1.2. Формирование химической картины мира

Алхимия. (IV - XVI века н.э). Впервые слово «химия» появляется в декрете императора Диоклециана в 296 г. н. э., в котором приказывалось сжечь египетские книги о «хемеиа», т. е. искусстве «получения» (подделки) золота и серебра. Проис­хождение этого слова неизвестно. Согласно широко распространенному мне­нию, оно произошло от названия Египта (хемиа), о чем упоминается в поэме Плутарха («De Isis et Osiris», около 100 г. н. э.). Следовательно, слово «хемеиа» могло означать «египетское искусство». Но поскольку это слово встречается и у некоторых греческих авторов, живших в Египте, например у Зосимоса, возможно, оно произошло от греческого слова «хима»— литой металл. Термин «химия» пришел к нам от арабов, которые превратили его в «алхимию».

Алхимики утверждали, что их вдохновляют легендарные или божествен­ные личности, такие, как Гермес Трисмегистос, отождествляемый с египетским богом Тотх. От имени Гермес происходит слово «герметичный».

Различают три периода алхимии; греческую александрийскую, арабскую и латинскую из средневековой Западной Европы. Учение алхимиков было смесью путаных умозрений на философской, мифологической и религиозной основе о природе и возникновении из элементов различных минералов, метал­лов и солей. Алхимия базировалась на двух априорных постулатах: единстве материи и существовании таинственного фактора (вещества) — философского камня, способного превращать такие обычные металлы, как свинец и олово, в золото и серебро. Обычные металлы считались больными», поскольку они легко теряют блеск, превращаясь при нагревании в золу (окиси). Как пола­гали, философский камень был средством против этого «заболевания». Отсюда, учитывая принцип единства материи, было логично полагать, что это вещество будет также эликсиром жизни — совершенным лекарством от всех болезней для человека.

Все вещества в природе образуются в результате соединения серы с рту­тью. Последние не надо смешивать с обыкновенными веществами с таким же названием. У алхимиков речь идет о «философских принципах» с двумя проти­воположными действиями: сера образуется из воздуха и огня, ртуть — из воды и земли. Язык алхимиков был туманным и многословным, вещества и опера­ции были скрыты за непонятными символическими названиями и иносказа­ниями.

Обычно начальный период развития химической науки, то есть алхимию, относят к области знаний, цель которой состояла в получения золота из неблагородных металлов. Однако Юстус Либих отмечал: «Алхимию путать с попытками получить золото химическим путём является величайшей неспра-ведливостью». Ведь именно в период алхимии выдвигались различные гипотезы, подтверждение которых требовало проведения широких экспери-ментов. Именно накопление последних и тщательный анализ их приводит к открытиям. С этой точки зрения алхимия есть не что иное, как химия. Ярким примером научных достижений средневековых алхимиком являются воззрения и открытия в исследованиях воздуха и воды.

Древние и средневековые учёные считали воздух даже важнее воды. Следует подчеркнуть, что мыслители Востока считали воздух сложной многокомпонентной системой, которая является одним из важнейших факторов для протекания жизненных процессов. Для очищения окружающего воздуха они владели простейшими приёмами очистки и стерилизации. Великий Авиценна считал воздух элементом человеческого тела, оказывающим уравновешивающее действие на душу, которое зависит от двух факторов: от освежения и очищения воздуха. Высказывания учёного относительно возникновения ветров различной силы, ураганов, смерчей, штормов и др., и объяснение причин этих явлений являются вполне реалистичными, и они приблизительно отражают современное состояние разгадки тайн аналогичных капризов природы.

Выдающийся алхимик Ар-Рази для распознавания чистоты воздуха в определённой местности, в различных его частях рекомендовал одновременное развешивание свежего мяса. Он считал, что наиболее чистым является воздух в той части местности, где мясо по истечении определённого времени быстро не изменяет свои качества и не приобретает неприятный запах. Это показывает, что мыслитель предполагал о существовании в сос-таве воздуха невидимых для глаз мельчайших живых организмов, явля-ющихся причиной порчи мяса.

Начиная с древнейших времён, мыслители в своих трудах придавали особое значение оценке удивительных и неповторимых качеств воды, особенно для животного и растительного организма. В древности вода считалась одним из начал всего существующего на Земле. В средние века воду определяли как простое единое и неделимое вещество.

Как указывалось выше, основу греческой системы мироздания составили четыре стихии: огонь, воздух, вода, земля, которые могут взаимно переходить друг в друга. Это нашло отражение в трактате Платона «Гимей», где признаётся существование воды в виде пара и жидкости.

Все эти знания греческих учёных обогащались в странах арабского Востока, Иране, Средней Азии, в первую очередь, в трудах Авиценны. Он считал, что качество воды зависит от того, в направлении какой части света она движется: если течение воды направлено к солнцу, то такая вода самая лучшая, тем более, если она очень далеко ушла от своего начала. Вода, спускающаяся с возвышенных мест, при наличии прочих достоинств, лучше. Особые целебные свойства имеет вода, стремительно падающая с водопадов. Соударяясь с огромной энергией о камни, она частично распадается на ионы, испаряясь, они, смешиваются с воздухом и создают определённый микро-климат, способствующий лечению болезней дыхательных путей (бронхит, астма, «ложный круп»). Одним из удачных методов определения качества воды, описанным Авиценной, является смачивание ваты или тряпки водой различной степени минерализации с последующим высушиванием и взвешиванием образцов. Он указывал, что перегонка является одним из способов улучшения качества воды, поскольку при кипячении воды ускоряется оседание посторонних веществ. В его трудах описаны все существовавшие в то время методы осветления мутной воды. При употреблении нечистой стоячей воды он рекомендовал добавлять к ней вещества кислого характера, предвосхитив выводы последующих исследований в области микробиологии и медицины. Авиценной также описаны полезные свойства талой воды; он объяснил причину образования снега, дождя, града и радуги, использовал воду для экстракции полезных компонентов из состава различных природных компонентов; изложил своё мнение по поводу полезности и вредности холодной и горячей воды.

От алхимиков современная наука унаследовала исключительно ценный метод работы — эксперимент. В поисках философского камня алхимики открыли целый ряд веществ (например, азотную кислоту, спирт и многие соли) и создали некоторые химические приборы. Лаборатории алхимиков— это первые помещения, которые были специально предназначены для про­ведения в них исследований. В произведениях Зосимоса, наиболее известного из греческих алхимиков в Александрии, жившего около 300 г. н. э., описаны и приведены наброски перегонных аппаратов.

В Европе алхи­мию распространили арабы из Испании. Среди средне-вековых авторов, писавших на латинском языке (XII— XIV вв.), наиболее известны Альберт Великий, Роджер Бэкон и Раймунд Луллий. Начиная с XV в. наиболее просвещенные ученые отошли от алхимии, но окончательно она исчезла лишь в XIX в.

Ятрохимическая эпоха. Реформа алхимии была начата в XV в. Парацельсом (его настоящее имя было Теофраст Бомбаст фон Гогенгейм, 1493—1541). Проблемы, относящиеся к взаимному превращению металлов, отодвигаются на второй план и все внимание с тех пор сосредоточивается на применении химии в медицине (греч. ятрос — врач).

Основной целью химии становится поиск лекарственных средств. Изме­нение точки зрения было в общем благотворным, а следствием отказа от сохра­нения секрета и расширения экспериментальных работ явилось накопление фактического материала. Наряду с этим направлением мышления в эпоху Возрождения возрос интерес к проблемам химической технологии. В своих произведениях, появив­шихся в середине XIV в., итальянец Ванноччо Бирингуччо и немец Георг Агрикола обобщили накопленный обширный технический опыт по металлур­гии, производству стекла и пороха, перегонке и т. д.

Формирование научных методов в химии

В значительной мере свободным от алхимических идей был Иоганн Рудольф Глаубер (1604—1670), выдающийся химик-практик, известный своим искусством экспериментатора. Среди многого другого он открыл реакцию между хлоридом натрия (поваренной солью) и серной кислотой, в результате которой образуются соляная кислота и сульфат натрия (глауберова соль).

Роберт Бойль (1627—1691) впервые сознательно применил научный метод в химии. Плодотворность его идей, опередивших уровень знаний того вре­мени, была доказана лишь спустя много лет. В своей книге «The sceptical Che­mist», появившейся в Оксфорде в 1661 г., Бойль без всякого предвзятого мне­ния подвергает критическому анализу концепцию о четырех классических элементах и трех алхимических принципах (ртуть, сера, соль). Он приходит к понятию об элементе, правильному даже и в настоящее время: «Понимаю под элементами определенные первичные тела (сегодня мы сказали бы «вещест­ва»), простые и не смешанные (читайте: не соединенные). Поскольку элементы не сделаны один из другого или даже из других тел, они являются составными частями всех тел, которые называются смешанными (читайте: соединенными) и на которые они могут разлагаться». Впервые химики заговорили на ясном языке, понятном для каждого. В том же произведении Бойля имеются харак­терные для его передовых идей слова: «До сих пор химики руководствовались ограниченными, лишенными высоких целей воззрениями. Они видели свое призвание в приготовлении лекарств, а также в получении и превращении металлов. Я пытался трактовать химию с совершенно другой точки зрения — не как врач или алхимик, а как философ. Здесь я начертал план химической философии, который надеюсь дополнить опытами и наблюдениями. Если бы люди заботились, в основном, о процветании истинной науки, а не о своих собственных интересах, то они легко убедились бы в том, что осуществление экспериментов и новые наблюдения приносят человечеству больше пользы, чем теории, создаваемые без цели доказать соответствующие явления».

Бойль наблюдал, что горение не может происходить в вакууме и что металлы становятся тяжелее, когда они превращаются в «изве­сти» (окиси) при прокаливании на воздухе (окислении). Спустя примерно 100 лет ана-логичные наблюдения привели Лавуазье к современной теории окисления и к реформе в химии и опровержению теории флогистона, выдвинутой в 1700 г. Шталем (1660—1734).

Согласно теории Шталя все горючие вещества содержат элементы, называемые флогистоном, который выделяется при горении вещества. Дыхание живого организма представляет собой процесс очищения, в котором происходит удаление флогистона.

Древневнегреческие философы и средневековые европейские алхимики, ятрохимики не придавали никакого значения точным измерениям массы в химических реакциях. Первым, кто осознал, что масса является фундаментальным свойством, сохраняющимся в процессе химических реакций, был Антуан Лавуазье (1743-1794). Суммарная масса всех продуктов реакции должна точно совпадать с суммарной массой исходных веществ. Закон сохранения массы является краеугольным камнем всей химии. Но в хи-мических реакциях сохраняется не только масса, но и количество атомов каждого элемента независимо от сложности их превращений:

2 Na + H₂SO₄ -- Na₂SO₄ + H₂

(В химических реакциях должна также сохраняться и энергия. Этот закон, как и закон сохранения массы, независимо от Лавуазье вывел М.В.Ломо-носов).

Поставил точку в развитии атомистической теории Джон Дальтон (школьный преподаватель натуральной философии в Манчестере) в 1802 году. Суть его теории была в следующем:

• Все вещества состоят из атомов, мельчайших, неразрушимых и неделимых.

• Все атомы данного элемента идентичны как по весу, так и по химическим свойствам.

• Атомы различных элементов имеют различный вес и различные свойства.

• Атомы различных элементов могут соединяться в простых целочис-ленных отношениях, образуя соединения . (Закон кратных отно-шений).

Этот период после Лавуазье (1 половина XIX века) можно назвать периодом количественных законов, характеризующимся, кроме развития теории Дальтона, и открытием закона Авогадро, созданием методов определения атомных и молекулярных масс, появлением точных определений понятий: атом, молекула, эквивалент.

Рассмотренные выше открытия в области химии в некоторой степени легли в основу научных революций 16-17 веков и 20-го века.

Научная революция 16-17 веков

Отправной точкой научной революции, в результате которой появилась классическая наука и современное естествознание, стал выход книги Николая Коперника “О вращении небесных сфер” в 1543 году. Эта книга спорила с воззрениями древнегреческого ученого Птолемея, исповедовавшего геоцентрическую модель Вселенной. Система Птолемея строилась на учении Аристотеля о том, что якобы существует центр Вселенной, что тяжесть есть стремление тел к этому центру, что в нем находится Земля, с которой именно поэтому Птолемей связывал свою систему.

Но гелиоцентрические идеи, высказанные в книге Коперника, были всего лишь гипотезой, нуждавшейся в доказательстве.

Основы нового типа мировоззрения, новой науки были заложены Галилеем. Он начал создавать её как математическое и опытное естест-вознание. Исходной посылкой было выдвижение Галилеем аргумента, что для формулирования чётких суждений относительно природы учёным надлежит учитывать только объективные, поддающиеся точному измерению свойства (размер, форма, количество, вес, движение), тогда как свойства, просто доступные восприятию (цвет, звук, вкус, осязание), следует оставить без внимания как субъективные и эфемерные. Именно он произнес зажигательную фразу и дал новое направление исследованиям: «Нужно измерять, что мо­жет быть измеренным, и сделать доступным для изме­рения то, что пока неизмеримо».

Время Галилея также было отмечено обилием пора­зительных открытий. В Северном море обнаружили Шпицберген и остров Медвежий, Испания завладела Калифорнией, стали известны огромные просторы Ка­нады. Был уже заселен остров Манхэттен, где позднее поднимется Нью-Йорк. При исчислении денег, размеров и весов переходят на метрическую систему. Галилей усовершенствовал и изобрёл множество технических приборов - линзу, телескоп, микроскоп, магнит, воздушный термометр, барометр и другие.

Как известно, не он изобрел подзорную трубу, но он впервые , 21 августа 1609 года, использовал ее для наблюдения неба, на котором он увидел горы и долины на Луне, 4 спутника вокруг Юпитера и большое количество новых звезд. Главной заслугой Галилея – подтверждение правильности картины мироздания, построенной Коперником: Земля вращается вокруг Солнца.

Но заслуга Галилея не только в этом. Он первый разгадал загадки движения

Рассматривая движение, ученые замечали, что чем сильнее действие, ока­зываемое на тело, тем больше будет его скорость.

Может быть,, главным основанием продолжительной веры в эту интуи­тивную идею повсюду в Европе был великий авторитет Аристотеля. В «.Механике», в продолжение двух тысяч лет приписываемой ему, мы читаем:

«Движущееся тело останавливается, если сила, его толкающая, прекра-щает своё действие».

То есть, интуитивная идея такова: чем больше воз­действие, тем больше скорость. Новый же путь, указанный Галилеем, таков: если на тело не действуют никакие силы, оно покоится или движется прямолинейно и равномерно, то есть всегда с одинаковой скоростью, по прямой. Правильный вывод Галилея был сформулирован спустя поколение Ньютоном в виде закона инерции.

Всякое тело сохраняет состояние покоя или равно­мерного прямолиней-ного движения, если только оно не вынуждено изменять его под влиянием действующих. сил. ^!

Вклад Галилея в науку состоял в разрушении интуитивного воззрения и в замене его но­вым. В этом—значение открытия Галилея.

Но если не скорость является показателем силы, действующей на тело, то что же тогда? Ответ на этот фун­даментальный вопрос был найден Ньютоном :

не сама ско­рость, а её изменение есть следствие толчка или тяги, Сила либо увеличивает, либо уменьшает скорость, со­ответственно тому, действует ли она в направлении дви­жения или в противоположном направлении

Основой клас­сической механики, как она сформулирована Ньютоном, является связь между силой и изменением скорости, а не между силой и самой скоростью.

А что такое сила? Интуитивно мы чувствуем, что именно обозначается этим термином. Это понятие возникает из усилия, которое мы производим при толчке, броске или тяге, из того мускульного ощущения, которое сопрово­ждает все эти действия. Ньютон писал в своих «Принципах»:

«Воздействующая сила есть действие, оказываемое на тело, чтобы изменить его состояние покоя или равномерного пря­молинейного движения

Эта сила проявляется только в действии, она не сохра­няется в теле, когда действие прекращается, ибо тело сохра­няет всякое новое состояние, которое оно приобретает, ис­ключительно благодаря его инерции.

Завершить коперниковскую революцию выпало Исааку Ньютону. Он доказал существование тяготения как универсальной силы - силы, которая одновременно заставляла камни падать на Землю и была причиной замкнутых орбит, по которым планеты вращались сокруг Солнца. Заслуга Ньютона была в том, что он соединил механистическую философию Декарта, законы Кеплера о движении планет и законы Галилея о земном движении, сведя их в единую всеобъемлющую теорию. После целого ряда математических открытий Ньютон установил: для того чтобы планеты удерживались на устойчивых орбитах с соответственными скоростями и на соответствующих расстояниях, определяющихся третьим законом Кеплера, их должна притягивать к Солнцу некая сила, обратно пропорциональная квадрату расстояния до Солнца; этому же закону подчиняются и тела, падающие на Землю (это касалось не только камней, на и Луны - как земных, так и небесных явлений). Кроме того, Ньютон математическим путём вывел на основании этого закона эллиптическую форму планетных орбит и перемену их скоростей, следуя определениям первого и второго закона Кеплера. Так, наконец, был получен ответ на важнейшие космологические вопросы, стоящие перед сторонниками Коперника, - что побуждает планеты к движению, как им удаётся удерживаться в пределах своих орбит, почему тяжёлые предметы падают на Землю? - и разрешён спор об устройстве Вселенной и о соотношении небесного и земного. Коперниковская гипотеза породила потребность в новой, всеобъемлющей и самостоятельной космологии и отныне её обрела.

Представляя собой образцовое сочетание эмпирической обоснованности и дедуктивной строгости, Ньютон сформулировал те крайне немногочислен-ные, но возвышающиеся над всем остальным законы, которые, как оказалось, управляют целым Космосом. С помощью трёх законов движения, (закон инерции, закон ускорения и закон равного противодействия) и закона всемирного тяготения Ньютон не только подвёл научный фундамент под законы Кеплера, но и объяснил морские приливы, орбиты движения комет, траекторию движения пушечных ядер и прочих метательных снарядов. Все известные явления небесной и земной механики были теперь сведены “под одну крышу”, то есть под единый свод физических законов. Каждая частица материи во Вселенной притягивает каждую другую частицу с силой, прямо пропорциональной произведению их масс и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними. Ньютон бился над разгадкой великого замысла Вселенной и явно в этом преуспел.

Особое значение имели революции, связанные с тремя великими от-крытиями второй трети XIX века - клеточной теории Шлейденом и Шванном, закона сохранения и превращения энергии Майером и Джоулем, создание Дарвином эволюционного учения. Затем последовали открытия, продемонстрировавшие диалектику природы полнее: создание теории химического строения органических соединений (А.М. Бутлеров, 1861), периодической системы элементов (Д.И. Менделеев, 1869), химической термодинамики (Я.Х. Вант-Гофф, Дж. Гиббс), основ научной физиологии (И.М. Сеченов, 1863), электромагнитной теории света (Дж.К. Макс-велл, 1873).

В результате этих научных открытий естествознание поднимается на качественно новую ступень и становится дисциплинарно организованной наукой. Если в XVIII веке оно было преимущественно наукой, собирающей факты, наукой о законченных предметах, то в XIX веке оно стало систематизирующей наукой, то есть наукой о предметах и процессах, их происхождении и развитии.

Однако новые открытия и, прежде всего, открытия в области электричества и света (Фарадей, Максвелл, Герц) породили большие трудности в применении и понимании механистической теории Ньютона. Магнитные поле движущегося электрического заряда действуют на магнитную иглу не вдоль линии, соединяющей иглу и заряд, а перпендикулярно этой линии. В оптике предпочтительна волновая теория света перед корпускулярной. Неясно было, что это за среда, в которой распространяется свет, каковы ее механические свойства. Благодаря теории Максвелла был сделан вывод, что электромагнитная волна распространяется в пустом пространстве. Было показано, что скорость электромагнитных волн равна скорости света.

В этих условиях мы неожиданно обнаруживаем оборотную сторону науки и научных революций, которая стала намечаться ещё со времён коперниковской революции. Каждое новое научное открытие порождало крайне противоречивые следствия. Освободившись от геоцентрических заблуждений, в которых пребывали все предшествующие поколения, человек растерялся, безвозвратно утратив прежнюю уверенность в своей особой роли в Космосе. Он перестал чувствовать себя средоточием Вселенной, его положение в ней стало неопределённым и относительным. И каждый следующий шаг, сделанный в процессе развития науки, добавляя новые штрихи к новой картине мира, побуждал человека осознать свои новые возможности, но одновременно углублял беспорядок в его мыслях и вызывал беспокойство.

Создание Дарвином эволюционной теории только усугубило положение дел. Утратив ореол божественного творения, лишившись божественной души, человек потерял свой венец повелителя природы. Если, согласно христианской теологии, естественная природа существует для человека как его дом и Среда для раскрытия его духовных возможностей, то теория эволюции отвергала такие притязания как антропоцентристские заблуждения. Всё течёт, всё изменяется. Человек не абсолют, и все его ценности не имеют объективного значения. Так, Дарвин, освободив человека от ига Бога, принизил его до уровня животного. Теперь человек мог осознать себя как высшее достижение эволюции - грандиозного хода развития природы, но при этом он становился не более чем высшим достижением животного мира. Современная наука оперировала теперь гигантскими масштабами, неимоверно огромными периодами времени, но на фоне этих процессов ощущение случайности жизни ещё более усугублялось.

Этот пессимистический взгляд ещё более подтверждался благодаря открытию второго начала термодинамики, согласно которому Вселенная стихийно и неотвратимо движется от порядка к беспорядку, чтобы в конце концов достичь состояния наивысшей энтропии, или “тепловой смерти”.