Исходя из этого положения, Лавуазье проводит интересную аналогию между растворением и плавлением. «При растворении солей их молекулы просто раздвигаются». «Вводя и накопляя между молекулами тела большое количество теплотвора, производят также настоящее растворение огнем. Это растворение тел огнем называется плавлением». «Итак, необходимо существует связь между тремя величинами: растворимостью соли в холодной воде, растворимостью той же соли в кипящей воде и температурой, при которой эта же соль ожижается одним теплотвором без участия воды». Отмечая необходимость измерений растворимости, солей в зависимости от температуры, их точек плавления и теплоты кристаллизации, Лавуазье говорит: «Настанет день, когда, для каждой соли будет известно количество тепла и теплотвора; необходимое для ее растворенья», как известно, пророчество Лавуазье исполнилось только через сто лет, когда в 1885 г. Якоб Генрик Вант Гофф (1852—1911) и Ле Шателье (1850—1936) и в 1890 г. Иван Федорович Шредер (1858 - 1918) установили количественную связь между растворимостью, температурой и теплотой плавления. Лавуазье думал, что «мы даже не вынуждены предполагать, что теплотвор реальное вещество: достаточно..., чтобы это была какая-либо отталкивающая причина, которая раздвигает молекулы вещества». Однако он включил теплотвор (вместе с невесомой материей — светом) в таблицу простых веществ, ошибка повлекла за собой другую, а именно взгляд на газообразные простые вещества, как на соединения их оснований с теплотвором. Например, Лавуазье считал кислород «соединением основания кислого рода с теплотвором" и принимал, что при горения в кислороде фосфора, серы, угля и металлов происходит, с одной стороны, соединение этих простых веществ с «основанием кислорода» и, с другой стороны выделение того теплотвора, который поддерживал кислород в газообразном состоянии.

      Эти взгляды оказались весьма живучими. Учение о «лжематерии» - теплотворе — продержалось до шестидесятых годов, когда  оно было окончательно вытеснено механической теорией тепла. Представления Лавуазье о природе теплоты говорят о том, что он не смог полностью отрешиться от флогистона; в самом деле, теплотвору он приписывает многие свойства, которые раньше считал присущими флогистону, на что указывает Б. Н. Меньшуткин. Здесь невольно напрашивается сравнение Лавуазье с Ломоносовым, который еще в 1747 г. доказывал, «что причина теплоты состоит во внутреннем вращательном движении связанной материи», и считал большим достижением, что им «устранена смутная идея о некоторой бродячей скитающейся внезаконной теплотворной материи». Все же за Лавуазье остается та крупная заслуга, что он первый осознал значение энергетических изменений при химических реакциях и положил основание термохимии.

      В заключение настоящего обзора необходимо сказать о коренном преобразовании химического языка, которое также  явилось одним из важнейших следствий  работ Лавуазье.

      Химика  флогистического периода получили от своих предшественников — алхимиков и иатрохимиков — не только богатый запас практических сведений о различных веществах, но и великое множество названий для их обозначения. Эти названия были длинны, трудны для запоминания и неудобны для произношения; одно и то же вещество имело по нескольку названий. Флогистики также немало способствовали этому номенклатурному хаосу. Например, во времена Лавуазье для сульфата меди существовало четыре названия, для карбоната магния—девять и для углекислого газа—двенадцать. Никакой системы в химической номенклатуре не было. Разобраться во всей этой путанице становилось все более и более трудным. Единичные  попытки улучшить положение не давали ощутимых результатов.

      В 1782 г. Луи Бернар Гитон де Морво (1737—1816), юрист по профессии, много занимавшийся химией, составил по поручению редакции «Методической энциклопедии» проект реформы химической номенклатуры. В то время он еще был сторонником теории флогистона и поэтому предложенная им номенклатура оказались несоответствующей развитию науки. Вскоре к воззрениям Лавуазье стали присоединяться видные французские математики: Пьер Симон Лаплас (1749—1824),  Жак   Антуан   Кузен   (1739—1800),   Гаспар  Монж (1746—1818), Шарль Огюст Вандёрмонд (1735—1796). Их примеру следовали  и химики. Первым был Клод Луи Бертолле (1748—1822) признавший в 1785 г. флогистон  «ненужной гипотезой», в следующем году к Лавуазье примкнули Гитон де Морво и Антуан Франсуа Фуркруа (1755—1809). Эти три ученые совместно с Лавуазье приступили летом 1786 г. к разработке новой номенклатуры.  18 апреля и 2 мая 1787 г. они доложили свои предложения Академии наук которая назначила специальную комиссию для их рассмотрения. Все четыре члена комиссии: Антуан Бомэ (1728—1804), Луи Клод Кадэ (1731—1799), Жан Дарсэ (1725—1801) и Бальтазар Жорж Саж (1740—1824) были флогистиками. Поэтому, не одобряя, но и не порицая прямо проект новой номенклатуры, они предложили опубликовать ее, но так «чтобы нельзя было из этого заключить, принимается или отвергается Академией наук новая теория; беспристрастие, которое всегда было основой поведения Академии, требует выждать испытания времени и суда физиков». Такое уклонение от прямого высказывания весьма типично для характеристики отношения современников к взглядам Лавуазье. Основные принципы, которыми руководствовался Лавуазье с сотрудниками, изложены им с большим мастерством в докладе «О необходимости преобразовать и усовершенствовать химическую номенклатуру»  и кратко повторены в «Предварительном рассуждении». Следуя взглядам очень близкого к материализму философа-сенсуалиста Этьенна Бонно де Кондильяка (1715—1780), Лавуазье считает, что «языки — это настоящие аналитические методы, при помощи которых мы продвигаемся от известного к неизвестному, до некоторой степени подобно математикам». «Но если языки — настоящие орудия, которые люди создали себе для облегчения действий своего ума, то важно, чтобы эти орудия были, возможно, лучшими, и заниматься их усовершенствованием значит работать для успеха наук». «Хорошо построенный язык... повлечет за собою необходимую революцию в способе преподавания; он не позволит преподающий химию уклоняться от пути, по которому идет природа; придется или отбросить номенклатуру, или без сопротивления следовать по начертанной ей дороге. Так логика наук существенно зависит от их языка». «Настало время освободить химию от всякого рода препятствий, замедляющих ее успехи, внести в нее истинный дух анализа, и мы достаточно убедительно показали, что эта реформа должна быть произведена усовершенствованием языка».

      Новая химическая номенклатура, прежде всего, делит вещества на простые и сложные. О простых веществах мы уже  говорили; добавим только, что в  первой редакции (1787) в число простых  веществ были включены радикалы (этот термин предложен Лавуазье) известных тогда 12 органических кислот, а также едкое кали, едкий натр и аммиак. Для сложных веществ, состоящих из двух простых, устанавливаются названия из двух слов: одно из них обозначает принадлежность данного «индивида» к определенному классу или роду, другое — к определенному виду. Например, все кислоты, по представлениям Лавуазье, состоят из кислорода — начала кислотности — и «основания» или «радикала» кислоты — азота, серы, фосфора, углерода и др. Поэтому названия кислот составляются из существительного «кислота» и прилагательного, образованного от названия радикала с окончанием „ique" (по-русски «ная», например, серная кислота). Если известны для одного и того же «радикала» две кислоты, то видовое название «менее насыщенной» кислородом получает окончание «euх» (по-русски «истая», например, «серниста» кислота). Не будем останавливаться на номенклатуре окислов; сернистых, фосфористых и т. п. двойных соединений и перейдем к названиям солей. Каждая средняя или нейтральная соль (это понятие ввел еще Руэлль в 1744 г.) также имеет название, указывающее и родовую, и видовую принадлежность соли. Родовое название имеет окончание «ат» или «ит». Например, соли серной кислоты имеют родовое название «сульфаты», сернистой кислоты — «сульфиты». Видовые названия производятся от названия основания соли: сульфат магнезии, сульфат барита, сульфит извести и т. д. Не вдаваясь в дальнейшие подробности, отметим,  что  основная мысль новой номенклатуры, заключающаяся в том, чтобы каждый химический индивид имел одно определенное название, характеризующее его химическую функцию и состав, оказалась весьма  плодотворной. Онa внесла порядок и стройность в обозначения веществ позволила систематизировать громадный фактический материал, чрезвычайно облегчила изучение химии. Несмотря на все видоизменения, которым, начиная с Берцелиуса (1811), химическая номенклатура подвергалась на протяжении свыше полутораста лет ее основные принципы сохранились до наших дней.

      Для укреплений и развития понятия о  химическом «виде» номенклатура Лавуазье имела значение, совершенно подобное тому, которое имели классификация и номенклатура Карла Линнея (1707-1778) для понятия о биологическом виде. Однако нельзя обойти молчанием, что ошибочный взгляд Лавуазье на кислород, как на «начало кислотности», непременно присутствующее во всех кислотах, получивший отражение и в номенклатуре, направил на долгие годы науку по ложному пути. Известно, сколько сил и времени потребовалось, чтобы преодолеть идущее от Лавуазье убеждение в том, что соляная и плавиковая кислоты состоят из соединений «муриевого» и «плавикового» радикалов с кислородом, и с каким трудом химики пришли к тому, что во всех кислотах содержится водород, способный замещаться металлом, и что «кислоты» Лавуазье на самом деле являются ангидридами кислот. Но ни этот, ни другие недостатки номенклатуры Лавуазье (например, дуалистическое представление о солях) не могут поколебать ее громадного положительного влияния на прогресс химии.