3. Физическая химия

"Моя химия - физическая".

М. В. Ломоносов.

29 декабря 1753 года Леонард Эйлер писал Шумахеру о Ломоносове: "Ныне таковые умы весьма редки, ибо большая часть остаются при одних опытах и нисколько не хотят о них рассуждать, другие же, напротив, пускаются в такие нелепые рассуждения, которые противны всем основаниям здравого естествознания"¹.

¹ (П. С. Билярский. Материалы для биографии Ломоносова. Спб, 1865, стр. 248. Перевод наш.)

Эйлер прекрасно подметил начавшийся уже в его время разрыв между опытом и теоретическим обобщением, индуктивным и дедуктивным методом познания, постепенный отход естествознания от широких философских проблем. Естествознание в XVIII веке все более и более уходило в частности, стремилось изучить мир в деталях, но мало заботилось об их взаимной связи. Неполнота и недостаточность реальных сведений и наблюдений, слабость экспериментального исследования природы порождали множество бесплодных и фантастических гипотез, тем более непродуктивных, что они уже не опирались на целостную философскую систему. Представители опытных наук, устав от мудрствований и умозрительных теорий, лопающихся, как мыльные пузыри, при соприкосновении со вновь открываемыми фактами, начинали вообще сторониться "философствования" и даже гордились тем, что они избегают "гипотез". Но, как заметил впоследствии Ф. Энгельс, говоря о естествознании XIX века, "философия мстит за себя задним числом естествознанию за то, что последнее покинуло ее"¹, и поэтому те, кто подчас кичился своим превосходством над философами и якобы оставался при одних опытах, на самом деле влачил за собой в науку "остатки давно умерших философских систем"². Стремление остаться в рамках только опытной науки вполне уживалось с общим метафизическим характером естествознания XVIII века, в котором наряду со все увеличивающимся запасом реальных знаний процветали метафизические представления о мире и отдельных силах природы.

¹ (Ф. Энгельс. Диалектика природы, 1948, стр. 162.)

² (Там же, стр. 166.)

Ломоносов необычайно ценил опытное знание. Причину огромных успехов естествознания он видел прежде всего в том, что "ныне ученые люди, а особливо испытатели натуральных вещей, мало взирают на родившиеся в одной голове вымыслы и пустые речи, но более утверждаются на достоверном искусстве", то-есть на точном эксперименте. "Главнейшая часть натуральной науки - физика, - продолжает он, - ныне уже только на одном оном свое основание имеет. Мысленные рассуждения произведены бывают из надежных и много раз повторенных опытов"¹. "Один опыт я ставлю выше, чем тысячу мнений, рожденных только воображением", - указывает он в черновых заметках по физике, относящихся к 1741 -1743 годам. Он тут же подчеркивает, что необходимо "сообразовать опыты с нуждами физики", понимая под этим постоянное теоретическое осмысление полученных опытным путем данных.

¹ (Предисловие к "Волфианской експериментальной физике". В книге: М. В. Ломоносов. Полное собрание- сочинений, т. I. М.-Л., 1950, стр. 424. )

Ломоносов сознавал необходимость гипотез для развития науки. "Они позволительны в предметах философских, и это даже единственный путь, которым величайшие люди успели открыть истины самые важные. Это как бы порывы, доставляющие им возможность достигнуть знаний, до которых умы низкие и пресмыкающиеся в пыли никогда добраться не могут" (статья "О должности журналистов". Перевод с французского перевода).

В этом отношении Ломоносов, в отличие от современных ему близоруких эмпириков, отрицавших значение гипотезы, был представителем мыслящего и развивающегося естествознания, ибо, как заметил Энгельс, "формой развития естествознания, поскольку оно. мыслит, является гипотеза¹".

¹ (Ф. Энгельс. Диалектика природы. 1948, стр. 193.)

Ломоносов настаивает на строгой обоснованности и логической проверке предлагаемых гипотез. "Я при объяснении явлений буду поступать так, чтобы не только они легко объяснялись из основного положения, но и доказывала самое это положение", - определяет он свой метод в уже упомянутых черновых заметках по физике 1741 - 1743 годов.

Истинное познание было возможно для Ломоносова только на основе единства теории и опыта. "Из наблюдений устанавливать теорию, через теорию исправлять наблюдения есть лутчей всех способ к изысканию правды", - говорит он в своем "Рассуждении о большей точности морского пути" (1759).

Отчетливое понимание методов научного изучения природы, роли в нем опыта и гипотезы возвышали Ломоносова над большинством его западноевропейских современников. Отличительным свойством всей его научной работы было сочетание широкого философского подхода к изучению природы с верностью эксперименту. Ломоносов не только не игнорировал опыта, как иногда, к сожалению, думают, но был прекрасным и тонким экспериментатором: находчивым, последовательным, исключительно точным в своих наблюдениях и крайне осторожным в выводах. Измерения Ломоносова не только не уступают по точности измерениям лучших экспериментаторов его времени, но и значительно превосходят их. Так, например, определения растворимости разных веществ, найденные Ломоносовым, значительно превосходят измерения его современника Эллера, работавшего в Берлине над изучением растворов и опубликовавшего свои результаты в 1764 году. Для расширения воздуха от нагревания можно было вывести из данных Ломоносова коэффициент 0,00358, близкий к новейшему (0,00367), тогда как в то время довольствовались грубо приближенным определением Мушенбрека - 0,005.

Только необыкновенная глубина и ясность теоретического мышления Ломоносова, отчетливое представление о целях, задачах и методах научной химии, страсть к экспериментальным исследованиям сделали Ломоносова отцом и основателем физической химии - этой совершенно новой для его времени науки, фактическое возникновение и развитие которой относят лишь к последней трети XIX века.

Физическая химия для Ломоносова - это "наука, объясняющая на основании положений и опытов физики то, что происходило в смешанных телах при помощи химических операций". Ломоносов шел к химии от физики. Уже в своей диссертации "О рождении и природе селитры" (1749) он уверенно говорит: "Мы считаем возможным научно и вполне связно изложить почти всю химию, обосновав ее на собственных ее положениях, принятых недавно в физике; мы не сомневаемся, что можно легче распознать скрытую природу тел, если мы соединим физические истины с химическими". А за несколько месяцев до смерти, в проекте Академического регламента, составленном в сентябре 1764 года, Ломоносов писал: "Химик без знания физики подобен человеку, который всего должен искать ощупом. И сии две науки так соединены между собою, что одна без другой в совершенстве быть не могут".

Но Ломоносов говорит не только о родстве или содружестве физики или химии. Они составляют для него неразрывное целое. Изучение физических свойств тел раскрывает природу вещества, а изучение состава вещества и происходящих в нем химических процессов раскрывает причину физических его свойств. Следуя этому определению, Ломоносов изучает физические явления, происходящие во время (или в результате) химических превращений, и стремится поставить на службу химии все доступные и известные в его время приборы и методы физического исследования.

Во времена Ломоносова микроскоп применялся главным образом в биологии, где с его помощью были произведены значительные открытия. Во всех остальных областях производились лишь бессистемные наблюдения над всевозможными предметами, которые только удавалось поместить под микроскоп, нередко без всякого разбора. Песчинки, мушиные крылья, мельчайшие насекомые и инфузории, кристаллы, мыльная пена, обрезки бумаги и различных тканей изучались под микроскопом, описывались и зарисовывались, наполняя обширные "микрографии", издававшиеся во многих странах Западной Европы.

Ломоносов ввел микроскоп в практику своих химических исследований. Уже в проекте химической лаборатории, составленном в 1745 году, Ломоносов отмечает как одну из задач "смотреть сквозь прибыльные (то-есть увеличительные. - А. М.) стекла" на "части мелких материй". В его программе лекций по физической химии предусматриваются микроскопические исследования растворов, кристаллов, аморфных порошкообразных масс, получающихся при прокаливании солей, изучение окалин и т. д.

Он наблюдал под микроскопом еще в 1744 году подлинную химическую реакцию взаимодействия железной проволоки с азотной кислотой. Ломоносов выдвигал проблему систематического применения микроскопа как особого нового метода физико-химического исследования. Потребности этого исследования подсказали ему новые особенности в конструкции самого микроскопа. Для микроскопического изучения бурно протекающих химических реакций Ломоносов стремился найти возможность быстрого перехода от одного увеличения к другому, не прерывая наблюдения. И Ломоносов пришел к новой идее конструкции микроскопа в виде медной пластинки с серией объективов, вставляющейся в специальную щель в нижнем конце трубки¹.

¹ (С. Л. Соболь. История микроскопа и микроскопических исследований в России в XVIII веке. Изд. Академии наук СССР. М.-Л., 1949, стр. 173-188.)

Сконструировав еще в 1741 году "катоптрикодиоптрический зажигательный инструмент", представлявший собою остроумную комбинацию плоских зеркал и двояковыпуклых линз, Ломоносов нашел ему применение и в своей химической лаборатории, используя солнечные лучи для получения весьма высоких температур. Своим "зажигательным инструментом" Ломоносов пользовался для плавления кристаллов. После открытия лаборатории Ломоносов занялся изучением химических соединений методами физики. Для этой цели Ломоносов с 1752 по 1756 год работал над изобретением особого оптического прибора, или, как он выражался, "машины, чрез которую узнать можно рефракцию светлых лучей, проходящих сквозь жидкие материи", то-есть рефрактометра для жидкостей.

Снимок с макета химической лаборатории Ломоносова.

Перегонный куб из химической лаборатории Ломоносова.

Прибор этот был предложен Ломоносовым вниманию Академической конференции 17 февраля 1752 года, и академики, одобрив идею и чертеж машины, "за полезно рассудили" изготовить ее в инструментальной палате Академии "для чинения опытов в сей материи". Но только в сентябре 1756 года механик Клейн представил, наконец, прибор, сделанный им под "надзором" Ломоносова.

С помощью своего рефрактометра Ломоносов разрабатывал метод анализа прозрачных твердых тел и растворов по их коэффициенту светопреломления, прокладывая тем самым, по его собственным словам, "дорогу к сочинению физической химии". Вопросом этим Ломоносов не переставал интересоваться до конца своей жизни. Еще в 1760 году им был предложен "новый способ наблюдения преломления лучей во всякого рода прозрачных телах".

Разрабатывая проблемы физической химии, Ломоносов изучал влияние на вещество низких температур и давления, производил опыты в пустоте, изучал явления вязкости, капиллярности, кристаллизации, форму и удельный вес кристаллов, образование растворов и растворимость в разных условиях, сопровождающие тепловые явления, преломление света и действие электричества в растворах - словом, все то, что составило главное содержание этой науки лишь через полтора века. Он ставит опыты последовательными сериями и сводит результаты многочисленных измерений в особые таблицы. В своем отчете о трудах в 1753 году Ломоносов писал: "делал новые физико-химические опыты, дабы привести химию сколько можно к философскому познанию и сделать частью основа тельной физики: из оных многочисленных опытов, где мера, вес и пропорция показаны, сочинены многие цифирные таблицы на 24 полу листовых страницах, где каждая строка опыт содержит".

Сохранился также набросок программы на латинском языке, по которой Ломоносов производил опыты в пустоте. Он придавал им большое значение, так как в составленной им в 1764 году "Росписи" своих важнейших трудов указывал: "Делал химические опыты по дестиллации и сублимации без воздуха и приметил неизвестные еще в ученом свете перемены; еще не изданы".

Его внимание приковывает связь химии с электричеством. Ломоносов писал: "без химии путь к познанию истинной причины электричества закрыт".

Ломоносов не упустил из виду и такую область новейшей физической химии, как изучение коллоидов. "Застудневание растворов, сцепление студней, цвет, запах", - записывает он.

Особенное внимание Ломоносов уделял изучению растворов - этой важнейшей области современной физической химии. Не только в его время, но и спустя целое столетие физики и химики мало занимались изучением растворов. Великий русский химик Д. И. Менделеев, в течение всей своей жизни проявлявший глубокий интерес к этим вопросам, пишет о себе: "Область неопределенных химических соединений, особенно растворов и сплавов, и тесная связь их с определенными соединениями глубоко занимала меня с самого начала моей научной деятельности (в 50-х и 60-х годах XIX столетия), когда на этот предмет мало устремлялось внимания и работ в химии"¹.

¹ (Д. И. Менделеев. Основы химии. Изд. 13 (пятое посмертное). М,-Л., 1947, т. I, стр. 363. (Подчеркнуто нами. - А. М.) )

"Ломоносов, - писал в 1919 году известный русский химик Л. А. Чугаев, - из далекого прошлого каким-то изумительным чутьем провидел не только возникновение этого важного отдела химии, но даже те слабые и теневые стороны, которые могли обнаружиться при неправильном и одностороннем развитии этой новой научной дисциплины"².

² (Л. А. Чугаев. Открытие кислорода и теория горения П., 1919, стр. 59. )

Однако дело было не столько в изумительном "чутье" Ломоносова, сколько в том, что он приложил - к химии всю совокупность своих физических представлений, основанных на материалистическом понимании природы, что и позволило ему уйти па целое столетие вперед от своих современников. В своем "Введении в истинную физическую химию" Ломоносов указывает на недостаточность средств и прочность методов современной ему западноевропейской химии, которая скользила по поверхности явлений: "Большая часть Химиков обыкновенно считает, что после ознакомления со смешанными телами при помощи химических операций они вполне познали составные части тел, поскольку это дается этим способом, и не ищут других путей во внутренности их". А для того чтобы проникнуть во внутренность тел, узнать строение вещества, нужно знание "первоначальных частиц", то-есть атомов. "Видя у часов одну только поверхность, можно ли знать, какою они силою движутся и каким образом, разделяя на равные и на разные части, показывают время. Во тьме должны обращаться физики, а особливо химики, не зная внутреннего нечувствительных частиц строения", - писал Ломоносов в "Рассуждении о твердости и жидкости тел" (1760).

Ломоносов хорошо сознавал, что упорядочить наши представления о мире можно, только начав с изучения материи, из которой состоит этот мир. Он не только указывал на неразрывную связь материи и движения, но и постоянно стремился истолковать различные явления и процессы, совершающиеся в природе, как результат особого рода движения частиц, составляющих материю. Поэтому его особенно привлекают вопросы атомно-молекулярной физики, от решения которых, по его глубочайшему убеждению, зависели все дальнейшие успехи естествознания. "Множество физических явлений до сих пор осталось недостаточно объясненным - и особливо в той части естественных наук, которая изучает качества тел, происходящие от самых незначительных частичек, вполне недоступных всякому чувству зрения", - пишет он в своей диссертации "Об отношении количества материи и веса" (1758).

Ломоносов мыслил как философ-материалист и умел поэтому находить верные принципы понимания этих глубоких и недоступных еще непосредственному исследованию явлений. Ломоносов, по-видимому, сознавал качественное отличие отдельных форм существования материи, порождающее глубокое изменение всех ее свойств, в том числе и характера движения частиц. В заметках по "Теории электричества, разработанной математическим путем", Ломоносов указывает, что механику крупных тел нельзя целиком переносить на атомно-молекулярные процессы: "В предисловии надо сказать о механике мельчайших частиц и что к ним не везде можно приложить законы чувствительных тел".

В своей диссертации "Элементы математической химии" (1741) Ломоносов указывает на постоянство состава химических соединений: "Начало есть тело, состоящее из однородных корпускул. Смешанное тело есть то, которое состоит из двух или нескольких различных начал, так соединенных между собой, что каждая отдельная его корпускула имеет такое же отношение частей начал, из которых тело состоит, как (для целых отдельных начал) имеет и все смешанное тело".

Особенно замечательно, что Ломоносов пришел и к мысли, что "корпускулы" (молекулы) разнородны и образуют разнородные тела, когда входящие в их состав "элементы" (атомы) соединены между собой различным образом.

В диссертации "Элементы математической химии" Ломоносов дает такое определение корпускулы. "Корпускула есть собрание элементов в одну небольшую массу. Корпускулы однородны, если состоят из одинакового числа одних и тех же элементов, соединенных одинаковым образом. Такого рода корпускулами являются корпускулы одинаковой массы, у которых часть подобна целому... Корпускулы разнородны, когда элементы их различны и соединены различным образом или в различном числе; от этого зависит бесконечное разнообразие тел".

Только в 1829 году шведский химик Я. Берцелиус, установив, что винная и виноградная кислоты представляют собой химические соединения одинакового состава, но с различными свойствами, ввел в науку понятие изомерии, указывающее на различие в структуре молекул при одинаковом числе входящих в нее атомов. Перегруппировка атомов внутри молекулы и вызывает различие в химических и физических свойствах получаемых соединении.

Ломоносов не только разрабатывает теоретические положения физической химии и ведет экспериментальную работу в этой области, но в 1752 1754 годах читает первый в мире курс этой науки. Ломоносов долго и тщательно готовится к занятиям, указывая, что он решил поместить в своем курсе "только то, что приводит к научному объяснению смешения тел", а потому исключает из изложения все, что относится "к наукам экономическим, фармации, металлургии, стекольному делу и т. д.", что должно составить особый курс технической химии. "В химических моих лекциях, которые я должен читать учащемуся юношеству, - писал Ломоносов 11 мая 1752 года, - я считаю очень полезным присоединить, где возможно, к химическим опытам физические". При прохождении этого курса "опытной химии", по мнению Ломоносова, надо будет:

"1. Определить удельный вес химических тел.

2. Исследовать сцепление между частичками их: посредством

а) ломания тел, б) сдавливанием, в) стачиванием на бруске, г) счетом капель жидкости.

3. Описывать фигуры кристаллических тел.

4. Подвергать тела действию Папиновой машины.

5. Всюду наблюдать градусы теплоты.

6. Исследовать тела, особенно металлы, долгим стиранием.

Одним словом, испытывать все, что только можно измерить, взвешивать и определять вычислением".

Ломоносов стремится обеспечить свою лабораторию приборами, необходимыми для физико-химических исследований. Он обзаводится насосом, изобретает прибор для определения вязкости жидкости, придумывает точило для определения твердости тел, совершенствует конструкцию Папиновой машины для получения высоких давлений. Машина была изготовлена по чертежам Ломоносова на Сестрорецком заводе.

Для измерений температуры Ломоносов сконструировал собственный термометр, наиболее рациональный из всех существовавших. Он принял для градуирования две основные точки - температуру плавления льда, которую он обозначил через 0°, и температуру кипения воды, обозначенную им через 150°, тогда как большинство других термометров вело отсчет от одной какой-либо точки и притом принимало температуру кипения воды за 0°, производя отсчет вниз (в термометре Делиля плавление льда обозначалось как 150°). Термометр Ломоносова облегчал точные измерения и связанные с ними расчеты. Он устранял путаницу при отсчете градусов при повышении температуры выше точки кипения воды.

При создании своего термометра Ломоносов исходил из ясных представлении о природе теплоты. Ломоносов указывал, что повышение температуры может быть теоретически безгранично, тогда как понижение ее имеет свой предел, соответствующий абсолютной неподвижности частиц. Ломоносов уже в мае 1752 года заказал десять изобретенных им термометров, которыми стал пользоваться с начала 1753 года.

Не только содержание лекций, но и сам метод преподавания, стремление показывать все на опытах и вовлекать студентов в исследовательскую работу были совершенно новы и необычны. Достаточно сказать, что еще в начале XIX века в некоторых университетах Европы общие курсы химии читались отвлеченно и без каких бы то ни было опытов. Юстус Либих вспоминает лекции своего учителя, довольно известного в свое время немецкого химика Кастнера, которые были так "беспорядочны и нелогичны", что "вполне походили на лавку старьевщика, набитую всяческой ученостью". Ломоносов последовательно и систематически излагал свой курс и требовал, чтобы студенты не только слушали, но и своими руками производили все операции и постепенно втягивались в самостоятельную работу. 15 апреля 1754 года он сообщал Академической конференции, что для постановки опытов с соляными растворами требуется очень много времени, поэтому он "употребил для этих трудов студентов, ходивших к нему на лекции".

Эта плодотворная деятельность Ломоносова скоро оборвалась. В 1753 году Петербургская Академия наук предложила на конкурс задачу - объяснить причины отделения золота от серебра посредством крепкой водки и притом показать способ, как бы легче и дешевле разделить эти металлы. Конкурс был повторен и в 1754 году, так как присланные диссертации не были признаны удовлетворительными. Из вновь доставленных сочинений одна работа обратила на себя внимание Ломоносова, который и высказал мнение, что она "едва ли награждения не достойна". Но мнения разошлись. Об этой же диссертации очень холодно отозвался опытный пробирер - специалист по определению количества благородных металлов в сплавах и слитках - и знаток золотоплавильного дела Шлаттер, заметивший, что "никакое в Европе место не может похвалиться приведением искусства разделения до высокой степени, кроме России". При этом, указывал Шлаттер, в России весь этот процесс обходится значительно дешевле: "фунт со всеми расходами и угаром¹ обходится не выше 64 копеек", тогда как в немецкой земле, как видно из представленной диссертации, "за разделение с фунта по 2 ефимка² 2 берется". Получалось, что присуждать премию не за что. Все же премию присудили для устранения "всякого подозрения, будто бы Академия не исполняет того, что обещает". Но присудили ее не тому, за кого стоял Ломоносов (Карлу Дахрицу), а некоему Ульриху Зальхову.

¹ (Угар в данном случае - уменьшение веса металла при его плавке или нагревании.)

² (Ефимок равнялся 36 ¹/₄ копейки. )

Это, в сущности, незначительное происшествие имело для Ломоносова весьма серьезное последствие, о котором он сам рассказывает в своей "Истории Академической канцелярии": "При случае платы в награждении по задаче ста червонцев за химическую диссертацию, Ломоносов сказал в собрании профессорском, что де он, имея работу сочинения. Российской истории, не чает так свободно упражняться в химии, и ежели в таком случае химик понадобится, то он рекомендует ландмедика Дахрица. Сие подхватя, Миллер записал в протокол и, согласись с Шумахером, без дальнейшего изъяснения с Ломоносовым, скоропостижно выписали доктора Зальхова, а не того, что рекомендовал Ломоносов, который внезапно увидел, что новый химик приехал и ему отдана лаборатория и квартира. Помянутый Зальхов был после весьма жалок".

Так нечаянно-негаданно Ломоносов лишился созданной им химической лаборатории. Его поймали на слове. В докладе, посланном Разумовскому, было написано, что 18 августа 1755 года профессор Ломоносов "объявил, что за другими делами профессию химии отправлять более не в состоянии и что надлежит на его место выписать из-за моря другого химика". Началась переписка с заграницей. Вдобавок Эйлер, мнение которого так ценили в Петербурге, жестоко обманулся и отрекомендовал Зальхова "не только способным, но и образованным человеком".

По словам Эйлера, Зальхов, узнав о предложении отправиться в Петербург, был страшно обрадован, "потому что у него здесь мало надежды на получение места по своей науке химии и живет он без службы". "У него только жена, и его можно было бы приобрести на недорогих условиях". Весной 1756 года он уже был в Петербурге. Этот приобретенный по дешевке немецкий химик, получивший в свое ведение химическую лабораторию Ломоносова, оказался полнейшим ничтожеством и быстро привел "свою науку" к полнейшему запустению.

Ломоносов продолжает занятия химией у себя дома и "на своем коште". Но Ломоносов не перестал разрабатывать важнейшие вопросы естествознания и размышлять об основных законах, управляющих природой.