Раціоналізація хімічного знання

Протягом більшої частини XVIII ст. спрямованість прогресу хімії була пов’язана з раціоналізацією алхімічних та анімістичних уявлень, які, хоч і не були чіткими, дозволяли хімікам-практикам узагальнити та систематизувати в кількох словесних положеннях усю багатома­нітність операцій, що вони здійснювали. Після цього можна було усвідомлено застосовувати фізичні проби — вимірювання та обчис­лення.

Великий прогрес хімії XVIII ст. пов’язаний з зосередженням на одній, центральній проблемі — проблемі горіння, або “діяльності духу вогню”, — що була поставлена потребами розвитку металургій­ного виробництва. Питання полягало в розкритті сутності того, що відбувалося з горючою речовиною, коли вона згоряла у повітрі. Вихо­дячи з флогістонної теорії, хіміки змушені були приділити увагу * вивченню ролі і впливу теплоти в протіканні хімічних процесів. Уяв­лення про флогістон (та пов’язане з ними припущення існування матерії вогню та теплоти, яка з’єднується із звичайними речовинами) спонукали хіміків на розробку калориметричних вимірів — визна­чення кількості теплоти, вогню та її розподіл в тілах. В цьому напрямку хіміки плідно співпрацювали з фізиками.

Дослідження складу руд, мінералів, солей набувають у XVIII ст. особливої ваги. Інтенсивний розвиток металурга, гірничої справи, виробництва скла, інших хімічних промислів у Швеції, Німеччині, Англії, Росії зумовили нагальну потребу в розробленні методів якіс­ного та кількісного аналізу. Хіміки-аналітики своїми працями значною мірою сприяли переходу від якісної хімії до кількісної, ваго­вої, в якій поняття про масу та принцип її збереження починає відігравати домінуючу роль.

Методи якісного і кількісного аналізу постали як істотна ознака оновленого хімічного дослідження і майже всі дослідники звертались до хімічного аналізу різноманітних руд, солей, мінеральних джерел. Так, німецький хімік Андреас Маргграф (1709—1782), який присвя­тив свої основні праці розвиткові аналітичної хімії, досліджував міне­рали та солі. Він застосував розчин жовтої кров’яної солі для вияв­лення заліза; за забарвленням полум’я розрізняв солі калію та натрію; встановив відмінності між “рослинною” (КОН) та “мінеральною” (ИаОН) лугами і вперше використав їх для вивчення силікатів; одним з перших застосував мікроскоп у хімічних дослідженнях. Викорис­тання вдосконалених вагів, термометру, мікроскопу, ареометру стає звичним в практиці аналітичних досліджень цього періоду.

Важливу роль у розвитку аналітичної хімії відіграв шведський хімік Торнберн Бергман (1735—1784), В його дослідженнях з кількіс­ного вагового аналізу детально розроблені методи осадження, зважу­вання, промивання та прожарювання осаду, в подробицях описаний порядок дослідження мінералів та руд. Т. Бергман широко застосо­вував паяльну трубку в аналітичній хімії та мінералогії. Сучасники високо цінували дослідження Т. Бергмана з хімічної спорідненості. Його висновок, що “спорідненість як абсолютна сила — це нісеніт­ниця”, справив у свій час надзвичайне враження. Таблицями хімічної спорідненості, складеними Т. Бергманом, широко користувались хімі­ки 80—90-х рр.

Серед хіміків-аналітиків широко відомим був шведський хімік Карл Шеєлє (1742—1786), який зробив численні якісні та кількісні аналізи природних матеріалів. За короткий час своєї наукової діяль­ності К. Шеєлє отримав багато важливих неорганічних та органічних речовин: фторид кремнію (1771), оксид барію, хлор (1774), органічні кислота; виділив у вільному стані марганець (1774) тощо. Учень Т Бергмана і К. Шеєля Юхан Ган (1745—1818) виконав численні досліди з мінералами. Ю. Ган вніс значні вдосконалення в методи аналізу мінералів і руд, зокрема робота з паяльною трубкою.

У Росії важливі дослідження з аналітичної хімії виконав Товій Єгорович Ловіц (1757—1804). Він запропонував якісний кристало- хімічний метод визначення речовини за допомогою мікроскопа (1798) та метод розчинення силікатів у лугах.

У кінці XVIII ст. аналітична хімія мала у своєму розпорядженні новітні методи дослідження, прилади та різноманітний хімічний посуд. Якісним та кількісний методи аналізу дозволили встановити подібність між різними солями. Все це сприяло систематизації та класифікації подібних за своїм складом та фізико-хімічними власти­востями речовин. Чим більше отримували нових хімічних сполук, тим більше зростав інтерес до вивчення їх складу та властивостей. Саме внаслідок цього змінювались спрямованість і мета хімії, яка перестає бути галуззю лікарського мистецтва і набуває обриси само­стійної науки.

Розвиток хімії у різних країнах Європи в цю епоху відбувався нерівномірно. У Німеччині більшість хіміків у другій половині XVIII ст. розв’язувала різноманітні хіміко-технологічні проблеми, що виникали в мануфактурному виробництві. В Англії та Швеції найви- датніші хіміки розробляли хіміко-аналітичні питання та проблеми пневматики. У Франції кінець століття ознаменувався рядом видатних винаходів та досліджень, що привели до “хімічної революції”. В цю епоху вперше на історико-хімічній ниві виступила Росія в особі

М. Ломоносова та інших хіміків, що зробили вагомий внесок у розвиток хімії. Твір М. Ломоносова “Елементи математичної хімії” (1741) викликав загальний подив як перша спроба застосування мате­матики в хімії. М. Ломоносов стверджував, що хімія — наука про зміни, що відбуваються в тілах, викликані рухом. А оскільки механіка є наукою про рух, то зміни хімічні можуть бути пояснені законами механіки, а тому — можливе застосування математики. Таким чином, М. Ломоносов був прихильником раціоналістичної позиції, яка стверджувалася в хімії шляхом спростування і відхилення алхімічних вірувань. Роботи М, Ломоносова істотно сприяли впровадженню в хімію корпускулярної концепції. Остання з її жорсткими механіко- математичними схемами фактично залишалась не застосованою, доки кількісні характеристики речовин, що вивчались, не були попередньо з’ясовані.

Одним із визначних відкриттів М. Ломоносова стало доведення закону збереження речовини. Він повторив дослід Р. Бойля, що поля­гав у нагріванні металу в герметично закритій посудині, зважуючи (до і після реакції) всі речовини, що беруть участь в хімічному проце­сі, та математично оброблюючи результати своїх дослідів. Перевірка досліду довела хибність висновків Р. Бойля: вага колби залишалася незмінною. У 1774 р. М. Ломоносов встановив принцип збереження речовини, який має велике значення, зокрема для вивчення процесу горіння. М. Ломоносов був першим видатним ученим, в науковій діяльності якого виразно відбилась назріваюча криза Теорії флогісто­ну. Значення результатів дослідів М. Ломоносова вийшло за межі боротьби з теорією флогістону, оскільки вони стали основою для відкриття закону збереження речовини й руху. Протягом 1741— 1745 рр. М. Ломоносов зробив цілий ряд аналізів солей та руд і написав декілька теоретичних дисертацій з хімії та фізики.

М. Ломоносов вперше розмежував поняття про атоми і молекули: молекули одного й того самого елемента подібні один одному за кількістю та родом складових атомів. Молекули за хімічних змін розпадаються на атоми, що утворюють їх. А з’єднуючись по-новому, утворюють молекули нових речовин. М.Ломоносов точно визначив поняття елемента: це прості тіла, молекули яких складаються з атомів одного роду (наприклад, залізо, мідь, срібло, сірка тощо). В природі стільки атомів, скільки елементів.

1745 р. М. Ломоносов був обраний членом академії і очолив кафедру хімії, у 1748 р. за його планом була побудована хімічна лабораторія — одна з перших дослідницьких установ Росії. В цій лабораторії М.Ломоносов виконав експериментальні дсюлідження з хіміко-технічних питань, зокрема, розробив багато рецептур для виго-

товлення кольорового скла (смальти). Водночас він займався і важли­вими теоретичними дослідженнями.

Починаючи з 60-х рр. XVIII ст. в межах хіміко-аналітичного підходу хіміки зацікавились вивченням газів, що виділялись при дея­ких хімічних перетвореннях. З цього часу почався короткий, але над­звичайно важливий в розвитку хімії етап “пневматичної хімії”. Фак­тично ключем, що обумовив можливість простого пояснення склад­них питань хімії, виявилось вивчення нових газів, яке було пов’язане з дослідами минулого століття над повітрям і порожнечею та розвит­ком парової машини.

Перший крок у розвитку кількісної хімії газів був зроблений Дж. Блеком, який виділив та зважив газ, що містився у таких вугле­кислих солях, як вапно або магнезія. Він довів, що газ може бути складовою частиною твердого тіла, що він суто матеріальний та не має нічого містичного. Отримані на основі хіміко-аналітичних дослід­жень та пневматичних дослідів нові експериментальні факти супере­чили теорії флогістону.

Наступний серйозний крок в прогресі хімії був зроблений Джозе- фом Прісглі (1733—1804), який пишучи історію електрики (на прохання Б. Франкліна), провів експерименти з електричним розря­дом у повітрі. І таким чином він перейшов із сфери фізики в сферу хімічного знання. Це був звичайний для того часу перехід. Дж. Пріст­лі, виходячи з ідеї існування багатьох видів повітря-газів, зробив відкриття кисню (1774). На основі цих досліджень французький хімік А. Лавуазьє побудував теорію, яка істотно змінила характер хімії.

Антуан Лоран Лавуазьє (1743—1794) прийшов у хімію, як і Дж. Прістлі, з фізики. Він зосередився на дослідженні механізму го­ріння в повітрі. Завдяки працям таких експериментаторів, як Дж. Блек у Шотландії, Дж. Прістлі в Англії та К. Шеєлє у Швеції, та логічній побудові свого мислення А. Лавуазьє вніс порядок у хаос старих та нових фактів. Його робота мала з початку і до кінця систе­матичний та кількісний характер.

У цей час хіміки-пневматики робили одне відкриття за іншим; аналітики збагачували хімію точними даними кількісних досліджень. Все це разом узяте підготувало дуже важливий висновок про те, що ні теплота, ні світло, ні інші подібні утвори не збільшують маси речовини. Які б численні зміни не відбувались із простими чи склад­ними речовинами в природних процесах і лабораторних досліджен­нях, природа та маса хімічних елементів залишаються незмінними. Це фундаментальне положення стало основою подальших кількісних хімічних досліджень. В той час принцип збереження маси широко

застосовувався в практиці кількісного аналізу, хоча як один з основ­них законів природи був осмислений пізніше.

Свідоме експериментальне застосування принципу збереження маси до розв’язання фундаментальних питань хімії — одне з досяг­нень А. Лавуазьє. В статті “Про воду і про досліди, за допомогою яких вважали доведеною можливість перетворення її в землю” (1770) А. Лавуазьє, спираючись на численні експерименти, довів, що вода ні за яких умов не перетворюється в землю, тобто спростував те, у що так довго вірили багато вчених (Я. Ван-Гельмонт, Р. Бойль та ін).

У 1772 р. А. Лавуазьє, проводячи дослідження з кальцинації мета­лів, висловив припущення, що збільшення маси металів при кальци­нації пояснюється поглинанням повітря. Для підтвердження цього та для всебічного вивчення процесів горіння він побудував велику запальнювальну машину, в якій відбулось спалення алмазу. Резуль­тати цього дослідження суперечили теорії флогістону, оскільки А. Лавуазьє встановив, що повітря — не просте тіло, а суміш різних за властивостями газів. Одна з частин суміші підтримувала горіння.

У 70-і рр. відкриття кисню “носилось у повітрі”: К. Шеєлє відкрив кисень у 1772 р., Дж. Прістлі — у 1774 р. А. Лавуазьє не одразу прийшов до відкриття кисню. Лише на початку 1775 р., проводячи досліди з нагрівання оксиду ртуті, отримав так зване “фіксоване повітря”, з якого виділявся газ, що був найбільш чистою частиною цього повітря, тобто кисень. Це й було найважливішою передумовою для створення кисневої теорії, основні положення якої були сформульовані у 1777 р.: 1) тіла горять тільки у “чистому повіт­рі”; 2) “чисте повітря” поглинається при горінні, і збільшення маси тіла, що згоріло, дорівнює зменшенню маси повітря; 3) метали при прокалюванні перетворюються у “землі”. Під час горіння сірка або фосфор, з’єднуючись з “чистим повітрям” (і водою), перетворюються в кислоти.

Останнє положення стало основою теорії кислот, згідно з якою вони виникають при з’єднанні кислотоутворюючого начала з горю­чими речовинами. Кислотоутворююче начало А. Лавуазьє назвав “ок- сигеном”, або киснем. Більшість сучасних теоретиків хімії вважає, що відкриття кисню, по суті, належить не К. Шеєлє чи Дж. Прістлі, а А. Лавуазьє, оскільки вони, перебуваючи в полоні флогістичних категорій, не розуміли, що саме вони відкрили. Обміркування експе­риментальних доведень того, що кисень є субстанцією, яка породжує горіння і яка в процесі дихання тварин виконує аналогічну функцію, давало підстави, на думку А. Лавуазьє, стверджувати, що теорія флогістону не відповідає експериментальним даним і тому має бути

відкинута. Після відкриття кисню він спромігся довести, що тільки кисень забезпечує горіння, а також, що дихання живого організму та процес горіння тотожні.

А. Лавуазьє довів, що всі явища, які раніше в хімії сприймалися хаотично, можуть бути систематизовані та зведені в закон сполучення елементів —старих, відомих та нових. За допомогою закону збере­ження матерії він впровадив кількісний вираз хімічних знань, в який входили елементи, докорінно змінив їх (алхімічну) номенклатуру. А. Лавуазьє надав якісним уявленням Дж. Прістлі про хімічний характер життєвих процесів кількісний вираз, що зробило його засновником кількісної фізіології. Нові факти та пояснення різнома­нітних явищ з точки зору кисневої теорії систематично викладені в короткому “Елементарному курсі хімії”, де А. Лавуазьє додатково дослідив та розв’язав декілька принципових питань, пов’язаних із розробленням вчення про начала чи прості речовини, зі створенням хімічної номенклатури і з формуванням нових завдань хімії, що виникли на основі кисневої теорії.

Проте А. Лавуазьє неповною мірою позбавився старих уявлень. Так, незважаючи на те, що він вказав на значенйя визначення маси для обчислення хімічних явищ, особливо для вивчення природи еле­ментів та їх сполук, він все ж включив до своєї таблиці елементів світло та теплоту, масу яких не міг визначити. Не звільнився А Лавуазьє і від уявлення про те, що властивість речовини залежить від наявності в ній якого-небудь носія. Наприклад, він вважав кисень носієм кислотних властивостей, що засвідчено кисневою теорією кислот. Авторові нової теорії важко було повністю звільнитись від усталеної системи уявлень. Пояснивши певне коло фактів та явищ, нова теорія начебто залишила “місце” для подальших вчень, покли­каних внести ясність у нерозв’язані проблеми.

Переворот у хімії, пов’язаний з відкиданням теорії флогістону, що в часі збігся із французькою буржуазно-демократичною револю­цією, значною мірою був наслідком соціально-економічних змін і зрушень у духовному житті суспільства, а водночас — і частиною глибоких змін у науці. Епоха буржуазної революції була ознаменована розквітом науки у Франції. Авторитет французької науки настільки зріс, що відкриття і нові наукові положення, висунуті французькими ученими, підтримувались багатьма вченими інших країн Європи. До початку XIX ст. вчення А. Лавуазьє здобуває світове визнання.

Революційні зміни в хімії в 70—80 рр. відбулися не тільки внаслі­док створення нової теорії, айв результаті розроблення нової техніки фізико-хімічного експерименту, використання нової оригінальної апаратури та прецизійних методів вимірювання. У новій системі хімічних знань була дана відповідь на запитання, що тривалий час турбувало хіміків: чому спостерігається така численна різноманітність хімічних явшц і яка їх першопочаткова причина? Відповідь була: вона полягає в матеріальних відмінностях хімічних елементів та їх сполук.

Створення антифлогістичної хімії сприятливо відбилось на роз­витку як теореїичних, так і експериментальних досліджень. На межі XVIII—XIX ст. однодумці та послідовники А. Лавуазьє успішно продовжували розвивати основні положення кисневої теорії горіння та дихання, пояснюючи з нових позицій різноманітні хімічні явища та усуваючи залишки флогістичних поглядів й застарілих традиційних уявлень. Ідеї А. Лавуазьє підтримали багато видатних хіміків тієї епохи, зокрема представники французької ніколи — Г. де Мерво, А. Фуркруа, К. Бертоллє, II. Воклен, Н. Леблан.

На основі праць А. Лавуазьє та його послідовників була доведена неперетворюваність хімічних елементів при всіх відомих тоді реакціях та процесах; був складений перший перелік хімічних елементів; експериментально обгрунтовано закон збереження маси речовини, що дозволило підвести науковий фундамент під рівняння хімічних реакцій. Набула визнання точка зору А. Лавуазьє, що твердий, рідин­ний та газуватий стани тіл являють собою три різних стани однієї й тієї самої речовини, які залежать тільки від теплота, що міститься в ній. З нових позицій учені почали вивчати хімізм реакцій біоло­гічної оксидації та процесів дихання.

Здобутки хімії поступово заповнювали прогалини між природни­чими науками. Так, П. Лаплас бере участь у дослідах А. Лавуазьє над тваринною теплотою та диханням, в результаті чого було здійсне­но найважливіше після кровообігу фізіологічне відкриття.