О флогистоне, ментальных костылях и высшей науке

Приветствую, уважаемые читатели! Во все времена исследователям приходилось сталкиваться с непонятными явлениями и как-то растолковывать их широкой публике, подбирая красивые формулировки. Сегодня эту роль исполняет темная материя в компании замысловатых квантовых концепций, однако в эпохи, когда о детекторах нейтрино еще не слышали, ученым мужам приходилось обходиться флюидами. В метафизическом представлении мыслителей прошлого это была некая гипотетическая субстанция, вызывающая то или иное физическое явление либо служащая его переносчиком. Этакий универсальный костыль для латания пробелов в картине мира — не первый и далеко не последний. Сегодня мы кратко разберем концепцию флогистона, который считался универсальным флюидом горения.

В 1667 году Иоганн Иоахим Бехер издал алхимический трактат под заглавием Physica Subterranea. В нем утверждалось, что любые минералы состоят из трех первоначальных «земель»: стеклующейся (terra lapidea), горючей (жирной) (terra pinguis) и летучей (ртутной) (terra fluida s. mercurialis). Под привычным для алхимии понятием «земель» скрывались оксиды металлов, или, если использовать более привычные для современной науки термины, извести и окалины. Бехер также поднял вопрос о природе горения, связав ее с жирной землей. Считалось, что в процессе сжигания она расходуется, тогда как металлы в составе тел обогащаются некой «огненной материей».

Идеи Бехера получили развитие благодаря Георгу Шталю в 1703 году: он сфокусировал внимание научного сообщества непосредственно на процессах горения и прокаливания. Упомянутая «огненная материя» обрела имя «флогистон», что в переводе с греческого означает «воспламеняемый». Подразумевалось, что этот элемент входит в состав любого горючего материала и именно он обучает способность гореть. Логика была такова: при сгорании чего-либо флогистон покидает объект и безвозвратно растворяется в атмосфере. «Земли» же стали трактоваться как соединения металла с флогистоном, которые при нагревании распадаются на саму «землю» и улетучивающийся флогистон. Растения, в свою очередь, якобы умели извлекать его из воздуха, превращаясь при пожаре в золу и чистый флогистон.

На первый взгляд звучит абсурдно, однако флогистонная теория быстро завоевала популярность. Почему так произошло? Прежде всего потому, что это была первая попытка построить именно химическую, а не алхимическую систему. При всей своей метафизичности концепция старалась максимально дистанцироваться от эзотерики и оперировать материальными категориями. Даже консервативный алхимик Бехер воспринимал свои «начала» не как отвлеченные философские принципы, а как вполне реальные вещественные компоненты. Иными словами, для своей эпохи теория флогистона стала настоящим прорывом, во многом подготовившим почву для становления химии как самостоятельной науки и ее окончательного очищения от алхимического прошлого.

Впрочем, революционной она была лишь для своего времени — сегодня это заблуждение выглядит наивно. Чтобы уловить суть проблемы, давайте воспользуемся современными химическими знаниями и посмотрим на реакцию горения (то есть взаимодействия с кислородом) условного кальция. Впрочем, подойдет любой двухвалентный металл, чтобы не усложнять формулы лишними коэффициентами. Поскольку стандартную стрелку химической реакции в разметку вставить затруднительно, обозначим выделение тепла через универсальный параметр Q:
2Ca+O2+Q—>2CaO

Однако ученые того периода ошибочно полагали, что оксиды металлов — это более простые субстанции, состоящие из меньшего числа элементов, чем сами металлы. И это логично: оксиды повсюду валяются под ногами, тогда как добыть чистый металл — задача нетривиальная. В те времена в свободном виде были известны разве что медь, серебро да золото… стоп, кажется, мы снова подошли к истокам алхимии. Давайте вернемся к нашей теме и запишем то же уравнение через призму теории флогистона, используя современную символику:
2Сa+Q—>2CaO+Flogiston

Вот оно, ключевое противоречие. Непонимание истинной природы горения и сведение его к метафизике потребовало ввести гипотетическую субстанцию ради подгонки под существующую модель мира. Как нетрудно догадаться, эта условная единица обладала отрицательной массой, выделяла тепло и фактически исполняла роль антикислорода. Фантомная химическая величина — несуществующая физически, но незаменимая в теоретических построениях. Впрочем, странности этой схемы замечали и тогда, хотя осознание пришло не сразу.

Разобравшись с изъянами флогистона, давайте сформулируем три главные задачи, решение которых позволило бы отправить эту теорию в исторический архив:

Первое. Объяснить парадокс отрицательной массы — даже для XVII века это было чересчур.
Второе. Выяснить истинный состав воздуха. Если флогистон покидает горящий предмет и растворяется в атмосфере, в воздухе должна фиксироваться прибавка массы, сопоставимая с массой флогистона.
Третье. Доказать, что металлические «земли» являются более сложными соединениями по сравнению с чистыми металлами, а не наоборот.

Стоит отдать должное исследователям прошлого: вопросы к логике флогистонной концепции возникали у многих. По первому пункту прошлись все кому не лень, включая Михаила Ломоносова. Однако лишь один самый настойчивый и энергичный ученый сумел закрыть сразу все три позиции, разгадать подлинную механику горения и убедить в своей правоте научный мир. Его звали Антуан Лавуазье. Давайте проследим, как именно он справлялся с этой задачей, помня при этом, что триумф базировался на трудах сразу нескольких выдающихся умов.

Исследования Лавуазье начались с загадки увеличения веса металлов при обжиге. Этот феномен, породивший гипотезу об отрицательной массе, зафиксировал еще авторитетный Роберт Бойль, прокаливавший металлы на открытом воздухе. Поскольку процесс тогда считался разложением, а не синтезом, Бойль заключил, что улетучивающийся флогистон обладает отрицательным весом. Лавуазье подошел к вопросу иначе: он проводил прокаливание в герметично запаянных сосудах, взвешивая их до и после опыта, что по тем временам было новаторским решением. Общий вес колбы не менялся, однако масса сухого остатка внутри возрастала, в то время как объем воздуха пропорционально уменьшался. Аналогичные эксперименты с горением серы и фосфора показали прирост твердых продуктов, а оставшийся воздух терял способность поддерживать горение и дыхание. Стало очевидно, что дело в каком-то конкретном компоненте воздушной смеси.

Второй пункт оказался еще более увлекательным. В ту эпоху изучением воздуха занимались практически все ведущие натуралисты. Оставив в стороне термодинамические законы, сосредоточимся на том, что касалось флогистона. Карл Шееле, один из первооткрывателей кислорода, утверждал, что атмосфера состоит из двух типов воздуха — «огненного» и «флогистированного» (сегодня мы знаем их как кислород и азот). Независимо от него Джозеф Пристли выделил «дефлогистированный воздух» (кислород) путем нагревания оксида ртути. Исследуя реакцию кислот с металлами, Генри Кавендиш в 1767 году получил водород и подробно описал его свойства, а также рассчитал процентный состав воздуха, очистив его от кислорода и азота. Более того, он синтезировал воду, пропустив искру через смесь водорода и кислорода. Трудами Кавендиша тут же воспользовался Лавуазье, не преминув, впрочем, приписать себе часть лавров. Объединившись с военным инженером Жаном Батистом Менье, Лавуазье пропустил водяной пар через раскаленный ружейный ствол из стали. Вода разложилась на водород и кислород, который вступил в реакцию с железом, образовав железную окалину — ту самую «землю». Этот эксперимент был поистине изящным: Лавуазье одновременно разложил «неделимое» и синтезировал «несинтезируемое», ведь до тех работ вода и оксиды металлов считались базовыми элементами.

Что касается третьего пункта, то еще в 1777 году, опираясь на опыты с оксидами ртути и «дефлогистированным воздухом» Пристли, Лавуазье представил Академии наук новую концепцию горения. Именно он предложил назвать открытие Пристли «кислородом», подчеркнув его ключевую роль в формировании кислот. Разгорелась многолетняя дискуссия между приверженцами старой школы и сторонниками нового подхода. Однако лавинообразный поток экспериментальных доказательств неуклонно склонял чашу весов в пользу Лавуазье, заставляя сдавать позиции даже самых ярых оппонентов. Сдались все, кроме самого первооткрывателя кислорода Пристли — скромный священник защищал флогистон до последнего.

Подведем итоги. Металлические «земли» удалось успешно разлагать и собирать обратно. Состав воздуха был расшифрован, и в нем нашелся тот самый активный агент, вступающий в реакцию при горении. Точные измерения массы вкупе с законом сохранения веса не оставили флогистону никаких шансов. Поражение по всем фронтам. Лавуазье торжествовал, и практически все научное сообщество, за исключением закоренелых консерваторов, признало кислородную теорию.

Какое же наследие оставила нам теория флогистона? Она подарила науке практику ГРАНДИОЗНЫХ НАУЧНЫХ БАТАЛИЙ, которые принято называть академической полемикой. Сторонники Лавуазье и защитники флогистона исписали горы бумаги, обмениваясь едкими памфлетами и полемическими статьями. Доставалось и самому Лавуазье, которого не без оснований упрекали в присвоении чужих идей. Тем не менее это было прекрасное и плодотворное время. Если истина действительно рождается в спорах, то научные дискуссии — идеальная для этого среда. Авторитеты падали под ударом фактов, а эксперимент превращался в главный критерий истинности. Наука становилась эмпирической, материалистичной и доказательной, опираясь на четкие аргументы (пускай порой сдобренные крепким словцом). Эта культура дискуссий прочно закрепилась в современной практике: сегодня любая публикация проходит строгую экспертную оценку коллег, а защита диссертаций остается научным спором в его наиболее чистом и созидательном виде.

На этом у меня всё. Не бойтесь совершать ошибки и вовремя признавать их!

Автор: Илья Пахомов

Оригинал

Источник