Знакомясь с углем, серой, медью, золотом, серебром, железом, свинцом, оловом, ртутью, цинком, сурьмой, мышьяком, висмутом, платиной, люди не имели ни малейшего представления о том, что они открывают химические элементы. Понятие «химический элемент» возникло лишь в XVII веке, сформировалось окончательно в XVIII, а реальные объекты, отвечающие этому понятию, удалось познать только в XX столетии.
Научившись обжигать глину в огне костров, первобытные исследователи не остановились на этом. Дальше одновременно с химическими экспериментами по выплавке металла шли керамические, а затем и ранние опыты стекольного производства. Этот естественно и последовательно протекавший процесс можно представить как историю борьбы за получение все более и более высоких температур. В ходе этой истории были получены существенные успехи и в подборе топлива, и в конструировании печей – в частности печей для выплавки металлов с искусственным дутьем.
Однако остается открытым вопрос: каковыми в ходе научно-технической эволюции были познания об элементах как о веществе? Существующие источники ничего прямо не говорят об этом.
От опыта к теории
В древних языках отсутствует термин «металл» в современном смысле слова. Слова, которые переводятся ныне как металл, означали, например, в древнеегипетском языке руда, камень. Для удобства все металлы различали по цветам, что отражено в языках, и это даже сейчас можно проследить.
Т. В. Гамкрелидзе и Вяч. Вс. Иванов пишут в своем капитальном труде «Индоевропейский язык и индоевропейцы»:
«Анализ названий металлов в индоевропейском позволяет сделать вывод о тесной связи их с названиями цветовых признаков. Каждый металл называется по его характерному цвету… Анализ названий металлов в индоевропейском дает возможность установить некоторую систему цветовых противопоставлений, соотнесенных с металлами: *rеud[h] – ‘красный’, ‘темно-красный’ ~ ‘медь’; *Наrk’ – ‘блестящий’, ‘белый’ ~ ‘серебро’; *g[h]el – ‘желтый’, ‘желто-зеленый’ ~ ‘золото’».
В самом деле, сравните ряд слов: готское gulp, английское gold, немецкое Gold, латышское zelts, восточнолитовское ћeltas, старославянское zlato, все это на русском языке – золото. И тот же первичный слог в корне слова желтый.
То же самое можно сказать и о других металлах, известных древним. Например, олово и свинец во многих языках созвучны со словами темный, синеватый, синевато-серый.«Связь названия металла и соответствующего цветового признака особенно ясно видна в индоевропейской форме *r(е)ud [h] в значениях ‘красный металл’, ‘медь’ и ‘красный (цвет)’», – пишут Гамкрелидзе и Иванов.
И как вещество металл выделялся из других классов веществ не по своим физическим свойствам, а по способу получения. Таким образом, понятие возникало не из теоретического осмысления вещества, а из его внешнего вида и практических действий над ним.
Овладение процессом выплавки металлов из руд и выработка методов получения из металлов различных сплавов привели в конце концов к постановке научных вопросов о природе горения, о сущности процессов восстановления и окисления. Значит, ремесло давало не только средства и методы удовлетворения жизненных потребностей человека. Оно порождало совершенно новый образ мысли. Первое завоевание на этом пути – желание понять скрытую природу вещей, обусловливающую их цвет, запах, горючесть, ядовитость и другие качества.
Проблема была в том, что соединение двух элементов давало новое вещество, которое не обладало рядом свойств исходных, но приобретало такие, которых не было у исходных. Это были качественные переходы, ведь при образовании химического соединения его свойства не есть сумма свойств составляющих его компонентов.
Так возникло глубокое противоречие: образование химического соединения требовало утраты индивидуальности исходных материалов, и это не могло не вызывать удивления и восхищения. Людям, которые впервые столкнулись с этим, было ясно, что такое не могло происходить без некоторого магического вмешательства. Тем более что нужный результат получался не всегда. Вот что тормозило развитие знания, приводило к разобщению теории и практики.
Химия – один из примеров того, как эмпирическая разработка практических ремесленных приемов и некие натурфилософские представления подготовили почву для возникновения науки. Потребовалась длительная работа, пока безграничная вера в полную взаимопревращаемость вещества рухнула под напором практики.
С нашими сегодняшними знаниями можно посмеяться над многими наивными теоретическими построениями. Но для своего времени они были более чем полезны. Анализ алхимических источников убедительно показывает историческую обязательность эпохи, которую называют ныне эпохой «заблуждений и обмана».
К тому же в истории науки с алхимией связана не только загадка ее исторического места и исторической роли, но и загадка происхождения. Но начнем по порядку.
Начало химических технологий можно отнести ко времени создания первых масляных светильников, обработки шкур, добычи первых красителей, готовки на костре пищи и т. д. Затем стали осваиваться и другие химические технологии, дающие начало развитию ремесел. Освоение высокотемпературных процессов дало керамику, начатки металлургии и стеклоделия. Появляются фармация и парфюмерия. Получение красителей развивает технику крашения. Сюда же следует добавить использование биохимических процессов, в частности брожения, для переработки органических веществ. Эти важнейшие области практической и ремесленной химии получили свое начальное развитие еще в первобытную эпоху, но особенно бурно дело пошло с возникновением государств.
В отличие от первобытного общества, в котором отсутствовала какая-либо специализация производства, а все операции производственного цикла выполнялись одним человеком, в рабовладельческом обществе можно уже видеть специализацию ремесленников, а также разделение труда, придавшее производству коллективный характер. Это способствовало и быстрому совершенствованию производственных приемов, и возникновению новых производств.
Краски и техника крашения
С древнейших времен люди применяли некоторые минеральные, растительные, животные и неорганические краски. Для наскальной и стенной живописи в Египте применялись земляные краски, а также искусственно полученные окрашенные окислы и другие соединения металлов. Особенно часто применяли охру, сурик, белила, сажу, растертый медный блеск, окислы железа и меди, кобальт и свинцовую глазурь. Так, египетская лазурь, изготовление которой описано Витрувием, состояла из песка, прокаленного в смеси с содой и медными опилками в глиняном горшке.
Наряду с минеральными красками в Египте даже в глубокой древности население использовало растворимые природные красители. Имеются циновки, окрашенные в красный цвет. В это время были известны способы не только прямого, но и протравного крашения. В качестве источников красителей использовали растения: алканну, вайду, куркуму, марену, сафлор, а также и некоторые животные организмы.
Алканна – род многолетних растений семейства Asperifoliaceae, близких к известной у нас медунице. Наиболее интересна A. tinctoria, фиолетово-красный корень которой содержит смолистое красящее вещество, растворяющееся, например, в маслах, с образованием раствора яркого красно-малинового цвета. Краситель, растворенный в водном растворе соды, окрашивает его в голубой цвет, но при подкислении он выпадает в виде красного осадка. Дает окраску красивую, но весьма непрочную.
Вайда (синильник) – один из видов растений рода Isatis, к которому принадлежит также и знаменитая индигофера. Образует синюю краску. Как выяснилось уже в конце XIX века, в состав лучшего индийского «индиго», полученного из индигоферы, входит не только синий краситель – индиготин, но и красный – индигорубин. В видах рода Isatis количество индигорубина различно, и из растений, где его мало или вовсе нет, выделяется синий краситель унылого цвета, именно поэтому ярко окрашивающее индиго из Индии ценилось особенно дорого, но доставка его была нелегка. Согласно Геродоту, на территории Палестины имелись значительные плантации вайды. Ею окрашена туника Тутанхамона.
Куркума – многолетнее травянистое растение семейства имбирных. Для крашения использовали желтый корень С. longa. Краситель легко экстрагируется содой с образованием красно-бурого раствора; окрашивает в желтый цвет без протравы и растительные волокна, и шерсть. Легко изменяет цвет при малейшем изменении кислотности, бурея от щелочей, даже от мыла, но так же легко восстанавливает яркий желтый цвет в кислоте. Нестоек на свету.
Марена красильная – хорошо известное растение, толченый корень которой носил название крапп. Содержащийся в краппе ализарин давал с железной протравой фиолетовые и черные выкраски, с алюминиевой – ярко-красные и розовые, а с оловянной – огненно-красные. В Египте этот краситель был в большом ходу.
Сафлор – однолетнее травянистое растение с яркими оранжевыми цветками, из лепестков которых изготовляли краски – желтую и красную, легко отделяемые друг от друга с помощью уксуснокислого свинца. Несмотря на относительную нестойкость к свету и мылу, сафлор использовали для прямого, без протравы, окрашивания хлопка в желтый или оранжевый цвет.
Кермес – этот краситель получали из особого насекомого – дубового червеца, паразитирующего на разновидности дуба, произрастающей в Средиземноморье. Для приготовления красителя самок насекомых в определенное время собирали (в Испании, например, это делали в июне), умерщвляли уксусом, выдерживали на солнечном свету и высушивали. Красящее начало растворимо в воде, от кислоты желтеет, а от щелочи приобретает фиолетовый цвет. С алюминиевой протравой дает кроваво-красный цвет, с железной – фиолетово-серый, с медной и винным камнем – оливково-зеленый, с оловянной и винным камнем – канареечно-желтый. С железным купоросом дает черный цвет. Согласно Плинию, половина податей, выплачиваемых Испанией Риму, погашалась поставками кермеса.
Пурпур – самая знаменитая краска древности. Источником ее служил напоминающий мидию двустворчатый моллюск рода мурекс, обитавший на отмелях острова Кипр и у финикийского побережья. Образующее краску вещество находится в маленькой железе в виде мешочка, из которого выдавливали студенистую бесцветную массу с сильным чесночным запахом. При нанесении на ткань и высушивании на свету вещество начинало менять окраску, последовательно становясь зеленым, красным и, наконец, пурпурно-красным. После простирывания с мылом окраска становилась ярко-малиновой. Из 12 000 моллюсков получали 1,5 г сухого красителя.
Техника крашения достигла высокого уровня в Сирии. Египтяне для получения пурпурной окраски наносили красную краску на синюю ткань, а для зеленой окраски – синюю на желтую. В качестве протрав употребляли вначале алюминиевые квасцы и соли железа, главным образом сульфат, но затем и ацетат. Медные, свинцовые и оловянные протравы вошли в практику достаточно давно.
Алюминиевые квасцы добывали в Египте, в пустыне к западу от Нила. По утверждению Геродота, в VI веке до н. э. из Египта в Дельфы было направлено 1000 талантов (более 36 тонн) «вяжущей земли», то есть квасцов. Считается, что греки использовали квасцы для крашения мареной. А вещество, пригодное для протравы, можно выделять из лишайников. Теперь мы знаем, что это сульфат и тартрат алюминия. О пользе квасцов для дубления кож и в медицине было также достаточно давно известно.
В качестве протравы другого типа употребляли танниды из галловых орешков, из плодов, древесины и корня гранатового дерева, из древесины и плодов акации (катехины), из сумаха и др.
Стекло
Стекло было получено достаточно рано. К сожалению, одно и то же слово, применяемое и для древнего, и для современного изделия – стекло, затемняет суть. То, что получали в древности, представляло собой плохо сплавленную смесь песка, поваренной соли и окиси свинца – фритту. Ни материал, ни техника античности не позволяли изготавливать из стекла крупные предметы.
Стекольное производство в Египте давало декоративный и поделочный материал, так что изготовители стремились получать окрашенное, а не прозрачное стекло. В качестве исходных материалов использовали природную соду, а не зольный щелок, что следует из весьма низкого содержания в стекле калия, и местный песок, содержащий некоторое количество карбоната кальция.
Низкое содержание кремнезема и кальция и высокое содержание натрия облегчало плавку стекла, поскольку снижалась температура плавления, но это же обстоятельство уменьшало прочность, увеличивало растворимость и снижало атмосферостойкость материала.
При производстве стекла различные компоненты смешивались в глиняных тиглях и сильно нагревались в специальной печи, сложенной из огнеупорного кирпича, до получения однородной и светлой массы. Готовность стекла опытный мастер определял на глаз. По окончании плавки стекло разливали в формы или отливали небольшими порциями. Часто стеклянной массе давали остыть в тигле, который затем обламывали. Полученное таким образом стекло переплавляли и по мере надобности пускали в производство.
Раньше всего стекло употреблялось для бисерных украшений. Бусы изготовлялись вручную, поштучно. Тонкую стеклянную нить обвивали вокруг медной проволоки, обламывая нить после каждой готовой бусины. Позднее для изготовления бисера вытягивали стеклянную трубку нужного диаметра и затем разрезали ее на бусины.
Вазы формовали на шишке из глины, обернутой тканью и насаженной на медный прут как рукоятку. Для более равномерного распределения стеклянной массы ее несколько раз быстро поворачивали. С этой же целью вазу прокатывали по каменной плите. После этого прут и шишку вытаскивали из изделия, и давали ему остыть.
Окраска стекла зависела от введенных добавок. Аметистового цвета стекло окрашено добавкой соединений марганца. Черный цвет получали добавкой меди, марганца или большого количества железа. Значительная часть синих стекол окрашена медью, хотя образец синего стекла из гробницы Тутанхамона содержал кобальт. Более поздние исследования показали наличие кобальта еще в ряде стеклянных изделий. Это обстоятельство особенно интересно потому, что в Египте кобальт не встречается вовсе, а кроме того, кобальтовые руды в отличие от медных не имеют характерного цвета, и их применение требует определенного опыта. Так что они не могут быть раннего происхождения.
Зеленое египетское стекло окрашено не железом, а медью. Желтое стекло окрашено свинцом и сурьмой. Образцы красного стекла обусловлены содержанием окиси меди. В гробнице Тутанхамона обнаружено молочное (глушеное) стекло, содержащее олово, а также кусочек окиси олова, по-видимому, специально приготовленной. Там же обнаружены изделия из прозрачного стекла.
Керамика
Уже в глубокой древности появились глазурованные глиняные изделия. Наиболее древние глазури представляли собой ту же глину, которая шла на производство гончарных изделий, но тщательно растертую, видимо, с поваренной солью. В более позднее время состав глазурей был значительно усовершенствован, в них включили соду и окрашивающие добавки окислов металлов. Рано появились и раскрашенные, но не глазурованные керамические изделия.
Постройки месопотамских городов украшены орнаментированными плитками, которые делали следующим образом: на кирпич после легкого обжига наносился контур рисунка расплавленной стеклянной черной нитью. Затем окаймленные нитью площадки заполнялись сухой глазурью, и кирпичи подвергались вторичному обжигу. При этом глазурная масса остекловывалась и прочно связывалась с поверхностью кирпича. Такая разноцветная глазурь – в сущности, род эмали – обладала большой долговечностью.
Образец такой глазурованной различными цветами керамики хранится в берлинском музее «Пергамон» и содержит изображения львов, драконов, быков, воинов. Изображения, выполненные в ярких синих, желтых, зеленых и других тонах, превосходно сохранились. По-видимому, этот же способ лег в основу покрытия разноцветной эмалью металлических изделий (выемочная, или перегородочная, эмаль). Единственная с ним проблема – неизвестно, к какому времени относятся изделия.
Производство облицованных разноцветной глазурью керамических изделий было известно и среднеазиатской архитектуре.
В Китае относят к древним временам производство фарфора и фаянса; фаянсовые изделия известны и в Египте. Кстати, до настоящего времени не выяснено, каким связующим материалом пользовались древние мастера при изготовлении и формовке фаянсовых смесей. Возможно, применялось какое-то органическое вещество, выгоравшее при обжиге. Глазуровка фаянсовых изделий первоначально производилась смесью соды и окрашивающих добавок окислов металлов, преимущественно малахитовой или азуритовой муки, а позже стали готовить сначала сухую глазурь сплавлением соды, местного песка, всегда содержащего (в Египте) соли кальция, и окрашивающих добавок.
Другие отрасли ремесленной химической техники
Из других отраслей ремесленной химической техники заслуживает прежде всего упоминания прежде всего искусство фармации и парфюмерии. Одна из древнейших сохранившихся рукописей Египта, так называемый Папирус Эберса, содержит ряд рецептов изготовления фармацевтических средств. Несмотря на то что рецепты не могут быть названы чисто химическими – они посвящены способам извлечения из растений различных соков и масел, – все же в них дано представление об операциях вываривания, настаивания, выжимания, сбраживания, процеживания и прочих.
Становится понятным, что к моменту появления письменности мастера уже были хорошо знакомы с многочисленными операциями, которые вошли впоследствии в арсенал химических методов, применяемых в лабораториях. Наряду с металлургией именно фармацию следует считать главным истоком экспериментальной химии.
Для приготовления ароматических веществ использовались лилии, смола мирра, горький миндаль, маслины, кардамон, мед, вино, и т. д. Лепестки цветов помещались между слоями твердого жира или замачивались в масле. Для изготовления благовонных курений использовались аравийский ладан, мирра и гальбан.
Для приготовления пива использовались ячмень, просо, пшеницу и другие злаковые культуры. Зерно отбирали, в течение суток вымачивали в воде, затем рассыпали, проветривали и размалывали. Затем из этой смеси замешивали тесто, добавив в него дрожжи. После того как сусло перебраживало, полученное пиво процеживали и разливали по кувшинам.
В Древнем Египте получило широкое распространение ремесло мумификации трупов умерших. Долгое время не удавалось в точности восстановить некоторые операции этого процесса, доведенного до высокой степени совершенства. Сейчас он в значительной степени известен; мы не будем его описывать, отметим только, что в составе смолы, заливаемой в череп покойного, палеобиолог Мишель Ласко обнаружил наличие алкалоида из листьев табака. Это растение из семейства пасленовых росло только в Америке и на Дальнем Востоке; их появление в Египте загадочно.
Соль с древности употреблялась не только как приправа к пище, но и для засола рыбы. Добывали ее в искусственных солончаках (Египет), где она выпаривалась из морской воды. Но хватало и естественных источников соли.
Сода считалась важнейшим очистительным средством и использовалась для химического разложения жиров и сала. Ее употребляли для гигиенических целей, приготовления благовонных курений, изготовления стекла, глазурей, красок, использовали при приготовлении пищи, в медицине и для отбелки холста. Сода являлась основным средством бальзамирования.
Клей извлекали из костей, кожи, сухожилий и хрящей, для чего эти животные продукты кипятили в воде и получали желатин. Отвар выпаривался и затем разливался в формы, в которых он при охлаждении превращался в твердую массу.
Производили различные сорта растительного масла: касторового, льняного, оливкового, конопляного и др. Есть упоминания о производстве сливочного и топленого масла из молока и сливок.
Помимо перечисленных, широко использовались квасцы, поташ, известь, гипс, селитра, слюда, смола и много других веществ.
В качестве строительного вяжущего материала в Древнем мире применяли обычно гипс; в Индии также был обнаружен гипсовый цемент в ряде построек. Кроме такого гипсового цемента, при кладке зданий в качестве вяжущих веществ применяли асфальт и битум, и те же строительные растворы применялись в Ассирии и Вавилонии, благо, во многих районах Аравии битум и асфальт можно брать прямо с поверхности земли. А вот известковые строительные растворы долгое время не были известны, что и понятно, так как известняк требует для обжига около 1100 °C.