Сконструировав еще в 1741 году «катоптрико-диоптрический зажигательный инструмент», представлявший собой остроумную комбинацию плоских зеркал и двояковыпуклых линз, Ломоносов нашел ему применение и в своей химической лаборатории, используя солнечные лучи для получения весьма высоких температур. Своим «зажигательным инструментом» Ломоносов пользовался для плавления кристаллов. После открытия лаборатории Ломоносов занялся изучением химических соединений методами физики. Для этой цели Ломоносов с 1752 по 1756 год работал над изобретением особого оптического прибора, или, как он выражался, «машины, чрез которую узнать можно рефракцию светлых лучей, проходящих сквозь жидкие материи», т. е. рефрактометра для жидкостей.
Прибор этот был предложен Ломоносовым вниманию академической Конференции 17 февраля 1752 года, и академики, одобрив идею и чертеж машины, «за полезно рассудили» изготовить ее в инструментальной палате Академии «для чинения опытов в сей материи». Но только в сентябре 1756 года механик Клейн представил, наконец, прибор, сделанный им под «надзором» Ломоносова.
С помощью своего рефрактометра Ломоносов разрабатывал метод анализа прозрачных твердых тел и растворов по их коэффициенту светопреломления, прокладывая тем самым, по его собственным словам, «дорогу к сочинению физической химии». Вопросом этим Ломоносов не переставал интересоваться до конца своей жизни. Еще в 1760 году им был предложен «новый способ наблюдения преломления лучей во всякого рода прозрачных телах».
Ломоносов первый занимается изучением кинетики физико-химических процессов. Он вводит в химию не только весы, но и часы для определения скорости протекания реакций. В первой главе «Опыта физической химии» он считает необходимым рассмотреть такие вопросы, как: «продолжительность сохранения теплоты растворами по сравнению с водой», «какие растворы быстрее замерзают при охлаждении» и т. д. А в своей «Программе физико-химических опытов» он ставит перед собой задачу выяснить, «скорее или тише» происходит кристаллизация в электризованных растворах. Он предполагает последовательно изучить скорость процессов «ожижения, кипения, замерзания, кристаллизации, растворения, извлечения, амальгамирования, возгонки, дистилляция, горения».
Разрабатывая проблемы физической химии, Ломоносов изучал влияние на вещество высоких и низких температур и давления, производил опыты в пустоте, изучал явления вязкости, капиллярности, кристаллизации, форму и удельный вес кристаллов, образование растворов и растворимость в разных условиях, сопровождающие тепловые явления, преломление света и действие электричества в растворах, — словом, всё то, что составило главное содержание этой науки лишь через полтора века. Он ставил опыты последовательными сериями и сводил результаты многочисленных измерений в особые таблицы. В своем отчете о трудах в 1753 году Ломоносов писал: «Делал новые физико-химические опыты, дабы привести химию сколько можно к философскому познанию и сделать частью основательной физики; из оных многочисленных опытов, где мера, вес и пропорция показаны, сочинены многие цифирные таблицы на 24 полулистовых страницах, где каждая строка опыт содержит».
Ломоносов не только разрабатывает теоретические положения физической химии и ведет экспериментальную работу в этой области, но в 1752–1754 гг. читает первый в мире курс этой науки. Ломоносов долго и тщательно готовится к занятиям, указывая, что он решил поместить в своем курсе «только то, что приводит к научному объяснению смешения тел», а потому исключает из изложения все, что относится к «наукам экономическим, фармации, металлургии, стекольному делу и т. д.», что должно составить особый курс технической химии. «В химических моих лекциях, которые я должен читать учащемуся юношеству, — писал Ломоносов, — я считаю очень полезным присоединить, где возможно, к химическим опытам физические». При прохождении этого курса «опытной химии», по мнению Ломоносова, надо будет:
«1. Определять удельный вес химических тел.
2. Исследовать сцепление между частичками их: а) посредством ломания тел, б) сдавливания, в) стачивания на бруске, г) счета 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 измерить, взвешивать и определять вычислением».
Сохранился также набросок программы на латинском языке, по которой Ломоносов производил опыты в пустоте. Он придавал им большое значение, так как в составленной им в 1764 году «Росписи» своих важнейших трудов указывал: «Делал химические опыты по дестиллации и сублимации без воздуха и приметил неизвестные еще в ученом свете перемены; еще не изданы».
Его внимание приковывает связь химии с электричеством, а его пытливый ум занимает вопрос не только о том, «содействует ли сколько-нибудь электрическая сила растворению солей», но и «каков будет цвет электрических искр и огоньков, вызванных в растворах солей и соляных жидкостей».
«Без химии путь к познанию истинной причины электричества закрыт», — проницательно заметил Ломоносов еще в 1756 году, задолго до того, как западноевропейская наука пришла к мысли о связи между собой химических и электрических явлений. Но, как заметил впоследствии Ф. Энгельс, именно «понимание этой тесной связи между химическим и электрическим действием, и наоборот, приведет к крупным результатам в обеих этих областях исследования». [208]
Ломоносов не упустил из виду и такую область новейшей физической химии, как изучение коллоидов. «Застудневание растворов, сцепление студней, цвет, запах», — записывал он.
Особое внимание Ломоносов уделял теории и экспериментальному изучению растворов. «Среди важнейших химических операций выделяется растворение тел, которое прежде всего заслуживает физического исследования», — писал он еще в своей диссертации «О действии химических растворителей вообще», прочитанной им 22 марта 1745 года в академической Конференции и напечатанной впервые в 1750 году. Ломоносов идет своим собственным, независимым путем, так как он твердо убежден, что «всё, что до сих пор было предложено относительно причин растворения, не стоит на твердой почве». И он ставит перед собой задачу «создать более точную теорию этого предмета, подробнее рассмотрев химические и физические опыты, которые могут дать что-либо для объяснения растворения». Впоследствии в составленном им «Конспекте важнейших теорем, которыми постарался обогатить естественные науки М. В. Ломоносов», он указывал: «Основанная на химических опытах и физических началах теория растворов есть первый пример и образец для основания истинной физической химии, где именно явления объясняются по твердым законам механики, а не на жалком основании притяжения». [209]С провозглашением теории всемирного тяготения Ньютона начались попытки непосредственного перенесения открытых им законов на взаимодействие химических «корпускул». Сам Ньютон в 1704 году осторожно высказал эту мысль, задав вопрос: «Не действует ли между частицами тел также некая сила притяжения?» Но уже с 1732 года известный химик Г. Бургаве откровенно пользуется понятием взаимного притяжения частиц для объяснения химических реакций. В химии этот принцип сочетается со старинными антропоморфическими представлениями античных философов о дружбе, вражде, склонности, взаимном расположении и любви тел, в течение долгого времени питавшими воззрения алхимиков и астрологов. Так рождается понятие «химического сродства».
Ломоносов, подозрительно относившийся ко всему туманному и неопределенному, ко всему, что отдавало метафизикой или отражало ненаучные представления о природе, не мог включить это понятие в свою физическую химию и потому ни разу не пользуется выражением «химическое сродство». Способность к соединению тел он стремится объяснить их атомно-молекулярной структурой, а не таинственным и непостижимым избирательным «сродством», значившим в его глазах не более, чем одно из «скрытых качеств», к которым любили прибегать схоласты для объяснения всего, не поддававшегося объяснению.