Про флогистон, физических костылях и самой лучшей научной традиции
Шалом, хатулим. Во все времена ученым приходится иметь дело с какой-то не слишком понятной херней, которую надо объяснить местным газетчикам в самых красивых терминах. В наши дни в этой роли выступает темная материя с подтанцовкой в виде упоротых квантовых теорий, но в период нового времени детекторов нейтрино не завезли и пришлось довольствоваться флуидами. В метафизическом понимании ученых далекого тогда, это некая гипотетическая жидкость, являющаяся причиной или переносчиком того или иного физического явления. Этакий удобный костыль для латания дыр в физической модели мира, не он первый, не он последний. О флуидах сегодня на кошке еще напишут, как и об ученых-флуидерастах их поддерживающих, я же кратенько расскажу про флогистон, флуид горения.
В 1667-ом году Иоганн Иоахим Бехер публикует алхимический труд под названием Physica Subterranea. В говорилось, что все минеральные субстанции состоят из трёх “земель”: стеклующейся (terra lapidea); горючей, или жирной (terra pinguis); летучей, или ртутной (terra fluida s. mercurialis). Термин “земли”, унаследованный из алхимии, прячет в себе оксиды металлов или, используя более человеческие и общие для химии с алхимией термины, извести или окалины. Бехер также затронул тему горючести тел, причиной которой, по его мнению, была жирная земля. В процессе горения она расходовалась, а металлы в составе тел приобретали некую “огненную материю”.
Теория Бехера была подхвачена и доработана Георгом Шталем в 1703-ем году и в результате сфокусировалась на вопросах горения и обжига. “Огненная материя” получила название “флогистон”, что по-гречески значит “воспламеняемый”. В состав любого горючего вещества входил флогистон, который, собственно и обеспечивал горючесть. Суть была в чем: когда горит что-то… э-м-м-м… горючее, флогистон выделяется из него и безвозвратно смешивается с воздухом. “Земли” стали считаться соединением металла с флогистоном, и что при горении металл разлагается на «землю» и флогистон. Растения могли выделять его из воздуха и, сгорая, превращаться во флогистон и золу.
Казалось бы, бред собачий, но флогистонная теория многим пришлась по вкусу. В чем же причина? А в том, что эта была первая теория, которая была бы химической, а не алхимической. При всей ее метафизичности она максимально дистанцировалась от алхимической эзотерики, пытаясь оперировать материальными понятиями. Даже алхимик Бехер считал свои начала не отвлечёнными принципами, а некими вещественными элементами. Короче, теория флогистона была для своего времени по-настоящему прорывной штукой, во многом поспособствовавшей тому, чтобы химия окончательно оформилась как отдельная наука и избавилась от алхимического наследия.
Однако, прорывной штукой она была исключительно для своего времени, сейчас же это просто лютая хренотень. Чтобы лучше понять, в чем соль, вооружимся современными представлениями о химии и взглянем на уравнение горения, читай, взаимодействия с кислородом, условного кальция. Можно и не кальция, но с двухвалентными металлами меньше писать циферок. Черта с два ВК позволит мне вставить нормальную химическую стрелочку в уравнение, так что для обозначения того, что мы греем реакцию, я стандартно введу единицу Q как теплоту:
2Ca+O2+Q—>2CaO
Вот только ученые того времени считали оксиды металлов более простыми, читай, состоящими из меньшего количества элементов, веществами, нежели сами металлы. Неудивительно, оксиды металлов буквально под ногами валяются, а чистые металлы хрен получишь, в наличии только медь, серебро да золото, так, стоп… Мы, кажется, внезапно пришли к причинам возникновения алхимии, но ну его нафиг, давайте лучше вернемся к нашим баранам. Запишем теперь то же уравнение, но в соответствии с теорией флогистона и используя современные формулы:
2Сa+Q—>2CaO+Flogiston
Вот оно. Непонимание сути горения, представление его в виде метафизического процесса вместо обычной химической реакции, привело к тому, что потребовалась некое вещество для подгона под существующую модель мира. Как мы можем заметить, оно обладает отрицательной массой, теплотой и вообще является антикислородом, в современном понимании вещей. Мнимая химическая единица, если хотите. Такая же несуществующая, такая же незаменимая теоретически. Впрочем, на несостыковочки обратили внимание не только мы, хотя и не у всех щелкнуло, но об этом позже.
Разобравшись, что же с флогистоном не так, подведем итоги, что нам потребуется, чтобы отправить его на свалку истории.
Раз. Разобраться с отрицательной массой, даже для того времени это был малеха беспредел.
Два. Понять природу воздуха. Если флогистон покидает горящее тело и уходит в воздух, то в составе воздуха должен появляться компонент соответствующей флогистону массы.
Три. Доказать, что “земли” являются сложными веществами относительно простых металлов, а не наоборот.
Стоит отметить, что многие ученые задавались вопросами касательно тех или иных аспектов флогистонной теории. По первому пункту из тех, что выше, на самом деле проехались все, кому не лень, отметился даже Михайло Ломоносов. Но только одному, самому наглому и деятельному, удалось охватить все три. Только он один смог уловить ускользающую суть горения и убедить в своей точке зрения всех остальных. Имя ему Антуан Лавуазье. Так что сейчас я расскажу, как именно он закрывал галочки по всем пунктам, но держим в уме, что галочки закрывал не только он один.
Начал Лавуазье с факта увеличения веса металлов при прокаливании. Собственно, загадочная история отрицательной массы началась с непререкаемого авторитета тех лет, Роберта Бойля, который прокаливал металлы на открытом воздухе и зафиксировал увеличение веса. Считая протекающий процесс реакций разложения, а не синтеза, он заключил, что выделяющийся флогистон имеет отрицательную массу. Лавуазье же прокаливал металлы в закрытых колбах и измерял веса колб не открывая их, что, внезапно, являлось для некоторых ученых тех лет новаторским решением. В итоге вес колб не увеличивался, но масса сухого остатка неизменно прирастала, тогда как масса воздуха убывала пропорционально. В ходе экспериментов он зафиксировал также увеличение сжигаемых масс серы и фосфора, а так же тот факт, что воздух, остающийся после реакции, не способен поддерживать реакцию горения и непригоден для дыхания. Значит, все дело было в каком-то компоненте воздуха, осталось понять в каком.
Со вторым пунктом интереснее. Воздухом и его составом в те годы занимались буквально все. Не будем касаться основных термодинамических законов и равновесий, которые щедро наоткрывали в эти тучные года, нас пока лишь интересует все, что связано с флогистоном. Один из первооткрывателей кислорода Карл Шееле указал, что атмосферный воздух состоит из двух “видов воздуха”: “огненного” и “флогистированного”. Сейчас мы их зовем кислород и азот соответственно. “Дефлогистированный воздух”, кислород, также получил Джозеф Пристли, нагревая оксид ртути. Изучая воздействие кислот на металлы Генри Кавендиш получил водород и подробно описал его свойства в 1767-ом году. Так же он достаточно точно определил процентный состав атмосферного воздуха, удалив из него кислород и азот. А еще смог получить капли воды, пропуская электрическую искру через пары водорода и кислорода. Его трудами тут же воспользовался Лавуазье, попутно попытавшись присвоить первенство открытия, скотина такая. Лавуазье вместе с военным инженером Жаном Батистом Менье пропускают водяной пар через стальной оружейный ствол. Это разложило воду на водород и кислород, который провзаимодействовал с металлом с образованим железной окалины — “земли”. На самом деле, это очень поэтичный эксперимент: Лавуазье убивает одним выстрелом двух зайцев, синтезируя “несинтезируемое” и разлагая “неразлагаемое”. Вода до опытов Кавендиша и Лавуазье считалась неделимым элементом, как и окислы железа.
Что же до третьего пункта, еще в 1777 году Лавуазье после экспериментов с синтезом и разложением оксидов ртути, а также опытов с “дефлогистированным воздухом” Пристли излагает свои взгляды на природу горения перед Академией наук. Более того, он впервые называет открытие Джозефа Пристли “Кислородом” и подчеркивает его особую роль в образовании кислот. Начинается многолетний научный спор сторонников и противников теории флогистона, но стремительно возрастающее количество экспериментов, подтверждающих правоту Антуана Лавуазье, заставляло переходить на его сторону даже самых отъявленных спорщиков. Всех, кроме того самого первооткрывателя кислорода Пристли, скромный служитель церкви держался до последнего.
Итак, что же мы имеем в сухом остатке. “Земли” удалось разложить и синтезировать обратно. Состав воздуха был установлен, и был в нем обнаружен тот самый агент, который взаимодействует с металлами при сжигании. Точные измерения масс и закон сохранения весов не оставили теории флогистона ни единого шанса. Поражение по всем пунктам. Лавуазье торжествовал, практически весь мир, за исключением некоторых упертых ретроградов, принял его кислородную теорию горения.
Что же нам оставила в наследство теория флогистона? Практику ЛЮТЕЙШЕГО УЧЕНОГО СРАЧА, который позже мягко стали называть научной полемикой. Серьезно, в спорах лавуазьедрочеров и флогистонофагов ученые буквально извели пару хороших таких французских лесов для того, чтобы хватило бумаги на все то говно, которое они выплескивали на своих оппонентов по переписке. Лавуазье, впрочем, получил на орехи еще и за то, что крысил результаты научных исследований у сотоварищей. Но все это было правильно, все это было хорошо. Если истина и может рождаться в спорах, то споры научные для этого самое лучшее место. Культы ученой личности рушились под напором аргументов и доказательств, эксперимент потихоньку становился настоящим мерилом научности. Наука училась быть эмпиричной и материальной, доказанной и подтвержденной, и всему это способствовали ясные и четкие аргументы сторон полемики, перемежающиеся посылом по матери. Практика полемики прижилась и широко используется в наши дни. Любая выходящая научная статья должна пройти обзор-проверку других цитируемых и разбирающихся в теме ученых, а защита степеней представляет собой научный спор в самом чистом и лучшем виде.
Засим у меня все, а что сделал Лавуазье, развенчав теорию флогистона, и при чем тут другой флуид теплород, вы узнаете в следующих сериях.
