Золото алхимиков: почему золотой цвет ничего не доказывает

Представьте себя на месте человека, который берёт медь, добавляет к ней камень под названием каламин, засыпает углём и долго держит в жару.

Из печи выходит металл цвета золота.

Так латунь и получали — веками, задолго до того, как цинк был опознан как отдельный металл. Каламин — цинковая руда, но знать этого было неоткуда: ничего похожего на металл в нём не видно.

Теперь ответьте честно. У человека нет понятия «химический элемент». Нет таблицы. Медь вошла — золотой металл вышел. На каком основании он обязан был заключить, что превращения не произошло?

Этот опыт как раз о том, на каком.

Что нужно

• Кухонные весы (лучше с точностью 1 г, ещё лучше 0,1 г)
• Стакан или банка с водой
• Тонкая нитка
• Карандаш или линейка, чтобы положить поперёк стакана
• Несколько предметов золотистого цвета: латунный шпингалет или гайка, позолоченное колечко, монета жёлтого цвета, гильза, дверная ручка

Ничего покупать не обязательно. Годится всё, что выглядит золотым.

Часть первая: посмотрите и решите

Разложите предметы и попробуйте определить на глаз, что из этого золото, а что нет. Запишите ответ до измерений — потом будет интересно сравнить.

Поскребите ногтем, посмотрите на блеск под лампой, взвесьте в ладони. Запишите и это.

Ничего из перечисленного не решает. Именно в этом суть опыта, и убедиться в этом надо самому, а не поверить на слово.

Часть вторая: гидростатическое взвешивание

Плотность — это масса, делённая на объём. Массу весы дают сразу. Вся трудность в объёме: у гайки или колечка форма такая, что линейкой не обмеришь.

Объём получают через воду.

1. Взвесьте предмет обычным образом. Это m₁.
2. Привяжите его на нитку.
3. Поставьте стакан с водой на весы и обнулите их.
4. Опустите предмет в воду, держа за нитку, — так, чтобы он был полностью погружён, не касался ни дна, ни стенок и висел свободно.
5. Показание весов теперь — m₂. Это масса воды, вытесненной предметом.

Плотность считается так:

ρ = m₁ ÷ m₂ × 1,0 г/см³

(единица — плотность воды; если вода холодная, разница не существенна для нашей задачи)

На чём легко ошибиться

• Пузырьки воздуха на поверхности предмета завышают вытесненный объём и занижают плотность. Погружайте медленно, стряхните пузырьки.
• Касание дна или стенки портит измерение полностью — часть веса уходит в опору.
• Нитка тоже погружается. Берите тонкую; для точных измерений её вклад вычитают отдельно.
• Полые предметы и предметы с покрытием дадут промежуточный результат. Это не ошибка опыта, это честный ответ: внутри не то, что снаружи.

Что должно получиться

Посмотрите на первую и шестую строки. Золото тяжелее латуни более чем вдвое.

Это не тонкое различие на пределе точности прибора. Это разница, которую видно на кухонных весах с первого раза. Достаточно было взвесить — и вопрос закрыт.

Часть третья, необязательная: сделать золотистый металл самому

Опыт классический, но требует взрослого рядом, очков и перчаток: в нём горячий раствор щёлочи и открытый огонь.

Медную монету кипятят несколько минут в растворе едкого натра с цинковым порошком — монета покрывается цинком и становится серебристой. Затем её ополаскивают, обсушивают и коротко проводят над пламенем: цинк и медь взаимно проникают друг в друга, и монета становится золотой.

Перед вами латунь. Сделанная только что, из меди.

А теперь измерьте её плотность по способу из второй части. Выйдет около 8,5 — и никакие 19,32.

Почему алхимики этого не сделали

Тут напрашивается снисходительный ответ, и он неверен.

Способ проверки существовал. Плотность как признак вещества знали ещё в древности: Витрувий рассказывает, как Архимед определил, что в короне царя Гиерона не чистое золото. Правда, сам рассказ надо принимать с осторожностью — Витрувий жил в 80–15 годах до нашей эры и записал историю лет через двести после Архимеда, а описанный там способ с переливанием воды слишком груб для такой задачи. Практичный способ — тот самый, которым вы только что пользовались, — довёл до дела Галилей в трактате «Маленькие весы» (1586), и применял его именно для распознавания сплавов.

Так что дело не в отсутствии инструмента.

Дело в том, что теория умела объяснить неудачу. По господствовавшему учению металлы созревают в земле, постепенно приближаясь к золоту как к совершенному состоянию. Получил металл золотого цвета, но лёгкий? Значит, золото ещё незрелое, работу надо продолжить, огонь держать дольше, вещество очищать тщательнее.

Заметьте, что произошло. Измерение было сделано, результат получен — и поглощён объяснением, вместо того чтобы его опровергнуть.

Вот это и есть главный урок опыта, и он никак не про далёкое прошлое. Опасна не ошибка, а построение, в котором любой исход подтверждает исходную мысль. Если ваше объяснение одинаково хорошо переваривает и удачу, и неудачу — оно не объясняет ничего, и никакие весы вам не помогут.

Спросите себя, что именно должно было бы случиться, чтобы вы признали свою мысль неверной. Если ответа нет — измерять бесполезно.

И всё-таки весы можно обмануть

Посмотрите в таблице на вторую строку.

Вольфрам — 19,25. Золото — 19,32. Разница четыре десятых процента.

Этим сегодня и пользуются: в слитке высверливают середину, заливают вольфрамом и запаивают золотом. Вес сходится, размеры сходятся, гидростатическое взвешивание бессильно. Нужны ультразвук или измерение электропроводности.

А в 2020 году выяснилось, что китайская компания Kingold заложила под кредиты почти на 20 миллиардов юаней слитки, оказавшиеся позолоченной медью. Ровно тот продукт, что выходил из алхимической печи, — только уже в банковском хранилище и уже как мошенничество.

Отсюда честный вывод, а не победный. Измерение сильнее взгляда — но и у каждого измерения есть своя область слепоты. Правильный вопрос не «прошёл ли предмет проверку», а «что именно эта проверка исключает, а что нет».

Что всё-таки было правдой

И последнее, ради справедливости к тем, кто стоял у печи.

Превращение одного вещества в другое существует. Ошибка была не в цели, а в этаже природы: тигель и огонь работают с электронами, а какой перед вами элемент — записано числом протонов в ядре, куда никакой жар не достаёт. Узнать это до Резерфорда было нельзя.

Зато перегонка, возгонка, кристаллизация, минеральные кислоты и сама лабораторная посуда достались химии именно от них. Подробнее — на странице Парацельса, который в этой печи стоял и вынес оттуда правило о дозе, работающее до сих пор.

О том, как о невидимом судят по видимому, — броуновское движение и доказательство существования атомов. О красках, которые алхимия оставила живописи, — минеральные пигменты.