Владимир Мезенцев - Рассказ о строении вещества

Много веков назад были высказаны первые правильные догадки, отвечающие на этот вопрос.

Из ничего ничто произойти не может; ничто существующее не может быть уничтожено — утверждал еще 2 400 лет тому назад Демокрит, философ-материалист древней Греции.

Его мысли повторил через несколько веков древнеримский поэт и философ Лукреций Кар: «Из ничего даже волей богов ничего не творится»; «…разлагает природа все вещи на составные частицы, пропасть же ничто в ней не может».

Однако все эти высказывания были лишь догадками, значение которых для науки не было ясно их авторам. Всё значение вопроса о неуничтожаемости материи для науки впервые было понято М. В. Ломоносовым.

До Ломоносова химики, как правило, не производили количественных измерений; все их опыты касались только чисто качественных изменений вещества. В химических опытах учёные почти не пользовались весами. А ведь это могущественное средство изучения природы. Как много неясных, непонятных вопросов может быть решено при помощи взвешивания.

Этот новый шаг в химии делает М. В. Ломоносов.

«Я думаю, — писал Ломоносов, — нет такого ученого, который бы не знал, какое бесчисленное множество имеется химических опытов; но при всем том он не может отрицать, что авторы почти всех их прошли молчанием такие весьма важные и крайне необходимые обстоятельства, как меру и вес. А сколько эти два фактора вносят в физико-химические опыты правдивости и проницательности, показывает употребление их каждому, усидчиво упражняющемуся в опытах такого рода».

Ставя множество различных опытов, русский академик, в отличие от учёных его времени, как правило, пользуется весами. И с каждым опытом он убеждается в необходимости измерения и взвешивания при любом исследовании.

Об этом он говорит неоднократно в своих заметках и рабочих дневниках. Например, составляя проект первой в России научной химической лаборатории, построенной в 1748 году, Ломоносов писал:

«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».

Ломоносов считает, что материя неуничтожаема — при любых изменениях различных веществ, при любых химических взаимодействиях (реакциях) — соединяются ли простые тела в сложные или, наоборот, сложные вещества разлагаются на элементы — масса взаимодействующих веществ должна оставаться одной и той же, постоянной. Пусть химические элементы переходят при реакциях из одних соединений в другие, пусть в результате какой-либо реакции исчезают два взаимодействующих вещества и получается неизвестное третье — вес, масса всех веществ в этих случаях остается той же. Другими словами, если два вещества химически соединяются и дают третье — новое и более сложное вещество, то масса этого вновь полученного вещества равняется массе первых двух веществ.

Такой вывод Ломоносов записывает впервые в 1748 году:

«Все перемены в Натуре (то-есть в природе) 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…»

И далее он добавляет: «Сей всеобщей естественной закон простирается и в самые правила движения: ибо тело, движущее своею силою другое, столько же оныя (т. е. силы) у себя теряет, сколько сообщает другому, которое от него движение получает».

Это замечательное высказывание великого русского учёного, важнейшее по своей широте и значению, говорит о том, что Ломоносов первым в мире открыл и сформулировал всеобъемлющий великий закон природы — закон сохранения массы и энергии, закон сохранения материи, как объективной, существующей помимо нашего сознания реальности во всех её проявлениях. В отличие от всех предшественников, Ломоносов говорит не только о законе сохранения массы или о законе сохранения движения, взятых в отдельности. Он первым гениально предугадывает слияние этих законов в единый всеобъемлющий закон природы. Русский учёный говорит о любых «переменах в Натуре случающихся», об общем законе сохранения при этом и приводит примеры сохранения материи (массы вещества) и сохранение силы (энергии).

Открытый М. В. Ломоносовым великий закон единства и неуничтожаемости материи был подтверждён всеми последующими достижениями науки.

Прежде всего сам Ломоносов, понимая огромное значение открытого им закона, проводит в 1756 году опыты с целью узнать, насколько подтверждается при различных химических превращениях веществ закон сохранения их массы. Учёный повторяет опыты английского учёного Бойля, который утверждал, что если в закрытом стеклянном сосуде нагревать металл, то он увеличивается в весе благодаря тому, что в сосуд проникают через стекло «частицы огня» и соединяются с металлом.

Ломоносов сперва в точности повторил опыты Бойля; он помещал в запаянной реторте (стеклянный сосуд особой формы, употребляемый химиками) металл, взвешивал реторту и затем нагревал на огне в течение двух часов. После этого запаянное горлышко реторты обламывалось, в неё с шумом врывался наружный холодный воздух, реторта охлаждалась и снова взвешивалась, как и прежде, вместе с металлом.

Как и Бойль, Ломоносов обнаружил, что металл прибывал в весе. Чем это можно было объяснить? Бойль думал, что прибавка в весе объясняется тем, что «материя огня» проходит сквозь стекло колбы и проникает в поры металла. Но Ломоносов никаких таинственных «тонких материй», в том числе и «материи огня», как уже говорилось, не признавал. И вот тогда он поставил тот же опыт, но в конце, после нагревания реторты на огне и охлаждения её, он взвесил её, не отламывая горлышка сосуда.

«Оными опытами, — пишет Ломоносов, — нашлось, что славного Роберта Бойля мнение ложно, ибо без пропущения внешнего воздуха вес сожженного металла остается в одной мере», а значит, и никакой «материи огня» в реторту не проникает.

Чем же объяснить прибыль в весе в том случае, когда реторта перед взвешиванием вскрывалась?

Ломоносов предполагал, что это зависит от поглощения металлом воздуха. И действительно, теперь мы знаем, что при нагревании металл окисляется, то-есть соединяется с кислородом (получается окисел металла), но окисляется металл за счёт того кислорода воздуха, который находится в закрытой реторте. При этом вес металла увеличивается ровно на столько, на сколько уменьшается вес воздуха в реторте, — ведь из него ушла часть кислорода на окисление металла. Благодаря этому общий вес закрытой реторты и металла не изменяется. Иными словами, хотя здесь и происходит химическая реакция окисления, общее количество вещества не прибывает и не убывает — вес веществ, участвующих в реакции, не изменяется. Но стоит лишь открыть реторту, как на место воздуха, поглощённого металлом, внутрь колбы ворвётся наружный воздух, причём наружного воздуха зайдёт в колбу ровно столько по объему, сколько ушло кислорода воздуха на окисление металла. Вот поэтому-то при вскрытии реторты в опытах Бойля наружный воздух и врывался с шумом внутрь неё.