Kitobni o'qish: «Краткая история химии. От магического кристалла до атомного ядра»

Посвящается Кэтрин и Лайону Срэгу де Кампу, которые за двадцать пять лет ни на день не постарели

Серия «Научно-популярная библиотека»

ISAAC ASIMOV

A SHORT HISTORY OF CHEMISTRY

This translation is published by arrangement with Doubleday, an imprint of the Knopf Doubleday Publishing Group, a division of Random House LLC

Copyright © 1967 by Isaac Asimov

Renewed © 1995 by Janet Asimov, Robyn

Asimov & David Asimov

© Перевод и издание на русском языке, ЗАО «Центрполиграф»

© Художественное оформление, ЗАО «Центрполиграф»

Глава 1
Древние

Огонь и камень

Когда древние представители человеческого рода впервые стали использовать орудия труда, они еще принимали природу такой, какой она представала перед ними. Бедренная кость большого животного служила надежной дубинкой, так же как и сук, отломленный от дерева. Камень было удобно использовать как метательный снаряд.

Прошли тысячелетия, и люди научились обрабатывать камни. Камнями приходилось колоть и резать, цеплять и разглаживать, поэтому появилась необходимость придавать им нужную форму, заостряя или выравнивая края. Люди научились прикреплять к камням деревянные ручки, которым тоже придавалась определенная форма в зависимости от целей. Но все же камень оставался камнем, а дерево – деревом.

Но в некоторых случаях менялось и само вещество. Удар молнии вызывал лесной пожар, и обгоревшие стволы, уголь или даже зола уже мало напоминали те деревья, которые росли в лесу прежде. Или же мясо разлагалось и начинало неприятно пахнуть; прокисал при хранении сок фруктов или начинал бродить, вызывая странное возбужденное состояние у тех, кто его пил.

Подобные превращения вещества (сопровождаемые, как человечество в конечном счете обнаружило, глубокими изменениями в его структуре) стали предметом изучения науки, которую мы сейчас называем химией. К химическим относятся глубокие изменения в составе и структуре вещества.

Возможность намеренно вызывать химические превращения исходя из собственных интересов возникла, когда человек научился добывать и поддерживать огонь. (В историческом плане это было «открытие огня».) Приобретя эти навыки, человек превратился в химика-практика, поскольку ему пришлось освоить способы заставить древесину или другой горючий материал соединяться с воздухом достаточно быстро, чтобы достичь необходимо высокой температуры и дать свет, а также пепел, дым и пар. Так, древесину высушивали, часть ее измельчали до порошкообразного состояния, чтобы сделать трут, трением или иным способом повышали температуру до точки воспламенения и так далее и тому подобное. Высокая температура, которую получали при помощи огня, использовалась, чтобы вызвать дальнейшие химические преобразования. Пища подвергалась термической обработке, посредством которой изменялись цвет, структура и вкус. Глину обжигали и превращали в кирпичи и глиняную посуду. Затем появились керамика, глазурь и даже некоторые виды самого стекла.

Сначала человек использовал материалы, которые встречаются повсеместно: древесину, кости, шкуры животных, камни. Камень оказался самым прочным и долговечным из тогдашних материалов. Именно каменные орудия древнего человека остаются сегодня очевидными и надежными свидетельствами давно прошедших времен. Поэтому мы называем те времена каменным веком.

Человечество все еще жило в каменном веке, когда приблизительно за 8000 лет до н. э. в некоторых областях, которые теперь известны как Ближний Восток, произошло революционное изменение способа добывания пропитания. До этого момента человек добывал себе пищу охотой и собирательством, как смогли бы и любые другие животные на планете. Теперь же он научился одомашнивать животных и заботиться о них, как о надежном источнике продовольствия. И что даже более важно, он научился выращивать растения. С развитием животноводства и земледелия источники пропитания стали стабильнее, надежнее и обильнее, что привело к росту населения. Развитие сельского хозяйства вело к тому, что люди стали оставаться на одном месте. Они обустраивали себе постоянное жилье, а в дальнейшем создавали города. Этот процесс без преувеличения означал начало цивилизации, поскольку слово «цивилизация» происходит от латинского термина civicus, «городской».

Первые несколько тысячелетий той самой ранней цивилизации камень оставался типичным материалом для изготовления орудий труда, хотя человек изобретал все новые и новые способы его обработки. Этот новый каменный век, или период неолита, характеризовался тщательной обработкой камня, его шлифовкой.

Значительное развитие получило и гончарное дело, особенно производство посуды. Достижения периода неолита медленно распространились за пределы его ближневосточного центра. К 4000 году до н. э., например, характерные черты культуры появились и в Западной Европе. К тому времени, однако, наступило время для дальнейших изменений на Ближнем Востоке – в Египте и Шумере (территория, занимаемая современным Ираком).

Человечество стало осваивать применение сравнительно редких материалов. Ради полезных свойств новых материалов люди научились преодолевать все неудобства утомительного многотрудного поиска и обработки. Мы называем эти материалы металлами, слово, которое само по себе выражает эти ранние изменения, поскольку в греческом языке означает «добыча, рудник, разработка».

Металлы

По всей вероятности, первые металлы люди находили в виде самородков. Скорее всего, это были кусочки меди или золота, поскольку оба металла относятся к той малочисленной группе металлов, которые в природе иногда встречаются в чистом виде. Красноватый цвет меди или желтоватый цвет золота наверняка бросался в глаза, а металлический блеск, много более впечатляющий и красивый, нежели тусклая, матовая и ничем не привлекательная окраска большинства камней, уже не отпускал взгляда. Без сомнений, сначала все найденные кусочки металлов служили украшением, совсем как цветная галька или перламутровые морские ракушки.

Но у металлов по сравнению со всеми прочими материалами есть преимущество: и медь, и золото ковкие и пластичные. То есть при обработке их можно сделать, например, плоскими, не сломав при этом. (Камень же при подобной обработке размельчается вплоть до порошка, а дерево и кость раскалываются на множество щепок и фрагментов.) Это свойство, без сомнения, было обнаружено случайно, но вряд ли с момента открытия человеку потребовалось много времени, чтобы научиться обрабатывать металлические самородки, сообразно своему вкусу превращая их в затейливые художественные формы, подчеркивающие красоту металла.

Те, кто работал с медью, неизбежно должны были заметить, что заострить металлические края много легче, чем каменные, что сами края получаются тоньше и острее, чем у каменного орудия, и что некоторые медные острия сохраняют свои свойства в тех условиях, когда края камня неизбежно затупляются. Мало того, затупленный медный край легко заострить снова – много легче, чем каменный. Только редкие находки меди помешали ее широкому использованию для изготовления инструментов, а не только украшений.

Однако медь перестала быть редкостью, когда люди обнаружили, что не обязательно искать ее в чистом виде. Ее научились извлекать из камня. Как они этому научились, где и когда, доподлинно неизвестно и, возможно, так никогда и не станет известно.

Но мы можем попробовать догадаться, как пришли к такому открытию. Могли, например, развести сильный огонь в очаге, в кладке которого попадались синеватые камни. Потом в пепле разглядели поблескивающие гранулы меди. Возможно, это случалось много раз, прежде чем кому-то наконец пришло в голову, что если отыскать нужные синие камни и нагреть их в костре, то можно получить медь. Окончательное открытие, вероятно, имело место около 4000 года до и. э., и произошло это на Синайском полуострове, к востоку от Египта, или на плоскогорье к востоку от Шумера, на территории современного Ирана. Но, возможно, открытие совершили независимо и одновременно в том и в другом месте.

В любом случае медь стала вполне привычным сырьем для создания орудий труда, по крайней мере в развитых центрах цивилизации. В египетском захоронении, датируемом 3200 годом до и. э., была обнаружена медная сковорода для жарки. К 3000 году до и. э. уже научились получать медь с особенной твердостью. Она изготавливалась (сначала, без сомнения, случайно) одновременным нагреванием оловянных и медных руд (см. рис. 1). Оловянно-медный сплав (термин, обозначающий смесь металлов) называется бронзой, и к 2000 году до н. э. бронза уже стала вполне привычным сырьем для производства оружия и брони. Предметы из бронзы найдены в могиле фараона Итети, который правил приблизительно в XXX веке до н. э.

Самым знаменитым событием бронзового века была Троянская война, в которой облаченные в бронзу и укрывавшиеся за бронзовыми щитами воины бросали друг в друга копья с бронзовыми наконечниками. Армия без металлического оружия вряд ли смогла бы противостоять «бронзовым» воинам, и престиж кузнецов того времени был сравним с престижем профессии современного ядерного физика. Значимость кузнеца не оставляет сомнений, ему даже отводили место среди богов. Вспомним Гефеста, божественного кузнеца греческой мифологии. И даже сегодня, что отнюдь не случайно, фамилия Кузнецов (или ее эквиваленты) оказывается самой распространенной у европейских народов.

Рис. 1. Древние плавильные печи предназначались для достижения температур, способствующих выделению металла из различных руд. В той, что предназначалась для получения меди, руда плавилась в горниле над дровяным костром. Выделение металла из железной руды требовало большей температуры, и этого добивались, добавляя в печь древесный уголь и обеспечивая лучший доступ кислорода, нагнетая мехами воздух

И снова на человечество снизошло озарение. Люди бронзового века обнаружили металл крепче бронзы. Они узнали железо. Правда, использовать железо для вооружения не получалось. Железо, к сожалению, было очень редким и дорогим. По крайней мере, этот металл казался редким, так как в древние времена все находки железа относились к обломкам метеоритов, которые встречались не часто. А добывать железо из руды долгое время не получалось.

Проблема заключалась во много более прочной связи железа с рудой, нежели меди с рудой. Для плавления железа, по сравнению с плавлением меди, требуется значительно более высокая температура. Жара пламени горящих дров явно не хватало для подобной цели.

Нужен был более жаркий огонь от угля, и даже при этом требовалась хорошая вентиляция.

Секрет плавления железа был окончательно раскрыт в восточной части Малой Азии приблизительно к 1500 году до н. э. Хетты, народ, который построил большую империю в Малой Азии, первыми стали систематически использовать железо для производства орудий труда. Письма, датированные приблизительно 1280 до н. э., от царя хеттов своему наместнику в богатый железом горный регион, определенно свидетельствуют о наличии производства железа.

Железо в чистом виде (кованое железо) не слишком твердое. Однако железная утварь или оружие в процессе производства способны уловить достаточно углерода из древесного угля, и тогда на поверхности металла формируется слой сплава, который мы называем сталью. Этот наружный слой даже крепче самой лучшей бронзы и значительно дольше остается острым после заточки. Именно открытие эффекта «насталивания» на территории хеттов явилось критическим поворотным моментом в железной металлургии. Армия, одетая в бронзу и вооруженная бронзой, весьма вероятно, потерпит поражение от армии в прочных железных латах с крепким железным оружием. Так пришел железный век.

Дорийцы, первобытное греческое племя, частично вооруженное железным оружием, вторглись на греческий полуостров с севера приблизительно в 1100 году до н. э. и постепенно одолели более цивилизованных, но имевших на вооружении только бронзу микенских греков, которые уже обитали в тех местах. Часть греков проникли в Ханаан и принесли с собой железное вооружение. Это были те самые филистимляне из Ветхого Завета. Израильтяне оставались беспомощными перед ними, пока сами не освоили железное оружие уже при царе Сауле.

Первой армией, экипированной качественным железным оружием и в достаточном количестве, стала ассирийская армия. К 900 году до и. э. превосходящее вооружение помогло им основать могущественную империю.

Хороший уровень развития прикладной химии отмечался на заре расцвета Древней Греции. И в Древнем Египте, где имелся большой религиозный интерес к методам бальзамирования и сохранения человеческого тела после смерти, прикладная химия показывала высокие достижения. Египтяне специализировались и в металлургии, и в производстве красителей из минералов, а также соков и настоек из растений¹.

Согласно одной из гипотез, слово khemeia происходит от названия, которым древние египтяне называли свою собственную землю, Kham. (Это название также используется в Библии короля Якова (официальном варианте перевода Библии для англиканской церкви) как Нат.) Слово Khemeia поэтому могло означать «египетское мастерство».

По другой, несколько более популярной сейчас, гипотезе, название khemeia происходит от греческого khumos, что означает «сок растений», и слово khemeia означает «мастерство извлекать соки». Если отнести понятие «сок» к расплавленному металлу, тогда это слово означает «мастерство плавления металлов».

Но какому бы происхождению мы ни отдали предпочтение, слово khemeia – это предок нашего слова «химия».

Элементы греков

К 600 году до и. э. пытливые и глубоко мыслящие греки направили свое внимание на природу Вселенной и структуру веществ, из которых она состояла. Греческие ученые, или «философы» (любители мудрости), интересовались не столько технологией и практическими результатами, сколько «причиной» и сутью вещей. Короче говоря, они первыми (из тех, о ком мы знаем) занялись вопросами, которые теперь изучает теоретическая химия.

А началось все с Фалеса (640–546 до н. э., по другим данным, 624–545 или 548). Возможно, были греческие философы и до Фалеса, а может, и какие-то ученые мужи еще до греков, которые много и глубоко думали над тем, что стоит за изменениями в природе вещества, но если так, то их имена и мысли потеряны для нас.

Фалес был древнегреческим философом, жившим в городе Милет, в Ионии, области на западном побережье Эгейского моря, теперь принадлежащей Турции. Видимо, Фалес задал себе вопрос: если одно вещество можно превратить в другое, как голубоватый камень может быть превращен в красную медь, что тогда является истинной природой вещества? Камень или медь? Или нечто третье? Каждое ли вещество можно превратить в любое другое (пусть и через разные этапы)? Можно ли все вещества считать различными проявлениями одного основного материала?

Для Фалеса ответ на последний вопрос был однозначно «да». Уже хотя бы потому, что только такой ответ вносил простоту и порядок в понимание Вселенной. Оставалось только решить, что является этим единственным базовым материалом, или элементом².

Фалес выбрал воду. Из всех веществ вода казалась вездесущей и неисчерпаемой. Вода окружает землю; пропитывает парами воздух; просачивается сквозь твердую землю; и сама жизнь невозможна без воды. Он представлял землю как плоский диск, плавающий по бесконечному океану воды и накрытый полусферой неба.

Уверенность Фалеса, что существовал единый элемент, из которого были сформированы все вещества, принималась значительной частью более поздних философов. Однако его уверенность, что этим элементом являлась именно вода, оспаривалась. Через сто лет после Фалеса астрономы мало-помалу пришли к заключению, что небо было полной сферой, а не полусферой. Землю, также сферическую, они подвесили в центре полой сферы неба.

Греки не признавали существования полной пустоты (вакуума), поэтому не верили, что пространство между подвешенной землей и далеким небом пусто. Так как часть пространства между землей и небом, с которой люди сталкивались непосредственно, содержала воздух, им казалось вполне разумным предположить, что воздухом заполнено все пространство полностью.

Скорее всего, именно подобные рассуждения примерно в 570 году до н. э. привели греческого философа Анаксимена (тоже из Милета) к заключению, что элементом Вселенной является воздух. Он верил, что ближе к центру Вселенной воздух сдавливается и уплотняется, формируя более тяжелые и более плотные виды вещества, такие, например, как вода и земля (см. рис. 2).

Рис. 2. Космология алхимиков взяла себе «четыре элемента» Аристотеля и проводила параллели между земным и небесным – одинаковые символы использовались для металлов и планет. Эта диаграмма принадлежит Роберту Фладду (1574–1637), который отверг современную ему науку и посвятил себя оккультизму

Философ Гераклит (540–475 до и. э.) из соседнего города Эфес придерживался другой линии. Если Вселенной свойственно изменяться, тогда в качестве элемента следовало искать вещество, которому свойственно изменение. И Гераклит остановил выбор на огне, который всегда меняется и всегда меняет. Именно огненный дух во всем сущем превращал в неизбежность постоянные изменения³.

Во времена Анаксимена побережьем Ионического моря овладели персы. После провала Ионийского восстания персы ужесточили правление, и под гнетом этой власти научные традиции стали ослабевать, но к тому времени бежавшие из родных мест ионийцы уже успели передать эти традиции на запад.

Пифагор (582–497 до и. э.), уроженец острова Самос в Ионическом море, покинул остров в 529 году до н. э. и направился в Южную Италию. Его учение оказало влияние на последующее развитие научной мысли.

Среди последователей Пифагора особенно выделяется греческий философ Эмпедокл (490–430 до и. э.), уроженец Сицилии. Он также настойчиво трудился над вопросом элемента – первоосновы для формирования Вселенной.

Похоже, особого повода отдавать предпочтение какому-нибудь из предложений, выдвинутых ионийцами, не было, поэтому Эмпедокл пошел на компромисс.

Почему должен существовать только один-единственный элемент? Почему не четыре? Это могут быть огонь Гераклита, воздух Анаксимена, вода Фалеса и земля, которую добавил сам Эмпедокл.

Эту доктрину четырех элементов принял и Аристотель (384–322 до и. э.), величайший из греческих философов. Аристотель не рассматривал элементы как вещества, давшие им названия. То есть он не считал, что вода, которой мы касаемся и которую ощущаем, и есть тот самый элемент «вода»; нет, наша вода – это просто вещество, по свойствам наиболее близкое к элементу.

Аристотель рассматривал элементы как комбинации двух пар противоположных свойств: горячий и холодный, сухой и сырой. Он считал невозможным объединение противоположных свойств, поэтому в его схеме присутствовали лишь четыре возможные комбинации, каждая из которых представляла особый элемент. Горячим и сухим был огонь, горячим и сырым был воздух, холодной и сухой была земля, и холодной и сырой была вода.

Он сделал еще один шаг. Каждый элемент имел свой собственный врожденный набор свойств. Так, в природе земли было опускаться, а огня – подниматься. Небесные тела, однако, обладали свойствами, как будто отличающимися от любых земных веществ. Вместо подъема или падения небесные тела наматывали круги вокруг Земли, как казалось, по неизменной траектории.

Из всего этого Аристотель сделал вывод, что небеса образованы из пятого элемента, который он назвал «эфир» (от слова, означающего «светить», так как наиболее характерным свойством небесных тел была их способность излучать свет). Поскольку небеса казались неизменными, Аристотель считал эфир совершенным, вечным и постоянным элементом, кардинально отличавшимся от четырех несовершенных элементов Земли.

Четыре элемента господствовали над умами людей на протяжении двух тысяч лет. И хотя в науке они уже отжили свое, в обиходной лексике нам никуда от них не деться. К примеру, мы говорим о «ярости стихий», когда желаем подчеркнуть, что в бурю бушуют ветер (воздух) и волны (вода). Что касается «пятого элемента» (эфира), по-латыни quinta essentia, мы все еще опираемся на Аристотеля, когда говорим о «квинтэссенции», подразумевая суть веществ или явлений в их самой чистой и наиболее концентрированной форме.

Атомы Греков

Греческих философов волновал еще один важный вопрос. Он связан с делимостью вещества. Фрагменты камня, разбитого надвое или даже истолченного в порошок, все еще оставались камнем, и каждый кусочек поддавался дальнейшему делению. Можно ли было делить и делить вещество до бесконечности? Иониец Левкипп (450 до и. э.), похоже, первым подверг сомнению естественное предположение, что любую часть вещества, сколь бы малой она ни была, можно разделить на еще более мелкие части. Левкипп утверждал, что в конечном счете будет получена настолько малая частица, что дальнейшее деление окажется невозможным.

Его ученик Демокрит (470–380 до и. э.) из Абдеры, города на северном побережье Эгейского моря, продолжил развитие этой мысли. Он назвал самые малые частицы atomos, что в переводе означает «неделимый», и мы унаследовали это слово – атом. Учение, согласно которому вещество состоит из первичных крошечных частиц и делимо лишь до известного предела, известно как атомизм или атомистическая теория строения материи. Демокрит считал, что атомы каждого элемента отличались по размеру и форме и что именно это различие отвечало за их свойства. Окружающие человека вещества, которые мы можем видеть и держать в руках, были составлены из смесей атомов различных элементов, и одно вещество могло быть изменено в другое путем изменения характера смеси.

Все это звучит замечательно современно для нас, но Демокрит не прибегал к эксперименту для подтверждения своих мыслей. (Греческие философы не экспериментировали, но приходили к своим результатам путем умозаключений, выводя их из «основных принципов».)

Для большинства философов, и особенно для Аристотеля, понятие о части вещества, которая не может быть раздроблена на еще меньшие части, казалось настолько парадоксальным, что они не принимали его. Поэтому атомистическая теория осталась непопулярной, и еще в течение двух тысяч лет после Демокрита о ней мало кто слышал.

Однако бесследно атомизм не исчез. Греческий философ Эпикур (342–270 до и. э.) сделал атомистическую теорию частью своих рассуждений, а философская система Эпикура завоевала много сторонников в несколько последующих столетий. Одним из таких сторонников был римский поэт Тит Лукреций Кар (95–55 до и. э.), более известный просто как Лукреций. Он изложил атомистические взгляды Демокрита и Эпикура в длинной поэме, озаглавленной De Rerum Natura («О природе вещей»). Эта поэма, по мнению очень многих, является самой изящной дидактической поэмой (призванной обучать), когда-либо написанной.

В любом случае, в то время как труды Демокрита и Эпикура утеряны и от них остались лишь отдельные фрагменты и цитаты, поэма Лукреция сохранилась целиком и донесла представления атомистов до нынешних времен, когда новые научные методы вступили в борьбу и принесли атомистической теории заключительную победу.

Глава 2
Алхимия

Александрия

Во времена Аристотеля Александр Великий из Македонии (царство к северу от Греции) завоевал обширную Персидскую империю. Империя Александра рухнула после его смерти в 323 году до и. э., но грекам и македонцам остались подконтрольны относительно большие области Ближнего Востока. В течение следующих нескольких столетий (так называемый эллинистический период истории Восточного Средиземноморья, Передней Азии и Причерноморья) происходило плодотворное смешивание культур.

Птолемей, одни из генералов Александра, создал государство в Египте с городом Александрией (основанным Александром) в качестве столицы. В Александрии Птолемей и его сын (Птолемей II) возвели Храм музам (Музей), который служил тем, что сейчас бы мы назвали исследовательским институтом и университетом. При храме науки была выстроена самая большая библиотека древних времен.

Египетское мастерство в прикладной химии встретилось и слилось воедино с греческой теорией, но этот сплав не всегда приводил к хорошему. Химическое знание в Египте было глубоко связано с бальзамированием мертвых и с религиозным ритуалом. Для египтян источником всех химических познаний являлся их ибисоголовый бог мудрости Тот. Греки, впечатленные превосходящим знанием египтян, отождествляли Тота с собственным богом Гермесом и переняли большую часть мистицизма.

Древние ионические философы разграничили религию и науку. Этот новый египетский союз вступал в серьезное противоречие с дальнейшим прогрессом в знании.

Поскольку искусство khemeia казалось так близко связанным с религией, обычные люди боялись химиков-практиков как знатоков тайного знания и как участников опасного таинства. (Астролог с пугающим знанием будущего, химик с его потрясающим умением изменять вещества, даже посвященный в тайны жрец, способный умилостивить богов жертвоприношением и насылать проклятие, – все они служили прототипами для народных сказаний о колдунах, магах, волшебниках и чародеях.)

Сами же те, кто был объектом этого благоговейного страха, не всегда относились к россказням пренебрежительно, но, скорее, время от времени поощряли их как средство приумножения собственной значимости, а то и из соображения собственной безопасности. Ведь кто рискнет оскорблять колдуна?

Это общественное уважение или благоговейный страх поощряли тружеников khemeia облекать свои записи в таинственную и малопонятную символику. Сама эта малопонятная символика добавляла ощущения тайного знания и власти.

Как пример, существовали семь небесных тел, называемых планетами («странниками»), поскольку они непрерывно изменяли свое положение по отношению к звездам. Имелось также семь известных металлов: золото, серебро, медь, железо, олово, свинец и ртуть (см. рис. 2). Заманчиво было связать планеты и металлы. Наступит время, когда о золоте станут регулярно говорить как о «Солнце», о серебре как о «Луне», о меди как о «Венере» и так далее. Химические процессы тоже иносказательно представляли мифами.

До сих пор кое-что напоминает нам о том времени. Например, старомодное название для химического соединения, теперь называемого нитратом серебра, – «лунный каустик», явный признак старой связи серебра и Луны. Металлическая ртуть получает свое современное название от планеты Меркурий (mercury – «ртуть», англ.). Настоящее древнее название было hydrargyrum («жидкое серебро»), а старое английское название почти идентично латинскому quicksilver – «быстрое серебро».

Эта более или менее намеренная малопонятность служила двум прискорбным целям. Во-первых, она замедляла прогресс, поскольку каждый химик-практик оставался в неведении или, по крайней мере, в неполной уверенности, чем занимались остальные, поэтому никто из них не имел возможности учиться на чужих ошибках или, наоборот, воспользоваться достижениями чужих талантливых решений. Во-вторых, это давало шанс любому шарлатану или мошеннику, при условии что тот говорил достаточно неясно, как серьезный специалист, добиться своего. Невозможно было отличить мошенника от ученого.

Первым значительным специалистом в греко-египетской khemeia, которого мы знаем по имени, был Болос из Мендеса (около 200 до н. э.), города в дельте Нила. Он подписывал свои труды именем Демокрит, поэтому его еще называют Болос-Демокритом, а иногда и псевдо-Демокритом.

Болос посвятил себя тому, что стало одной из больших проблем khemeia – превращению одного металла в другой, и особенно превращению свинца или железа в золото. Они стали называть это трансмутацией, и до сих пор этим словом обозначают квазинаучные изыскания по превращению одного химического элемента в другой.

Концепция четырех элементов давала представление, что различные вещества во Вселенной отличались только по характеру элементной смеси. Эта гипотеза воспринималась как истина, не важно, принимал ли ученый представления атомистической теории или нет, поскольку элементы могли бы смешиваться и как атомы, и как сплошное вещество. К тому же казалось разумным допускать даже взаимопревращение самих элементов. Вода, казалось, превращалась в воздух, когда испарялась, а воздух превращался обратно в воду, когда шел дождь. Древесина при нагревании – в огонь или пар (форму воздуха) и так далее. Почему бы тогда не считать возможным любое иное изменение? Конечно же это был только вопрос поиска надлежащей технологии. Красноватый камень мог быть превращен в серое железо посредством технологии, неизвестной во времена Ахилла, и ему приходилось носить бронзовую броню. Почему тогда нельзя продолжить процесс и превратить серое железо в желтое золото посредством некоторой технологии, которая еще не была обнаружена во времена Александра Великого?

На протяжении столетий многие химики упорно старались разработать технологию создания золота. Некоторые, однако, сочли для себя, что много проще и гораздо более выгодно просто притвориться, будто они открыли подобную технологию, и использовать ту силу и репутацию, которую это мнимое знание давало им. Этот сорт мошенничества продолжает свое существование и в современный период, но в этой книге мы не станем касаться этой стороны khemeia. Болос в своих трудах в явном виде приводит детали технологического процесса создания золота, но они, как ни странно, вовсе не обязательно свидетельство мошенничества. Например, можно сплавить медь с цинком и получить латунь или желтую медь, как раз цвета золота. Вполне возможно, для некоторых химиков древности получение металла цвета золота казалось равносильным созданию самого золота.

Однако во времена римлян искусство khemeia пришло в упадок, вместе с общим упадком греческой науки. После 100 года и. э. практически ничего нового не было добавлено, и нарастала тенденция к все более мистической трактовке ранних авторов.

К примеру, около 300 года и. э. некий Зосима, египтянин по рождению, написал энциклопедию, состоявшую из двадцати восьми книг и охватывающую весь спектр знаний khemeia, которые накопились за предыдущие пять или шесть столетий, но особо полезных и важных сведений в ней не было. Конечно, там можно наткнуться на один-два случайных пассажа, содержащих нечто важное, например на тот, который относится к мышьяку Еще Зосима сумел описать методы создания ацетата свинца и явно знал о сладковатом вкусе этого ядовитого соединения. (Оно до сих пор имеет второе название – «свинцовый сахар».)

Роковой удар химическому знанию принес страх. Римский император Диоклетиан на самом деле боялся, что khemeia способна успешно произвести дешевое золото и разрушить шаткую экономику и без того клонящейся к закату империи. Во времена Зосимы он повелел уничтожить все работы по khemeia, и это – одно из объяснений, почему столь мало древних свидетельств дошло до нас.

Другой причиной является то, что на волне укрепления христианства «языческие знания» попали в немилость. В результате волнений христиан Александрийская библиотека и Музей были сильно разрушены после 400 года н. э. Мастерство khemeia, в силу своей близости к религии Древнего Египта, было особенно подозрительным и, в сущности, ушло в подполье.

В одном отношении греческое знание сожгло все мосты с римским миром. Христианство было разделено на религиозные направления, одно из которых получило название несторианство, поскольку проповедовало учение сирийского монаха Несториана, жившего в V веке. Несторианцы подвергались преследованиям со стороны ортодоксальных христиан Константинополя, и часть из них спаслась бегством на восток в Персию. Правители Персии отнеслись к ним с величайшей доброжелательностью (возможно, надеясь использовать их против Рима).

Несторианцы принесли с собой в Персию греческие знания, в том числе множество книг по алхимии. Пик их силы и влияния пришелся приблизительно на 550 год н. э.

Арабы

Однако в VII веке н. э. на сцене появляются арабы. До того времени они были изолированы на своем пустынном полуострове, теперь же, побуждаемые новой религией ислама, основанной Магометом, они выплеснулись за его пределы во всех направлениях. Их завоевательные армии покоряли обширные территории Западной Азии и Северной Африки. В 641 году и. э. они завоевали Египет и после стремительных побед захватили всю его территорию, а еще через несколько лет подвергли той же участи и Персию. Именно в Персии арабы столкнулись с тем, что осталось от традиций греческой науки, и были потрясены. Один особенно поучительный эпизод во время этих завоеваний только поспособствовал восхищению достижениям греческой науки. В 670 г. и. э., когда они осадили Константинополь (крупнейший и сильнейший город христианского мира), их атака была отбита «греческим огнем», химической смесью, горящей жарким пламенем, которую нельзя было погасить водой и которая уничтожила деревянные корабли арабского флота. По преданиям, она была приготовлена Каллиником, химиком-практиком khemeia, который бежал из своего родного Египта (а может быть, и Сирии) от арабских армий.

В арабском языке khemeia превратилась в алхимию, «ал» по-арабски означало определенный артикль. Слово со временем переняли европейцы как (по-английски) алхимию, а те, кто занимался этой областью, стали называться алхимиками. Термин «алхимия» применяется сейчас ко всему периоду истории химии с 300 года до и. э. до 1600 года и. э., протяженностью почти в две тысячи лет.

Период в химической истории между 300 и 1100 годами и. э. не примечателен ничем. После 650 года и. э. до сохранения и преумножения греко-египетских алхимических знаний было дело исключительно арабам, и такое положение вещей сохранялось целых пять столетий. Следы того периода остались в некоторых химических названиях арабского происхождения: alembic – дистиллятор или перегонный куб, alkali – щелочь, alcohol – спирт, carboy – оплетенная бутыль для кислот, naphtha – сырая нефть, zircon – циркон и другие.

Лучшие достижения арабской алхимии характерны для начального периода их владычества. Так, самым талантливым и известным из мусульманских алхимиков был Джабир ибн Хайян (760–815 н. э.), который столетием позже стал известен европейцам как Гебер. Он жил во времена, когда арабская империя (при правителе Гаруне аль-Рашиде из «Тысячи и одной ночи») была на пике процветания.

Его работы многочисленны, а его стиль относительно прост и понятен. (Многие книги, известные под его авторством, возможно, были написаны более поздними алхимиками и приписаны ему.) Он описал хлористый аммоний и объяснил, как получать белый свинец. Он дистиллировал уксус, чтобы получить сильную уксусную кислоту, самую сильную из известных в древности кислот. Он даже получал слабую азотную кислоту, которая, по крайней мере потенциально, была намного сильнее.

Самое же большое влияние Джабира, однако, оказали его работы, связанные с превращением металлов. Ему представлялось, что ртуть является наихарактернейшим металлом, ее жидкое состояние определенно указывало на наименьшую примесь стихии земли. Сера же, по его мнению, обладала замечательной способностью воспламеняемости (и более того, обладала желтым цветом золота). Джабиру казалось, что различные металлы были составлены из всевозможных смесей ртути и серы, и осталось только отыскать некоторый материал, который облегчит смешение ртути и серы в надлежащей пропорции, чтобы получить золото.

По древней традиции считалось, что наилучшей формой вещества, способствующего превращению, является сухой порошок. Порошок этот греки называли xerion, по-гречески «сухой». Арабы превратили это слово в aliksir, а у европейцев оно стало эликсиром. В качестве дополнительного подтверждения его сухой, земляной сущности в Европе его обычно именовали философским камнем. (Напоминаю, что еще в 1800 году к «философам» относили тех, кого мы теперь называем «учеными».)

Удивительный эликсир просто обязан был также обладать и другими изумительными свойствами, и постепенно росло убеждение, что эликсир является средством от всех болезней и вполне может даровать бессмертие. Следовательно, можно было говорить об эликсире жизни, и алхимик, разочарованный поиском способа создания золота, мог посвятить себя поиску бессмертия – также напрасно.

В сущности, все последующие столетия алхимия развивалась главным образом по двум параллельным направлениям; минералогическому, в котором золото являлось главной целью, и медицинскому, в котором целью было создание панацеи.

За Джабиром последовал Аль-Рази, персидский алхимик, почти такого же таланта и последующей славы (850–925), позже ставший известным и европейцам как Разес. Так же как и Джабир, он подробно описывал свою работу, например приготовление гипса, использование этого материала (например, в качестве формы, удерживающей в покое сломанные кости) и так далее. Он также изучил и описал металлическую сурьму. К ртути (которая была изменчива – то есть превращалась в пар при нагревании) и к сере (которая легко воспламенялась) он добавлял соль как третью фундаментальную составную часть твердых веществ – соль не была изменчива и не воспламенялась.

Аль-Рази был больше заинтересован медициной, чем Джабир, и это смещение в сторону медицинских аспектов алхимии получило свое продолжение в трудах персидского ученого Ибн Сины (979–1037 н. э.), который больше известен под латинизированным именем Авиценна. Он был действительно самым замечательным врачом со времен Римской империи и вплоть до расцвета современной науки. Изучив опыт многовековых неудач в получении золота из других металлов, он усомнился в том, что такое вообще возможно.

В этом он был и остался исключением среди алхимиков.

Возрождение в Европе

После Авиценны арабская наука быстро пришла в упадок. Смутные времена настали для исламского мира, и они становились еще более неспокойными в результате победоносных вторжений жестоких и сравнительно менее образованных тюрков и монголов. Пальма научного первенства, удерживаемая арабами на протяжении трех столетий, навсегда покинула их и перешла к Западной Европе.

Западные европейцы имели первый относительно мирный и близкий контакт с исламским миром в результате Крестовых походов. Первый крестовый поход начался в 1096 году н. э., а Иерусалим западные христиане захватили в 1099 году. После этого почти два столетия подряд христианское царство существовало на побережье Сирии, подобно маленькому острову в мусульманском море. Происходил некоторый сплав культур, и горстки христиан, возвращающихся в Западную Европу, несли с собой благоприятные отзывы об арабской науке. В тот же самый период христиане в Испании постепенно возвращали себе территорию, захваченную исламом в начале VIII столетия. Так они, и вся христианская Европа в целом, получили дополнительное представление о выдающейся мавританской цивилизации, процветавшей на территории Испании.

Европейцы узнали, что арабы обладали переводами великолепных научных трудов древних греков, например Аристотеля, а также книгами своих собственных ученых, таких как Авиценна.

Интерес к переводу этих трудов на латынь и жажда сделать их доступными европейским ученым перевесили некоторое нежелание разбираться в трудах тех, кто воспринимался как заклятый смертельный враг. Французский ученый Герберт (940–1003 н. э.), который в дальнейшем стал римским папой Сильвестром II в 999 году, был в числе ранних вдохновителей этого направления.

Английский ученый Роберт из Честера, работавший в 1140–1150-х годах, был среди первых переводчиков арабских алхимиков на латынь, и завершил он свой труд в 1144 году. За ним последовали и другие, но величайшим переводчиком считается итальянский ученый Герард из Кремоны (1114–1187). Большую часть жизни он провел в испанском городе Толедо, который в 1085 году был отвоеван христианами. Он перевел девяносто две работы с арабского языка, некоторые из которых невероятно длинные. Начиная примерно с 1200 года европейские ученые, подпитанные опытом алхимиков прошлого, предприняв свои попытки пойти дальше, встречали на своем пути столько же тупиковых направлений, сколько и выходов на широкую дорогу прогресса.

Первым значительным европейским алхимиком был Альберт Болынтедтский (1200–1280), больше известный как Альберт Магнус (Альберт Великий). Он усиленно изучал труды Аристотеля, и именно благодаря его стараниям философия Аристотеля нашла отражение и получила развитие в науке позднего Средневековья и начала Нового времени.

Альберт Магнус, описывая свои алхимические опыты, описал и мышьяк, причем так четко и понятно, что иногда ему приписывают открытие этого вещества, хотя мышьяк, пусть даже и не совсем в чистом виде, скорее всего, был известен более ранним алхимикам.

Современником Альберта Магнуса был английский ученый и монах Роджер Бэкон (1214–1292), сегодня больше известный своим твердым убеждением, что эксперимент является методом познания, а самым многообещающим средством в науке является применение математических методов. И то и другое он считал основанием для научного прогресса. Он был совершенно прав, просто мир еще не был готов использовать это знание.

Бэкон предпринял попытку создать универсальную энциклопедию знаний, и в его рукописях встречается самое раннее описание пороха. О Бэконе иногда говорят как о создателе пороха, но он таковым не был; реальный создатель пороха неизвестен.

По прошествии времени порох способствовал уничтожению средневекового общественного уклада, дав армии средство, способное ровнять с землей стены замков и убивать всадника в латах. Порох является самым ранним символом технологического прогресса, позволившего европейским армиям на протяжении целых пяти столетий начиная с XIV века и вплоть до века XIX завоевывать и покорять другие континенты. (Этот процесс обращается вспять только сейчас, в наше с вами время.)

Более мистическая сторона алхимии отражена в работах, приписываемых испанским ученым Арнольду из Виллановы (1235–1311) и Раймонду Луллию (1235–1315), хотя их подлинное авторство сомнительно. Эти работы в большей степени посвящены превращениям (трансмутациям, как их называли алхимики), и Луллий, как традиционно считалось, даже изготавливал золото для расточительного английского короля Эдуарда II.

Самый значительный из средневековых алхимиков, однако, так и остался таинственным инкогнито, поскольку он писал свои труды от лица Джабира, или Гебера, арабского алхимика, жившего шестью столетиями ранее. Ничего не известно об этом псевдо-Гебере, но, скорее всего, он был испанцем и творил приблизительно в XIII веке. Он первым описал серную кислоту, наиболее важное чистое вещество, используемое химическими отраслями промышленности сегодня (после воды, воздуха, угля и нефти). Он также описал получение крепкой азотной кислоты. Эти кислоты были получены им из руды, в то время как ранее известные кислоты, наподобие уксусной, происходили из органического мира.

Это открытие сильных неорганических кислот стало наиболее важным достижением химии после успешного выделения железа из железной руды приблизительно за три тысячи лет до этого. Открытие сильных неорганических кислот позволило европейцам осуществить множество новых химических реакций и растворить множество веществ, чего не удавалось ни древним грекам, ни арабам, так как самой сильной кислотой в их распоряжении оставалась уксусная кислота.

Неорганические кислоты на самом деле были гораздо более важны для благоденствия человечества, нежели золото, даже если бы этот металл и было возможным получить трансмутацией. Ценность золота упала бы, как только оно перестало бы быть редкостью, в то время как неорганические кислоты тем ценнее, чем дешевле становится их получение и чем больше их производится. Однако такова уж человеческая природа: минеральные кислоты не произвели на людей сильного впечатления, в то время как алчные поиски золота продолжились.

Однако вскоре, после многообещающего начала, алхимия начала вырождаться уже в третий раз, как это уже случалось сначала у греков, а затем и у арабов. Поиски трансмутации в золото стали почти исключительной территорией мошенников, хотя и большим ученым даже в XVII столетии (Бойль и Ньютон – тому примеры) не удавалось противиться желанию попытать счастья в этом сомнительном деле.

Еще раз, снова, как и при Диоклетиане за тысячу лет до описываемого периода, изучение алхимии было запрещено, не столько из страха перед возможностью успешного производства золота, столько из негодования на мошенников. Римский папа Иоанн XXII провозгласил запрет в 1317 году, и честные алхимики, вынужденные работать в подполье, стали еще более скрытными, чем когда-либо, ну а химические аферы продолжили процветать, как и прежде.

Однако по Европе уже все яростней носились ветры перемен. Остатки Восточной Римской империи (или Византийской империи) со столицей в Константинополе явно доживали последние дни. В 1204 году город подвергся жестокому разграблению западными крестоносцами, и многие греческие научные записи, которые до того времени могли оставаться нетронутыми хотя бы в этом городе, были навсегда и безвозвратно утеряны.

Греки вернули себе город в 1261 году, но это была лишь тень прежнего Константинополя.

В следующие два столетия турецкие завоевательные походы непреклонно подбирались все ближе к городу, и наконец в 1453 году Константинополь пал и с тех пор окончательно стал турецким. И до и после его падения греческие ученые бежали в Западную Европу, забирая с собой столько книг, сколько удавалось спасти. Лишь ничтожная часть греческих знаний оказалась доступной Западу, но даже они послужили мощным побудительным началом.

То была еще и эпоха больших географических открытий, которым способствовало изобретение (в XIII столетии) магнитного компаса. Было изучено побережье Африки, и в 1497 году мореплавателям удалось обогнуть континент. Обойдя исламский мир и достигнув Индии морем, Европа получила возможность напрямую торговать с Дальним Востоком. Еще более потрясающими оказались морские походы Христофора Колумба с 1492 по 1504 год, благодаря которым было открыто другое полушарие, хотя сам Колумб никогда и не признавал этого факта.

Так много неизвестного великим греческим философам обнаруживалось европейцами, что неизбежно должно было прийти понимание, что древние греки в действительности не обладали всеобъемлющим знанием. Европейцы доказали свое превосходство в мореплавании и навигации и вполне могли доказать свое превосходство в других областях тоже. Определенный психологический барьер был преодолен, и стало легче подвергать сомнению умозаключения древних.

В ту же самую эпоху открытий немецкий изобретатель Иоганн Гутенберг (1397–1468) изобрел первый практичный печатный пресс, используя разборный шрифт, который собирался каждый раз, когда требовалось напечатать желаемую книгу. Впервые в истории появилась возможность издавать недорогие книги в необходимом количестве, без опасения ошибок при копировании (хотя, конечно, никто не исключал ошибки в наборе).

Благодаря технике печати взгляды, не обретшие популярности, уже не обязательно были обречены на умирание из-за того, что никто не хотел взять на себя труд переписать подобную книгу. Так, одной из первых книг, появившихся в печатном виде, стала поэма Лукреция, которая распространила атомистичную теорию по всей Европе.

В 1543 году были изданы еще две книги с революционными взглядами. Прежде, до эпохи книгопечатания, ортодоксальные мыслители просто-напросто игнорировали бы их. Но книги разошлись повсюду и уже не могли остаться незамеченными. Одна из книг принадлежала перу польского астронома Николая Коперника (1473–1543), который утверждал, что вовсе не Земля, как настаивали великие древнегреческие астрономы, а Солнце является центром Вселенной. Автором второй книги был фламандский анатом Андреа Везалий (1514–1564), который описал анатомию человека с беспрецедентной точностью. Исследование основывалось на личных наблюдениях Везалия и опровергало многие из верований, почерпнутых из древнегреческих источников.

Это одновременное ниспровержение греческой астрономии и биологии (хотя в других областях греческие представления продержались еще целое столетие и даже много дольше) отметило начало научной революции. В мир алхимиков революционная мысль проникала крайне замедленно, но ее влияние все же понемногу давало о себе знать, как в минералогическом, так и в медицинском направлениях.

Конец алхимии

Революционный дух проявился в работах двух современников, двух врачей, немца Георга Бауэра (1494–1555) и швейцарца Теофраста Бомбаста фон Гогенгейма (1493–1541).

Бауэр больше известен как Агрикола, что по по-латыни означает «земледелец» (как и Бауэр по-немецки). Минералогией он интересовался из-за ее связи с приготовлением лекарств в медицине. В сущности, эта связь между лекарствами и минералами, как и комбинация врач – минералог, станет весьма характерной в развитии химии на последующие два с половиной столетия. Книга Агриколы De Re Metallica (русское название «Двенадцать книг о металлах») (см. рис. 3) была издана в 1556 году. В ней он суммировал все практические знания по добыче и переработке руды, которые сумел почерпнуть у рудокопов того времени.

Эта книга, написанная понятным и доступным языком, с великолепными рисунками горнодобывающих орудий, сразу же приобрела популярность и даже сегодня остается образцом классического научного труда⁴.

Рис. 3. Титульный лист работы Агриколы «Двенадцать книг о металлах»

Опубликование «Двенадцати книг о металлах», этого самого значимого труда по химической технологии, существовавшего до начала XVIII века, ознаменовало появление минералогии как науки. (До Агриколы самой ценной книгой по металлургии в частности и прикладной химии в целом была книга пресвитера Теофила (предположительно грека), который жил приблизительно в XI веке н. э.)

Что касается фон Гогенгейма, то он прославился в веках под псевдонимом, который сам себе придумал. Он назвал себя Парацельсом, что означает «превосходящий Цельса», римского философа и врача, чьи работы по медицине на тот момент были уже опубликованы в печатном виде. Эти труды были объектом большого и, на взгляд Парацельса, ошибочного поклонения.

Парацельс, как и Авиценна пятью веками ранее, отобразил смену приоритетов в интересах алхимиков от золота к лекарствам. Цель алхимии, настаивал Парацельс, состояла не в том, чтобы обнаружить методы для получения золота, но чтобы готовить лекарства для борьбы с болезнями. В более ранние времена для этой цели много чаще использовались растения, но Парацельс искренне верил в эффективность применения минералов в качестве лекарств.

Парацельс оставался алхимиком старой школы, несмотря на смещение акцента с превращения к минералогии. Он признавал четыре элемента греков и три составляющих (ртуть, сера и соль) арабов. Он нескончаемо искал философский камень для создания эликсира жизни. И даже утверждал, что нашел таковой. Он также, что более правдоподобно, выявил и назвал металл цинк, и некоторые даже считают его первооткрывателем, хотя цинк, в виде руды и в виде сплава с медью (латунь или желтая медь), был известен еще в античные времена.

Еще спустя полвека после своей смерти Парацельс был окружен противоречиями. Последователи добавили мистического содержания в его взгляды и превратили их в своего рода бессмысленный фетиш. Подобное искажение встречало осуждение в эпоху, когда алхимия все больше и больше переходила в эру ясности и рациональности.

Так, например, немецкий алхимик Андреас Либау (1540–1616), больше известный под латинизированным именем Либавий, в 1957 году опубликовал книгу «Алхимия». Эта работа представляла собой краткое изложение всех средневековых достижений алхимии и может рассматриваться как первый учебник по химии, достойный внимания, будучи написан ясно и понятно, без мистицизма. В сущности, он едко нападал на затуманенные теории, которые называл «парацелсианскими», хотя и соглашался с Парацельсом, что главным назначением алхимии было обслуживание медицины.

Либавий первым описал приготовление хлористоводородной кислоты, тетрахлорида олова и сульфата аммония. Он также описал приготовление aqua regia («царской водки»), смеси азотной и соляной кислоты, которая получила название из-за способности растворять золото. Он даже предположил, что неорганические вещества можно идентифицировать по форме кристаллов, которые образуются при выпаривании раствора. (Прозрение на три с половиной века! Расположение атомов внутри кристалла строго индивидуально для каждого вещества, что сейчас широко используется для идентификации веществ методом рентгеновской дифракции. Если углы, которые образуют грани, отличаются от прямых и других высокосимметричных, они тоже строго индивидуальны. – Ред.)

Тем не менее он был уверен, что процесс превращения возможен, и открытие способа получения золота остается важнейшим результатом химических исследований.

Более специализированный учебник был опубликован в 1604 году немецким издателем Иоганном Тольде (о котором больше ничего не известно). Он приписал книгу средневековому монаху Базилю Валентину, но мы можем почти с уверенностью считать, что это имя – лишь его собственный псевдоним. Книга, названная «Триумфальная колесница сурьмы», посвящена средневековому использованию этого металла и производных соединений.

Еще позже появился немецкий химик Иоганн Рудольф Глаубер (1604–1668), который открыл метод получения соляной кислоты воздействием серной кислоты на обычную соль. В процессе он получил осадок сульфата натрия, который мы до сих пор именуем глауберовой солью.

Глаубер сосредоточил свое внимание на этом веществе и глубоко изучил его свойства, заметив его эффективность как слабительного. Он назвал вещество sal mirabile («волшебная соль») и объявил его едва ли не средством от всех болезней, почти эликсиром жизни. Глаубер занялся промышленным производством этого соединения, так же как и других, которые считал медицинскими препаратами. Это приносило ему хороший доход. Обеспечивал значительно менее драматический способ существования по сравнению с теми, кто был одержим поисками способа производства золота, и намного более полезный и прибыльный.

Экономическая сторона оказалась весьма убедительной даже для тех, кто был невосприимчив к рациональным научным аргументам. В области изучения минералов и лекарственных средств было достаточно всего такого, что приносило пользу и доход, чтобы впустую тратить время на безрассудное бесконечное кружение вокруг золота. По сути на протяжении XVII столетия алхимия стабильно теряла свое значение, и в XVIII столетии внимание перешло к тому, что мы сегодня назвали бы химией.

Глава 3
Переход

Система мер

И все же, несмотря на свои успехи, химическое знание в определенных аспектах отставало от других областей науки.

В астрономии важность количественных измерений и применения математических методов была осознана еще во времена Античности. И прежде всего потому, что задачи, стоявшие перед древними астрономами, были относительно просты, а некоторые из них решались достаточно верно даже с помощью планиметрии.

Применение математики и тщательного измерения в физике приобрело существенное значение благодаря итальянскому ученому Галилео Галилею (1564–1642), который изучал поведение падающих тел в 1590-х годах. Результаты его работы привели, почти столетие спустя, к важным выводам английского ученого Исаака Ньютона (1642–1727). В своей книге Principia Mathematic а, изданной в 1687 году, Ньютон представил свои три закона движения, которые на протяжении более чем двух столетий служили основой науки механики. В той же книге Ньютон анонсировал свою теорию тяготения, которая также прослужила в течение больше чем двух столетий успешным и дающим верные результаты механизмом работы Вселенной и до сих пор остается верной в пределах, ограниченных доступными лично нам наблюдениями и скоростями. В теории он использовал математический анализ, новый и действенный раздел математики, который сам и разработал.

Научная революция достигла кульминации в лице Ньютона. После этого уже не имело никакого смысла обращаться к грекам или каким бы то ни было древним. Западная Европа далеко превзошла их, и больше не было необходимости оглядываться назад.

Но в области химии не происходило ничего подобного, начиная от простого качественного описания до осторожного количественного измерения, в течение целого столетия, прошедшего после кульминационной работы Ньютона. На самом деле все то время, пока Ньютон строил современную структуру астрономии и физики, столь красивую и основательную, и так преобразовавшую научный мир, он сам оставался погрязшим в алхимию. Он страстно искал по всей Европе рецепты, посредством которых надеялся путем трансмутаций получить золото.

Это упорство в неправильном подходе нельзя относить только к ошибке химиков. Они не спешили перенимать количественные математические методы Галилео и Ньютона, но ведь и материал, с которым они имели дело, сложнее было представить в достаточно простой для математической обработки форме.

Тем не менее наука химия шла вперед, и смутные признаки грядущей химической революции встречались то тут, то там даже во времена Галилея. Такие признаки обнаруживаются, например, в работе фламандского врача Яна Баптиста ван Гельмонта (1577–1644). Он выращивал дерево в заранее измеренном количестве почвы, периодически добавлял воду и тщательно взвешивал дерево по мере его роста. Надеясь обнаружить источник живой ткани, сформированной деревом, он применял измерение к задачам химии и биологии.

До ван Гельмонта единственным известным и изучаемым воздухоподобным веществом, также служившим и одним из элементов Вселенной у греков, был сам воздух, который казался особенным и непохожим на другие вещества. Безусловно, в своих экспериментах алхимики часто получали «духи» и «пары», но то были неуловимые вещества, которые трудно изучать и наблюдать и легко игнорировать.

Тайна этих паров подразумевалась уже в самих названиях, данных жидкостям, которые легко испарялись. Они шли под общим названием spirits («дух»), слово, первоначально означавщее «дыхание» или «воздух», но несущее также очевидное ощущение таинственности и даже сверхествественного. Мы [англичане] до сих пор говорим «spirits of alcohol» («дух алкоголя») и «spirits of turpentine» («дух терпентина» (скипидара). Алкоголь так долго известен в качестве самой известной из летучих (быстро испаряющихся) жидкостей, что «духом» стали, в частности, называть алкогольные напитки.

Ван Гельмонт был первым химиком, который внимательно отнесся к парам, которые у него получались, и стал изучать их. Он обнаружил, что по физическим проявлениям они схожи с воздухом, но не во всех свойствах. В частности, он получил пары от сжигания древесины, которые походили на воздух, но вели себя не совсем как воздух.

Для ван Гельмонта эти воздухоподобные вещества без фиксированного объема или установленной формы были в чем-то родственны греческому «хаосу»; первоначальному материалу, бесформенному и беспорядочному, из которого Вселенная (согласно греческому мифу) и была создана. Ван Гельмонт дал парам название «хаоса», но записал слово в соответствии с его фонетическим звучанием по-фламандски, что превратило их в «газ». Газами и сегодня называют все воздухоподобные вещества.

Специфический газ, который ван Гельмонт получил при сжигании древесины, который он изучал с особой тщательностью и называл gas sylcestre («газ из древесины»), мы называем сегодня углекислым газом.

Именно изучение газов, самой простой формы вещества, впервые позволило применить методы тщательного измерения и открыло дорогу в мир современной химии.

Закон Бойля

К концу жизни ван Гельмонта газы (и особенно воздух, поскольку он был наиболее распространенным газом) приобрели новое и существенное значение. Итальянский физик Эванджелиста Торричелли (1608–1647) сумел доказать в 1643 году, что воздух оказывает давление. Он установил, что воздух поддерживает столбик ртути высотой тридцать дюймов, и изобрел барометр.

Газы в одночасье заметно потеряли в загадочности. Стало ясно, что они тоже представляют собой вещество, обладающее весом так же, как и более легко изучаемые жидкости и твердые тела. Они отличались от жидкостей и твердых тел в основном своей намного более низкой плотностью.

Давление, оказываемое весом атмосферы, удивительным образом продемонстрировал немецкий физик Отто фон Герике (1602–1686). Он изобрел воздушный насос, с помощью которого мог вытягивать воздух из сосудов так, чтобы воздушное давление на внешней стороне больше не было уравновешено воздушным давлением изнутри.

В 1654 году Герике изготовил два металлических полушария, которые плотно прилегали друг к другу и соединялись по кромке, смазанной густой смазкой. Когда полушария были соединены и воздух в образовавшемся внутреннем объеме удален воздушным насосом, давление воздуха извне плотно скрепляло полушария. Привязанные к каждому из полушарий упряжки лошадей, подхлестываемых вожжами, тянули полушария каждая в свою сторону, но не были в силах их разделить. Когда же воздух снова получал доступ в образовавшийся шар, они разваливались без посторонних усилий.

Подобные демонстрационные опыты пробудили большой интерес к свойствам воздуха. В частности, они разбудили любопытство ирландского химика Роберта Бойля (1627–1691). Он изобрел свой собственный воздушный насос, который был даже лучше, чем у Герике. Затем, произведя опыты с откачиванием воздуха из емкости, он перешел к противоположным экспериментам, пытаясь выполнить обратную процедуру сжатия.

В ходе экспериментов Бойль обнаружил, что объем образца воздуха зависит от давления в нем согласно простой обратной пропорциональности (см. рис. 4). Он обнаружил это, поместив ртуть в очень длинную, специально построенную трубу и заполнив воздухом короткий конец, который был оснащен запорным краном. Добавляя большее количество ртути через длинный открытый конец, он мог увеличивать давление на воздух. Когда он добавлял достаточно ртути, чтобы набранный воздух оказывался под удвоенным давлением (удвоенным весом ртути), объем набранного воздуха делился пополам. Если давление утраивалось, объем уменьшался до трети. В то же ввремя, если давление ослабевало, объем увеличивался. То, что объем уменьшается пропорционально давлению, было впервые опубликовано в 1622 году и до сих пор называется законом Бойля.

Это было первая попытка точно измерить изменения в веществах, представлявших особенный интерес для химиков⁵.

Бойль не уточнял, что температура при этом должна быть постоянной, и только тогда закон соблюдается. Вероятно, он понял это и считал само собой разумеющимся. Однако французский физик Эдм Мариотт (1630–1684), который вывел этот закон независимо от Бойля, приблизительно в 1680 году, детализировал, что температура должна поддерживаться постоянной. По этой причине закон Бойля в континентальной Европе часто упоминается как закон Мариотта.

Рис. 4. Закон Бойля, который установил обратные отношения давления и объема газа при постоянной температуре, получен в результате эксперимента, иллюстрированного ниже. Ртуть, помещенная в длинный конец трубки, нагнетает воздух, закаченный в короткий конец трубки. Удвоение колонки ртути уменьшило объем воздуха вдвое. Пропорции графически отражены на кривой выше, являющейся частью гиперболы

Эксперименты Бойля переместили центр внимания на прибывающих числом последователей атомарной теории. Как я уже упоминал ранее, поэма Лукреция, представленная в напечатанном издании, уже преподнесла вниманию европейских ученых взгляды греков на атомистическую картину мира. Под влиянием этих взглядов французский философ Пьер Гассенди (1592–1655) стал убежденным атомистом, а его работы впечатлили Бойля, который вслед за ним тоже стал приверженцем атомистической теории.

Пока внимание было сконцентрировано только на жидкостях и твердых телах, доказательства атомистической теории во времена Бойля оставались не лучшими, нежели во времена Демокрита. Жидкости и твердые тела можно сжать лишь на незначительную величину. Если они состоят из атомов, те атомы должны быть связаны, и их нельзя сдвинуть ближе. Но доказать, что жидкости и твердые тела должны быть составлены из атомов, трудно, поскольку, если бы они были составлены из непрерывного вещества, их было бы очень трудно сжать. Зачем же тогда озадачиваться атомами?

Воздух же, как было отмечено еще в античные времена и как Бойль доказал столь ясно и эффектно, легко сжимается. Разве это было бы возможным, если бы воздух не состоял из крошечных атомов, отделенных друг от друга большим свободным пространством? Сжатие воздуха просто означало, с подобной точки зрения, сжатие пустого места и уменьшение его объема и подталкивание атомов ближе друг другу.

Если принять подобное представление о газах, становится проще поверить, что и жидкости, и твердые тела также составлены из атомов. Например, вода испаряется. Разве это было бы возможно, если бы не исчезала крошечная частица за крошечной частицей, и что тогда может быть проще, чем предположить, будто вода превращается в пар «атом за атомом»? Если вода нагрета, она кипит, и пар формируется прямо на глазах. Водяной пар имеет физические свойства воздухоподобного вещества, и поэтому естественно предположить, что он состоит из атомов. Но если вода состоит из атомов в газообразной форме, почему бы ей не состоять из атомов также и в жидкой форме, и в твердой форме в виде льда? И если это истинно для воды, почему тогда не для всех веществ?

Аргументы подобного рода были впечатляющи, и впервые со времен, когда две тысячи лет назад было допущено существование атомов, атомистическая теория начала завоевывать многочисленных последователей. Ньютон, например, стал атомистом.

Тем не менее атомы остались туманной концепцией. Ничего нельзя было сказать о них, за исключением того, что, если допустить их существование, поведение газов становилось легко объяснимо. Потребовалось еще полтора столетия, прежде чем атомизм наконец-то вошел в самый фокус.

Новый взгляд на элементы

С приходом Бойля в науку исчезли термины «алхимия» и «алхимик». Бойль пропустил первый слог термина при написании книги «Химик-скептик», изданной в 1661 году. С того времени и по сей день наука стала химией, а те, кто работал в этой области, – химиками.

Бойль был «скептиком», потому что он больше не желал принимать вслепую древние заключения, которые были выведены из первых принципов. В частности, Бойля не устраивали попытки древних идентифицировать элементы Вселенной простыми логическими умозаключениями. Вместо этого он определил элементы прозаичным, практическим способом. Элемент, как это считалось со времен Фалеса, был одним из основных простых веществ, из которых и состояла Вселенная. Что ж, тогда надо проверить, действительно ли нельзя предполагаемый элемент разложить на составляющие. Если вещество можно расщепить на более простые вещества, оно не является элементом, а более простые вещества могут ими считаться, если только химики не научатся расщеплять их на еще более простые вещества.

Кроме того, если каждое из двух веществ было элементом, их можно объединить так, чтобы сформировать третье вещество, называемое соединением. Если это так, то это соединение всегда возможно разделить на два первоначальных элемента.

Термин «элемент» в этом смысле имел только практическое значение. Вещество, такое как кварц, например, могло рассматриваться элементом до того времени, когда химики-экспериментаторы обнаружили путь преобразования его в два или более простых вещества. По сути, при подобных представлениях никакое вещество нельзя было раз и навсегда объявить элементом, разве только во временном смысле, поскольку неверно быть абсолютно уверенным, что по мере приобретения нового знания не возникнет возможность изобрести метод для разрушения предполагаемого элемента на еще более простые вещества.

И только в XX столетии стало понятным, что характер элементов можно определять и в постоянном смысле.

Простой факт, что Бойль считал необходимым экспериментальный подход в определении элементов (подход, который в конечном счете и был принят), не подразумевает, что он знал, каковы были эти элементы. В конце концов, тогда еще невозможно было исключать многого, например того, что экспериментальный подход докажет, что именно элементы греков – огонь, воздух, вода и земля – в действительности являются элементами.

Бойль был убежден, например, в истинности алхимической точки зрения о том, что различные металлы не являлись элементами и что один металл можно преобразовать в другой. В 1689 году он убеждал британское правительство отменить закон против изготовления золота алхимиками, так как считал, что, изготовляя золото из обычного, неблагородного металла, химики сумеют доказать атомистические взгляды. Но в этом вопросе Бойль заблуждался; металлы действительно оказались элементами. Фактически в античные времена были известны девять веществ, которые мы теперь признаем как элементы: это семь металлов (золото, серебро, медь, железо, олово, свинец и ртуть) и два неметалла (углерод и сера). Кроме того, имелось еще четыре вещества, теперь признанные как элементы, которые открыли средневековые алхимики: мышьяк, сурьма, висмут и цинк.

Сам Бойль был на волосок от открытия нового элемента. В 1680 году он выделил фосфор из мочи. Однако приблизительно за пять или десять лет до этого подобного же добился немецкий химик Хенниг Бранд (?–1692). Бранда иногда называют «последним из алхимиков», и действительно, он совершил открытие, в то время как искал философский камень, наверное, в последнем из мест, где еще не искали, – в моче. Бранд оказался первым, кто обнаружил элемент, который не был известен (по крайней мере в некоторой форме) до развития современной науки.

Флогистон

Открытия XVII века, касающиеся давления воздуха и тех необычных опытов и трюков, которые можно было выполнять, производя вакуум и заставляя воздушное давление работать, имели важные последствия. Некоторые люди осознали, что вакуума можно добиться без использования воздушного насоса.

Предположим, что вы кипятили воду и заполнили резервуар паром, затем охладили этот резервуар холодной водой с внешней стороны. Пар в пределах резервуара уплотнится и сконденсируется в несколько капель воды, и на его месте образуется вакуум. Если бы одна из стенок резервуара была подвижна, воздушное давление с другой стороны вдавило бы ту стенку в резервуар.

Подвижная стенка снова начала бы движение обратно, если бы образовалось большее количество пара, который снова направили бы в резервуар, а затем опять затянулась внутрь, если бы пар еще раз был конденсирован. Если вы представите, что подвижная стенка является частью поршня, то увидите, что поршень будет двигаться внутрь и наружу, и это движение внутрь и наружу можно использовать, чтобы, например, управлять насосом. К 1700 году такой паровой двигатель фактически был изготовлен английским инженером Томасом Савери (1650–1715). Это было опасное устройство, потому что в нем использовался пар под высоким давлением, а в то время с ним еще не умели правильно обращаться. Однако другой англичанин, Томас Ньюкомен (1663–1729), в сотрудничестве с Савери изобрел паровой двигатель, который работал уже при низком давлении (см. рис. 5.) Этот двигатель был усовершенствован и превращен в действительно практичное устройство к концу XVIII столетия шотландским инженером Джеймсом Ваттом (1736–1819).

В результате этих трудов человечество перестало быть зависимым только от собственных мускулов или мускулов животных. Человек перестал зависеть и от беспорядочной силы ветра или быть привязанным к местам, где встречается текущая вода. Вместо этого он получил источник энергии, к которому мог обратиться в любое время и в любом месте, просто вскипятив воду горящими дровами или углем. Это стало главной вехой, отметившей начало индустриальной революции.

Рис. 5. Насосный двигатель Ньюкомена, работающий при атмосферном давлении. Холодная вода, распыляемая в цилиндр, конденсирует пар, создавая вакуум. Поршень опускается в вакуум и возвращается на вершину хода новым введением пара через клапан из котла

Интерес к возможности использования огня для новых нужд и, посредством парового двигателя, привлечения его к выполнению тяжелой физической работы стал возрастать приблизительно с 1650 года, и это дало химикам новый стимул к изучению свойств самого огня. Почему некоторые вещи воспламеняются, а другие нет? Какова природа возгорания?

В понимании древних греков все, что могло гореть, содержало в себе элемент огня, который высвобождался при определенных условиях. Алхимические представления были схожи, только у них горючие вещества содержали элемент сера (хотя и не обязательно фактическую серу).

В 1669 году немецкий химик Иоганн Иоахим Бехер (1635–1682) попытался усовершенствовать это представление, введя новое понятие. Он предположил, что твердые вещества состоят из трех видов «земли», один из которых, названный им terra pinguis («жирная земля»), и является ответственным за свойство горючести.

Последователем довольно расплывчатого учения Бехера был немецкий врач и химик Георг Эрнст Шталь (1660–1734). Для обозначения сущности воспламеняемости он ввел новое название флогистон, от греческого слова, означавшего «чтобы поджечь». И он стал разрабатывать схему, объясняющую горение с участием флогистона.

Горючие вещества, настаивал Шталь, были богаты флогистоном, и процесс горения вызывал выброс флогистона в воздух. То, что оставалось после воспламенения, было лишено флогистона и больше не могло гореть. Так, древесина содержала флогистон, а зола уже нет.

Более того, Шталь утверждал, что ржавление металлов аналогично горению древесины, и полагал, будто металл обладал флогистоном, в то время как ржавчина (или окалина) – нет. Это было полезное озарение, которое сделало возможным выдвинуть рациональное объяснение процесса преобразования руд в металлы – первое большое химическое открытие цивилизованного человека. Объяснение было следующим: руда, бедная флогистоном, нагревается с помощью угля, насыщенного флогистоном до предела. Флогистон переходит из угля в руду, богатый флогистоном уголь превращается в бедную флогистоном золу, в то время как бедная флогистоном руда становится богатым флогистоном металлом.

Воздух же Шталь считал только косвенно полезным для горения – он был проводником флогистона, когда тот покидает древесину или металл и переходит в другое вещество (если таковое на тот момент доступно).

Теория флогистона Шталя сначала была встречена с неприятием, особенно от нидерландского врача Германа Бургаве (1668–1738), который считал невероятным, что обычное горение и ржавление могут быть лишь различными видами одного и того же явления.

Безусловно, только в одном случае имеется присутствие пламени, но для Шталя объяснение состояло в том, что при сгорании веществ вроде древесины флогистон улетучивался настолько быстро, что его выход нагревает окружающую среду и становится видимым, как пламя. При ржавлении потеря флогистона шла много медленнее, и никакого пламени не появлялось.

Несмотря на противостояние Бургаве, теория флогистона в течение XVIII столетия постепенно завоевала популярность. К 1780 году она была почти повсеместно принята химиками, так как, казалось, объясняла столь много всего и столь ясно.

И все же оставалось противоречие, которое ни Шталь, ни его последователи не могли объяснить. Наиболее горючие предметы, такие как древесина, бумага и жиры, казалось, в значительной степени исчезали после сжигания. Остающаяся сажа или зола были намного легче, чем первоначальное вещество. Возможно, этого следовало ожидать, так как флогистон покидал первоначальное вещество.

Однако ржавеющие металлы, согласно теории Шталя, тоже теряли флогистон, а все же проржавевший металл был куда тяжелее, чем исходный чистый металл (факт, который был отмечен алхимиками еще в 1490 году). Получалось, флогистон имел отрицательный вес, и вещество, которое теряло его, становилось тяжелее прежнего, как некоторые химики XVIII века пытались утверждать? Если так, то почему древесина теряла в весе при сжигании? Или существовало два вида флогистона, один с весом и один с отрицательным весом?

Это оставшееся без разрешения противоречие не казалось столь серьезным в XVIII столетии, как оно кажется нам сегодня. Мы привыкли измерять явления точно, и необъясненное изменение в весе будет нас беспокоить. Химики же XVIII века еще не принимали важность точных измерений и легко сбрасывали со счетов нестыковки. Пока теория флогистона объясняла изменения во внешнем виде и свойствах, необъясненные особенности в изменении веса, как они полагали, можно было игнорировать.

Глава 4
Газы

Углекислый газ и азот

Объяснение загадочных изменений в весе при сгорании конечно же заключалось в газах, которые появлялись или исчезали при образовании продуктов горения. Несмотря на постепенно растущее со времен ван Гельмонта, жившего столетием раньше, знание о газах, во времена Шталя никто еще не пытался брать их в расчет, разве только все признавали их существование. Размышляя об изменениях веса при сгорании, исследователи не замечали ничего, кроме твердых тел и жидкостей. Зола была легче, чем древесина, но как быть с газами, выделяемыми горящей древесиной? Никто не обращал на них внимания. Ржавеющий металл тяжелее, чем сам металл, но поступало ли что-нибудь из воздуха? И этим никто не интересовался.

Прежде чем это упущение могло быть исправлено, химикам еще предстояло поближе познакомиться с газами. Страх перед веществом, которое казалось настолько трудным собрать, удержать и изучать, предстояло еще преодолеть.

Английский химик Стивен Гэйлс (1677–1761) еще в начале XVIII века сделал шаг в правильном направлении, научившись собирать газы над водой. Пары, выделяемые в результате химической реакции, отводились посредством трубки во флягу, которая располагалась в перевернутом состоянии в бассейне с водой. Газ поднимался пузырьками вверх во флягу, вытесняя оттуда воду и выталкивая ее через открытое горлышко.

В конечном счете у Гэйлса оказывалась фляга, полная специфического газа или газов, полученных в ходе химической реакции.

Сам он не пытался различать выделенные и захваченные им газы или изучать их свойства. Но уже один тот факт, что он изобрел простой метод для сбора газов, имел первостепенную важность.

Другой важный шаг был сделан шотландским химиком Джозефом Блэком (1728–1799). В 1754 году он получил ученую степень по медицине, но то была эра, когда минералогия и медицина тесно переплетались, и его диссертация была, в сущности, химической. Он опубликовал полученные им результаты в 1756 году. Блэк нагревал известняк (карбонат кальция) до высокой температуры. Известняк разлагался, образуя известь (окись кальция) и выделяя газ. Полученный газ оказалось возможным повторно соединить с окисью кальция и снова получить карбонат кальция. Сам же газ (диоксид углерода) по свойствам совпадал с «древесным газом» ван Гельмонта, но Блэк назвал его «связанным воздухом», поскольку он легко может быть связан («фиксируется») и стать частью твердого вещества.

Полученные Блэком результаты были важны по ряду причин. Во-первых, он показал, что диоксид углерода можно получить и при нагревании минерала, и при сжигании древесины, таким образом обнаружив существенную связь между органическими и неорганическими веществами. Еще он показал, что газообразные вещества можно не только выделять из твердых веществ и жидкостей, но и, как это ни удивительно, соединять с ними и получать при этом другое химическое соединение. Это открытие сняло некоторый покров таинственности с газов и представило их скорее просто еще одной формой материи, обладающей собственными свойствами (химическими, по крайней мере), сходными со свойствами более привычных твердых веществ и жидкостей.

Более того, Блэк показал, что на открытом воздухе оксид кальция медленно превращается в карбонат кальция. Из этого он логически вывел (и это оказалось правильным), что в атмосфере присутствует небольшое количество лесного газа. Впервые появилось ясное свидетельство, что воздух не является простым веществом и поэтому, несмотря на представления греков, не подходит под критерии элементов Бойля, поскольку состоит из смеси по меньшей мере двух различных веществ, а именно обычного воздуха и диоксида углерода.

При изучении воздействия высокой температуры на карбонат кальция Блэк измерил и потерю веса вещества. Он также измерил, сколько карбоната кальция нейтрализует данное количество кислоты. Это был гигантский шаг к применению количественного измерения в изучении химических реакций, метод анализа, который получит полное развитие у Лавуазье.

Изучая свойства углекислого газа, Блэк выявил, что свеча в нем не горит. Обычная свеча, горящая в закрытом контейнере, заполненном обычным воздухом, по прошествии времени гаснет, а оставшийся в контейнере воздух перестает поддерживать пламя. Подобное явление казалось объяснимым, поскольку горящая свеча выделяла диоксид углерода. Но когда диоксид углерода был поглощен химическим путем, в контейнере осталось некоторое количество воздуха. Этот воздух, соответственно, не содержал углекислого газа, но он все равно не поддерживал горение.

Блэк поручил изучение этой проблемы одному из своих учеников, шотландскому химику Даэниэлю Резерфорду (1749–1819). Резерфорд продержал мышь в ограниченном объеме воздуха, пока та не умерла. Затем он поместил зажженную свечу в том воздухе, который остался, и дождался, пока она не погасла. После этого поджег фосфор, поместил его туда же и снова дождался, пока фосфор не перестал гореть. Затем оставшийся воздух был пропущен через раствор, способный поглощать углекислый газ. Оставшийся после этой процедуры воздух не поддерживал горение. Мышь не могла оставаться в нем живой, и свеча гасла.

Резерфорд доложил о результатах этого опыта в 1772 году. Поскольку оба, и Резерфорд и Блэк, были убеждены в верности теории флогистона, они попытались объяснять полученные результаты в рамках этой теории. Поскольку мыши дышали, а свечи и фосфор горели, флогистон выделялся и попадал в воздух, наряду с углекислым газом, который был выделен. Когда позже углекислый газ был поглощен, в воздухе все еще оставалось много флогистона.

Получалось, он теперь содержал столько флогистона, что оказался перенасыщенным им и больше не поглощал флогистон. Именно поэтому горение стало невозможным.

В итоге этих рассуждений Резерфорд назвал газ, который он изолировал, флогистированным воздухом. В наши дни мы называем его азотом, а Резерфорда считаем его первооткрывателем.

Водород и кислород

В это же время два других английских химика, оба являвшихся сторонниками теории флогистона, продолжили изучение газов.

Одним из них был Генри Кавендиш (1731–1810). Он был состоятельным чудаком, который проводил исследования во множестве областей, но делал это для собственного интереса и не всегда публиковал результаты своей работы. К счастью, результаты опытов с газами он все же обнародовал.

Кавендиша особенно интересовал газ, выделяемый при воздействии кислот на некоторые металлы. Этот газ ранее уже получали Бойль и Гэйлс и, возможно, кто-нибудь еще, но Кавендиш в 1766 году стал первым, кто направленно и методично приступил к изучению его свойств. По этой причине ему часто приписывают и открытие этого газа, позже названного водородом.

Кавендиш первым стал измерять вес отмеренных объемов различных газов, с тем чтобы определять их плотность. Он обнаружил, что водород необычайно легок, и его плотность составляет лишь одну четырнадцатую плотности воздуха. (И до сих пор среди всех известных газов водород имеет наименьшую плотность.) Кавендиш обнаружил еще одну отличительную черту этого газа. В отличие от углекислого газа и самого воздуха водород легко воспламенялся. Учитывая его необычайную легкость и воспламеняемость, Кавендиш предположил, что сумел выделить сам флогистон.

Другим химиком был Джозеф Пристли (1733–1804), священник диссентер, питавший глубокий интерес к химии. В поздних 60-х годах XVIII века он получил приход в Лидсе, Англия, и так уж случилось, что приход этот оказался по соседству с пивоварней.

В процессе брожения выделяется углекислый газ, таким образом Пристли имел предостаточно материала для своих экспериментов.

Собирая углекислый газ над водой, он обнаружил, что часть его растворяется и придает воде приятный, чуть кисловато-острый вкус. Такую воду мы сегодня называем сельтерской или содовой. Так как для производства «газировки с сиропом» оставалось добавить только вкусовых или ароматизирующих веществ и сахара, Пристли можно по праву считать отцом современной индустрии прохладительных напитков.

Пристли продолжал изучение других газов и в 70-х годах XVIII века. К тому времени только три газа были известны как отдельные: сам воздух, диоксид углерода, или углекислый газ ван Гельмонта и Блэка, и водород Кавендиша. Резерфорд вот-вот готов был добавить азот четвертым. Пристли, однако, продолжил выделять, собирать и изучать множество других газов.

Его опыт с углекислым газом показал ему, что газы растворяются в воде и могут быть потеряны в опыте, если их собирать над водой, поэтому он попытался собрать их над ртутью. Этим методом ему удалось собрать и изучить такие газы, как оксид азота, аммиак, хлористый водород и диоксид серы (привожу их современные названия), все из которых слишком легко растворимы в воде, чтобы пережить прохождение сквозь нее.

В 1774 году использование ртути в его работе с газами случайно привело Пристли к самому важному из его открытий. Во время нагревания на воздухе ртуть образует кирпично-красную окалину (которую мы теперь называем оксидом ртути). Пристли поместил немного этой окалины в лабораторную пробирку и нагрел ее при помощи линзы, которая фокусировала на ней солнечный свет. Окалина разложилась и снова превратилась в ртуть, металл появился в виде блестящих шариков в верхней части пробирки. Вдобавок разлагающаяся окалина выделила газ с самыми необычными свойствами. Горючие вещества горели в этом газе много ярче и быстрее, чем на обычном воздухе. Тлеющая деревянная щепа, помещенная в сосуд с этим газом, мгновенно вспыхивала.

Пристли попытался объяснить это явление с позиции теории флогистона. Раз предметы так легко сгорают в этом газе, они должны с особой легкостью выделять флогистон. Происходящее было легко объяснить, если только обнаруженный газ представлял собой воздух, полностью лишенный флогистона и соответственно способный наиболее активно поглощать высвобождающийся флогистон. Поэтому Пристли назвал новый газ «дефлогистированным воздухом». (Несколькими годами позже, однако, ему дали новое название – кислород, которое мы используем и сегодня.)

«Дефлогистированный воздух» Пристли действительно казался полной противоположностью «флогистированного воздуха» Резерфорда. У Резерфорда мыши умирали, а у Пристли проявляли особую активность и игривость. Пристли пробовал вдыхать некоторое количество «дефлогистированного воздуха» и почувствовал «легкость и спокойствие».

Но открытие как Резерфорда, так и Пристли предвосхитил шведский химик Карл Вильгельм Шееле (1742–1786), один из группы химиков, которые вывели Швецию на передовой край научной деятельности в XVIII столетии.

Один из этих шведов, Георг Брандт (1694–1768), приблизительно в 1730 году изучал голубоватый минерал, который походил на медную руду, но из которого, к полному неудовольствию горняков, при обычной обработке совсем не выделялась медь. Горняки считали такую руду заколдованной духами земли, которых они называли «кобольды». Брандту удалось определить, что минерал совсем не содержал медь, но зато содержал новый металл (сходный по химическим свойствам с железом), который он назвал кобальтом в честь духов земли.

В 1751 году Аксель Фредерик Кронстедт (1722–1765) открыл очень похожий металл, никель; Йохан Готлиб Ган (1745–1818) получил марганец в 1774 году, а Петер Якоб Гьельм (1746–1813) в 1782 году выделил молибден.

Рис. 6. Паяльная трубка, внедренная в лабораторные исследования шведским химиком Кронстедтом, более столетия служила основным инструментом при исследованиях и используется до сих пор. Струя воздуха из трубки повышает температуру пламени горелки и отводит его в нужном направлении

Открытие этих новых элементов шведскими учеными демонстрировали, какими семимильными шагами развивалась минералогия в Швеции. Кронстедт, например, внедрил стеклодувную паяльную трубку с газовой горелкой для изучения минералов (см. рис. 6). Когда с широкого конца длинной, сужающейся трубки вдувался воздух, он выходил из узкого конца мощной струей. Эта струя, направленная на пламя горелки, заметно повышала температуру пламени.

Помещая в нагретое пламя минералы, ученые научились судить об их составе и свойствах по цвету пламени, а также по выделявшимся парам, окисям или металлам. Эта трубка так и оставалась ключевым инструментом в химическом анализе на протяжении целого столетия. Благодаря такому новому методу было получено немало знаний о минералах, и Кронстедт правомерно счел нужным предложить классификацию минералов не только по их внешнему виду, но и в соответствии с их химической структурой. Книга, подробно описывающая эту новую форму классификации, была издана в 1758 году.

Эту работу продолжил другой шведский минералог, Торберн Улаф Бергман (1735–1784). Бергман вывел теорию, чтобы объяснить, почему одно вещество вступало в реакцию со вторым, но никогда не с третьим. Он предположил существование «сродства» (способность простого тела соединяться с другими элементами и образовывать с ними сложные тела). Он подготовил сложные таблицы, внося в список различные свойства, и эти таблицы оказали большое влияние при жизни их составителя и еще несколько десятилетий после.

Шееле, начинавший жизнь учеником аптекаря, привлек внимание Бергмана, который поддерживал и помогал ему материально. Шееле открыл множество кислот, в том числе виннокаменную, лимонную, бензойную, яблочную, щавелевую и галловую кислоты в растительном мире и молочную и мочевую кислоты в животном, а также молибденовую и мышьяковую минеральные кислоты.

Он выделил и изучил три сильно ядовитых газа: фтористый водород, сероводород и цианид водорода. (Его ранняя смерть предположительно объясняется результатом медленного отравления химическими препаратами, с которыми он работал и которые он, как правило, пробовал на вкус.)

Шееле принимал участие в изучении большинства элементов, честь открытия которых принадлежит его шведским коллегам и друзьям. Наиболее важными из всех являются получение кислорода и азота в 1771 и 1772 годах соответственно. Он выделял кислород, нагревая те вещества, которые удерживали его непрочно, в частности оксид ртути, который использует Пристли спустя пару лет.

Шееле детально описывал свои опыты, но из-за небрежности его издателя описания не появлялись в печати вплоть до 1777 года. К тому времени уже появились труды Резерфорда и Пристли, которым и приписана честь первооткрывателей.