Логика и этапы развития методологии химии

Для восстановления равновесия Парацельс использовал в медицинской практике многие лекарственные препараты минерального происхождения - соединения мышьяка, сурьмы, свинца, ртути и т.п. - в дополнение к традиционным растительным препаратам.

В то время, наблюдались резко усилившиеся миграции людей, способствующих распространению инфекционных заболеваний. Этому способствовало царящая в средневековой Европе тотальная антисанитария, и, поэтому, борьба с эпидемиями приобрела во времена Парацельса огромное значение. Взгляды Парацельса, благодаря его несомненным успехам в медицине, завоевали повсеместное признание.

К представителям иатрохимии (спагирикам, как называли себя последователи Парацельса) можно отнести и многих известных алхимиков XVI - XVII веков.

Андреас Либавий (1540-1616) прославился первым в истории учебником химии - «Алхимия», - вышедшим в 1597 году. Он соглашался с Парацельсом в том, что главная задача алхимии состоит в служении медицине, Либавий яростно критиковал туманно-мистические элементы в учении Парацельса. Тем не менее, он считал, что трансмутация возможна, и её осуществление явится венцом науки. Другой видный представитель иатрохимии - итальянский врач Анджело Сала - напротив, отрицал возможность трансмутации металлов: "...ибо то, что не золото, ни я и никто другой не сможет никогда превратить в золото".

Важную роль в развитии рациональной алхимии сыграл Иоганн Рудольф Глаубер (1604-1670), разработавший способы получения целого ряда неорганических веществ. Другой известный алхимик Отто Тахений (1620-1699) попытался внести изменения в ртутно-серную теорию, утверждая, что все соли образованы двумя принципами - кислотой и щёлочью.

Представителем иатрохимии Ян Баптист ван Гельмонт (1577-1664), был одним из первых учёных, поставивших вопрос об истинных простых составных частях сложных тел. Он подвергал сомнению аристотелевские стихии и принципы алхимиков на том основании, что их присутствие невозможно обнаружить в составе большинства тел. Ван Гельмонт предлагал считать простыми телами лишь те, которые могут быть выделены при разложении сложных тел. Так, поскольку при разложении растительных и животных веществ всегда выделялась вода, Ван Гельмонт считал её простым телом и главной составной частью сложных тел. В поисках других простых тел Ван Гельмонт много экспериментировал с металлами. Он доказал, что при растворении серебра в крепкой водке (азотной кислоте) металл лишь меняет форму своего существования и может быть вновь выделен из раствора в том же количестве. Этот опыт интересен и как один из первых примеров количественного исследования явления.

Большое значение имеет «пневматические» исследования Ван Гельмонта. В его эпоху не различали отдельных газов и считали их разновидностями воздуха.

Занимаясь изучением процесса брожения, Ван Гельмонт обнаружил выделение при этом некоего воздуха («духа»). Тот же самый «дух» был получен им и при сжигании угля. Поэтому он называл его «лесным духом» (лесным спиртом), или же « газом». Так, химическая наука, обязана Ван Гельмонту введением группового названия газообразных продуктов.

Теория ферментации, выдвинутая Ван Гельмонтом, была в дальнейшем развита последователями и явилась исходным пунктом учения о биокатализе.

Странное сочетание передовых и крайне отсталых, реакционных воззрений характерно для большинства иатрохимиков.

Наряду с появлением литературы по металлургии и возникновением иатрохимии следствием эпохи Возрождения было и возникновение технической химии, которая оказала значительное влияние на прогресс химических знаний.

В XVI веке появились видные специалисты-производители и химики-техники. Среди них следует отметить Француа Бернара Палисси (1510-1589). Он специализировался в области производства соды и стекла, в 1539 году заинтересовался рецептурами красителей и глазурей для фаянсовой посуды. Свои секреты производства красок и глазурей Б. Палисси не опубликовал. Ему принадлежит идея применения извести в качестве удобрения для кислых почв.

Известным представителей химико-технического направления в XVII веке был Иоганн Рудольф Глаубер (1604 - 1688).Он был врачом по образованию и примыкал к иатрохимическому направлению. В одном из сочинений - «Новые философские печи» - И. Глаубер описывает типы нагревательной аппаратуры, в частности различные типы лабораторных и производственных печей, сконструированных самим автором. Наибольшее значение для развития химии приобрел разработанный И. Глаубером способ получении чистых соляной и азотной кислот. Также, И. Глаубер обратил внимание на остаток, полученный в реторте, после отгонки кислот. Растворив этот остаток в воде, он выделил кристаллы соли, обладающей сильным слабительным действием, и назвал ее удивительной (Sal mirabile). Современники ученого назвали эту соль глауберовой солью, и это название сохранилось до наших дней.

В целом рациональные течения в алхимии - иатрохимия и техническая химия - достигли довольно значительных экспериментальных успехов и заложили основы для научной химии, становление которой начинается в середине XVII века. Не следует, однако, считать, что появление научной химии автоматически означало конец «классической» алхимии. Алхимические традиции сохранялись в науке ещё долгое время, и многие выдающиеся естествоиспытатели продолжали считать трансмутацию металлов возможной.

Как отмечает Фигуровский Н.А., «сочинения В.Бирингуччо и Г. Агриколы и некоторых других авторов, появившихся в XVI веке, ознаменовали собой новое явление в развитии химической литературе. Эти книги совершенно не похожи по своему содержанию и характеру на туманно написанные алхимические сочинения, которые до XVI века были единственным жанром химической литературы». Фигуровский Н.А. История химии: Учебное пособие для студентов педагогических институтов по химическим и биологическим специальностям. - М.: Просвещение,1979. С.23

Сочетание социально-экономических и технических факторов вызвало сдвиг в общественном сознании, усилило потребность в выработке новой философии, отрицавшей роль авторитета (как религиозных доктрин, так и античных учений) и утверждавшей приоритет научного доказательства. В начале XVII века появились крупные философские произведения, оказавшие существенное влияние на развитие естествознания. Английский философ Френсис Бэкон выдвинул тезис о том, что решающим доводом в научной дискуссии должен являться эксперимент. Вместо принятого с античных времён дедуктивного метода Бэкон предложил новую логику науки - индукцию, основанную на умозаключении от частного к общему (весьма символичными являются названия сочинений Бэкона - «Новый органон» (1620) и «Новая Атлантида», прямо противопоставляемые «Органону» и «Атлантиде» Аристотеля).

Семнадцатый век в философии ознаменовался также возрождением атомистических представлений. Математик, основатель аналитической геометрии и философ Рене Декарт, известный также как Картезий, утверждал, что все тела состоят из корпускул различной формы и размеров; форма корпускул связана со свойствами вещества. В то же время Декарт считал, что корпускулы делимы и состоят из единой материи. Декарт отрицал представления Демокрита о неделимых атомах, движущихся в пустоте, не решаясь допустить существование пустоты. Корпускулярные идеи, весьма близкие к античным представлениям Эпикура, высказывал и французский философ Пьер Гассенди. Группы атомов, образующие соединения, Гассенди называл молекулами (от лат. moles - кучка). Корпускулярные представления Гассенди завоевали довольно широкое признание среди естествоиспытателей.

Инструментом разрешения противоречия между высоким уровнем технологии и крайне низким уровнем знаний о природе стало в XVII веке новое экспериментальное естествознание.

Огромные успехи в XVII веке были достигнуты в области физики, механики, математики и астрономии. Галилео Галилей не только основал классическую механику, но и ввёл в физику новый образ мышления, в полной мере использующий экспериментальный метод. Немецкий астроном Иоганн Кеплер в 1609г. привёл в соответствие с астрономическими данными гелиоцентрическую систему, которую предложил в 1543 г. Николай Коперник, и которая в первоначальном виде содержала множество неточностей. Эванджелиста Торричелли, Блез Паскаль и Отто фон Герике провели в середине XVII в. свои знаменитые опыты по изучению вакуума и атмосферного давления. Герике начал также исследования в области электростатики; Христиан Гюйгенс создал волновую теорию света и разработал основные законы оптики. Исаак Ньютон открыл законы классической механики и закон всемирного тяготения. Его капитальный труд "Математические начала натуральной философии" (1687) обобщил не только собственные исследования автора, но и опыт предшественников, результатом чего явилось создание единой механической картины мира, господствовавшей вплоть до рубежа XIX и XX столетий. Все эти и многие другие блестящие открытия ознаменовали собой первую научную революцию, результатом которой стало становление нового естествознания, полностью основанного на экспериментальных данных. Основой естествознания становится принцип количественного измерения в экспериментальных исследованиях. Это находит свое отражение в изобретении разнообразных измерительных приборов - хронометров, термометров, ареометров, барометров, весов и т.д.

Новое естествознание породило и новые организационные формы - были созданы научные общества и академии наук. Ещё в 1560 г. итальянский естествоиспытатель Джиованни Баттиста делла Порта начал проводить в своём доме регулярные собрания, называемые Академией тайн природы. В XVII в. появились официально учреждённые академии с соответствующими органами и статутом: Академия естествоиспытателей (Леопольдина) в Германии (1652), Академия опыта во Флоренции (1657), Королевское общество (1662) в Лондоне, Парижская Академия точных наук (1663).

Во второй половине XVII века мануфактура как форма зарождающегося капиталистического производства получила в Европе широкое развитие. Одновременно происходили и крупные перемены в области идеологии. Возникшее движение реформизма сопровождалось длительными религиозными войнами и социальными потрясениями. Эти явления и события привели к крушению господствоващего в Европе в течение многих веков религиозно-схоластического мировоззрения и к возникновению буржуазного мировоззрения, носившего черты механического материализма. В XVII веке в практику исследований прочно вошел экспериментальный метод, который привел к ряду крупных открытий. Быстрому развитию химии способствовало возникновение научных обществ и академий наук. В начале XVII века в Риме возникла Академия зорких (Accademia dei lincei). В Германии в 1952 году была основана Академия естествоиспытателей, получившая название Леопольдина. Эта Академия существует и теперь. В 1657 году во Флоренции начала свою деятельность Академия опыта (Accademia del Cimento).В 1662 году в Лондоне было основано Королевское общество, т.е. Английская академия Наук. Несколько позднее академии наук и многочисленные научные общества были учреждены и в других станах Европы. Многие из них стали выпускать научные журналы.

К XVII веку относится и появление крупных философских произведений, оказавших влияние на развитие естествознания. Так, английский философ Фрэнсис Бэкон Вруламский (1561-1626) в своих сочинениях предложил вместо старого, основанного на религиозной схоластике дедуктивного метода исследования индуктивный метод, поставив перед естествоиспытателями задачу опытного исследования.

Основным методом научного исследования Ф. Бэкон провозгласил организованный и планируемый эксперимент. Индуктивная философия Ф.Бэкона получила широкое признание в Англии, а затем и в других странах.

В XVII веке возродилась античная атомистика. Как и вся наука того времени, она носила механический характер (корпускулярная теория).

Основатель аналитической геометрии, философ Рене Декарт (1596-1650) считал, что все тела состоят многочисленных мелких частиц различной формы и размеров, между которых содержится «весьма разряженная материя». Форма частиц характерна для различных веществ. Так, вода, по Декарту, состоит из длинных, гладких и скользких частиц, наподобие маленьких угрей. В то же время Декарт полагал, что корпускулы делимы и состоят из единой материи. Корпускулы первоначал алхимиков обладают, по Декарту, различной формой: острые частицы образуют соль, мягкие - серу, тяжелые и круглые - ртуть. Как отмечается в литературе, « более близки к античным представлениям корпускулярные идеи П. Гассанди (1592 - 1655). Пересказывая атомистику Эпикура, он явно стремился примирить Эпикура с религиозными догматами. Однако П. Гассанди признавал существование атомов и пустоты. Группы атомов, образующие соединения, П. Гассанди называл молекулами ( от лат.moles - масса, кучка).» Фигуровский Н.А. История химии: Учебное пособие для студентов педагогических институтов по химическим и биологическим специальностям. - М.: Просвещение,1979. С.23

Корпускулярные представления П. Гассанди были приняты многими естествоиспытателями, но не получили дальнейшего развития.

В то же время была распространена и динамическая корпускулярная теория Г. В. Лейбница. Принимая существование первичных частиц материи, называемых монадами, Г. Лейбниц считал, что эти элементы вещей одухотворены. Монады, по Лейбницу, божественного происхождения, причем само божество является начальной монадой - первоосновой всех вещей. Материя, по Лейбницу, представляет собой форму существования одухотворенных монад, способных к самодвижению. В отличие от монад, материя к самодвижению не способна.

Монадология Лейбница было воспринята некоторыми немецкими учеными, в том числе известным ученым и физиком Х. Вольфом - учителем М.В.Ломоносова.

Как показала история, все эти корпускулярные теории не оказали непосредственного влияния на развитие химии. Хотя и не отвергали химики существование корпускул, но фактически они не применяли при объяснении структуры тел и химических процессов. В первой половине XVIII века интерес к корпускулярным представлениям снизился.

Одним из следствий произошедшей во второй половине XVII века научной революции явилось создание новой - научной химии. Создателем научной химии традиционно считается Роберт Бойль.

§ 2.Собственно классические методы исследований в химии

Британский учёный Роберт Бойль являлся одним из крупнейших химиков, физиков и философов своего времени. В качестве основных научных достижений Бойля в химии можно отметить основание им аналитической химии , исследования свойств кислот, введение в химическую практику индикаторов, изучение плотностей жидкостей с помощью изобретённого им ареометра, а так же открытый Бойлем закон, носящий его имя (называемый также законом Бойля-Мариотта).

Однако главной заслугой Бойля считается предложенная им новая система химической философии, изложенная в книге «Химик-скептик» (1661). Книга была посвящена поискам ответа на вопрос, что именно следует считать элементами, исходя из современного уровня развития химии. Бойль писал: «Химики до сих пор руководствовались чересчур узкими принципами, не требовавшими особенно широкого умственного кругозора; они видели свою задачу в приготовлении лекарств, в получении и превращении металлов. Я смотрю на химию с совершенно иной точки зрения: не как врач, не как алхимик, а как должен смотреть на неё философ. Я начертал здесь план химической философии, который надеюсь выполнить и усовершенствовать своими опытами и наблюдениями». Книга построена в форме беседы между четырьмя философами: Фемистом, перипатетиком (последователем Аристотеля), Филопоном, спагириком (сторонником Парацельса), Карнеадом, излагающим взгляды «мистера Бойля», и Элевтерием, беспристрастно оценивающим аргументы спорщиков. Дискуссия философов подводила читателя к выводу, что ни четыре стихии Аристотеля, ни три принципа алхимиков не могут быть признаны в качестве элементов. Бойль подчёркивал: «Нет никаких оснований присваивать данному телу название того или иного элемента только потому, что оно похоже на него одним каким-либо легко заметным свойством; ведь с тем же правом я мог бы отказать ему в этом названии, поскольку другие свойства являются разными». Исходя из опытных данных, Бойль показал, что понятия современной химии должны быть пересмотрены и приведены в соответствие с экспериментом.

Элементы, согласно Бойлю - практически неразложимые тела (вещества), состоящие из сходных однородных (состоящих из первоматерии) корпускул, из которых составлены все сложные тела и на которые они могут быть разложены. Корпускулы могут различаться формой, размером, массой. Корпускулы, из которых образованы тела, остаются неизменными при превращениях последних.

Главную задачу химии Бойль видел в изучении состава веществ и зависимости свойств вещества от его состава. При этом понятие состава Бойль считал возможным употреблять только тогда, когда из элементов, выделенных из данного сложного тела, можно обратно восстановить исходное тело (т.е. он фактически принимал синтез за критерий правильности анализа). Бойль в своих трудах не назвал ни одного элемента в новом понимании этого понятия; не указал он и число элементов, отмечая лишь, что «не будет абсурдом, если предположить, что число это много больше трёх или четырёх». Таким образом, книга «Химик-скептик» представляет собой не ответ на насущные вопросы химической философии, но постановку новой цели химии. Как отмечает Левченков С.И., «главное значение работы Бойля заключается в следующем:

1. Формулировка новой цели химии - изучения состава веществ и зависимости свойств вещества от его состава.

2. Предложение программы поиска и изучения реальных химических элементов.

3. Введение в химию индуктивного метода». Левченков С.И. Краткий очерк истории химии. - РГУ., 2006. - С.36-44.

Представления Бойля об элементе как о практически неразложимом веществе, а тождество терминов «элемент» и «простое вещество» сохранялось до середины XIX века, быстро получили широкое признание среди естествоиспытателей, но, как отмечается в литературе, создание теоретических представлений о составе тел, способных заменить учение Аристотеля и ртутно-серную теорию, оказалось очень сложной задачей. В последней четверти XVII века появились эклектические воззрения, создатели которых пытались увязать алхимические традиции и новые представления о химических элементах. Большое влияние на современников оказали взгляды французского химика Николя Лемери, автора широко известного учебника «Курс химии».

Учебник Лемери начинался с определения предмета химии: «Химия есть искусство, учащее, как разделять различные вещества, содержащиеся в смешанных телах. Я понимаю под смешанными телами те, которые образуются в природе, а именно: минералы, растительные и животные тела". Далее Лемери перечислял «химические начала», т. е. основные составные части тел. После некоего «универсального духа» (который сам автор признаёт «несколько метафизичным»), Лемери на основании анализа посредством огня выделял пять основных материальных начал веществ: спирт (иначе «ртуть»), масло (иначе «сера»), соль, вода («флегма») и земля. Первые три начала - активные, вода и земля - пассивные.

Лемери, однако, отмечал, что эти субстанции являются для нас «началами» лишь постольку, поскольку химики не смогли далее разложить эти тела; очевидно, эти «начала» могут быть в свою очередь разделены на более простые. Таким образом, то, что принимается в качестве начал, - это субстанции, полученные в результате разделения смешанных тел и отделённые лишь настолько, насколько позволяют это сделать средства, которыми располагают химики.

Становление химии как науки растянулось на несколько столетий, в течение которых был получен значительный фактический материал практического значения (металлургия, солеварение, фармация, кожевенное, пищевое производство, строительное дело, «военная» химия и т. п.). Изобретение весов и их применение при химических операциях, попытки установления качественных различий между различными веществами дали возможность управлять получением важных в жизни человека веществ, установить факт существования определенного числа элементов («земель», простых веществ).

Химик получал информацию, исследуя вещества с помощью органов чувств по запаху, цвету, на ощупь. Он мог получить только сведения на уровне «мелькают впечатления» и в лучшем случае на уровне выделения «нечто». Свойство горючести он связывал с серой, летучести -- с воздухом. К спиртам относили самые разнообразные вещества, общими свойствами которых считалась способность реагировать со щелочами.

Введение метода взвешивания, а позже измерения температур, определение объемов газов определило важную проблему: отношения количества и качества. Позже Ю. Либих охарактеризовал ее «на уровне здравого смысла» так: надо знать, что взвешиваешь, что измеряешь. В своей книге «Методология химии» Макареня А.А. и Обухов В.Л. Макареня А.А.,Обухов В.Л. Методология химии. - М.: Просвещение,1985. С. 7-9. приводят два примера, раскрывающие смысл проблемы.

Один пример связан с доказательством сохранения массы веществ при химических реакциях. Еще в рамках натурфилософской картины мира признавалось, что «ничто в ничто и ничего из ничего» не может превращаться. Эта аксиома известна как закон (идея) сохранения материи. Позже стал рассматриваться вопрос о сохранении материи и движения. Настала пора их естественнонаучного обоснования, для чего потребовался физико-химический эксперимент. Можно выделить четыре его этапа:

1) опыты Р. Бойля (обжиг металла в запаянных сосудах) показали, что происходит увеличение массы в результате превращения части металла в окалину. Р. Бойль объяснил это присоединением к металлу частиц огня;

2) опыты М. В. Ломоносова (повторение опытов Р. Бойля, но со взвешиванием не только металла, но и всей реторты, т. е. металла и воздуха) показали, что масса до прокаливания и после прокаливания сохранилась. На этом основании М. В. Ломоносов сделал вывод о сохранении массы веществ, участвующих в химической реакции;

3) опыты Дж. Блэка (прокаливание мела) показали, что масса исходного вещества равна сумме масс полученных веществ;

4) опыты А. Лавуазье (разложение воды и синтез воды), проведенные после выяснения состава воздуха, окончательно утвердили справедливость закона сохранения массы веществ при химических реакциях. Для установления этого закона потребовалось около 150 лет, в течение которых не только была усовершенствована техника эксперимента, устранена неверная общая теория химических процессов (теория флогистона), но и открыты новые факты (состав воздуха), новая теория горения (кислородная теория Лавуазье). Постановка эксперимента требовала соответствующей методики измерения, соответствующей теории -- таков вывод из этого исторического примера. Эксперимент А. Лавуазье поэтому и получил название решающего, так как цели эксперимента находились в соответствии с условиями его проведения и истолкования.

Второй пример относится к развитию пневматической химии.

XVIII век, как известно, называют веком пара. Физические и химические исследования газов и жидкостей были определены развитием мануфактурного производства. Измерение объемов газов стало одной из очередных научных задач. В качестве затворной жидкости в эвдиометрах вначале использовалась вода. Однако многие газообразные вещества нельзя хранить над водой. Ученые этого не знали. И только после того, как Г. Кавендиш предложил использовать в качестве затворной жидкости ртуть, удалось собрать и исследовать множество соединений.

Первые классификации в химии (например, классификация солей, данная Г. Руэлем -- учителем А. Лавуазье и К. Бертолле), первые классификации химических реакций (М. В. Ломоносов), первый закон химии -- закон эквивалентов -- были установлены на основании химического эксперимента, путем наблюдения, сравнения и описания найденных данных, т. е. их обобщения. Они вместе с другими экспериментальными данными, а также теоретическими воззрениями легли в основу атомно-молекулярной теории, разработанной в начале XIX в. Эта теория привела к возникновению химической статики (учение о составе, строении и свойствах соединений, главным образом молекулярного типа), а также химической динамики (классификация химических реакций).

На этом закончился первый этап развития химии как экспериментальной науки. Атомно-молекулярная теория явилась теоретической базой для развития всего естествознания, причем не только объектов, но и явлений. До этого в естествознании господствовала механическая картина мира, а с помощью этой теории -- в том числе и в химии стало возможным преодолеть механицизм, господствовавший тогда.

Механицизм как принцип мышления сменился признанием взаимодействия дискретного и непрерывного в объяснении причин химических явлений. Механицизм был преодолен, в частности, путем новых экспериментов в области химической динамики, которые появились уже в первые годы утверждения атомной теории. Речь идет о работах К- Бертолле о зависимости состава соединений от способа их получения, а также о работах по выяснению условий протекания химических реакций (гальваническое электричество, вольтова дуга, электролиз, термолиз, фотолиз). Экспериментальные открытия этого времени далеко опережали теорию. В химии только зарождалось учение о составе. А на основании электрохимических исследований была сформирована первая модель химической связи. Одни экспериментальные исследования подтвердили формирующиеся теоретические представления, другие вскрывали новые факты, которые ставят новые проблемы, не находящие пока объяснения. Постепенно обрисовываются границы применения возникших представлений и моделей. Признав атом как меру химических веществ и явлений (вещества при химических реакциях обмениваются атомами), химики не могли найти законов химических реакций, объяснить, что заставляет одни атомы соединяться, а другие «отказываться» от соединения. Не могли они объяснить, почему в одних случаях образуются «закрытые» системы -- молекулы, а в других «открытые» -- кристаллы, почему устойчивы природные соединения.

Химическим атомом становилось модельное объяснение химического состава (все вещества состоят из атомов, но не все из молекул и кристаллов), физический атом не стал «реальностью». Ученые охарактеризовали атом как предел делимости и построили химическую атомистику, но наука не пришла к атому путем синтеза, т. е. не раскрыла его как сложную систему (физический эксперимент привел к атомной физике спустя столетие). Поэтому в XIX в. был введен термин «химическое и физическое состояние атома».

Для молекул же обнаружилось широкое поле экспериментальной деятельности и теоретических обобщений. Молекулярная физика развивалась уже давно на основе законов Бойля--Мариот- та, Гей-Люссака, Шарля, т. е. исследовались уравнения состояния идеальных газов (химики изучали отступления для реальных газов) при постоянных давлении, объеме, температуре. Получила развитие и химия молекул. Был определен состав молекулярных соединений -- их истинная формула, формировались представления об основных типах молекул: НС1, Н20, NH3, СН4. Стала рассматриваться химическая теория строения органических молекул. Началось изучение зависимости свойств молекулярных соединений от их состава и строения («классический треугольник» химии -- химическая статика).

Экспериментальные исследования в области химии развернулись в двух основных направлениях. Первое было связано с изучением молекулярных соединений. При обычных условиях некоторые из них являлись газообразными, другие легко переходили в пар, третьи, оставаясь твердыми, обладали молекулярным строением. На этом направлении бурно развивалась органическая химия (анализ, синтез, изучение свойств, применение, классификация соединений), что способствовало появлению стереохимии, физической органической химии, химии полимеров и т. д.

Второе направление было связано с изучением кристаллов, главным образом неорганических соединений: силикатов, солей, сплавов металлов. Успехи в этой области были неравноценны.

Таким образом, можно отметить, что первая методологическая проблема возникла в глубокой древности. Она была связана с необходимостью найти критерий сравнения окружающих человека веществ. Ученые пытались решить ее с позиций элементарности, т. е. дискретности (неразложимости вещества при дальнейшем дроблении) и непрерывности (в изменении свойств при разном сочетании элементов), чтобы объяснить многообразие свойств веществ.

Вторая методологическая проблема возникла позже, когда от наблюдения и описания химик перешел к попыткам объяснить различные факты на основе эксперимента, используя физические приборы, в том числе для измерения количества исследуемого вещества.

На рубеже XVII-XVIII веков научная химия находилась лишь в самом начале своего пути; важнейшими препятствиями, которые лишь предстояло преодолеть, являлись сильные ещё алхимические традиции (ни Бойль, ни Лемери не отрицали принципиальную возможность трансмутации), ложные представления об обжиге металлов как о разложении и спекулятивный (умозрительный) характер атомизма.

Необходимо подробнее остановиться на первой теории научной химии - теории флогистона. Эта теория в значительной степени основывалась на традиционных представлениях о составе веществ и об элементах как носителях определённых свойств. Тем не менее, именно она стала в XVIII веке главным условием и основной движущей силой развития учения об элементах и способствовала полному освобождению химии от алхимии. Именно во время почти столетнего существования флогистонной теории завершилось начатое Бойлем превращение алхимии в химию.

Флогистонная теория горения была создана для описания процессов обжига металлов, изучение которых являлось одной из важнейших задач химии конца XVIII века. Металлургия в это время столкнулась с двумя проблемами, разрешение которых было невозможно без проведения серьёзных научных исследований - большие потери при выплавке металлов и топливный кризис, вызванный почти полным уничтожением лесов в Европе.

Основой для теории флогистона послужили традиционные представления о горении как о разложении тела. Феноменологическая картина обжига металлов была хорошо известна: металл превращается в окалину, масса которой больше массы исходного металла (Бирингуччо ещё в 1540 г. показал, что вес свинца увеличивается после прокаливания); кроме того, при горении имеет место выделение газообразных продуктов неизвестной природы. Целью химической теории стало рациональное объяснение этого феномена, которое можно было бы использовать для решения конкретных технических задач. Последнему условию не отвечали ни представления Аристотеля, ни алхимические взгляды на горение.

Создателями теории флогистона считаются немецкие химики Иоганн Иоахим Бехер и Георг Эрнст Шталь. Бехер в книге «Подземная физика» (1669) изложил свои очень эклектичные взгляды на составные части тел. Таковыми, по его мнению, являются три вида земли: первая - плавкая и каменистая (terra lapidea), вторая - жирная и горючая (terra pinguis) и третья - летучая (terra fluida s. mercurialis). Горючесть тел, по мнению Бехера, обусловлена наличием в их составе второй, жирной, земли. Система Бехера очень похожа на алхимическое учение о трёх принципах, в котором горючесть обусловлена наличием серы; однако Бехер считает, что сера является сложным телом, образованным кислотой и terra pinguis. Так, теория Бехера представляла собой одну из первых попыток предложить нечто новое взамен алхимического учения о трёх принципах. Увеличение массы металла при обжиге Бехер традиционно объяснял присоединением «огненной материи». Эти взгляды Бехера послужили предпосылкой к созданию теории флогистона, предложенной Шталем в 1703 г., хотя и имеют с ней очень мало общего. Тем не менее, сам Шталь всегда утверждал, что авторство теории принадлежит Бехеру.

Суть теории флогистона можно изложить в следующих основных положениях:

«1. Существует материальная субстанция, содержащаяся во всех горючих телах - флогистон (от греческого цлпгйуфпж - горючий).

2. Горение представляет собой разложение тела с выделением флогистона, который необратимо рассеивается в воздухе. Вихреобразные движения флогистона, выделяющегося из горящего тела, и представляют собой видимый огонь. Извлекать флогистон из воздуха способны лишь растения.

3. Флогистон всегда находится в сочетании с другими веществами и не может быть выделен в чистом виде; наиболее богаты флогистоном вещества, сгорающие без остатка.

4. Флогистон обладает отрицательной массой». Левченков С.И. Краткий очерк истории химии. - РГУ., 2006. - С.37-38.

Теория Шталя, подобно всем предшествующим, также исходила из представлений, будто свойства вещества определяются наличием в них особого носителя этих свойств. Положение флогистонной теории об отрицательной массе флогистона (значительно более позднее и признававшееся не всеми сторонниками теории) было призвано объяснить тот факт, что масса окалины (или всех продуктов горения, включая газообразные) больше массы обожжённого металла.

Процесс обжига металла в рамках теории флогистона отображался следующим подобием химического уравнения:

Металл = Окалина + Флогистон

Считалось, чтодля получения металла из окалины (или из руды), согласно теории, можно использовать любое тело, богатое флогистоном (т.е. сгорающее без остатка) - древесный или каменный уголь, жир, растительное масло и т.п.:

Окалина + Тело, богатое флогистоном = Металл

Флогистонная теория со временем стала распространятся на любые процессы горения. Тождество флогистона во всех горючих телах было обосновано Шталем экспериментально: уголь одинаково восстанавливает и серную кислоту в серу, и земли в металлы. Дыхание и ржавление железа, по мнению последователей Шталя, представляют собой тот же процесс разложения содержащих флогистон тел, но протекающий медленнее, чем горение.

Теория флогистона позволила дать приемлемое объяснение процессам выплавки металлов из руды, состоящее в следующем. Руда, содержание флогистона в которой мало, нагревается с древесным углем, который очень богат флогистоном; флогистон при этом переходит из угля в руду, и образуются богатый флогистоном металл и бедная флогистоном зола.

Однако, в исторической литературе имеются серьёзные разногласия в оценке роли теории флогистона - от резко негативной до положительной. При этом признается, что теория флогистона имела целый ряд несомненных достоинств:

- она просто и адекватно описывает экспериментальные факты, касающиеся процессов горения;

- теория внутренне непротиворечива, т.е. ни одно из следствий не находится в противоречии с основными положениями;

- теория флогистона целиком основана на экспериментальных фактах;

- теория флогистона обладала предсказательной способностью.

Флогистонная теория - первая истинно научная теория химии - послужила мощным стимулом для развития количественного анализа сложных тел, без которого было бы абсолютно невозможным экспериментальное подтверждение идей о химических элементах. Следует отметить, что положение об отрицательной массе флогистона фактически сделано на основании закона сохранения массы, который был открыт значительно позднее. Это предположение само по себе способствовало дальнейшей активизации количественных исследований. Ещё одним результатом создания флогистонной теории явилось активное изучение химиками газов вообще и газообразных продуктов горения в частности. К середине XVIII века одним из важнейших разделов химии стала т.н. пневматическая химия, основоположники которой Джозеф Блэк, Даниил Резерфорд, Генри Кавендиш, Джозеф Пристли и Карл Вильгельм Шееле явились создателями целой системы количественных методов в химии.

Во второй половине XVIII века теория флогистона завоевала среди химиков практически всеобщее признание. На основе флогистонных представлений сформировалась номенклатура веществ; предпринимались попытки связать такие свойства вещества, как цвет, прозрачность, щёлочность и т.п., с содержанием в нём флогистона. Французский химик Пьер Жозеф Макёр, автор весьма популярного учебника «Элементы химии» и «Химического словаря», писал в 1778 г., что флогистонная теория «…наиболее ясна и наиболее согласна с химическими явлениями. Отличаясь от систем, порождённых воображением без согласия с природой и разрушаемых опытом, теория Шталя - надёжнейший путеводитель в химических исследованиях. Многочисленные опыты… не только далеки от того, чтобы её опровергнуть, но, наоборот, становятся доказательствами в её пользу». По иронии судьбы, учебник и словарь Макёра появились в то время, когда век флогистонной теории подошёл к концу.

Но были и другие теории. Нефлогистонные представления о горении и дыхании зародились даже несколько ранее флогистонной теории. Жан Рей, которому наука обязана постулатом «все тела тяжелы», ещё в 1630 г. высказывал предположение, что увеличение массы металла при обжиге обусловлено присоединением воздуха. В 1665 г. Роберт Гук (1635-1703) в работе «Микрография» также предположил наличие в воздухе особого вещества, подобного веществу, содержащемуся в связанном состоянии в селитре.

Дальнейшее развитие эти взгляды получили в книге «О селитре и воздушном спирте селитры», которую написал в 1669 г. английский химик Джон Мейоу. Мейоу пытался доказать, что в воздухе содержится особый газ (spiritus nitroaлreus), поддерживающий горение и необходимый для дыхания; обосновывал он это предположение знаменитыми опытами с горящей свечой под колоколом. Однако выделить этот spiritus nitroaлreus в свободном состоянии удалось лишь более чем через сто лет. Открытие кислорода было сделано независимо друг от друга почти одновременно несколькими учёными.

Карл Вильгельм Шееле получил кислород в 1771 г., назвав его «огненным воздухом»; однако результаты опытов Шееле были опубликованы лишь в 1777 г. По мнению Шееле, «огненный воздух» представлял собой «кислую тонкую материю, соединённую с флогистоном».

Джозеф Пристли выделил кислород в 1774 г. нагреванием оксида ртути. Пристли считал, что полученный им газ представляет собой воздух, абсолютно лишённый флогистона, вследствие чего в этом «дефлогистированном воздухе» горение идёт лучше, чем в обычном.

Большое значение для создания кислородной теории горения имели, кроме того, открытие водорода Кавендишем в 1766 г. и азота Резерфордом в 1772 г. (следует отметить, что Кавендиш принял водород за чистый флогистон).

Значение сделанного Шееле и Пристли открытия смог правильно оценить французский химик Антуан Лоран Лавуазье. В 1774 г. Лавуазье опубликовал трактат «Небольшие работы по физике и химии», где высказал предположение о том, что при горении происходит присоединение к телам части атмосферного воздуха. После того, как Пристли в 1774 г. посетил Париж и рассказал Лавуазье об открытии «дефлогистированного воздуха», Лавуазье повторил его опыты и в 1775 г. опубликовал работу «О природе вещества, соединяющегося с металлами при их прокаливании и увеличивающего их вес» (впрочем, Лавуазье приписывал приоритет открытия кислорода себе). В 1777 г. Лавуазье сформулировал основные положения кислородной теории горения:

1. Тела горят только в «чистом воздухе».

2.«Чистый воздух» поглощается при горении, и увеличение массы сгоревшего тела равно уменьшению массы воздуха.

3. Металлы при прокаливании превращаются в «земли». Сера или фосфор, соединяясь с «чистым воздухом», превращаются в кислоты.

Отмечается, что в своей работе «О горении вообще», излагая теорию, прямо противоположную теории флогистона, Лавуазье тем не менее отзывался о последней следующим образом: «Различные явления обжигания металлов и горения очень удачно объясняются гипотезой Шталя… но приходится допускать существование в горючих телах огненной материи».

Новая кислородная теория горения (термин кислород - oxygenium - появился в 1877 г. в работе Лавуазье «Общее рассмотрение природы кислот и принципов их соединения») имела ряд существенных преимуществ по сравнению с флогистонной теорией. Она более проста, чем флогистонная, не содержала в себе «противоестественных» предположений о наличии у тел отрицательной массы, и, главное, не основывалась на существовании субстанций, не выделенных экспериментально. Вследствие этого кислородная теория горения довольно быстро получила широкое признание среди естествоиспытателей (хотя полемика между Лавуазье и флогистиками длилась ещё много лет).

Значение кислородной теории оказалось значительно большим, чем просто объяснение явлений горения и дыхания. Отказ от теории флогистона потребовал пересмотра всех основных принципов и понятий химии, изменения терминологии и номенклатуры веществ. Поэтому с создания кислородной теории начался переломный этап в развитии химии, названный «химической революцией».

Глава III. Методологические парадоксы XIX века

§ 1.Отход от традиционных методов в XIX веке

В 1785-1787 гг. четыре выдающихся французских химика - Антуан Лоран Лавуазье, Клод Луи Бертолле, Луи Бернар Гитон де Морво и Антуан Франсуа де Фуркруа, - по поручению Парижской академии наук разработали новую систему химической номенклатуры. Принципы новой номенклатуры предполагали построение названия вещества по названиям тех элементов, из которых вещество состоит. Основа этой номенклатуры используются до настоящего времени.

В 1789 г. Лавуазье издал свой знаменитый учебник «Элементарный курс химии», целиком основанный на кислородной теории горения и новой химической номенклатуре. Появление этого курса собственно и ознаменовало, по мнению Лавуазье, химическую революцию (1789 - год начала Французской революции, одной из жертв которой станет в 1794 г. и Лавуазье). В «Элементарном курсе химии» Лавуазье привёл первый в истории новой химии список химических элементов (таблицу простых тел), разделённых на несколько типов:

1. Простые вещества, относящиеся ко всем царствам природы, которые можно рассматривать как элементы: свет, теплород, кислород, азот, водород.

2. Простые неметаллические вещества, окисляющиеся и дающие кислоты:

сера, фосфор, уголь, радикал муриевой кислоты (Cl), радикал плавиковой кислоты(F), радикал буровой кислоты (В).

3. Простые металлические вещества, окисляющиеся и дающие кислоты: сурьма, серебро, мышьяк, висмут, золото, вольфрам, кобальт, медь, олово, железо, платина, цинк, марганец, ртуть, молибден, свинец, висмут, никель.

4. Простые солеобразующие землистые вещества: известь, глинозем, магнезия, кремнезем, барит.

Относительно земель Лавуазье на основании их абсолютной инертности к кислороду высказывал предположение о том, что земли представляют собой оксиды неизвестных элементов, впоследствии полностью подтвердившееся. Особую группу для земель в своей таблице элементов Лавуазье выделил, поскольку строго придерживался определения элемента, данного Бойлем: «Если мы… свяжем с названием элементов… представление о последнем пределе, достигаемым анализом, то все вещества, которые мы ещё не смогли никаким способом разложить, являются для нас элементами. …Мы не можем уверять, что считаемое нами сегодня простым является таковым в действительности». «Данную концепцию элементов принято называть эмпирико-аналитической, поскольку Лавуазье избрал критерием определения элемента опыт и только опыт, категорически отвергая любые неэмпирические рассуждения об атомах и молекулах, само существование которых невозможно подтвердить опытным путём». Левченков С.И. Краткий очерк истории химии. - РГУ., 2006. - С.42-45. Эту концепцию Лавуазье предельно ясно сформулировал в предисловии к своему учебнику: «Я не считал возможным уклониться от требований строгого закона - не заключать ничего сверх того, что даёт непосредственно опыт и не стараться спешными заключениями восполнять молчание фактов».

Таки образом, рациональная классификация химических соединений Лавуазье основывалась, во-первых, на различии в элементном составе соединений и, во-вторых, на характере их свойств (кислоты, основания, соли, солеобразующие вещества, органические вещества). При этом, как и Бойль, Лавуазье считает, что свойства вещества определяются его составом. Зависимость свойств вещества от состава, описанная Лавуазье, представляет собой закономерность, отражающую взаимосвязь между качественными и количественными характеристиками вещества.

Важнейшим результатом исследований Лавуазье явилось формулирование им закона сохранения массы. Проанализировав результаты собственных исследований количественного состава веществ и соотношения масс реагентов и продуктов реакции, а также результаты подобных исследований других учёных, Лавуазье показал, что во всех случаях масса веществ в ходе химических реакций не изменяется: «Можно принять в качестве принципа, что во всякой операции количество материи одинаково до и после опыта, что качество и количество начал остаются теми же самыми». Так же Лавуазье вывел закон сохранения массы исключительно из экспериментальных данных, не используя каких-либо теоретических предпосылок, не основанных на опыте.

Химическая революция завершила период становления химии; она ознаменовала собой полную рационализацию химии, окончательный отказ от устаревших натурфилософских и алхимических представлений о природе вещества и его свойств. После химической революции химия вступила в период количественных законов, в котором была создана и развита новая концепция химического элемента - атомно-теоретическая.

Блестящие успехи количественных методов исследования вещества, сделавшие возможной химическую революцию, уже в начале XIX века привели к новому фундаментальному изменению в естествознании вообще и в химии в частности. Вслед за открытым Лавуазье законом сохранения массы последовал целый ряд новых количественных закономерностей - стехиометрические законы.

Первым стехиометрическим законом стал закон эквивалентов, который сформулировал немецкий химик Иеремия Вениамин Рихтер в результате проведённых им в 1791-1798 гг. опытов по изучению количеств вещества в реакциях нейтрализации и обмена, обобщённых в работе «Начальные основания стехиометрии или искусства измерения химических элементов». Первоначальная формулировка закона эквивалентов (термин "эквивалент" ввёл в 1767 г. Г. Кавендиш) была следующей: «Если одно и то же количество какой-либо кислоты нейтрализуется различными количествами двух оснований, то эти количества эквивалентны и нейтрализуются одинаковым количеством любой другой кислоты».

Открытый Рихтером закон подтвердил убеждения многих химиков в том, что химические соединения взаимодействуют не в произвольных, а в строго определённых количественных соотношениях. Однако за этим последовала длительная дискуссия о том, присуща ли такая определённость всем без исключения химическим процессам. Основным предметом дискуссии стал вопрос о том, является ли постоянным соотношение элементов в соединении, состоящем из двух или более элементов, или же состав зависит от способа получения вещества. Клод Луи Бертолле, предложивший в 1803 г. теорию химического сродства, обусловленного силами притяжения и зависящего от плотности вещества и его количества, отстаивал предположение о том, что элементный состав вещества может изменяться в некоторых пределах в зависимости от условий, в которых оно было получено (термин избирательное сродство ввёл в 17 70-е гг. Торберн Улаф Бергман для объяснения реакционной способности веществ).

Противоположных взглядов придерживался французский химик Жозеф Луи Пруст. С помощью тщательных анализов в 1799-1806 гг. он установил, что отношение количеств элементов в составе соединения всегда постоянно. Выводы Бертолле, как показал Пруст, были ошибочны из-за неточности анализов и недостаточной чистоты исходных веществ. Дискуссия двух учёных, продолжавшаяся с 1801 по 1808 г., завершилась блестящей победой Пруста. Закон постоянства состава (постоянных отношений) в итоге не просто был признан большинством химиков, но стал одним из главных химических законов. Тем не менее вопрос о причинах постоянства состава оставался открытым, поскольку из чисто аналитической концепции химического элемента это никоим образом не следует. Разрешить существующие сомнения могло лишь предположение о дискретности материи, однако атомистические взгляды по-прежнему не имели прямых экспериментальных доказательств.

Экспериментальное подтверждение атомной гипотезы нашёл английский химик Джон Дальтон. В начале XIX века Дальтон открыл несколько новых эмпирических закономерностей: закон парциальных давлений (закон Дальтона), закон растворимости газов в жидкостях (закон Генри-Дальтона) и, наконец, закон кратных отношений.

Объяснить эти закономерности (прежде всего закон кратных отношений), не прибегая к предположению о дискретности материи, невозможно. Основываясь на законе кратных отношений, открытом в 1803 г., и законе постоянства состава, Дальтон разработал свою атомно-молекулярную теорию, изложенную в вышедшем в 1808 г. труде «Новая система химической философии».

Основные положения теории Дальтона состояли в следующем:

1. Все вещества состоят из большого числа атомов (простых или сложных).

2. Атомы одного вещества полностью тождественны. Простые атомы

абсолютно неизменны и неделимы.

3. Атомы различных элементов способны соединяться между собой в определённых соотношениях.

4. Важнейшим свойством атомов является атомный вес.

Таблица Дальтона стала первым шагом на долгом пути, который предстояло пройти химии для того, чтобы величины атомных масс приняли привычные для нас значения. Разрешение проблемы определения атомных весов, потребовавшее усилий многих выдающихся учёных, заняло более пятидесяти лет. И даже после того, как проблема была в основном решена, точное определение атомным масс оставалось настолько важной задачей, что в 1914 г. американский учёный Теодор Ричардс был удостоен Нобелевской премии за уточнение атомных масс некоторых элементов.

Уже в 1803 г. в лабораторном журнале Дальтона появилась первая таблица относительных атомных весов некоторых элементов и соединений; в качестве точки отсчёта Дальтон выбрал атомный вес водорода, принятый равным единице. Для обозначения атомов элементов Дальтон использовал символы в виде окружностей с различными фигурами внутри. Впоследствии Дальтон неоднократно корректировал атомные веса элементов, однако для большинства элементов им приводились неверные значения атомных весов.

Главное затруднение при определении атомной массы состоит в том, что необходимо установить число атомов каждого элемента, входящее в состав соединения. Дальтон был вынужден сделать допущение о том, что атомы разных элементов при образовании сложных атомов соединяются по «принципу максимальной простоты». Суть принципа заключается в следующем: если имеется лишь одно бинарное соединение двух элементов, то его молекула (сложный атом) образована одним атомом одного элемента и одним атомом другого (сложный атом является двойным в терминологии Дальтона). Тройные и более сложные атомы образуются лишь в том случае, когда имеются несколько соединений, образованных двумя элементами. Отсюда Дальтон предполагал, что молекула воды состоит из одного атома кислорода и одного атома водорода. Результатом являлось заниженное значение атомного веса кислорода, что вело, в свою очередь, к неправильному определению атомных весов металлов на основании состава оксидов. Принцип наибольшей простоты (подкреплённый авторитетом Дальтона как создателя атомно-молекулярной теории) сыграл в дальнейшем определённую негативную роль при решении проблемы атомных весов. Однако в целом атомистическая теория Дальтона составила основу всего дальнейшего развития естествознания.