Теоретики и практики

Среди ученых весьма популярна фраза: «Нет ничего более практичного, чем хорошая теория». Пожалуй, к химии, науке совершенно предметной, материальной, этот тезис применим в наибольшей мере.

В связи с этим хочется вспомнить о гигантах, создавших фундаментальные основы химии в целом и ее отдельных разделов. Отметим, что почти все они были крайне продуктивны и в экспериментальных исследованиях, носивших зачастую не просто практический, но и прикладной характер.

В этой рубрике уже были размещены материалы о Дмитрии Менделееве, Владимире Ипатьеве, создателях синтетического каучука, пластмасс, красителей и удобрений. В предлагаемом цикле публикаций круг персонажей — отцов-основателей современной химии и химической индустрии — существенно расширен.

Ученый от бога

Роберт Бойль, выходец из древнего ирландского рода, седьмой сын первого графа Коркского, родился в 1627 году в графстве Уотерфорд на юге Ирландии. После учебы в престижнейшем Итонском колледже и нескольких европейских университетах, он поселился в Оксфорде, где занялся физикой и химией (впоследствии получил степень почетного доктора физики Оксфордского университета). 

В 1660 году в составе «чертовой дюжины» главных британских интеллектуалов Бойль учредил Лондонское королевское общество по развитию знаний о природе — по сути, английскую академию наук (причем, одну из старейших в мире). Вскоре Бойль возглавил это высокое научное собрание. Еще одной важной административной позицией Бойля была должность директора Ост-Индской компании — монстра колониальной торговли, управлявшего Индией и сопредельными странами, имевшего собственную армию и флот.

Бойль сильно продвинул науку в изучении строения вещества — в частности, он предположил наличие атомов. Кроме того, неутомимый исследователь внес существенный вклад в изучение электричества, магнетизма, капиллярности и оптических явлений. Особую, принципиальную значимость для физики и химии имеет фундаментальный газовый закон, экспериментально открытый Бойлем в 1662 году: «При постоянных температуре и массе газа произведение давления газа на его объем постоянно». Спустя 15 лет прорывной тезис Бойля был дополнительно обоснован бургундским аббатом Эдмом Мариоттом, и с тех пор эти достойные люди увековечены в науке как соавторы знаменитого закона Бойля-Мариотта.

Крайне важным с научной точки зрения было скрупулезное отношение Бойля к планированию и постановке химических и физических опытов, которые ученый проводил и описывал с чрезвычайной точностью и подробностью. Такая же серьезность была присуща ученому и в теоретических штудиях, наиболее известным результатом которых является изданный в 1661 году труд The Sceptical Chymist (Химик-скептик»). Именно там была изложена визионерская гипотеза Бойля о том, что материя состоит из атомов и кластеров атомов в движении, и что каждое явление (phenomenon) является результатом столкновений движущихся элементарных частиц. Эта теория дала известному историку науки Джеймсу Партингтону основание назвать Бойля создателем современной химии. Сказал на эту тему свое веское слово и старик Энгельс: «Бойль сделал из химии науку».

Отметим, что великий ученый отличался крайней набожностью. Семьи у него не было. Все свободные деньги Бойль тратил на миссионерскую деятельность. Согласно завещанию ученого, накопленный им капитал был направлен на организацию регулярных чтений о боге и религии — знаменитых «Лекций Бойля», которые, вы не поверите, идут до сих пор, вот уже 327 лет: они читаются ежегодно, в феврале, в лондонской церкви Святой Марии.  

Умер Бойль в последний день 1691 года в возрасте 64 лет. Похоронен великий ученый в Вестминстерском аббатстве — некрополе самых выдающихся людей Англии.

От колбы до гильотины

Антуан Лоран де Лавуазье родился в 1743 году в семье богатого парижского адвоката. В юности Антуан выбрал отцовскую стезю, но параллельно с юриспруденцией он под руководством лучших парижских профессоров изучал еще и математику, астрономию, ботанику, минералогию, геологию и химию. Получив степень лицензиата права, Антуан успешно занялся адвокатской практикой, но вскоре переключился на химию, которая привлекала его сильнее остальных наук и ремесел. 

В возрасте 25 лет Лавуазье был избран во Французскую академию адъюнктом по химии, через 10 лет был избран действительным членом академии, а еще через 7 — директором. Одновременно с избранием в академию Лавуазье вступил в члены Генерального откупа (Fermier General Titulaire, FGT) — частной налоговой инспекции, взимавшей с населения таможенные пошлины, алкогольные акцизы и соляной налог. Большую часть полученных в FGT доходов Лавуазье тратил на научные опыты. В 1775 году ученый и мытарь возглавил пороховой арсенал, в котором и поселился. Здесь же помещалась и химическая лаборатория Лавуазье, ставшая одним из главных научных центров Франции.

Параллельно с основной научной и административной работой Лавуазье, человек немыслимого трудолюбия и жесткой самодисциплины, ярко выраженный прогрессист и гуманист, состоял в десятках правительственных, парламентских и академических комиссиях, причем проявлял там недюжинную активность. Вот неполный перечень проектов с его участием:

  • изучение проблем воздухоплавания на аэростатах;
  • исследование положения заключенных в тюрьмах;
  • аграрная реформа (снижение налогов, улучшение агротехники, повышение плодородия почв);
  • изменение натуральной дорожной повинности;
  • развитие благотворительной деятельности;
  • создание страховых касс (социальное страхование по бедности и старости);
  • развитие текстильной промышленности: развитие профессионального образования (создание школ прядения и ткачества), совершенствование технологий (беление тканей хлором);
  • вычисление национального богатства Франции с целью оптимального расчета налогов;
  • реформа Национального казначейства;
  • реформа системы мер и весов (с тех пор эталонный килограмм Международной системы единиц физических величин под названием Le Grand K. хранится в Севре под Парижем);
  • создание Совещательного бюро искусств и ремесел с целью поощрения лучших технических изобретений;
  • реформа народного просвещения.

Но главное достижение Лавузье заключается в том, что он, наряду с Бойлем, является, по сути, создателем химии как науки. Он заложил основы научного метода химических исследований, основанного на критическом подходе и системном анализе явлений. Если говорить о более специфичных вещах, то Лавуазье ввел в научный обиход, скажем так, культуру весовых измерений.

Аккурат в канун взятия Бастилии и начала Великой французской революции, в июле 1789 года, Лавуазье издал «Начальный учебник химии» (Traité élémentaire de chimie), который сразу же был признан классическим и быстро переведен на многие иностранные языки. В этом важнейшем научном труде Лавуазье впервые дал классификацию химических веществ (простые тела и соединения — окись, кислота и соль), заложил основы теории газов, термохимии и органической химии (в частности, установил, что органические вещества состоят из углерода, водорода и кислорода), а также привел в порядок химическую номенклатуру, очистив научную терминологию от ахинеи, придуманной алхимиками.

Фундаментальное значение для химии, естествознания и всего научного мировоззрения в целом является сформулированный Лавуазье закон сохранения вещества (вечности вещества). Вместе с физическим законом сохранения энергии эти постулаты являются краеугольными камнями современной науки.

Надо отметить и то, что Лавуазье открыл новый этап в исследованиях в области физиологии. В частности, ученый выявил и обосновал взаимосвязь всех наиболее важных функций живого организма: дыхания, пищеварения, теплообмена и транспирации (обращения воды).

Впрочем, все эти заслуги не спасли от Лавуазье от революционного «народного гнева». В ноябре 1793 года по решению Национального конвента (высшего органа новой французской власти) ученый вместе с другими 30 откупщиками был арестован, а спустя полгода за «организацию заговора против французского народа, помощь врагам нации, присвоение государственных средств и отравление продовольственных запасов (?!)» приговорен к смертной казни. Апелляция была отклонена: «Республика не нуждается в ученых», — сказал председатель Революционного трибунала Жан Батист Коффиналь, духовный прародитель Вышинского. 

8 мая 1794 года Лавуазье был публично обезглавлен на гильотине. Великий математик Жозеф Луи Лагранж с болью написал по этому поводу: «Всего мгновение потребовалось, чтобы срубить эту голову, но и через 100 лет Франция не сможет снова воспроизвести такую же». Кстати, как и полагается безвинной жертве политических репрессий, Лавуазье был посмертно реабилитирован, причем, довольно быстро — всего через 12 лет после казни.

Затворник из Манчестера

Джон Дальтон родился в 1766 году в семье ткача в городе Иглсфилд, графство Камберленд (север Англии). Высшего образования Джон не получил — после окончания квакерской школы в близлежащем городе Кендалл дальнейшие ученые премудрости Дальтон постигал самостоятельно. Поработав несколько лет преподавателем математики и естественных наук в манчестерском Новом колледже, Дальтон занялся частным преподаванием. 

Когда научные заслуги Джона стали общепризнанными, он был избран в Королевское общество и получил правительственный грант — 300 фунтов стерлингов в год (по тем временам очень приличные деньги). Этих средств Дальтону хватало с лихвой — в быту он был очень скромен. 

Вообще, Дальтон — классический образец «кабинетного ученого», затворника и аскета. Он никогда не был женат, имел мало друзей, жил в Манчестере в доме своего проповедника, отца Джонса, не отвлекаясь ни на что, кроме теоретической, лабораторной и преподавательской работы. Собственно, и отвлекаться было особо не на что — футбола тогда еще не изобрели, Manchester United не играл. 

Хотя считалось, что Дальтон с его погруженностью в детали, тихим скрипучим голосом и отсутствием харизмы — неважный педагог, у него было много достойных и ярких учеников. Наиболее выдающийся из них — великий физик Джеймс Прескотт Джоуль, «отец термодинамики». 

Умер Дальтон в 1844 году в Манчестере, в возрасте 77 лет. Похоронен в скромной могиле на местном кладбище.

Перечень важнейших открытий ученого впечатляет. Среди них — закон парциальных давлений (закон Дальтона), закон равномерного расширения газов при нагревании, закон растворимости газов в жидкостях (закон Генри-Дальтона), закон кратных отношений, явление полимеризации (на примере этилена и бутилена), и многое другое. 

Главное достижение Дальтона — создание весьма стройной и целостной атомной теории строения вещества. В частности, ученый, введя понятие «атомный вес», первым рассчитал атомные веса ряда базовых химических элементов — водорода, кислорода, азота, углерода, серы и фосфора, а также составил упорядоченную таблицу элементов. Эта таблица совершенно справедливо начиналась с водорода, имеющего массу, равную единице.

Несмотря на очевидные недостатки теории Дальтона, многие изложенные в ней принципы химической атомитики успешно дожили до наших дней. Соответственно, исследования Дальтона повлияли на развитие химии не менее значительно, чем труды Лавуазье.

Как известно, Дальтон дотошно исследовал болезнь «цветовой слепоты», которой страдал сам. С тех пор за этим недугом прочно закрепился термин «дальтонизм». Еще один интересный факт — на протяжении 57 лет, вплоть до самой смерти, ученый вел ежедневный метеорологический дневник наблюдений, в котором в общей сложности сделал более 200 тыс. записей.

Граф, сосчитавший молекулы

Наверно, самый титулованный из великих химиков, граф Лоренцо Романо Амедео Карло Авогадро родился в 1776 году в Турине, столице Сардинского королевства. В 20 лет Амедео получил степень доктора церковного законоведения, но потом переключился на физико-математические науки, которые изучал самостоятельно. На этом поприще молодой граф весьма преуспел, в связи с чем в 1804 году был избран членкором Туринской академии наук, а спустя 15 лет — действительным членом академии. 

В 1820 году королевским указом Авогадро назначается первым профессором вновь созданной кафедры высшей физики Туринского университета, где с перерывами проработал до 1850 года. После ухода из университета он работал старшим инспектором Контрольной палаты и председателем Комиссии мер и весов, одновременно являясь членом Высшего совета народного образования и Высшей статистической комиссии. Умер в возрасте 80 лет в Турине, похоронен в семейном склепе в городке Верчелли. 

Научное наследие Авогадро обширно и разнообразно. По химическому направлению граф работал, в основном, в области электрохимии, создав своеобразную электрохимическую теорию, корреспондировавшую с работами Дэви и Берцелиуса. Но по-настоящему Авогадро обессмертил свое имя как открыватель одного из важнейших естественнонаучных законов. 

В 1811 году 35-летний граф опубликовал статью «Очерк метода определения относительных масс элементарных молекул тел и пропорций, согласно которым они входят в соединения». Излагая основные представления молекулярной теории, Авогадро показал, что она открывает возможность точного определения атомных масс, состава молекул и характера происходящих химических реакций. Авогадро пришел к следующему важному заключению: «Число молекул всегда одно и то же в одинаковых объемах любых газов». 

Через три года Авогадро четко сформулировал закон, названный впоследствии его именем: «Равные объемы газообразных веществ при одинаковых давлениях и температурах отвечают равному числу молекул, так что плотности различных газов представляют собою меру масс молекул соответствующих газов». Кроме того, в статье были рассмотрены приложения этого закона для определения состава молекул различных неорганических веществ.

В 1821 году Авогадро подвел итог десятилетней работы в области молекулярной теории и распространил свой метод определения состава молекул на органические вещества. Позднее теория графа была подтверждена и экспериментально и математически, в связи с чем в Международной системе единиц физических величин SI появился моль (единица количества вещества), измеряемый с помощью числа Авогадро (константы Авогадро), равному 6,02214076•1023.

Мировой рекордсмен

Жозеф Луи Гей-Люссак родился в 1778 году в маленьком городке в провинции Лимузен в самом центре Франции. Как и Лавуазье, Гей-Люссак пострадал от Великой французской революции, правда, косвенно и не очень сильно — его отец, королевский прокурор, по «закону о подозрительных лицах» был арестован и едва избежал смертной казни. В 1794 году, после термидорианского переворота, свергшего кровавую диктатуру якобинцев, Гей-Люссак-старший был освобожден, благосостояние семьи улучшилось, и Жозеф Луи смог получить качественное образование сначала в частном пансионе, а потом в знаменитой парижской Политехнической школе.

В самом начале нового, XIX, века Гей-Люссак поступил в лабораторию известного химика Клода Луи Бертолле, изобретателя бертолетовой соли, и одновременно начал читать лекции по химии, вскоре став одним из лучших преподавателей Политехнической школы. 

Через 4 года Гей-Люссак стал уже европейской знаменитостью — 16 сентября 1804 года он поднялся на воздушном шаре на высоту 7016 метров, установив тем самым мировой рекорд высоты воздухоплавания. Целью полета была не спортивная слава, а научная надобность — определение зависимости магнитного поля Земли и температуры атмосферы от высоты подъема. 

Спустя еще 4 года Гей-Люссак опубликовал в научном сборнике небольшую статью «О взаимном соединении газообразных веществ». Выводы, сделанные 30-летним ученым в этом материале, получили название «закон Гей-Люссака» (закон объемных отношений газов) и стали прорывом в исследованиях структуры веществ, важнейшей вехой в развитии химии и наиболее значимым вкладом Жозефа Луи в научное познание.

К сожалению, в том же 1808 году научный триумф Гей-Люссака омрачился жизненной драмой — из-за взрыва при проведении химического опыта ученый потерял глаз.

Заслуги Гей-Люссака велики и многогранны — он внес значительный вклад в развитие электролиза и металлотермии, получил металлический натрий, калий и бор, выделили свободный бор, доказал элементарную природу хлора, калия, натрия и йода, получил несколько йодистых соединений, чистую синильную кислоту и газообразный циан (дициан). Он усовершенствовал элементный и количественный анализ (в частности, создал методы алкалиметрии, ацидиметрии и хлорометрии) и впервые в мире составил диаграммы растворимости солей в воде. 

В последние годы жизни Гей-Люссак, в основном, сосредоточился на работе по заказам промышленности. В частности, он создал крайне удачную конструкцию ареометра (прибора для измерения плотности жидкостей и твердых тел), принцип действия которого остался неизменным до сих пор, изобрел простую технологию отделения золота от меди и предложил эффективный способ получения серной кислоты (башни для улавливания окислов азота при производстве кислоты названы именем ученого). 

Жозеф Луи Гей-Люссак умер в 1850 году в Париже в возрасте 71 года.

Баловень судьбы

Хэмфри Дэви родился всего через десять дней после Гей-Люссака (17 декабря 1778 года), и недалеко от него (в маленьком английском городке Пензанс на полуострове Корнуолл; на другом берегу Ла-Манша — уже Франция). Путь от ученика провинциального аптекаря до профессора Королевского института в Лондоне талантливый юноша прошел всего за 8 лет. Возможно, такой быстрый профессиональный рост был связан с тем, что Хэмфри рано получил широкую популярность, стал медийной персоной. Дело в том, что в 1799 году при изучении действия различных газов на человеческий организм Дэви открыл опьяняющее и анестезирующее действие закиси азота, названной «веселящим газом». Публичные опыты молодого ученого вызвали большой резонанс — газеты заполнились карикатурами, на которых химик развлекает почтенную публику, опьяняя и усыпляя добровольцев чудодейственным газом. 

Но шоу с газом были, конечно же, побочным продуктом системной и новаторской научной деятельности Дэви. В 1803 году, в 25-летнем возрасте (!) ученого избрали членом Королевского общества, в 1807 года он стал секретарем этой почтенной организации. В 1812 году Дэви за научные достижения был посвящен в рыцари Британской империи. Все успешно складывалось и на семейном фронте — Хэмфри женился на молодой состоятельной вдове, родственнице Вальтера Скотта. В 1819 году Дэви был удостоен титула баронета. 

В этот период ученый отошел от серьезной теоретической работы, сосредоточившись на решении практических вопросов горной, металлургической и химической промышленности. В частности, Дэви сконструировал ставшую знаменитой взрывобезопасную шахтерскую лампу с металлической сеткой, тем самым сняв острейшую проблему возгораний рудничного газа (метана). При этом ученый отказался патентовать лампу, сделав свое изобретение общедоступным. 

Еще в 1800 году Дэви выдвинул электрохимическую теорию сродства, которую затем на протяжении 15 лет развивал и углублял. В связи с этим можно назвать Дэви основателем электрохимии. В числе других достижений ученого — создание водородной теории кислот, получение (путем электролиза расплавленных солей и щелочей) различных металлов — калия, натрия, бария,  кальция, лития, а также амальгамы стронция и магния. 

Исследования Дэви в области гальваники получили настолько широкое признание, что ученого наградили даже «геополитические противники» — Французская академия наук с одобрения Наполеона присудила сэру Хэмфри премию в размере 3 000 франков (по тем временам — огромные деньги). 

Значителен вклад Дэви в агрохимию и геологию. Так, он подготовил популярный вузовский учебник по агрохимии, служивший базовым учебным пособием на протяжении почти всего XIX века. Кроме того, в 1807 году Дэви со товарищи основали первую в мире организацию в сфере геологической науки — Лондонское геологическое общество.

Отдельная заслуга Дэви состоит в том, что он дал «путевку в жизнь» Майклу Фарадею, который был и учеником, и ассистентом, и личным секретарем великого химика, а некоторое время даже выполнял роль его камердинера. Пустившись в самостоятельное научное плавание, Фарадей, как известно, открыл явление электромагнитной индукции (и, соответственно, способ промышленного получения электроэнергии), что поставило ученого в первый ряд титанов физики, вровень с Ньютоном, Резерфордом и Эйнштейном. 

Дэви вполне можно назвать баловнем судьбы, если не учитывать некоторые печальные обстоятельства его жизни. Так, однажды во время опыта с расплавленным калием в лаборатории Дэви произошел сильный взрыв, в результате которого ученый, как и его ровесник и коллега Гей-Люссак, лишился глаза. Да и умер Дэви рано — на 51-м году жизни, от апоплексического удара. Похоронен великий ученый в Вестминстерском аббатстве. 

Григорий Волчек