Сведения о научной деятельности М.В. Ломоносова приводятся по тексту книги "Жизнеописание Михаила Васильевича Ломоносова" (издательство АН СССР, 1947 г.). Её автор, выдающийся химик и историк химии, профессор Ленинградского политехнического института Борис Николаевич Меншуткин (1874-1938) был одним из лучших знатоков научной деятельности М.В. Ломоносова. Свои исследования в этом направлении он начал еще в 1902 г. и с этого времени до конца своих дней он не переставал изучать труды Ломоносова, особенно в области физико-математических наук.
Работа Б.Н. Меншуткина "Ломоносов как физико-химик", появившаяся в 1904 г., основана на расшифровке неизданных рукописей Ломоносова и была событием в истории науки, показавшим впервые всему миру Ломоносова как русского ученого физико-химика, который опередил свое время на 100-150 лет. Б.Н. Меншуткин доказал, что Ломоносов является предшественником Лавуазье (например, в применении к химии принципа сохранения веса вещества), так как за много лет до него производил опыты сожжения металлов в запаянных сосудах. "С изумлением,- писал Б.Н. Меншуткин, - я познакомился с физической химией Ломоносова, вполне отвечающей теперешней, с его атомической гипотезой и рядом основанных на ней теорий, связанных принципом сохранения энергии: теорией теплоты, кинетической теорией газов и т. д. Все эти теории были предложены через 100-120 лет после его смерти".
По словам президента Американского химического общества А. Смита, "открытие заново Ломоносова сразу прибавило химика первой величины и личность удивительной силы к ограниченной галерее величайших людей мира". С 1909-1910 гг. значение Ломоносова в мировой химии стало общепризнанным, и в этом заключается огромная заслуга Б. Н. Меншуткина перед русской наукой.
Основатель Московского Университета
По материалам книги Б.Н. Меншуткина "Жизнеописание Михаила Васильевича Ломоносова". Издательство Академии Наук СССР. Москва-Ленинград, 1947
В своих непрерывных заботах о распространении просвещения в России Ломоносов неоднократно указывал И. И. Шувалову, что необходимо основать университет в Москве, и на возможно льготных началах. При осуществлении этого грандиозного проекта И. И. Шувалов постоянно спрашивал советов у Ломоносова, и последний составлял для него подробные записки. По мыслям Ломоносова, план университета должен был быть настолько широким, чтобы в будущем, при развитии университета, хватило бы профессоров, причем на первое время можно было приглашать лишь часть их, а оставшиеся таким образом, свободные суммы употребить на учебно-вспомогательные учреждения и прежде всего на библиотеку. Поэтому число профессоров предполагалось не менее 12: три на факультете медицинском, три на юридическом факультете, шесть на факультете философском.
Вероятно, Ломоносову же принадлежит и тот подробно разработанный проект, который был приложен к представлению И. И. Шувалова в Сенат. Дело прошло очень быстро через все законодательные инстанции, и университет был торжественно открыт И. И. Шуваловым 12 января 1755 г. в Татьянин день.
Истинным основателем старейшего Российского университета является, вне сомнения, Ломоносов, хотя он, по-видимому, не принимал участия в самом открытии; первыми профессорами нового университета были ученики его: А. А. Барсов и Н. Н. Поповский.
Одною из первых книг, выпущенных учрежденной при Московском университете типографией, было второе издание [Первое издание стихотворений Ломоносова было выпущено Академиею Наук в 1751 г.] собрания сочинений Ломоносова, напечатанное по распоряжению И. И. Шувалова (первый том в 1757 г., второй в 1759 г.). Этим он показал, что действительно высоко ценит Ломоносова.
К собранию сочинений приложен портрет М. В. Ломоносова (особо ценный, так как дает точно датированное изображение его), и Шувалов просил его составить стихотворную подпись к портрету. Но тот отвечал: "того, милостливый государь, отнюдь не желаю и стыжусь, что я нагрыдорован. Я прошу только того, что мне надлежит по справедливости, чем всемилостивейшая государыня усердных рабов своих обыкновенно жаловать изволит, что по моей службе и дороге следует, и что больше отечеству, нежели мне, нужно и полезно". Под портретом подпись все-таки имеется, ее написал сам И. И. Шувалов; очевидно, что труды Ломоносова по обучению его стихотворству не пропали даром. Портрет Ломоносова выполнен гравером Э. Фессаром с изменениями, внесенными в гравюру X. Вортманом по указанию Ломоносова.
М.В. Ломоносов - первый Российский академик-химик
По материалам книги Б.Н. Меншуткина "Жизнеописание Михаила Васильевича Ломоносова", Издательство Академии Наук СССР, Москва-Ленинград, 1947
Особенности химического искусства начала XVIII века. Химический индивидуум и количественные определения. Наука химия
Переходя к обзору деятельности Ломоносова в области предмета его профессии, химии, мы должны, прежде всего, более подробно ознакомиться с состоянием химии его эпохи и дополнить сообщенное выше при рассказе об изучении Ломоносовым химии в Марбурге (глава вторая). Тот индуктивный метод исследования, который начинает применяться вообще в естественных науках с XVI в., где опыт является пробным камнем всякого предположения, всякой гипотезы, в XVIII в. сравнительно мало коснулся химии. Целый ряд исторических причин обусловил это явление. Прежде всего, надо иметь в виду, что в течение длинного ряда веков собственно химии не было, была алхимия, где все операции производились в строгом секрете, и, если опубликовывались, то таким иносказательным языком, что по существу только посвященные в таинственные обозначения, применяемые тем или иным автором, могли что-нибудь понять в алхимических книгах. Цели, преследовавшиеся тогдашними химическими деятелями - превращение неблагородных металлов в золото, получение жизненного эликсира и т. п., - конечно, также немало содействовали тому, что алхимики окружали себя таинственностью. Лица, занимавшиеся в средние века прикладной химиею, разного рода химическими производствами, тоже, понятно, свои способы и рецепты не делали достоянием гласности, но тщательно передавали их из рода в род, совершенно как и сейчас на Западе многие фабричные процессы химических производств держатся в секрете, и для того, чтобы их узнать, надо подвергнуть данный процесс весьма основательной разработке в лаборатории и на опытном заводе.
Важная причина, почему опыт не играл в химии того времени роли, ему подобающей, заключалась далее в том, что даже в середине XVIII в. еще отсутствовало представление о так называемом "химическом индивидууме", т. е. о химически чистом веществе, веществе однородном, не заключающем примеси других веществ. Совершенно очевидно, что одни и те же результаты при одном и том же опыте могут быть получены разными исследователями тогда, когда все они работают с одними и теми же веществами; а это последнее, в свою очередь, осуществимо только при условии, что у всех исследователей в руках химически чистые вещества, химические индивидуумы, и что у всех одному и тому же названию на банке отвечает одно и то же содержимое ее.
Теперь, когда давно уже поняли всю важность представления о химическом индивидууме, и выработаны способы, позволяющие строго контролировать индивидуальность каждого химического вещества, мы можем воспроизвести каждый опыт, кем-либо описанный, с уверенностью получить при этом совершенно те же результаты, какие получил сам автор. Совсем не то было во времена Ломоносова: хотя тогда химики перестали уже секретничать, и было уже не мало печатных руководств по химии с подробным описанием химических веществ и разных химических опытов, но описания этих веществ были обыкновенно очень туманными (их не умели тогда еще точно характеризовать, как теперь, физическими и химическими свойствами), а опыты нередко давали в руках разных химиков различные результаты, потому что бывшие в их распоряжении вещества одного и того же наименования на самом деле представляли собою различные смеси нескольких химических веществ.
Несомненно, что такое отсутствие понятия о химическом индивидууме было, в свою очередь, результатом применявшихся в то время способов исследования. По определению химических авторитетов первой половины XVIII в., химия была искусством разлагать сложные тела на их составные части и обратно - создавать из последних сложные тела. И это определение было совершенно правильно: в этом тогда и состояла химия. Постепенно искусство разлагать тела делало несомненные успехи, способы разложения тел совершенствовались и умножались. Но при этом считалось совершенно достаточным только разложить вещество на его составные части, и в задачу тогдашней химии не входило делать определение весовых отношений, в каких находятся эти составные части по отношению к исходному веществу, не считались нужными, как мы их теперь называем, количественные определения. Между тем, вся история химии показывает, что истинный прогресс ее начал осуществляться только после введения в нее таких количественных методов; весы и другие точные физические приборы становятся необходимою принадлежностью химика XIX в., и только при помощи их явилась возможность открыть химические законы.
Химия при Ломоносове была искусством, а не наукою. Первое предполагает только умение производить разложения, знакомство с теми операциями, которые позволяют этого достигнуть. В них и заключался центр тяжести химии того времени; а затем сообщались длинные, ничем между собою не связанные, описания тех веществ, которые получались из минералов, животных и растений, и в огромном большинстве случаев являлись случайными, иногда очень сложными смесями индивидуальных химических соединений. По такому плану составлена, например, химия в двух огромных томах Бургаве, которую изучал Ломоносов. Наука не заключается в беспорядочном собрании фактов; она должна, прежде всего, заняться систематизациею подлежащих ее ведению фактов, их классификацией, объединенной какой-нибудь общей точкой зрения: когда это сделано, тогда только мы имеем перед собою науку. По самой природе вещей классификации эти с течением времени меняются: по мере накопления сведений и возникновения новых точек зрения, - новая, более совершенная система вытесняет старую. Поэтому характеристика химии не как науки, но как искусства, была справедлива в начале XVIII столетия. К этому же времени как-раз относится и первая попытка объединения всех химических фактов на почве одной гипотезы, попытка привести их в систему при помощи теории флогистона, о которой было сказано в главе II.
Химия по Ломоносову. Химические элементы и флогистон
Ломоносов стоит далеко впереди своих современников по отношению к химии и тем направлениям, в которых должно идти ее развитие и превращение в настоящую науку.
Прежде всего, мы находим у него ясное представление о химическом индивидууме, химически чистом веществе, как необходимом для получения повторяемых результатов опытов. В своем проекте об учреждении химической лаборатории (март 1745 г.) он так говорит о том, что именно он намерен делать в лаборатории: "1) Нужные и в химических трудах употребительные натуральные материи сперьва со всяким старанием вычистить, чтобы в них никакого постороннего примесу не было, от которого в других действиях обман быть может. 2) Вычищенные материи разделять, сколько можно, на те, из которых оне натурально сложены. 3) Для лучшего доказательства, что разделенные материи из оных простых состоят, намерен оные снова соединять, сколько возможно".
Далее он подробно указывает на необходимость количественного исследования: "При всех помянутых опытах буду я примечать и записывать не токмо самые действия, вес или меру употребляемых к тому материй и сосудов, но и все окрестности, которые надобны быть покажутся" (тот же проект). Затем всюду мы находим подробные указания на необходимость применения физических методов в химических исследованиях, и действительно, сам Ломоносов производил все свои работы по химии всегда при помощи весов и других физических инструментов, позволявших делать точные измерения.
Совершенно согласно с этой основной программою стоит и то определение химии, которое мы находим в самом первом химическом труде Ломоносова -"Элементах математической химии" (1741): химия есть наука изменений, происходящих в сложном теле, поскольку оно сложное. Это определение близко подходит к теперешним определениям химии, и впервые здесь химия называется наукою. Эту науку Ломоносов представлял себе в 1741 г. как химические факты, объединенные математическим способом изложения и приведенные в систему на почве атомной теории; впоследствии, как мы увидим, по его мнению, еще и физика должна была служить для уточнения и объединения химических данных.
Затем в упомянутых уже "Элементах математической химии" мы встречаем совершенно ясно выраженное понятие об основной величине в химии, - о химическом элементе, как о "простом" теле, начале, которое не может быть разложено на более простые, и из которых состоят все сложные тела; "сложное тело состоит из двух или нескольких различных начал, так соединенных между собою, что в каждой его корпускуле имеется такое же соотношение начал, составляющих тело, какое во всем сложном теле имеется между всеми отдельными началами". Эти воззрения не имели, однако, какого-либо влияния в истории химии: "Элементы математической химии" остались незаконченными и не увидели света.
Ломоносовское начало есть химический элемент, как он охарактеризован Робертом Бойлем в 1661 г.: простое тело, не разлагаемое химическим анализом. Это представление в XVII в. мало-помалу прокладывает себе дорогу у химиков, пока оно не было положено в основание учения о химических элементах А. Лавуазье, через несколько десятков лет. Весьма интересно, что Ломоносов дальше говорит об "элементах" и "корпускулах": элементы - это по существу атомы химиков корпускулы- молекулы. Мы имеем здесь первое сочетание, первое объединение двух представлений об элементах, ведущих свое начало с глубокой древности: одного - говорившего об элементах-качествах, и другого, согласно которому элементами являются атомы - мельчайшие, дальше неделимые первоначальные частички всех тел.
Объединение этих двух точек зрения и проведено Ломоносовым, вводящим, как основное представление, понятие о корпускуле-молекуле, имеющей точно такой же количественный состав, какой имеет и все соответствующее тело. В этом отношении теория Ломоносова приближается к теории Дальтона, который назвал корпускулу или молекулу сложного тела сложным атомом. Но, как предшественник Дальтона, в своем распоряжении Ломоносов не имел тех точных количественных фактов, которыми уже располагал Дальтон и которые явились результатом развития химического количественного анализа в последней четверти XVIII в. А без этих количественных фактов была немыслима разработка химической атомной теории только эти факты дали ей необходимую точку опоры.
Наряду с материальными, неразлагаемыми анализом, элементами Ломоносов, следуя химикам своего времени, признавал и невещественные, невесомые элементы-качества: ртуть (принцип летучести), соль (принцип твердого, не изменяющегося от прокаливания) и серу (принцип горючести), в то время называвшуюся флогистоном. При помощи этого последнего элемента-качества Э. Шталь и его последователи объединили сперва явления горения и обжигания металлов, а затем - и другие химические явления; но Ломоносов, в отличие от химиков своего времени, никогда не считал флогистон веществом, обладающим отрицательным весом (т. е. уменьшающим вес тела, с которым он соединялся), способностью проходить через все тела и другими курьезными свойствами. Над подобными теориями он всегда смеялся.
Атомная теория в химии. "Слово о пользе химии"
Отличительной чертою химии Ломоносова является еще тесная связь ее с его атомной теорией, на которой, как мы видели выше, основывалась вся его физика. И в химии он считает совершенно необходимым предварительное знакомство с теми первоначальными частичками, которые образуют все тела и от свойств которых происходят и химические свойства веществ. Его взгляды превосходно выражены им самим в "Слове о пользе химии, говоренном 6 сентября 1751 года". Вот несколько выдержек из него:
"Натуральные вещи рассматривая, двоякого рода свойства в них находим. Одни ясно и подробно понимаем; другие хотя ясно в уме представляем, однако подробно изобразить не можем. Первого рода суть величина, вид, движение и положение целой вещи; второго цвет, вкус, запах, лекарственные силы и протчие. Первые через геометрию точно размерить и через механику определить можно; при других такой подробности просто употребить нельзя: для того, что первые в телах видимых и осязаемых, другие в тончайших и от чувств наших удаленных частицах свое основание имеют. Но к точному и подробному познанию какой-нибудь вещи должно знать части, которые оную составляют... Равным образом и вышепоказанных второго рода качеств подробного понятия иметь невозможно, не исследовав самых малейших и неразделимых частиц, от коих они происходят, и которых познание толь нужно есть испытателям Натуры, как сами оные частицы к составлению тел необходимо потребны. И хотя в нынешние веки изобретенные микроскопы силу зрения нашего так увеличили, что в едва видимой пылинке весьма многие части ясно распознать можно; однако сии полезные инструменты служат только к исследованию органических частей, каковы суть весьма тонкие и невидимые простым глазом пузырьки и трубочки, составляющие твердые части животных и растущих вещей; а тех частиц, из которых состоят смешанные материи, особливо зрению представить не могут. Например через химию известно, что в кино-варе есть ртуть, и в квасцах земля белая; однако ни в ки-новаре ртути, ни в квасцах земли белой, ни сквозь самые лутчие микроскопы, видеть нельзя; но всегда в них тот же вид кажется. И посему познания оных только через химию доходить должно. Здесь вижу я, скажете, что химия показывает только материи, из которых состоят смешанные тела, а не каждую их частицу особливо. На сие отвечаю, что подлинно по сие время острое исследователей око толь далече во внутренности тел не могло проникнуть; но ежели когда-нибудь сие таинство откроется, то подлинно химия тому первая предводительница будет; первая откроет завесу внутреннейшего сего святилища Натуры..."
"Прекрасныя Натуры рачительный любитель, желая испытать толь глубоко сокровенное состояние первоначальных частиц, тела составляющих, должен высматривать все оных свойства и перемены, а особливо те, которые показывает ближайшая ее служительница и наперсница, и в самые внутренние чертоги вход имеющая химия: и когда она разделенные и рассеянные частицы из растворов в твердые части соединяет, и показывает разные в них фигуры, выспрашивать у осторожной и догадливой геометрии: когда твердые тела на жидкие, жидкие на твердые переменяет, и разных родов материи разделяет и соединяет; советовать с точною и замысловатою механикою: и когда чрез слитие жидких материй разные цветы производит; выведывать чрез проницательную оптику. Таким образом, когда химия пребогатые госпожи своея потаенные сокровища разбирает, любопытный и неусыпный Натуры рачитель оныя чрез геометрию вымеривать, через механику развешивать и через оптику высматривать станет; то весьма вероятно, что он желаемых тайностей достигнет..."
"Бесполезны тому очи, кто желает видеть внутренность вещи, лишаясь рук к отверстию оной. Бесполезны тому руки, кто к рассмотрению открытых вещей очей не имеет. Химия руками, математика очами физическими по справедливости назваться может. Но как обе в исследовании внутренних свойств телесных одна от другой необходимо помощи требуют; так напротив того умы человеческие нередко в разные пути отвлекают. Химик видя при всяком опыте разные и часто нечаянные явления и произведения, и приманиваясь тем к снисканию скорой пользы, математику как бы только в некоторых тщетных размышлениях о точках и линеях упражняющемуся смеется. Математик напротив того уверен о своих положениях ясными доказательствами, и через неоспоримые и бесперерывные следствия выводя неизвестные количеств свойства, химика как бы одною только практикою отягощенного и между многими беспорядочными опытами заблуждающего презирает; и приобыкнув к чистой бумаге и к светлым геометрическим инструментам, химическим дымом и пеплом гнушается. И для того по сие время сии две общею пользою так соединенные сестры толь разномысленных сынов по большей части раждали. Сие есть причиною, что совершенное учение химии с глубоким познанием математики еще соединено не бывало".
К высказанным здесь мыслям мы еще вернемся, так как они были в последующие годы широко развернуты Ломоносовым и вылились в новую химическую дисциплину - физическую химию.
Закон сохранения веса вещества при химическом взаимодействии. Огонь, горение и обжигание металлов. Опыты Р. Бойля, М. В. Ломоносова и А. Лавуазье
В настоящее время в основание всех химических превращений мы кладем закон сохранения веса вещества, который заключается в том, что общий вес химических веществ, вступающих во взаимодействие, равен весу образующихся при этом новых веществ. Мысль о том, что вещество, вообще, не может исчезать или твориться, что количество его во вселенной остается постоянным, высказана давно и принималась философами XVII, XVIII вв. как самоочевидное положение, не требующее каких-либо доказательств. У химиков этого времени мы встречаем иногда это положение, напр. в одном из сочинений Роберта Бойля. Но никто до Ломоносова не считал его важнейшим законом, который лежит в основании всего здания химии, - очевидно, вследствие неприменения в химических исследованиях количественного метода, на которое мы уже указывали, за отсутствием данных химических опытов, аналогичных тем, которые делал известный Б. фан Гельмонт около 1640 г. Так, например, он брал отвешенное количество серебра, растворял его в азотной кислоте, переводя его в азотносеребряную соль; прокаливанием азотносеребряной соли добывал из нее обратно серебро и вес так полученного серебра в точности равнялся весу первоначально взятого серебра.
Мысли об этом положении находим еще в ранних заметках Ломоносова, вероятно заимствованные из какого-нибудь сочинения; с полной же ясностью он высказал их впервые в письме к известному математику Л. Эйлеру, 5 июля 1748 г., в тех же самых выражениях, в каких он потом (1758) сообщил их Конференции Академии в диссертации об отношении количества вещества и веса и в "Рассуждении о твердости и жидкости тел" (1760): "Все перемены в Натуре случающиеся такого суть состояния, что сколько чего у одного тела отнимется, столько присовокупится к другому. Так, ежели где убудет несколько материи, то умножится в другом месте; сколько часов положит кто на бдение, столько же сну отнимет. Сей всеобщей естественной закон простирается и в самые правила движения: ибо тело, движущее своею силою другое, столько же оныя у себя теряет, сколько сообщает другому, которое от него движение получает".
Очевидно, Ломоносов не торопился с опубликованием этого закона, вероятно потому, что считал его, с одной стороны, общеизвестным в виду указанного выше давно высказанного философами положения; с другой, - потому, что в течение долгого времени не имел сам ясного представления о значении его при химических превращениях. В 1753-1756 гг. он произвел как раз ряд опытов, о которых я сейчас скажу и которые должны были убедить его в справедливости закона и в приложимости его к химическим процессам. Обыкновенно считается, что впервые этот закон высказал А. Лавуазье в 1789 г., в своем курсе химии; но последний нигде определенно не называет его законом. Любопытно, что в учебниках и руководствах химии закон сохранения веса вещества при химических реакциях стал помещаться лишь с 1860-х годов, после того, как он получил возможно тщательную проверку на опыте в работах Ж. Стаса. В нынешнем столетии в опытах Г. Ландольта такая проверка была снова сделана: закон сохранения веса оказывается вполне точным в пределах точности взвешиваний. Этот закон тесно связан с одним из вопросов, особенно привлекавших к себе внимание химиков XVII и XVIII столетий и составлявших предмет работ чуть ли не каждого из них. Это - вопрос о природе огня, о процессах горения и обжигания металлов. Эти процессы естественно являлись в то время основными в химии, так как почти единственным действующим агентом при химических операциях был огонь в том или ином виде. Огонь, как уже указано, считался в то время еще почти всеми за особый химический элемент, который, правда, не могли выделить, что не мешало, однако, признавать его элементом. В свою очередь, из тех химических превращений, которые происходят при помощи огня, очень большое внимание привлекали к себе явления обжигания неблагородных металлов, именно этим и отличавшихся от металлов благородных, не поддающихся действию огня. Такое действие огня просто показать, если взять кусок неблагородного металла, напр, свинца или олова, и нагревать его на воздухе. Металл сперва плавится, потом мало-помалу переходит в серое вещество, не имеющее по наружному виду ничего общего с металлом: получается по прежнему обозначению "окалина" металла, по теперешнему- "окисел". Если взвесить до обжигания кусок металла и затем образовавшуюся из него окалину, то оказывается, что последняя весит значительно больше, чем металл. Как объяснить этот факт, подмеченный еще в XII в.? Не упоминая о тех предположениях, которые строились для этого раньше, скажем, что к середине XVIII столетия явления обжигания металлов объясняли, главным образом, двумя гипотезами: по одной - огненная материя проходит через стенки сосуда, где находится обжигаемый металл, и соединяется с металлом; по другой - каждый металл состоит из окалины металла и флогистона, при обжигании флогистон улетает и остается окалина. Первая гипотеза считалась прочно установленной опытами известного английского химика Роберта Бойля; вторая защищалась Е. Шталем и его последователями, к числу которых в то время принадлежали почти все химики.
Ломоносов, как мы уже знаем, весьма скептически относился к невесомым веществам своего века и отрицал их существование. Точно также он не верил в огненную материю и подверг ее в своих размышлениях о причине теплоты и холода такой беспощадной критике, что члены Конференции, по прослушании диссертации, вернули ее Ломоносову для смягчения выражений, употребленных им по адресу Р. Бойля. В этой же диссертации Ломоносов говорит о возможности другого объяснения увеличения веса металла при обжигании - а именно, от соединения металла с воздухом, все время окружающим обжигаемый металл. Эта же мысль высказана им и в письме к Л. Эйлеру (5 июля 1748 г.).
Но против такого предположения говорило одно обстоятельство. Как упомянуто, Р. Бойль подтвердил свою гипотезу опытом, заключавшимся в следующем (1673). Р. Бойль взял кусок свинца, поместил его в стеклянную реторту (сосуд с длинной, направленной вниз, шейкою), герметически ее заплавил и взвесил. Затем он нагрел ее в таком виде на огне, и свинец перешел в окалину; после этого он вскрыл реторту (причем Р. Бойль отметил вхождение в нее воздуха со свистом, как признак герметического запаивания реторты) и снова взвесил: оказался привес, для объяснения которого он и предложил свою гипотезу о способности огненной материи проходить через стекло реторты и затем соединяться с металлом.
Ломоносов повторил этот опыт в 1756 г.; сам он пишет об этом следующее: "Делал опыты в заплавленных накрепко стеклянных сосудах, чтобы исследовать, прибывает ли вес металлов от чистого жару. Оными опытами нашлось, что славного Роберта Бойла мнение ложно, ибо без пропущения внешнего воздуха вес сожженного металла остается в одной мере". Ломоносов констатировал, так же как Р. Бойль, что при вскрытии такой реторты после опыта в нее входит воздух. Тем самым было доказано: а) что привес металла при обжигании обусловлен соединением его с воздухом; б) что объяснение процесса обжигания металла при помощи флогистона невозможно: если бы флогистон уходил из металла, то заплавленная реторта с металлом должна была бы иметь иной вес после нагревания. Все эти опыты были сообщены Ломоносовым Конференции Академии, но не опубликованы, а потому остались совершенно неизвестными.
17 лет спустя, в 1773 г., опыты Р. Бойля повторил А. Лавуазье с совершенно такими же результатами, как и Ломоносов. Но он сделал новое, очень важное, наблюдение, а именно, что только часть воздуха запаянной реторты соединилась с металлом и что увеличение веса металла, перешедшего в окалину, равно уменьшению веса воздуха в реторте. Вместе с тем часть металла осталась в свободном виде. Отсюда Лавуазье сделал вывод, что воздух состоит из двух газов, из которых один соединяется с металлом, другой - нет. Этот вывод был проверен на опыте обжиганием ртути в реторте, сообщавшейся с определенным объемом воздуха под стеклянным колоколом, погруженным в ртуть. Через 12 дней обжигание было прекращено, потому что объем воздуха под колоколом перестал уменьшаться; оставшийся в колоколе воздух не поддерживал горения, мышь в нем не могла жить, а потому Лавуазье назвал его азотом - что по-гречески значит негодный для жизни. Получившаяся красная окалина ртути при сильном прокаливании распалась на ртуть и тот газ, который был поглощен ртутью из воздуха: в этом газе свеча горела с ослепительным блеском, мышь чувствовала себя превосходно; это был кислород. Таким образом, были окончательно разъяснены процессы обжигания металлов и вместе с тем доказано, что воздух - не элемент, но содержит около 4/5 азота, 1/5 кислорода. А затем Лавуазье же доказал, что горение есть, вообще, соединение горящего или обжигаемого вещества с кислородом воздуха.
Из этого очевидно, как близко подошел Ломоносов к величайшим открытиям XVIII в., положившим начало новой химии, не признававшей вещества флогистона.
Физическая химия и приборы для нее. Лекции и физико-химические опыты. Ломоносов как преподаватель
Еще в проекте об учреждении химической лаборатории Ломоносов говорит об обучении химии студентов в ней. Это оказалось возможным только после того, как была выстроена лаборатория; в ней, как мы видели, имелась небольшая комната, предназначавшаяся между прочим и для чтения лекций. Ломоносов много работал над подготовкою своего курса химии, который является совершенно оригинальным.
Так, 15 мая 1752 г. в Канцелярию Академии поступило отношение Конференции, согласно которому Ломоносов "письменно собранию представил, какие лекции химические
он студентам давать и опыты химические делать намерен; при том он объявил, что ему на то следующие инструменты надобны, а именно:
1) деревянные вески, 2) инструменты для исследования жесткости твердых тел давлением и ломанием, 3) точило, 4) инструмент для исследования вязкости жидких материй по числу капель, 5) Папинова машина, 6) мельница, чем тереть разные материалы, 7) пирометр, 8) десять термометров простых с ртутью. И понеже господа заседающие его намерение апробовали и рассудили, что показанные инструменты как к сему делу, так и к общей пользе весьма потребны, того ради установлено о том Канцелярии Академии Наук рапортовать, дабы оные инструменты для пользы Академии вообще под смотрением г. советника Ломоносова сделаны и заготовлены были; при том же приложил означенным инструментам (кроме пирометра и термометров)".
Цель, для которой должны были служить эти приборы, так намечена М. В. Ломоносовым в его донесении (на латинском языке) в Конференцию Академии Наук, поданном 11 мая того же года, за четыре дня до заказа приборов: "В химических моих лекциях, которые я должен читать учащемуся юношеству, я считаю очень полезным присоединять, где возможно, к химическим опытам физические и сам постараюсь исполнить то, о чем говорил в похвальной химической речи на бывшем публичном собрании, которую сообщаю Вам переведенной на латинский язык студентом Яремским (это - "Слово о пользе химии". - Б. М.). Поэтому во всем курсе опытной химии, собранной моими трудами, надо 1) определять удельный вес химических тел; 2) исследовать сцепление между частичками их: а) посредством 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 измерять, взвешивать и определять вычислением". Из других приборов, потребованных Ломоносовым в 1752 г., упомянем еще машину для исследования преломления лучей света в разных жидкостях. А 7 апреля он писал в Канцелярию: "Для умножения в химической лаборатории черной работы, а особливо для показания химических опытов студентам, одним работником обойтись и довольствоваться нельзя, где не меньше бывает работы, нежели в ботаническом саду, как то: носить и класть по печам дрова и уголье, мыть и чистить посуду, приготовлять, тереть и толочь материал и всю лабораторию в чистоте содержать... Того ради Канцелярия Академии Наук да соблаговолит определить еще одного истопника к помянутой лаборатории". Это требование было немедленно выполнено.
Итак, для чтения лекций были проведены очень основательные подготовительные работы. Нашлись и слушатели, как свидетельствует следующее "прошение студентов Михаила Софронова, Ивана Федоровского и Василия Клементьева: "Понеже химия есть полезная в государстве наука, притом же и мы желаем обучаться оной, того ради всепокорнейше просим Канцелярию Академии Наук, чтоб соблаговолила дозволить нам ходить оной науки к профессору, его благородию господину Ломоносову, который показывать нам эксперименты и лекции свои начать обещается. Что ж касается до лекций, которые мы ныне слушаем, на оные как ходили, так и будем ходить, пока генерального развода по наукам всем не воспоследует. 15 Февраля 1750 года".
Когда именно начались самые лекции - в точности неизвестно: с одной стороны, в мае 1752 г., как видно из приведенных данных, Ломоносов еще лишь собирался начать их; с другой стороны, в отчете о своих занятиях за сентябрьскую треть 1752 г. он пишет: "читал химические лекции для студентов, показывая при том химические эксперименты, которых мог бы еще присовокупить больше, есть ли бы требуемые инструменты поспели... а в нынешнюю генварскую треть (т. е. 1753 года) намерен химические экспериментальные лекции студентам продолжать". Таким образом, вероятно, начало лекций надо отнести к лету 1752 г. - возможно, что их начало совпало с началом нового учебного года 11 июля. Перечисляя свои занятия в 1752 г., Ломоносов говорит: "показывал студентам химические опыты тем курсом, как сам учился у Генкеля. Для ясного понятия и краткого познания всей химии диктовал студентам и толковал сочиненные мною к физической химии пролегомены на латинском языке, которые содержатся на 13 листах в 150 параграфах со многими фигурами на шести полулистах". В другом месте он говорит: "диктовал студентам первые основания физической химии и читал по ним лекции по четыре часа в неделю, показывая при том физические эксперименты, которых мог еще присовокупить больше, есть ли бы требуемые инструменты поспели".
Лекции продолжались и в 1753 г., о них мы узнаем из рапорта, поданного Ломоносовым в Канцелярию Академии Наук 5 февраля 1753 г., из которого приведем такие выдержки:
"В прошлом 1751-м году августа 30 числа порученные мне студенты по ордеру его сиятельства Академии Наук президента для наставления в поэзии Николай Поповский, а в химии Василей Клементьев, Иван Братковский, Иван Федоровский имеют в науках следующие прогрессы... Что ж до моих химических лекций касается, то имеют оные быть окончены около майя месяца сего 1753 года, и по окончании оного явится успех каждого. Между тем могу засвидетельствовать, что на чинимые на лекциях моих вопросы способнее других ответствует Степан Румовский, который по соизволению Канцелярии с протчими студентами на мои лекции прилежно ходит; Иван Братковский; также бы мог иметь равной успех, есть ли бы не часто лекции прогуливал. Василей Клементьев всех прилежнее и, как по обстоятельствам примечаю, изрядно понимает и помнит; однако на вопросы ответствовать весьма застенчив, так что иногда сказать не может того, что ему конечно памятно быть должно. Иван Федоровский хотя нарочитое понятие имеет, однако приметил я в нем невеликую к химии охоту. Коллежскай советник и профессор М. Ломоносов".
Лекции физической химии действительно, как и предполагал Ломоносов, были закончены в мае 1753 г.; в отчете о своих трудах за 1753 г. он упоминает, что "по окончании лекций делал новые химико-физические опыты". Этим первым и последним курсом лекций физической химии, сколько можно судить, и закончилась его деятельность в качестве университетского профессора.
Самый курс Ломоносова имеется в Архиве Академии Наук, так же как и диктовавшийся студентам конспект в записи В. Клементьева; курс в переводе был впервые опубликован мною в 1904 г. и является замечательным по замыслу. Здесь воплощаются те мысли, которые уже были высказаны в "Слове о пользе химии", но главное внимание обращено на союз химии с физикой. Сама химия определяется в § 1 так: "Физическая химия - наука, объясняющая на основании положений и опытов физических причину того, что происходит через химические операции в сложных телах. Она может быть названа химической философией, но в совершенно ином смысле, чем та мистическая философия, где не только не дают объяснений, но даже и самые операции производят тайным образом". § 2. "Мы назвали этот труд физической химией потому, что решили поместить в нем только научное объяснение состава тел". Основная мысль, воплощенная в физической химии, заключается в изучении химии при помощи физики и в объединении всех химических фактов на почве физики.
После окончания лекций студенты, под руководством М. В. Ломоносова, приступили к физико-химическим опытам в лаборатории, чтобы на практике самим познакомиться с тем, что они прошли теоретически. Их работы продолжались до 1756 г., и в результате такого постепенного изучения они действительно приобрели обширные сведения по физической химии. Среди архивных бумаг сохранилось довольно много заметок, касающихся физико-химических опытов, и мы можем теперь воссоздать полностью их программу, имеем и некоторые результаты. Но ни один из лабораторных журналов этой эпохи, 1752- 1756 гг., пока не отыскан в архивах, и мы поэтому не можем судить, что выполнено из намеченной программы.
Физико-химические опыты Ломоносова были задуманы на очень широких началах, по программе настолько всеобъемлющей, что и до сих пор она не исчерпана. Главное его внимание было обращено на то, что мы теперь зовем растворами, которые образуют вода и другие жидкости с солями и иными веществами. Опытной разработке свойств растворов он предпослал интересную статью о действии химических растворителей вообще (1745), где рассматривает самый механизм растворения, что ныне не представляет интереса; но важным фактом является то, что Ломоносов строго различает и отдельно расследует два случая растворимости: а) растворение, связанное с выделением теплоты, напр. металла в кислоте, т. е. являющееся по существу химическим взаимодействием (потому что из полученного раствора выделяется при выпаривании не взятый металл, но та соль его, которая образована данной кислотою); б) растворение, происходящее с поглощением теплоты, напр. соли в воде, причем не происходит химического изменения растворенного, а при выпаривании раствора кристаллизуется та же соль, которая была взята. Такое различие случаев растворения потом сделал А. Л. Лавуазье в 1789 г. Затем программа опытов предусматривала изучение продуктов кристаллизации растворов, - кристаллов различных солей. Для них должны были исследоваться растворимость в воде при разных температурах, удельный вес, твердость и некоторые другие свойства; вообще программы эти занимают несколько страниц. Сохранившиеся записи результатов показывают, что главное внимание было обращено Ломоносовым на определение растворимости солей при разных температурах, от 0 до 150° термометра Ломоносова (глава III), т. е. от 0 до 100° стоградусной шкалы. Эти опыты давали обыкновенно результаты более низкие, чем современные. Такие опыты затем делал Гей-Люссак в 1819 г., после него многие другие ученые. Ломоносову приходилось в физико-химических опытах преодолевать громадные трудности - техника соответствующих определений была совершенно не выработана; он должен был изобретать и приборы для производства опытов, и самые методы исследования. Приборы изготовлялись крайне медленно, а методы исследования давали расходящиеся результаты. Поэтому здесь, как и в других областях научной работы Ломоносова, мы имеем очень ценные мысли, гениальные предвидения тех путей, по которым должно идти развитие науки; но практические осуществления этих мыслей и намерений не дают результатов за полным отсутствием необходимых для этого приборов, приспособлений и методов исследования. Мысли опережают практические возможности на полтора века.
В предыдущих страницах мы могли познакомиться с М. В. Ломоносовым как с университетским преподавателем. Его метод преподавания - вполне современный: он сперва читает лекции химии, сопровождая их опытами и опросами, затем он дает студентам обширный практический курс лабораторной работы, в течение которой теоретические положения лекций должны прочно укрепиться в процессе самостоятельной работы. Усвоение курса и навык к практической работе проверяются исследовательской, дипломной, как принято теперь, работою студента: такая работа В. Клементьева дошла до нас и показывает, что он вполне ознакомился с химией. Как преподаватель М. В. Ломоносов - на высоте своего профессорского звания. Сколько известно, его химическая лаборатория - первая исследовательско-учебная лаборатория вообще; из истории химии мы знаем, что вторая такая лаборатория была основана уже только в XIX столетии. Это была лаборатория профессора Ю. Либиха в Гиссене, в Германии, открытая в 1825 г., где точно так же велись учебные и исследовательские работы студентов и научные исследования самого профессора и его ассистентов.
Значение физической химии. Изучение первоначальных частичек
В течение XIX в. неоднократно химики были в то же время и физиками, и физики - химиками, и в своих работах пользовались приемами обеих наук. Отдельные пункты громадной ломоносовской программы физико-химических опытов подвергались разработке, но особой науки, физической химии, посвящаемой разработке химии при помощи физических методов, не было. Таковая появилась лишь в 1880-х годах, причем одним из первых и главнейших деятелей в этом направлении был Вильгельм Оствальд, тоже русский по происхождению. Первый курс физической химии был им прочитан в университете Лейпцига около 1885 г., и он же устроил при этом университете большую физико-химическую лабораторию, где по существу разрабатывалась программа опытов с растворами М. В. Ломоносова, о которой В. Оствальд, естественно, ничего не знал. Эту программу я сообщил ему в 1905 г. Развитие физической химии за последние 50 лет превзошло все ожидания; в свою очередь, это развитие самым благотворным образом повлияло и на химию вообще, введя в нее новые количественные приемы и уточнив многое, что до этого было неясно и противоречиво. Физическая химия все больше и больше применяет высшую математику, совершенно необходимую для дальнейшего развития ее. Тот тройственный союз, который когда-то провозглашал Ломоносов: химия - физика - математика, стал совершившимся фактом. Как при помощи физики в химию были введены вес, мера, число, и последняя превратилась в точную науку, так теперь химия начала проникать все больше в физику, образуя химическую физику. Обе науки немыслимы одна без другой и без математики, как это ясно видел Ломоносов, обе дополняют друг друга и ведут к совместным завоеваниям в области неизвестного. Он первый физико-химик, отец физической химии.
Но это еще не все. Как мы могли убедиться, М. В. Ломоносов всюду проводил еще и другую основную мысль, составлявшую краеугольный камень его корпускулярной теории: что мельчайшие частички, - корпускулы, атомы - определяют свойства всех тел, их физическую и химическую природу. Все это развито им в "Слове о пользе химии", развито в физической химии: "химия первая предводительница будет в раскрытии внутренних чертогов тел, первая проникнет во внутренние тайники тел, первая позволит познакомиться с частичками", говорит он. Уже в "Элементах математической химии" он пытается набросать схему приложения атомной теории к химии; он размышляет об этом всю свою жизнь и в "Рассуждении о твердости и жидкости тел" впервые говорит о строении (его выражение) частиц или молекул: "во тме должны обращаться физики, а особливо химики, не зная внутреннего нечувствительного частиц строения".
И это предвидение Ломоносова осуществляется постепенно, как показывает история химии, в течение XIX в.: химия мало-помалу превращается в науку о молекулах, построенных из атомов. С 1865 г. это распространяется и на органическую химию - затем на "комплексные соединения" - и к началу XX в. существование атомов и молекул доказано на опыте; почти для всех химических индивидов, кроме весьма сложных, известно строение, т. е. расположение атомов в молекулах. Химики начинают выходить из потемок на свет. Дальнейшие этапы развития известны всем: определение строения атома, изучение влияния этого строения на химические и иные свойства атома; выявление строения молекул - не простого расположения в них атомов, но природы их взаимной связи. Сотни и тысячи ученых в настоящее время напрягают свои силы для осуществления завета Ломоносова: "первоначальные частицы исследовать толь нужно, как самим частицам быть. И как без нечувствительных частиц тела не могут быть составлены, так и без оных испытания учение глубочайшия физики невозможно".
Мы подошли к концу деятельности Ломоносова как химика и физико-химика. Уже в 1754 г. он, давая отзыв об одной присланной на премию химической диссертации, заявил, что автор ее, если бы приехал в Россию, мог бы стать профессором химии, так как сам он, обремененный другими делами, не может ею больше заниматься. Преемником ему в самом конце 1755 г. был приглашен У. Сальхов. С переездом Ломоносова с Васильевского Острова в собственный дом на Мойке работа его в Химической лаборатории Академии Наук прекратилась и была перенесена в устроенную им у себя домашнюю лабораторию. Химическая лаборатория, на сооружение которой он затратил столько сил и энергии, просуществовала до 1783 г., когда на месте ботанического сада Академии было воздвигнуто здание Российской Академии (словесности и литературы), как сказано в главе III.