Антуан Лоран Лавуазье. Его жизнь и научная деятельность

Во второй половине XVIII века химия пребывала в состоянии лихорадочного оживления. Ученые работают не покладая рук, открытия сыплются за открытиями, выдвигается ряд блестящих экспериментаторов – Пристли, Блэк, Шееле, Кавендиш и другие. В работах Блэка, Кавендиша и в особенности Пристли ученым открывается новый мир – область газов, дотоле совершенно неведомая. Приемы исследования совершенствуются; Блэк, Кронштедт, Бергман и другие разрабатывают качественный анализ; результат этого – открытие массы новых элементов и соединений.

А между тем, строго говоря, наука химия еще не существовала. Были факты, накоплявшиеся не по дням, а по часам; были ложные противоречивые теории, кое-как объединявшие эти факты; но науки, то есть правильного объяснения, координации фактов, не было.

Не было основного закона химии, потому что идея вечности материи, высказанная еще Лукрецием и Демокритом, никогда не применялась к химическим явлениям, не формулировалась химически, то есть в виде положения: вес тел, входящих в реакцию, равен весу тел, получаемых в результате реакции. А пока это положение, которое ныне молчаливо подразумевается во всех химических исследованиях, не вошло в сознание ученых, немыслимо было сколько-нибудь правильное объяснение химических явлений: тела весомые смешивались с «невесомыми» (то есть теплотой, светом и пр.), присоединение тела могло уменьшать вес, отделение – увеличивать, и так далее, иными словами – не было правильного представления о простых телах.

Не было метода исследования, потому что весы – главное орудие химии – применялись только случайно, и никому не приходило в голову, что весовое, количественное определение должно всегда, неизбежно, неизменно сопровождать химическое исследование, что в нем-то и лежит ключ к объяснению химических явлений.

Наконец (что и понятно из вышесказанного), основные явления химии – процессы горения и окисления вообще, состав воздуха, роль кислорода, строение главных групп химических соединений (окислов, кислот, солей и прочего) – не были еще объяснены.

Теория флогистона, правда, объединяла, но не объясняла многие из этих явлений. Вот сущность этой теории, основанной Бехером, развитой и переработанной Сталем: она признает существование особого элемента, флогистона, в большей или меньшей степени насыщающего все горючие тела. Он находится, например, в железе и в других металлах. Металл сгорает (окисляется) – флогистон выделяется; в этом разъединении двух тел и состоит горение. В результате получается окись, простое тело: металл минус флогистон. Как видит читатель, это объяснение как раз противоположно действительности; на самом деле металл – простое тело, горение – соединение двух тел; результат горения – сложное тело. Итак, объяснение, даваемое теорией флогистона, было ложно. Но, кроме того, оно было фиктивно: оно вводило в сферу реальных явлений нереальный принцип, нематериальную материю – флогистон, удивительное тело, неуловимое, загадочное, не походившее на все остальные тела, ускользавшее от всякого объяснения, одинаково пригодное для всевозможных теорий и одинаково превращавшее все их в фикцию.

Пока этот призрак путался в химические исследования, наука как объяснение фактов, а не только их накопление, не могла развиваться. И в самом деле, сравнивая воззрения Пристли, Шееле, Макера и других с теорией самого Сталя, мы не видим прогресса. Напротив: факты накопляются, идеи запутываются; бревна и кирпичи сносятся со всех сторон и здание принимает вид все более и более безобразной груды. Довольно благовидное в изложении Сталя учение о флогистоне превращается у его последователей в какую-то фантасмагорию: это уже не одна теория, это – десятки теорий, запутанных, противоречивых, изменяющихся у каждого автора.

Итак, вот что предстояло сделать: найти основной закон химии, руководящее правило химических исследований; создать метод исследования, вытекавший из этого основного закона; объяснить главные разряды химических явлений и, наконец, выбросить мусор фантастических теорий, развеять призраки, мешавшие правильному взгляду на природу.

Эту задачу взял на себя и исполнил Лавуазье. Для выполнения ее недостаточно было экспериментального таланта. К золотым рукам Пристли или Шееле требовалось присоединить золотую же голову. Такое счастливое соединение представлял Лавуазье. Ему принадлежит ряд блестящих открытий, но почти все они были сделаны независимо от него другими учеными. Кислород, например, открыт Байеном и Пристли до Лавуазье и Шееле, независимо от первых трех; открытие состава воды приписывалось, кроме Лавуазье, Кавендишу, Уатту и Монжу (в действительности оно принадлежит Кавендишу). По поводу последнего открытия Лавуазье даже обвиняли в плагиате, в недобросовестном умолчании о будто бы известном ему открытии Кавендиша. Но слава Лавуазье так мало зависит от этих фактических открытий, что нам даже нет надобности касаться вопросов о первенстве. Если бы он не открыл ни одного нового факта, но высказал только свои выводы, свою систему воззрений – его слава не пострадала бы ни на йоту. Он велик как теоретик, как архитектор, строивший из материалов, накопленных трудами многих исследователей; что за важность, если архитектор не таскает сам кирпичи и бревна!

В научной деятельности Лавуазье нас поражает ее строго логический ход. Сначала он вырабатывает метод исследований. Этот подготовительный период завершается в 1770 году работой «О природе воды». Передадим вкратце ее содержание.

Давно уже было замечено, что при выпаривании воды в стеклянном сосуде получается землистый осадок. Отсюда вывели заключение о способности воды превращаться в землю; другие думали, что земля уже существует в воде в виде особого соединения; третьи приписывали образование осадка материи, присоединяющейся извне.

Лавуазье решился проверить эти мнения. Для этого он в течение 101 дня перегонял воду в замкнутом аппарате. Вода испарялась, охлаждалась, возвращалась в приемник, снова испарялась и так далее. В результате получилось значительное количество осадка. Откуда он взялся?

Общий вес аппарата по окончании опыта не изменился: значит, никакого вещества извне не присоединилось. Вес воды после опыта не изменился: значит, она не превратилась в землю. Вес стеклянного сосуда уменьшился на столько же, сколько весил полученный осадок: значит, осадок получился от растворения стекла.

Как видим, в этой работе Лавуазье уже является во всеоружии своего метода – метода количественного исследования. Химия имеет дело с весомыми телами, химические реакции состоят в соединении и разъединении весомых тел, по увеличению или уменьшению веса можно судить о присоединении или отделении вещества.

Все это так просто, ясно, что мы готовы спросить: неужели нужен великий ум, чтобы додуматься до таких простых вещей? Но это ясно и очевидно для нас – после Лавуазье и благодаря ему. А посмотрим на его современников. Через несколько лет после вышеизложенной работы Шееле, блестящий, проницательный, остроумный исследователь, обогативший науку массой крупных открытий, издает трактат о воздухе, в котором среди прочего доказывает, что два весомых элемента – «огненный воздух» (кислород) и флогистон – соединяясь, дают невесомую материю, которая проходит сквозь стенки сосуда и исчезает в виде теплоты и света. Если уж лучшие умы науки бродили в таком тумане, то можно себе представить понятия массы. Только Лавуазье обладал секретом, волшебной палочкой, по мановению которой груда материалов должна была превратиться в царский дворец.

Овладев методом, Лавуазье приступает к своей главной задаче. Работы его, создавшие современную химию, охватывают период времени с 1772 по 1789 год. Исходным пунктом его исследований послужил факт увеличения веса тел при горении. В 1772 году он представил в академию коротенькую записку, в которой сообщал о результате своих опытов, показавших, что при сгорании серы и фосфора они увеличиваются в весе за счет воздуха, иными словами, соединяются с частью воздуха.

Этот факт – основное, капитальное явление, послужившее ключом к объяснению всех остальных. Никто этого не понимал, да и современному читателю может с первого взгляда показаться, что речь здесь о единичном неважном явлении… Но это неверно. Объяснить факт горения значило объяснить целый мир явлений окисления, происходящих всегда и всюду в воздухе, земле, организмах – во всей мертвой и живой природе, в бесчисленных вариациях и разнообразнейших формах. Сюда относятся процессы горения в собственном смысле, медленного окисления, дыхания; продуктами горения являются самые распространенные тела, например, вода, углекислота, бесчисленные окиси и ангидриды.

Лавуазье – и только Лавуазье – понимал значение установленного им факта. Обобщая свои наблюдения, он высказал мысль, что вообще все явления горения и окисления происходят вследствие соединения тел с частью воздуха. Около 60 мемуаров было им посвящено уяснению различных вопросов, связанных с этим исходным пунктом. В них новая наука развивается как клубок. Явления горения естественно приводят Лавуазье, с одной стороны, к исследованию состава воздуха, с другой – к изучению остальных форм окисления; к образованию различных окисей и кислот и уяснению их состава; к процессу дыхания, а отсюда – к исследованию органических тел и открытию органического анализа, и т. д.

В нижеследующем кратком очерке его открытий мы не будем придерживаться строго хронологического порядка, но перечислим сначала чисто химические работы; затем упомянем отдельно о работах, относящихся к физиологии и физике.

Ближайшей задачей Лавуазье являлась теория горения и связанный с ней вопрос о составе воздуха.

В 1774 году он представил академии мемуар о прокаливании олова, в котором сформулировал и доказал свои взгляды на горение. Олово прокаливалось в замкнутой реторте и превратилось в «землю» (окись). Общий вес остался неизменным – следовательно, увеличение веса олова не могло происходить за счет присоединения «огненной материи», проникающей, как полагал Бойль, сквозь стенки сосуда. Вес металла увеличился; это увеличение равно весу той части воздуха, которая исчезла при прокаливании; следовательно, металл, превращаясь в землю, соединяется с воздухом. Этим и исчерпывается процесс окисления: никакие флогистоны, «огненные материи» тут не участвуют. В данном объеме воздуха может сгореть только определенное количество металла, причем исчезает определенное количество воздуха; отсюда мысль о его сложности: «Как видно, часть воздуха способна, соединяясь с металлами, образовывать земли, другая же – нет; это обстоятельство заставляет меня предполагать, что воздух – не простое вещество, как думали раньше, а состоит из весьма различных веществ».

В следующем, 1775 году он представил академии мемуар, в котором состав воздуха был впервые точно выяснен. Воздух состоит из двух газов: «чистого воздуха», способного усиливать горение и дыхание, окислять металлы, и «мефитического воздуха», не обладающего этими свойствами. Названия кислород и азот были даны позднее.

Заметим, что кислород был открыт и описан Пристли раньше Лавуазье. Но что за объяснение дал он своему открытию! По его мнению, окись ртути, превращаясь в металл, отнимает у воздуха флогистон, остается «дефлогистированный воздух» (кислород). При окислении же ртути она выделяет флогистон: получается «флогистированный воздух» (азот). С этой точки зрения воздух является однородной материей, которая, однако, может превращаться в кислород – выделяя флогистон, или азот, насыщаясь флогистоном.

Подобные теории могли возникать только потому, что не обращалось внимания на изменения веса тел при химических реакциях. Вникнем в ход рассуждений Лавуазье. Металл увеличивается в весе, – значит, к нему присоединилось какое-нибудь вещество. Откуда оно взялось? Определяем вес других тел, входивших в реакцию, и видим, что воздух уменьшился в весе на столько же, на сколько увеличился вес металла; стало быть, искомое вещество выделилось из воздуха. Это – метод весового определения; но чтобы понять его значение, нужно признать, что все химические тела имеют вес, что весомое тело не может превратиться в невесомое, что, наконец, ни единая частица материи не может исчезнуть или возникнуть из ничего. Вышеприведенные рассуждения Пристли показывают нам, насколько эти истины, азбучные с нашей точки зрения, были новы и неожиданны для современников Лавуазье. Подавленные старой теорией, они так свыклись с фантасмагориями, что считали бредом его воззрения именно за их ясность и простоту: слишком яркий свет болезненно действовал на глаза, привыкшие к темноте.

В том же мемуаре Лавуазье выяснил строение «постоянного воздуха», как называли тогда углекислоту. Если нагревать окись ртути в присутствии угля, то выделяющийся кислород соединяется с углем, образуя «постоянный воздух».

В трактате «О горении вообще» (1777 г.) он подробно развивает свою теорию. Всякое горение есть соединение тела с кислородом; результат его – сложное тело, а именно «металлическая земля» (окисел) или кислота (ангидрид по современной терминологии).

Теория горения повела к объяснению состава различных химических соединений. Уже давно различались окислы, кислоты и соли, но строение их оставалось загадочным. Не станем перечислять здесь многочисленных мемуаров Лавуазье, посвященных этому предмету: об образовании различных кислот – азотной, фосфорной и пр.; о природе кислот вообще, где он рассматривает их все как соединения неметаллических тел с кислородом: так, с серой он дает серную, с углем – угольную, с фосфором – фосфорную кислоту; о вытеснении водорода металлами при обливании их кислотою и т. д.

Общий результат их можно сформулировать так: Лавуазье дал первую научную систему химических соединений, установив три главные группы – окислы (соединения металлов с кислородом), кислоты (соединения неметаллических тел с кислородом) и соли (соединения окислов и кислот).

Десять лет прошло со времени первой работы Лавуазье, а он почти вовсе не касался теории флогистона. Он просто обходился без нее. Процессы горения, дыхания, окисления, состав воздуха, углекислоты, множество других соединений объяснились без всяких таинственных принципов совершенно просто и ясно – соединением и разделением реальных весовых тел. Но старая теория еще существовала и влияла на ученых. Как мало понимали Лавуазье его коллеги, видно из письма Макера, одного из известнейших химиков своего времени, – письма, относящегося к 1778 году:

«Г-н Лавуазье давно уже стращал меня каким-то великим открытием, которое он держит in petto[1 - в душе (лат.).]и которое должно – шутка сказать! – уничтожить вконец теорию флогистона; я просто умирал от страха, видя его уверенность. Подумайте только, куда же мы денемся с нашей старой химией, если придется перестроить все здание заново? Признаюсь, я был бы совершенно обескуражен! Г-н Лавуазье обнародовал свое открытие – и уверяю вас: у меня гора с плеч свалилась».

Нужно было поставить точку над i, вымести старый мусор из нового здания. В 1783 году Лавуазье напечатал «Размышления о флогистоне». Опираясь на свои открытия, он доказывает полнейшую ненужность теории флогистона. Без нее факты объясняются ясно и просто; с нею начинается бесконечная путаница. «Химики сделали из флогистона туманный принцип, который вовсе не определен точно и, следовательно, пригоден для всевозможных объяснений. Иногда это – весомый принцип, иногда – невесомый, иногда – свободный огонь, иногда – огонь, соединенный с землею; иногда он проходит сквозь поры сосудов, иногда они непроницаемы для него; он объясняет разом и щелочность и нещелочность, и прозрачность и тусклость, и цвет и отсутствие цветов. Это настоящий Протей, который ежеминутно меняет форму».

«Размышления о флогистоне» были своего рода похоронным маршем по старой теории, так как она давно уже могла считаться погребенной.

Однако и новая теория еще натыкалась на многие затруднения. Объяснение процессов дыхания, горения органических тел, образования солей не могло быть полным, пока не объяснилась роль водорода в этих процессах. Лавуазье давно уже занимался этим телом – «горючим газом», как его тогда называли. Но опыты его были неудачны. Он придавал слишком абсолютное значение одному из принципов своей системы. Считая кислород «началом кислотности», он думал получить кислоту и от сожжения водорода. «Я убедился, что при всяком горении образуется кислота: серная – если сгорает сера, фосфорная – если сгорает фосфор, угольная – если сгорает уголь; и я заключил по аналогии, что при сжигании горючего воздуха тоже должна получиться кислота».

С этой целью он произвел ряд опытов, приведших, разумеется, к отрицательному результату. Кислота не получалась, а действительный продукт горения – вода – ускользал от его внимания. Такова сила предвзятых мнений. Если теория, в сущности истинная, но слишком абсолютно понятая, могла затемнить такой исключительно ясный ум, то можно себе представить, к каким результатам должны были приводить теории сплошь ошибочные. После этого мы не станем удивляться приведенным выше мнениям Пристли и Шееле.

Только в 1783 году, после того как Кавендиш показал, что при сжигании водорода образуется вода (но еще не обнародовал своего открытия), Лавуазье представил академии «мемуар, имеющий целью доказать, что вода не есть простое тело». В этом и последующих мемуарах (1784 и 1785 гг.) он разработал предмет со свойственной ему полнотой и точностью. Знал ли он об открытии Кавендиша или нет, это не уменьшает ценности его работ, потому что первый анализ и синтез воды был произведен им при помощи опытов и приборов, которые и ныне описываются в учебниках химии. Далее, важно было не только открыть состав воды, но и вывести последствия этого открытия; а это целиком принадлежит Лавуазье. Он показал, что вода образуется при дыхании вследствие окисления водорода органических тканей; уяснил образование соли при растворении металла в кислоте, показав, что водород, выделяющийся при этом, происходит от разложения воды, кислород которой соединяется с металлом.

Наконец, знание водорода и продукта его окисления дало ему возможность положить основание органической химии. Он определил состав органических тел и создал органический анализ путем сжигания углерода и водорода в определенном количестве кислорода. «Таким образом, историю органической химии, как и неорганической, приходится начинать с Лавуазье» (Н. Меншуткин).

Накопление фактов, открытие новых соединений, уяснение их состава, наконец, новые понятия, внесенные в химию, требовали и соответственной номенклатуры. До сих пор она находилась в хаотическом состоянии: названия давались случайно; часто были описательного характера, например, «самая чистая часть воздуха», «масло антимония»; одно и то же тело имело по нескольку названий – словом, чувствовалась настоятельная необходимость в общей методической, по возможности простой, номенклатуре. Эта задача была исполнена Лавуазье в сотрудничестве с Гитоном де Морво, Фуркруа и Бертолле в сочинении «Methode de nomenclature chimique» (1787 г.). Мы не будем излагать ее в подробностях; напомним только, что принципы ее лежат в основе современной химической номенклатуры.

Когда, таким образом, основы современной химии были созданы, Лавуазье решил соединить данные своих многочисленных мемуаров в виде сжатого очерка. В 1789 году появился его «Traitе de chimie», первый учебник современной химии – явление в своем роде единственное в истории наук: весь учебник составлен по работам самого автора. Разумеется, факты он заимствовал у многих исследователей, – но только факты. Ряд истин, развиваемых в новом учебнике, принадлежит ему. Состав атмосферы, теория горения, образование окислов, кислот и солей, анализ и синтез воды, строение органических тел, органический анализ – все это представляет краткий свод мемуаров Лавуазье. Точное представление о простых телах, основной закон химии, превративший всякую химическую проблему в алгебраическое уравнение, метод количественного исследования установлены им же.

В выработке номенклатуры он принимал существенное участие; термины кислород, водород, азот, углекислота, окисление, окись и другие созданы им же; наконец, большая часть приборов, описанных в новом учебнике, изобретена им самим. Из них достаточно назвать газометр и калориметр, чтобы показать, какое огромное значение имел он и в этой, технической части химических исследований.

С тех пор химия сделала колоссальные успехи, превратилась в науку почти столь же точную, как астрономия или оптика. Она обязана этим Лавуазье, и тот, кто пожелал бы ознакомиться с элементами химии, может и теперь взяться за его «Traitе».

Работы Лавуазье захватили не одну только область химии; они знаменуют собою начало новой эры и в физиологии. До него было сделано много великих анатомических открытий, уяснена топография органов, исследовано обращение крови, млечного сока и так далее – словом, устройство органической машины выяснилось в существенных чертах. Это был период анатомического метода в физиологии. Но действия организма, жизненные явления оставались загадочными. Все объяснялось действием «жизненной силы», фигурировавшей под разными названиями – архея, ????, anima ? так далее.

Лавуазье первым свел явления жизни к действиям химических и физических сил и тем самым нанес сокрушительный удар по теориям витализма и анимизма. Правда, он не успел развить свои принципы с такою несокрушимой силой, как в химии. Там он объяснил все известные в его время факты. В физиологии он проложил новый путь, но успел сделать по нему лишь несколько шагов. Он установил учение о дыхании как медленном окислении, происходящем внутри организма, причем кислород, соединяясь с элементами тканей, дает воду и углекислоту. Обмен газов при дыхании исследован им с такою полнотою, что дальнейшие исследования не прибавили к его данным почти ничего существенного. Не меньшую важность имело его учение о животной теплоте. Она развивается вследствие сгорания тканей за счет кислорода, поглощаемого при дыхании. Количество поглощаемого кислорода увеличивается на холоде, при пищеварении, а особенно при мускульной работе, то есть во всех этих случаях происходит усиленное горение. Пища играет роль топлива: «если бы животное не возобновляло того, что теряет при дыхании, оно скоро погибло бы, как гаснет лампа, когда в ней истощится запас масла».

В этих исследованиях Лавуазье обходился без помощи жизненной силы. Она оказывалась излишней: жизненные явления – по крайней мере те, которых он коснулся, – сводились к химическим реакциям; силы, развиваемые организмом, так же реальны, так же измеримы, как всякие физические и химические силы. «Мы видим соотношения между силами, которые на первый взгляд не имеют ничего общего между собою. Можно вычислить, например, скольким единицам веса соответствуют усилия оратора, который произносит речь, музыканта, который играет на каком-нибудь инструменте. Можно бы было даже свести к механическому выражению труд философа, когда он размышляет, ученого, когда он пишет, композитора, когда он сочиняет музыку».

Много лет прошло, пока в науке установилось рациональное воззрение на жизнь. Лавуазье опередил своих современников по крайней мере на полстолетия. Тем более для него чести.

Занимаясь изучением теплоты, Лавуазье и Лаплас создали важную главу физики – калориметрию, найдя способ измерять относительные количества тепла, выделяющегося при различных реакциях, сравнением количества льда, растворяющегося при этих реакциях. «Калориметр Лавуазье и Лапласа» и поныне описывается в учебниках физики.

До сих пор мы ничего не говорили о распространении новой химии. Нужно ли говорить, что воззрения Лавуазье были встречены нападками, бранью, враждой?.. Какие-то умники в Германии торжественно сожгли «еретика науки» «in effigie» («в изображении», то есть сожгли его портрет).

Однако ему посчастливилось видеть торжество своих идей еще при жизни. Замечательно, что первыми сторонниками его воззрений явились не химики, а математики – Лаплас, Менье, Монж.

В 1785 году Бертолле первым из химиков объявил себя сторонником новых воззрений. В следующем году к нему присоединились Фуркруа и Гитон де Морво. В 1788 году Лавуазье и его последователи предприняли коллективное опровержение старого учения, издав во французском переводе книгу Кирвана «Опыт о флогистоне» и снабдив ее подробными примечаниями; наконец, в следующем году начали издавать журнал «Annales de chimie», проводивший новые химические воззрения. Еще два-три года – и победа могла считаться полной, лишь немногие голоса раздавались в защиту флогистона: Пристли и Ламетри до конца были верны старому учению, но их уже никто не слушал.

Напротив, теперь затянули другую песню. Теория Лавуазье в изложении Фуркруа и других превратилась в теорию французских химиков. Люди, когда-то нападавшие на «научную ересь», разом переменили фронт: ересь оказалась банальной истиной, давно им известной и чуть ли не ими открытой. Словом, повторилось обычное в таких случаях «мы пахали».

Лавуазье был возмущен такими притязаниями. В сборнике своих работ, изданном только после его смерти г-жой Лавуазье, он в резких выражениях требовал восстановления своих прав: «Это не теория французских химиков, как ее называют, это моя теория, моя собственность, и я заявляю свое право на нее перед современниками и потомством».