Теория флогистона — это вытесненная научная теория , которая постулировала существование огнеподобного элемента под названием флогистон ( / f l ɒ ˈ dʒ ɪ s t ən , f l oʊ -, - ɒ n / ) [1] [2], содержащегося внутри горючие тела и выделяющиеся при горении . Название происходит от древнегреческого φλογιστόν phlogistón ( горение ), от φλόξ phlox ( пламя ). Идея была впервые предложена в 1667 году Иоганном Иоахимом Бехером , а затем более формально сформулирована Георгом Эрнстом Сталем . Теория флогистона попыталась объяснить химические процессы, такие как горение и ржавление , теперь известные под общим названием окисление . Это столкнулось с проблемой сопутствующего увеличения веса, и от него отказались до конца 18 века после экспериментов Антуана Лавуазье и других. Теория флогистона привела к экспериментам, которые в конечном итоге завершились открытием кислорода .
Теория флогистона утверждает, что флогистоновые вещества содержат флогистон и что при сгорании они дефлогистифицируются , выделяя накопленный флогистон, который поглощается воздухом. Растущие растения затем поглощают этот флогистон, поэтому воздух не воспламеняется самопроизвольно, а также почему растительные вещества горят так хорошо.
Таким образом, флогистон объясняет горение посредством процесса, обратного процессу кислородной теории .
Вообще считалось, что вещества, которые горят на воздухе, богаты флогистоном; Тот факт, что горение вскоре прекратилось в замкнутом пространстве, был воспринят как явное доказательство того, что воздух способен поглощать лишь ограниченное количество флогистона. Когда воздух стал полностью флогистифицирован, он больше не мог поддерживать горение какого-либо материала, и нагретый в нем металл не давал окалины ; и флогистический воздух не мог поддерживать жизнь. Считалось, что дыхание выводит флогистон из организма. [3]
Шотландский ученик Джозефа Блэка Дэниел Резерфорд открыл азот в 1772 году, и они использовали эту теорию для объяснения своих результатов. Остаток воздуха, оставшийся после сгорания, по сути, смесь азота и углекислого газа , иногда назывался флогистифицированным воздухом, впитавшим в себя весь флогистон. И наоборот, когда Джозеф Пристли открыл кислород , он полагал, что это дефлогистированный воздух, способный соединяться с большим количеством флогистона и, таким образом, поддерживать горение дольше, чем обычный воздух. [4]
Эмпедокл сформулировал классическую теорию существования четырех элементов — воды, земли, огня и воздуха, а Аристотель подкрепил эту идею, охарактеризовав их как влажные, сухие, горячие и холодные. Таким образом, огонь рассматривался как субстанция, а горение рассматривалось как процесс разложения , применимый только к соединениям. Опыт показал, что горение не всегда сопровождается потерей материала, и для объяснения этого необходима более совершенная теория. [5]
В 1667 году Иоганн Иоахим Бехер опубликовал свою книгу «Physica subterranea» , которая содержала первый пример того, что впоследствии стало теорией флогистона. В своей книге Бехер исключил огонь и воздух из классической модели элементов и заменил их тремя формами земли: terra lapidea , terra fluida и terra pinguis . [6] [7] Terra pinguis был элементом, который придавал маслянистые, сернистые или горючие свойства. [8] Бехер считал, что terra pinguis является ключевым элементом горения и выделяется при сгорании горючих веществ. [6] Бехер не имел большого отношения к теории флогистона в том виде, в каком мы ее знаем сейчас, но он оказал большое влияние на своего ученика Шталя. Основным вкладом Бехера было начало самой теории, однако после него многое изменилось. [9] Идея Бехера заключалась в том, что горючие вещества содержат горючую материю, terra pinguis . [10]
В 1703 году Георг Эрнст Шталь , профессор медицины и химии в Галле , предложил вариант теории, в котором он переименовал terra pinguis Бехера во флогистон , и именно в этой форме теория, вероятно, имела наибольшее влияние. [11] Сам термин «флогистон» не был изобретен Шталем. Есть свидетельства того, что это слово использовалось еще в 1606 году, и это было очень похоже на то, для чего его использовал Шталь. [9] Этот термин произошел от греческого слова, означающего «воспламенять». В следующем абзаце описывается точка зрения Шталя на флогистон:
Для Шталя металлы были соединениями, содержащими флогистон в сочетании с оксидами металлов (кальциями); при воспламенении флогистон освобождался от металла, оставляя после себя оксид. Когда оксид нагревали с веществом, богатым флогистоном, например с древесным углем, окалина снова поглощала флогистон и регенерировала металл. Флогистон был определенным веществом, одинаковым во всех своих сочетаниях. [10]
Первое определение флогистона, данное Шталем, впервые появилось в его книге «Zymotechnia фундаменталис» , опубликованной в 1697 году. Его наиболее цитируемое определение было найдено в трактате по химии, озаглавленном Fundamenta chymiae , в 1723 году . [9] Согласно Шталю, флогистон представлял собой вещество, которое не могло быть положить в бутылку, но, тем не менее, можно переносить. Для него древесина была просто комбинацией золы и флогистона, а сделать металл было так же просто, как взять металлическую окалину и добавить флогистон. [10] Сажа была почти чистым флогистоном, поэтому нагревание ее с помощью металлической окалины превращает окалину в металл, и Шталь попытался доказать, что флогистон в саже и сере был идентичен, превращая сульфаты в печень серы с помощью древесного угля . Он не учел известного в то время увеличения веса при сгорании олова и свинца. [12]
Иоганн Генрих Потт , ученик одного из учеников Шталя, расширил теорию и попытался сделать ее гораздо более понятной для широкой аудитории . Он сравнил флогистон со светом или огнем, заявив, что все три вещества являются веществами, природа которых широко понятна, но не легко определена . Он считал, что флогистон следует рассматривать не как частицу, а как сущность, пронизывающую вещества, утверждая, что в фунте любого вещества нельзя просто выделить частицы флогистона. [9] Потт также заметил тот факт, что при сгорании некоторых веществ их масса увеличивается, а не теряется масса флогистона при его испарении; по его мнению, флогистон был основным принципом огня и не мог быть получен сам по себе. Считалось, что пламя представляет собой смесь флогистона и воды, а смесь флогистона и земли не может гореть должным образом. Флогистон пронизывает все во Вселенной; при соединении с кислотой он может выделяться в виде тепла. Потт предложил следующие свойства:
Формулировки Потта предложили мало новой теории; он просто предоставил дополнительные детали и сделал существующую теорию более доступной для обычного человека.
Иоганн Юнкер также создал весьма полную картину флогистона. Читая работу Шталя, он предполагал, что флогистон на самом деле очень материален. Поэтому он пришел к выводу, что флогистон обладает свойством легкости или что он делает соединение, в котором он находится, намного легче, чем оно было бы без флогистона. Он также показал, что для горения необходим воздух, помещая вещества в герметично закрытую колбу и пытаясь их сжечь. [9]
Гийом-Франсуа Руэль принес теорию флогистона во Францию, он был очень влиятельным ученым и учителем, поэтому она очень быстро завоевала довольно прочную точку зрения. Многие из его учеников сами по себе стали очень влиятельными учеными, включая Лавуазье. [10] Французы рассматривали флогистон как очень тонкий принцип, который исчезает при любом анализе, но он присутствует во всех телах. По сути, они следовали прямо из теории Шталя. [9]
Джованни Антонио Джоберт представил работы Лавуазье в Италии. Гиоберт выиграл приз Академии литературы и наук Мантуи в 1792 году за свою работу, опровергающую теорию флогистона. 18 марта 1792 года он представил в Туринской королевской академии наук доклад под названием Examen chimique de la доктрины флогистики и де ла доктрины пневматистов par rapport à la Nature de l'eau («Химическое исследование доктрины флогистона и учение пневматистов о природе воды»), которое считается наиболее оригинальной защитой теории состава воды Лавуазье, появившейся в Италии. [14]
В конце концов, количественные эксперименты выявили проблемы, в том числе тот факт, что некоторые металлы увеличивали вес после сгорания, хотя предполагалось, что они потеряли флогистон. Некоторые сторонники флогистона, такие как Роберт Бойль , [15] объяснили это, заключив, что флогистон имеет отрицательную массу; другие, такие как Луи-Бернар Гайтон де Морво , привели более традиционный аргумент, что он легче воздуха. Однако более детальный анализ, основанный на принципе Архимеда , плотности магния и продуктов его сгорания показал, что просто то, что он легче воздуха, не может объяснить увеличение веса. [ нужна цитата ] Сам Шталь не занимался проблемой металлов, которые сгорают и набирают вес, но именно те, кто следовал его школе мысли, работали над этой проблемой. [9]
В восемнадцатом веке, когда стало ясно, что металлы приобретают вес после окисления, флогистон все чаще стал рассматриваться как принцип , а не как материальная субстанция. [16] К концу восемнадцатого века для немногих химиков, которые все еще использовали термин флогистон, это понятие было связано с водородом . Джозеф Пристли , например, говоря о реакции пара на железо, полностью признавая, что железо прибавляет в весе после того, как оно связывается с кислородом с образованием окалины , оксида железа, железо также теряет «основу легковоспламеняющегося воздуха ( водород ), и это вещество или принцип, которому мы даем имя флогистон». [17] Следуя описанию Лавуазье кислорода как окислительного принципа (отсюда и его название, от древнегреческого: oksús , «острый»; genos , «рождение», относящееся к предполагаемой роли кислорода в образовании кислот), Пристли описал флогистон как щелочное вещество . принцип. [18]
Флогистон оставался доминирующей теорией до 1770-х годов, когда Антуан-Лоран де Лавуазье показал, что для горения требуется газ, имеющий вес (в частности, кислород ), который можно измерить посредством взвешивания закрытых сосудов. [19] Использование закрытых сосудов Лавуазье и ранее русским ученым Михаилом Ломоносовым также свело на нет плавучесть, которая маскировала вес газов сгорания, и привело к появлению принципа сохранения массы . Эти наблюдения разрешили массовый парадокс и подготовили почву для новой кислородной теории горения. [20] Британский химик Элизабет Фулхэм экспериментально продемонстрировала, что многие реакции окисления происходят только в присутствии воды, что в них непосредственно участвует вода, и что вода регенерируется и ее можно обнаружить в конце реакции. На основании своих экспериментов она не согласилась с некоторыми выводами Лавуазье, а также с теоретиками флогистона, которых он критиковал. Ее книга на эту тему появилась в печати вскоре после казни Лавуазье за членство в Генеральной ферме во время Французской революции . [21] [22]
Опытные химики, поддержавшие теорию флогистона Шталя, попытались ответить на вызовы, поставленные Лавуазье и новыми химиками. При этом теория флогистона стала более сложной и предполагала слишком много, что способствовало общему упадку теории. [20] Многие люди пытались переделать свои теории о флогистоне, чтобы теория соответствовала тому, что Лавуазье делал в своих экспериментах. Пьер Маккер много раз перефразировал свою теорию, и хотя он, как говорят, считал, что теория флогистона обречена, он поддерживал флогистон и пытался заставить теорию работать. [23]
Цитаты, связанные с теорией флогистона, в Wikiquote