Изучение причин изменения массы веществ при их обжиге

Условия развития естествознания во второй половине XVII в.

Теория флогистона

В течение длительного времени (XIV – XVI в.в.) развитие горного дела и металлургии побуждало ученых и практиков уделять большое внимание процессам окисления и восстановления металлов. В конце XVII – начале XVIII века проблемы, связанные с выплавкой металлов из руд становятся актуальными. Приобретает значение последующая термическая обработка изделий. Большие потери металла, превращающегося в окалину (оксид), заметно сказываются на экономике. Наблюдающееся при нагревании металла увеличение его массы требует разумного научного объяснения.

В этот период времени большие успехи были достигнуты в области механики, математики, астрономии, физики.

Галилео Галилей (1564 – 1642 г.г.)разработал основы механики. Его ученик Э. Торричелли (1608 – 1647 г.г.)доказал существование атмосферного давления. Христофор Гюйгенс (1629-1695 г.г.)создал волновую теорию света. Крупнейший вклад в механику и астрономию внес Исаак Ньютон (1643-1727 г.г.). В конце XVII в.Г. В. ЛейбницемиИсааком Ньютономбыло разработано дифференциальное исчисление.

Возникли академии наук во многих странах и городах: в Италии, Германии, в 1662 г. основано Королевское общество в Лондоне, в 1666 г. – в Париже. Затем были организованы академии: Прусская (1711 г.); Германская академия в г. Галле (1652 г.); Петербургская (1724 г.); Стокгольмская (1724 г.).

В XVII в. возродилась античная атомистика. Как и вся наука того времени, она носила механистический характер (типичный пример – корпускулярная теория).

Г. В. Лейбницразработал теорию монад. Принимая существование первичных частиц материи (монад), он считал эти элементы одухотворенными, имеющими божественное происхождение, причем само божество является начальной Монадой – первоосновой всех вещей. Материя по Лейбницу – форма существования одухотворенных монад, способных к самодвижению.

В. Бирингуччоодин из первых (1540 г.) обратил внимание на то, что масса свинца после его прокаливания увеличивается на 8,0-10,0 %. Это показалось ему удивительным, так как он знал, что огонь сжигает и разлагает вещество. Чтобы объяснить данное явление, он предположил, что «удаление при нагревании абсолютно легких составных частей вещества увеличивает его массу». И когда из состава свинца, по его мнению, «удалены водяные и воздушные частицы, тогда тело увеличивается в весе». Эту точку зрения разделяли многие ученые XVI в.: Дж. Кардано (1554 г.); Ю. Скáлигер (1557 г.); Ж. Бодéн (1596 г.).

Против подобных взглядов выступили известные физики Г. Галилей, Э. Торричелли. Они уверенно заявляли, что все тела, в том числе и воздух, обладают массой. К такому же заключению пришел французский химик и врач Жан Рэй (1583-1645 г.г.).Он писал: «Увеличение веса (массы) может происходить только путем прибавления материи, а уменьшение – только путем ее отнятия». Ученый считал, что при прокаливании металлов на его поверхности «сгущаются» частицы воздуха, он смешивается с металлической окалиной и «прилипает» к ней.

Такие же мысли высказывал Р. Гук (1635-1702 г.г.)в1665 г. По его мнению «воздух» играет важную роль в процессе горения, ибо без него горение в замкнутом сосуде прекращается.

Дальнейший шаг в изучении процесса горения сделал современник Р. Гука– английский химик и врач Джон Мэйоу (1641-1679 г.г.). На основании опытов он показал, что в воздухе содержится газ, поддерживающий горение и необходимый для дыхания. Частицы этого газа вступают в соединение с частицами металла при нагревании и увеличивают их массу. То, что остается после горения есть нéчто отличное от обычного воздуха. Оставшийся после горения газ не поддерживает новый процесс горения, а также не поддерживает процесс дыхания.

Взгляды Ж. Рэя, Р. Гука, Дж. Мэйоу на процесс горения как на процесс соединения вещества с определенной частью воздуха не получили признания среди большинства ученых того времени. Основные причины этого: был неизвестен состав воздуха; большинство ученых не смогли преодолеть традиционного мнения о горении как о разложении вещества с выделением летучих продуктов; трудно было понять, как газообразный воздух соединяется с металлом и теряет при этом свою физическую (газообразную) форму.

Почти одновременно с Дж. Мэйоувопросом об увеличении массы металлов занимался Р. Бойль.Сначала ученый нагревал олово в открытом сосуде. Затем он поместил олово в реторту, запаял ее и нагрел. Вследствие расширения воздуха прибор при этом взорвался. После этого Р. Бойль поместил олово в реторту, нагрел ее для вытеснения воздуха, запаял и снова нагрел. После охлаждения он открыл реторту и определил ее массу вместе с содержимым.

Неправильная первоначальная постановка опыта привела его к ошибочному заключению: увеличение массы металла является результатом воздействия огня на металл. Он считал, что огненные корпускулы проникают через стекло и поглощаются металлом. Р. Бойль пришел к ошибочному выводу, что «огонь имеет вес» (или «массу»).

В отличие от традиционной точки зрения, что процесс окисления есть процесс распада тел, Р. Бойль придерживался мнения, что процесс окисления есть процесс соединения (в принципе это было верное утверждение), но он считал,что «присоединяется» к металлу огонь, а ни какое-либо новое вещество.

Последователями Р. Бойля в данном направлении были ученые: Николя Лемери́ (1645-1715 г.г.), И. Мейер, И. Гмелин, Т. Бéргман.

В середине VIII в.М. В. Ломоносовпровел серию опытов для проверки выводов Р. Бойля, касающихся реакции окисления. Он воспроизвел опыты Р. Бойляи пришел к заключению: «…так как восстановление проводится тем же, что и прокаливание, то есть огнем, то нельзя привести никакого основания, почему один и тот же огонь то внедряется в тела, то уходит из них». М. В. Ломоносовотмечал, что в процессе обжига к телам присоединяется некоторая материя, но только не та, которая приписывается собственно огню. В 1756 г. в своей лаборатории М. В. Ломоносов повторил опыты Р.Бойля, но получил другие результаты. Из его опытов и рассуждений следовал вывод, что увеличение массы металлов при обжиге нельзя объяснить «присоединением» к металлу частиц огня.

Учение о флогистоне как о материальном горючем начале появилось в работах Иоганна Иоахима Бехера (1635-1682 г.г.), немецкого химика и врача. Его взгляды развил в своих работах его соотечественник Георг Шталь (1659-1734 г.г.). Термин «флогистон» происходит от слова греческого флогидзо – воспламенять, гореть. Во второй половине XVII в. зародилось учение о флогистоне, которое затем получило распространение в XVIII в. и господствовало почти сто лет. Термин «флогистон» применял еще Аристотельв смысле «горючее вещество».

Георг Шталь (1659-1734 г.г.)считал, что флогистон – является составной частью всех горючих тел. По его мнению, флогистон выделяется при горении или обжиге веществ и, соединяясь с воздухом, образует огонь. Из воздуха выделить флогистон химическим способом невозможно. Только растения могут извлекать его, а через употребление растений флогистон переходит в живые организмы. Чем больше флогистона в веществе, тем более оно способно к горению. По Г. Шталю, уголь состоит почти из чистого флогистона, но флогистон нельзя отождествлять с углеродом. Металлы являются сложными веществами, состоящими из «известей» и флогистона. Металлы, теряя флогистон, превращаются в «извести» из которых, добавляя флогистон, можно снова получить чистые металлы. М. В. Ломоносов, К. Шéеле, Г. Кавендиш, Дж. Пристлиискали способа выделения флогистона.

В одном из своих опытов Г. Штальрасплавил олово, затем нагрел его до появления на его поверхности оксида. После этого он снял сосуд с огня, добавил свечного сала и перемешал. При этой операции порошкообразный оксид вновь перешел в первоначальное состояние, то есть в чистый металл. По мнению Г. Шталя, при обжиге металлов из них уходит флогистон, и они рассыпаются в порошок, но к ним ничего при этом не присоединяется. Этот порошок (оксид металла) приводят в прежнее состояние добавлением угля или жирных веществ при перемешивании. Прокаливая оксид свинца с такими веществами, как уголь, сера, сахар, углеводороды и другие подобные вещества, он во всех случаях получал чистый металлический свинец.

Постоянство свойств образовавшегося металла Г. Штальрассматривал как доказательство того, что во всех превращениях к оксидам присоединяется одно и то же вещество – флогистон.

Г. Штальне разделял мнения Р. Бойляо том, что увеличение массы металлов при прокаливании обусловлено «присоединением огненных частиц». Он не был знаком с трудами Ж. Рэя и Дж. Мэйоу о роли воздуха в процессах горения и дыхания, либо не считался с ними. Г. Штальсчитал воздух всего лишь «растворителем для флогистона». Определенное количество воздуха может растворить строго фиксированное количество флогистона. Этим, как он считал, объясняется прекращение горения свечи под герметичным колпаком через какое-то время.