ХИМИЯ НА РУБЕЖЕ XVIII И XIX СТОЛЕТИЙ
А. ЛАВУАЗЬЕ И ЕГО ПОСЛЕДОВАТЕЛИ ВО ФРАНЦИИ
Создание антифлогистической химии благотворно отразилось на развитии как теоретических, так и экспериментальных исследований. На рубеже XVIII и XIX вв. единомышленники и последователи А. Лавуазье во Франции успешно продолжали развивать основные положения кислородной теории горения и дыхания, объясняя с новых позиций различные химические явления и устраняя остатки флогистических воззрений и устаревших традиционных представлений.
Деятельность французских ученых в этот период протекала в условиях войн, упадка экономики страны и континентальной блокады. В стране ощущался острый недостаток в самых необходимых материалах, особенно для военных целей. Поэтому многие ученые наряду с теоретическими исследованиями приняли самое непосредственное участие в решении многих химико-технологических вопросов, связанных с организацией, расширением и совершенствованием производства металлов, селитры, пороха, соды и многих других важнейших материалов.
Среди виднейших соратников А. Лавуазье следует назвать Гитона де Морво (1737—1816). Он был профессором Политехнической школы, а затем ее директором. Исследования Гитона де Морво посвящены в основном химико-аналитическим и химикотехнологическим проблемам. Он изучал кристаллизацию металлов из расплавов, плавкость различных земель, способы окраски стекол, растворимость солей в алкоголе, исследовал висмут и платину. До 1786 г. Гитон де Морво был последователем учения о флогистоне.
Признав кислородную теорию А. Лавуазье, Гитон де Морво играл главную роль в создании химической номенклатуры. Он придерживался мнения, что названия простых тел должны отражать главные их свойства, в связи с чем поддержал в номенклатурной комиссии А. Лавуазье, предложившего не вполне удачные названия: «кислород», «водород» и «азот». Последователем кислородной теории был А. Ф. Фуркруа (1755—1811). Он получил медицинское образование, однако посвятил свою деятельность химии и преподавал ее во многих учебных заведениях
Парижа. Известен он также как организатор реформы народного образования и новой системы обучения. Будучи еще флогистиком, он выпустил книгу «Элементы естественной истории и химии», в которой изложил как флогистическую, так и кислородную химию. Известность получила его небольшая работа «Химическая философия», переведенная на русский язык. Сочинения А. Фуркруа в дальнейшем способствовали распространению в странах Европы идей кислородной теории.
Крупнейшим среди единомышленников А. Лавуазье следует считать К. Л. Бертолле (1748—1822). Он учился в Италии, некоторое время был лейб
медиком герцога Орлеанского. К. Бертолле заинтересовался химией еще в молодости и уже тогда начал исследования в этой области. В 1784 г. К. Бертолле, будучи назначен правительственным инспектором красильных фабрик, внес некоторые усовершенствования в процессы крашения и отделки тканей, в частности предложил способ отбелки хлором. В годы революции К. Бертолле занимался научно-техническими проблемами и содействовал обеспечению страны необходимыми материалами (селитрой, некоторыми металлами и др.).
В 1799 г. К. Бертолле, участвуя в египетском походе Наполеона, заинтересовался составом рассолов содовых озер. На основе данных анализа этих рассолов он развил теорию химического сродства. В первые годы империи Наполеона К. Бертолле отказался от профессуры и поселился в своем имении «Аркей» близ Парижа, где организовал научное общество из избранных ученых. К. Бертолле первым признал кислородную теорию в 1785 г. С этого времени его исследования стали более значительными. Так, он действием электрических искр разложил аммиак и установил, что он состоит из водорода и азота. При этом довольно точно были определены объемные отношения обоих газов в аммиаке. Изучая синильную кислоту, К. Бертолле, вопреки ожиданиям, не обнаружил в ней кислорода. При действии хлора на синильную кислоту он получил соединение, названное им «окисленной синильной кислотой» (хлорциан). Это название было дано на основании муриевой теории Лавуазье. Полагая, что хлор представляет оксид муриевой кислоты, К. Бертолле принял, что этот оксид и вошел в состав соединения. Далее К. Бертолле исследовал сероводород и также не обнаружил в нем кислорода. Он сделал вывод, что существуют кислоты, не содержащие в своем составе кислорода. Однако он настолько был уверен в справедливости муриевой теории, что предпринял анализ хлора (окисленной муриевой кислоты) и нашел в его составе 87% соляной кислоты и 13% кислорода. Действуя хлором на щелочи, К. Бертолле получил две соли — хлорид калия и еще неизвестную, но богатую кислородом соль, оказавшуюся сильным окислителем. Эту соль К. Бертолле предложил в качестве составной части пороха взамен селитры. Во время опытов значительное количество нового пороха внезапно взорвалось в Арсенале, при этом К- Бертолле и А. Лавуазье едва не погибли.
Представителем более молодого поколения французских химиков был Н. Л. Воклен (1763—1829). Он начал с должности аптекарского ученика, а затем стал препаратором у А. Фуркруа и увлекся химией. Впоследствии он был профессором Горной и Политехнической школ и медицинского факультета.
Н. Воклен был выдающимся представителем химико-аналитического направления. По соглашению с известным минероло-гом Р. Ж. Гаюи (1743—1822) он подробно изучал минералы, которые были характеризованы Р. Гаюи кристаллографически.
году в минерале берилле он открыл еще один элемент — глюциний (соли его сладкие на вкус), названный впоследствии бериллием. Н. Воклен произвел анализ квасцов и установил содержание в них калия. В 1813—1814 гг. Н. Воклен опубликовал работу о методах исследования и разделения платиновых металлов, а в 1817 г. подтвердил открытие лития. В области органической химии Н. Воклену принадлежит открытие хинной кислоты (1806), циановой кислоты (1818) и подробное исследование нескольких растительных и животных кислот.
В развитии химической промышленности Франции и других стран большое значение получил способ производства соды, открытый Н. Лебланом (1742—1806), прокаливанием смеси сульфата натрия с углем и мелом. Этот способ был запатентован и осуществлен Н. Лебланом на специально построенном в 1791 г. заводе. В начале XIX в. завод оказался бесперспективным, и Н. Леблан обанкротился.
РАЗВИТИЕ ХИМИИ В СТРАНАХ ЕВРОПЫ
К концу XVIII в. научная' деятельность ученых во многих странах Европы значительно оживилась. Так, в Англии успешно развивались исследования химиков-пневматиков Дж. Блэка, Г. Кавендиша, Дж. Пристлея и др. В Швеции вели химико-аналитические эксперименты Т. Бергман и К. Шееле. Подъем исследовательских работ наблюдался также в Германии и России. Основным методом исследований стал химический анализ. Изучая с его помощью состав различных минералов, руд, соков растений и т. д., химики открыли несколько новых элементов и выделили несколько растительных кислот.
В Германии в этот период приобрел известность М. Г. Клапрот (1743—1817). С детских лет он работал в аптеках и в одной из них в Берлине начал свои исследования. В 1809 г. М. Клапрот стал профессором химии только что основанного Берлинского университета (ныне имени А. Гумбольдта).
Первые работы М. Клапрота посвящены фармации. Но уже в 80-х гг. XVIII в. он переключился на изучение минералов. В 1789 г. он открыл в смоляной обманке новую землю, содержащую металл, названный им уранием (уран). В том же году М. Клапрот повторил опыты Н. Воклена по получению глюци-ния. Позднее он нашел этот металл в сибирском берилле и назвал его бериллием. Далее, при анализе цейлонского гиацинта он выделил и идентифицировал цирконовую землю. В это же время английский химик-любитель Р. В. Грегор открыл в черном песке новую землю, названную им- меначином. В 1792 г. М. Клапрот обнаружил ту же землю в венгерском рутиле и назвал содержащийся в ней металл титаном. В отличие от А. Лавуазье, называв
Шёго вновь открываемые элементы по их свойствам (кислород — «родящий кислоту, азот — безжизненный и т. д.), М. Клапрот ■давал элементам названия планет и космических тел или мифологических героев. «Лучше всего подбирать такие названия, которые ничего не говорили бы о свойствах и не давали бы, таким образом, повода для неправильных суждений» *,
При исследовании в 1797 г. сибирского крокоита М. Клапрот подтвердил наличие в нем хрома, открытого Н. Вокленом. В 1798 г. М. Клапрот произвел опыты, установившие существование нового элемента — теллура в одной из тирольских руд. Наконец, в 1803 г. М. Клапрот независимо от Я- Берцелиуса и В. Гизингера нашел в минерале церите цериевую землю, содержащую металл церий.
До 1792 г. теоретические воззрения М. Клапрота были основаны на теории флогистона. Будучи членом Прусской академии наук, он по просьбе академиков выступил с докладом о кислородной теории А. Лавуазье, подтверждая ее демонстрацией опытов. В результате этого доклада как сам М. Клапрот, так и его слушатели признали справедливость кислородной теории. Вслед за ними эта теория была принята и другими немецкими учеными.
Большинство других химиков Германии в это время занималось химико-аналитическими и химико-технологическими проблемами.
В России в послеломоносовский период представителем химико-аналитического направления был Т. Е. Ловиц (1757— 1804). Он учился в Академической гимназии, а затем был аптекарским учеником в Петербургской главной аптеке, где упорно занимался и приобрел обширные познания по химии и фармации. Несколько лет он провел в Германии, слушал лекции в Геттин-гентскбм университете, вернувшись в Петербург, продолжал работы в Главной аптеке.
Т. Ловицу принадлежит ряд крупных исследований. В 1785 г., пытаясь получить бесцветные кристаллы винной кислоты, он случайно обнаружил явление адсорбции. Это открытие было широко использовано им для различных технических целей, в частности для очистки спирта, органических веществ, воды и т. д. Большое научное и практическое значение получили работы Т. Ловица по кристаллизации. Он выяснил роль затравки в процессе кристаллообразования, открыл и изучил явление пересыщения растворов и разработал способы выращивания крупных кристаллов. Т. Ловиц предложил метод качественного анализа веществ по рисункам кристаллических налетов на стекле, образующихся после выпаривания капель раствора, которые можно наблюдать с помощью микроскопа.
Т. Ловиц произвел много разнообразных анализов минералов и руд. Большие заслуги принадлежат ему в открытии и исследовании стронция, изучении соединений хрома, титана и других металлов. Он ввел в практику известный способ растворения силикатов в растворе едких щелочей при кипячении. Т. Ловиц впервые получил ледяную уксусную кислоту, абсолютный спирт, усовершенствовал методы получения эфиров и т. д.
Все свои исследования ученый вел в лаборатории Главной аптеки в то время, когда в Академической лаборатории, основанной М. В. Ломоносовым (в конце XVIII и начале XIX в.), работал академик Я. Д. Захаров (1775—1836). Он занимался главным образом химико-технологическими вопросами, был пропагандистом кислородной теории А. Лавуазье, а также принимал участие в разработке химической номенклатуры в России.
Большая роль в развитии химии в России принадлежит академику В. М. Севергину (1765—1826), получившему широкую известность главным образом своей научно-литературной деятельностью. Он выпустил много руководств по химическому анализу, химических и минералогических словарей и т. д. К этому же периоду относится и деятельность А. А. Мусина-Пушкина (1760—1805), получившего известность своими открытиями хлороплатинатов щелочных металлов.
Научная деятельность химиков разных стран Европы на рубеже XVIII и XIX столетий свидетельствует об общности их научных интересов. Все онй в основном занимались химико-аналитическими и химико-технологическими проблемами. Этот факт прекрасно иллюстрирует значение потребности производства в развитии науки в период быстрого роста производительных сил.
СТЕХИОМЕТРИЯ
Одной из теоретических проблем, с давних пор интересовавших химиков, была проблема химического сродства. В конце XVIII в. вопросом о природе сил сродства занимались многие химики, в том числе Т. Бергман. В 1777 г. вышла книга «Учение о химическом сродстве тел», принадлежащая немецкому ученому К. Ф. Венцелю (1740—1793), медику по образованию, работавшему директором Фрейбергских рудников в Саксонии. Изучая состав солей и явления вытеснения из них кислот и оснований 1 более сильными кислотами и основаниями, К- Венцель установил, что при взаимодействии двух нейтральных солей с двойным обменом всегда получаются нейтральные продукты. Он сделал вывод, что для нейтрализации одного и того же количества кислоты или основания требуются различные количества других кислот или оснований. Зная количество кислоты и основания в
солях, оказывается можно рассчитать отношения их масс в двух других солях, получаемых при двойном обмене. Открыв это важное положение, К. Венцель оказался не в состоянии развить его. Он был далек от признания атомистического строения веществ, а в идейном отношении не придерживался прогрессивных взглядов. В своем сочинении «Введение в высшую химию» (1773) он высказывает даже алхимические идеи.
Другой немецкий химик, занимавшийся проблемой отношений кислот и оснований в солях, — И. В. Рихтер (1762—1807), ученик И. Канта, был горным секретарем и пробирером, а затем работал на фарфоровой мануфактуре в Берлине.
И. Рихтер рассматривал химию как раздел прикладной математики и выпустил даже книгу «О применении математики в химии» (1789). В 1792—1794 гг. вышла его основная работа — «Стехиометрия, или искусство измерения химических элементов». Первая часть книги посвящена термометрии и флогиметрии, остальные две части содержат данные по прикладной стехиометрии.
Основываясь на анализах солей, И. Рихтер составил ряды относительных весовых количеств кислот и оснований, составляющих соли, и назвал их рядами нейтрализации. Расчеты состава солей на основе этих рядов он и назвал стехиометрией *.
И. Рихтер исходил из закона нейтральности, ранее установленного К. Венцелем. В своих рядах он видел закон природы, выражающий силу сродства между кислотами и основаниями (на основе соединительных масс). И. Рихтер пытался составить геометрическую прогрессию численных отношений кислот и оснований в солях для доказательства мнимого закона. Он не признавал атомную теорию, поэтому не мог развить открытой им стехиометрии. Однако его ряды привлекли внимание некоторых химиков. Г. Фишер поместил таблицу (рядов) во введении к немецкому изданию книги К. Бертолле. В дальнейшем сам К. Бер-толле включил в другую свою книгу — «Опыт химической статики» (1803) — эту же таблицу. Несмотря на это, идеи, положенные в основу рядов нейтрализации, не получили дальнейшего развития в работах ученых начала XIX в.
ТЕОРИЯ ХИМИЧЕСКОГО СРОДСТВА БЕРТОЛЛЕ. ПОЛЕМИКА МЕЖДУ К. БЕРТОЛЛЕ И Ж. ПРУСТОМ О ПОСТОЯНСТВЕ СОСТАВА ХИМИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИИ
На рубеже XVIII и XIX вв. возникла еще одна теория сродства К. Л. Бертолле. Он исходил из того, что силы сродства аналогичны ньютоновским силам притяжения. Однако в отличие от взаимодействия космических тел силы химического притяжения проявляются на очень малых расстояниях, причем в условиях иногда неопределенных. В числе таких условий К. Бертолле
называет температуру, давление и особенно плотность взаимодействующих веществ. По мнению К. Бертолле, плотность является функцией двух сил — сцепления и упругости. При преобладании силы сцепления над упругостью вещество переходит в твердое состояние и выделяется, например, в виде осадка. В противоположном случае образуется газ. Жидкое состояние характеризуется равновесием обеих сил. Химическое взаимодействие возможно лишь при непосредственном соприкосновении реагирующих веществ.
Рассматривая явление нейтрализации, К. Бертолле характеризует его, с одной стороны, как проявление сил притяжения, а с другой — как взаимодействие количеств реагирующих веществ. Сродство пропорционально обоим факторам и, следовательно, равно их произведению. Это произведение К. Бертолле обозначил термином «химическая масса».
При вытеснении из солей кислот и оснований более сильными кислотами и основаниями, а также при двойном обмене, согласно К. Бертолле, происходит распределение кислоты между двумя основаниями (и наоборот) в соответствии с силой сродства, т. е. пропорционально химическим массам кислот и оснований. Если при этом не образуется осадок и не выделяется газ, то обе соли в растворе находятся в состоянии равновесия. В этом случае их невозможно отделить друг от друга. Но такое равновесие может быть нарушено, например, при выпаривании, и тогда соли оказываются разделимыми.
На основе этих соображений К. Бертолле высказал мнение, что сама по себе способность кислот и оснований вытеснять из солей соответствующие кислоты и основания не может служить критерием для суждения о силе сродства. Тем самым он опроверг точку зрения Т. Бергмана о природе сил сродства. Придавая особое значение силам сцепления и упругости, К. Бертолле полагал, что в зависимости от них могут изменяться и отношения масс веществ, образующих химические соединения. Совсем не обязательно, чтобы отношения составных частей в соединении было постоянным. Такие постоянные отношения К. Бертолле считал скорее исключением, чем правилом.
С точки зрения этих представлений К. Бертолле рассматривал различные случаи образования соединений переменного состава. Он утверждал, в частности, что оксиды имеют переменный состав. Книга К. Бертолле «Опыт химической статики» (1803), в которой изложены все эти воззрения, получила широкую известность. Учение о переменном составе химических соединений было встречено очень сдержанно. Но никто из ученых не решался высказаться против такого авторитета. Лишь малоизвестный химик Ж. Л. Пруст1 выступил с критикой учения
К. Бертолле. Между ними возникла полемика, которая продолжалась несколько лет. В итоге многие химики приняли точку зрения Ж. Пруста и признали его закон постоянства состава химических соединений.
Ж- Пруст был выдающимся представителем химико-аналитического направления.Он разработал сероводородный метод группового осаждения металлов.
Ему принадлежит заслуга открытия первого фундаментального закона химии — закона постоянства состава химических соединений. Он писал:
«Соединение есть привилегированный продукт, которому природа дала постоянный состав. Природа даже через посредство людей не производит соединений иначе, как с весами в руках — по мере и весу. От одного полюса к другому соединения имеют тождественный состав. Их внешний вид может различаться, но их свойства никогда не бывают различными. Никакой разницы мы не видим между окисью железа южного полушария и северного; японская киноварь имеет тот же состав, что и испанская киноварь; хлористое серебро совершенно тождественно, происходит ли оно из Перу или из Сибири; во всем свете имеется только один хлористый натрий, одна селитра, одна сернокальциевая соль, одна сернобариевая соль. Анализ подтверждает эти факты на каждом шагу»1.
Установление закона постоянства состава явилось крупной победой передовой научно-материалистической мысли, которая могла быть подтверждена только на основе высококачественного экспериментального материала.
Быстрый прогресс химии, начавшийся после химической революции, связан прежде всего с развитием химико-аналитических исследований состава солей, минералов и других веществ и с
накоплением экспериментального материала, на основе которого можно было сделать важные теоретические обобщения. Именно в этот период химия и стала экспериментальной наукой.
К началу XIX в. химия, освободившаяся от реакционного наследия и отсталых традиций алхимического, иатрохимического и флогистического периодов, вышла на широкую дорогу экспериментального и теоретического развития. Перед нею открылись необъятные перспективы разработки важнейших проблем, выдвигаемых потребностями быстро растущего производства.
