Майов был не только химик, но и врач. И как врач высказал мысли, поразительные для того времени. «Воздушный спирт», считал он, поглощается лёгкими и кровью человека, при этом выделяется тепло, а кровь меняет цвет: тёмная венозная становится ярко-красной артериальной.
И всё-таки первая общая теория горения возникла на основе старых представлений о горении как о процессе, в котором происходит распад, а не соединение веществ. Её творцом был немецкий врач и химик Георг Эрнст Шталь (1660–1734), профессор Йенского университета. В разработке теории он опирался на учение своего предшественника И.И.Бехера о трёх землях и воде — «составных частях всех смешанных тел». Связь этого учения с алхимическими (натрохимическими) воззрениями несомненна. Есть, однако, и существенное отличие. Земля и вода Бехера — материальны, в то время как алхимики, следуя за Аристотелем, обозначали подобными понятиями абстрагированные стихии-качества. Первая земля, по Бехеру, сообщает смешанным телам «телесность, субстанцию и сущность»; вторая придаёт им «консистенцию, цвет, вкус», а третья — «форму, проницаемость, запах, блеск, свечение и т. д.».
Шталь, придерживаясь бехеровской классификации составных частей смешанных тел, вторую землю назвал флогистоном (от греческого флогистос — огонь, воспламеняющийся). Флогистон, по Шталю, — «горючая субстанция, или способное производить огонь начало, — не только нечто действительное, но и нечто телесное». Когда вещество горит, горючая субстанция «улетучивается», оставляя после себя дефлогистированную массу, а пламя — вихреобразное движение этой субстанции в воздухе.
Флогистонная теория сыграла двоякую роль. С одной стороны, она сблизила и объединила окончательно типичные процессы горения с явлениями, наблюдавшимися при обжиге и кальцинировании (окислении) металлов. А с другой, она же стимулировала поиск подлинно научных объяснений этих явлений.
И раньше не раз бывало, что исходные неверные, ненаучные воззрения приводили к открытиям естественнонаучного характера. Флогистон наиболее разительный в этом смысле пример. Химия, по оценке Ф.Энгельса, «…освободилась от алхимии посредством флогистонной теории». Стремясь поймать эту неуловимую «телесную субстанцию» и тем самым доказать справедливость теории, её сторонники успешно рыли ей могилу. На это ушёл почти весь XVIII в.
Трудности у теории начались сразу же. Как же так: если флогистон — это улетучивающаяся «телесная субстанция», то почему вес металла при обжиге не уменьшается, а увеличивается? Флогистон не имеет веса, отвечали сторонники теории. «Телесная субстанция» не имеет веса? — удивились скептики. У неё «отрицательный» вес — нашёлся ученик Шталя Иоганн Юнкер. Хотя никто никогда не видел материальных веществ с отрицательным весом, тем не менее флогистонную теорию признали многие крупные учёные. Более того, изобретались наглядные представления об отрицательном весе флогистона. Француз Гитон де Морво писал: «Приведём в равновесие на весах под водой два свинцовых шара приблизительно одного веса; затем к одной чашке весов подвесим кусок пробки… тогда эта чашка со свинцовым шаром поднимется вверх… несмотря на то, что вес её, очевидно, увеличился. Подобное же происходит при горении, только здесь взвешивание происходит в воздухе…»
Российский академик Михайло Ломоносов в 1756 г. обжигал металлы в запаянной колбе, сравнивал её вес до обжига и после него, и эти опыты убедили его в том, что «славного Роберта Бойля мнение ложно…», потому что вес колбы не изменялся. Он менялся только при обжиге на открытом воздухе. Стало быть, никакой «огненной материи», прилипающей к металлу, нет. А ещё раньше, в 1744 г., в диссертации «Размышления о причине теплоты и холода» Ломоносов высмеял «огненную материю», которая то входит в поры тел, «как бы привлекаемая каким-то приворотным зельем», то бурно покидает их, «как бы объятая ужасом».
Теплоту Ломоносов понимал как движение материальных частиц и впервые отчётливо показал, из чего состоят окружающие нас тела. По его мнению, тела состоят из «первичных корпускул», которые в свою очередь «есть собрание элементов…» А «элемент есть часть тела, не состоящая из каких-либо других меньших и отличающихся от него тел».
Относительно флогистона Ломоносов придерживался мнения, что он существует и представляет собой «горючий воздух», «горючий пар», выделяющийся «при растворении какого-либо неблагородного металла, особенно железа, в кислотных спиртах…» Мы знаем теперь, что «горючий пар», выделяющийся при этих реакциях, — это водород.
Судьбу флогистонной теории решили многочисленные экспериментальные данные, накопленные к концу XVIII в. Окончательный приговор ей вынес француз Антуан Лоран Лавуазье (1743–1794).
Правда, дело обстоит гораздо сложнее, чем кажется на первый взгляд. Существует мнение, что Лавуазье ничего сам не сделал, а лишь присвоил себе чужие открытия, прежде всего шведа Шееле и англичанина Пристли, открывших кислород. Как в этом разобраться?
Карл Вильгельм Шееле (1742–1786) даже среди сторонников Шталя выделялся своей ортодоксальностью, но он был прирождённый экспериментатор. За свою короткую жизнь на простейшем оборудовании, преодолевая отчаянную нужду и болезнь, успел сделать невероятно много. Открыл хлор и марганец, занимался исследованиями сероводорода, фосфора, синтезировал винную, лимонную, щавелевую и другие кислоты, глицерин и эфиры…
В 1768 г. он приступил к исследованиям, которые привели к открытию газа, поддерживающего горение («огненного воздуха»), но опубликовал свои результаты лишь через семь лет в «Химическом трактате о воздухе и огне». А ещё через два года издал книгу. И Пристли, и Лавуазье к этому времени уже опубликовали результаты своих исследований.
Джозеф Пристли (1733–1804) — священник, что не мешало ему быть материалистом и радикалом — он бурно приветствовал Великую французскую революцию. Химиком был по призванию — никакого специального химического образования не имел. Тем не менее именно ему удалось усовершенствовать пневматическую ванну Гейлса, что позволило собирать и анализировать вещества, до этого считавшиеся неуловимыми, т. е. газы. 1 августа 1774 г., нагревая красную окись ртути с помощью линзы, он получил газ, который напоминал обычный воздух: в нём хорошо горела свеча — даже ещё ярче, а тлеющая лучина вспыхивала. Пристли был, как и Шееле, предан флогистону, поэтому открытый газ назвал «дефлогистированным воздухом». Он и умер с мыслью опровергнуть «новую химию» Лавуазье и защитить «превосходную теорию флогистона».
Первые выступления Лавуазье против флогистона (впрочем, без конкретного его упоминания) относятся к 1772 г., когда он представил Французской академии описание опытов по сжиганию фосфора и серы. Вывод тогда он предлагал такой: при горении воздух вступает в соединение с горящим материалом. Через два года горением он стал заниматься ещё более интенсивно и пришёл к твёрдому убеждению, что «первоэлемент» воздух — не простое тело, а смесь газов. Одна часть этих газов нужна для горения, другая — нет. В 1783 г. Лавуазье счёл, видимо, себя вполне подготовленным, чтобы открыто выступить против флогистона. Он издаёт мемуар: «Размышления о флогистоне, являющиеся продолжением теории горения и кальцинации, опубликованной в 1777 году». «Настало время, — решительно говорит Лавуазье, — когда я должен объясниться более чётко и формально по поводу мнения, которое я считаю пагубным заблуждением в химии, задержавшим, как я полагаю, значительным образом прогресс, вводя дурную манеру философствования».
Флогистон Шталя — воображаемое вещество, твёрдо заявляет Лавуазье. Все явления горения проще и яснее объясняются без него, чем с ним.
Ф.Энгельс назвал кислород элементом, «…которому суждено было ниспровергнуть все флогистонные воззрения и революционизировать химию…» И главную роль в этой революции Энгельс отвёл Лавуазье, который открыл, что «…новая разновидность воздуха была вполне новым химическим элементом, что при горении не таинственный флогистон выделяется из горящего тела, а этот новый элемент соединяется с телом, и таким образом, он впервые поставил на ноги всю химию, которая в своей флогистонной форме стояла на голове. И если даже Лавуазье и не дал описания кислорода, как он утверждает впоследствии, одновременно с другими и независимо от них, то всё же по существу дела открыл кислород он, а не те двое, которые только описали его, даже не догадываясь о том, что именно они описывали».