Текст книги "Великие химики. Том 1"

Автор книги: К. Манолов

сообщить о нарушении

Текущая страница: 21 (всего у книги 25 страниц)

ТОМАС ГРЭМ

(1805–1869)

Этот очерк посвящаю моим родителям, Иванке и Русу Маноловым, в знак безграничной признательности.

Семья торговца Грэма жила на одной из самых многолюдных и шумных улиц Глазго, ведущей прямо на пристань. Маленький сын Грэма, Томас, любил смотреть из окна на прохожих[434]434
  Т. Грэм родился 21 декабря 1805 г. в Глазго (Шотландия). В переводной литературе его фамилия транскрибируется как Грэхем, Грейем, Грэйам, Грэхэм и др.


[Закрыть]. Эти незнакомые ему люди, казалось, пришли сюда из другого мира, совсем не похожего на мир, в котором жил Томас. Он никого не допускал в этот свой мир: ни отца, ни сестер, а их у него было четыре. Только мать догадывалась о том, что сын ее живет в воображаемом мире, замкнувшись в комнате наверху и предаваясь грезам, далеким от более понятных ей мечтаний о богатстве, славе и власти.

Его волновало совсем другое – неразгаданные тайны природы. Что представляет собой Вселенная? Где начало бытия и где его граница с потусторонним миром? Тринадцатилетний Томас искал ответ на эти вопросы в книгах, но тщетно: он путался в философских воззрениях авторов и не мог понять, где реальность, а где начинался вымысел?

Склонность Томаса к размышлениям порой раздражала его отца: сын был полная ему противоположность. Практичный Грэм-старший умел заключать выгодные сделки, и это выдвинуло его в первый ряд среди деловых людей Глазго. Он делал все, чтобы приобщить и сына к торговле, помочь ему познать все ее тонкости. Ведь Томас был прямым его наследником. К своему великому огорчению, однако, оп понял, что торговля отнюдь не для Томаса.

…Облокотившись на подоконник, мальчик часами смотрел на улицу… У каждого своя дорога, удачная или неудачная, но своя. А у него? Как завоевать право на собственную дорогу в жизни? Сможет ли он этого добиться? В его глазах нередко появлялось выражение недетской неуемной грусти. Отец был непреклонен.

– Если не хочешь торговать, тогда иди в пасторы: ведь ты любишь философствовать.

– Но я не хочу быть пастором, – пытался возразить отцу Томас.

– Не огорчайся, Том, – нежно утешала его мать. – Ты еще молод, впереди еще много времени, и ты сможешь сделать жизнь такой, какой хочешь.

– Я хочу учиться, мама!

– Попробую уговорить отца. Ты же знаешь, он не любит, когда ему перечат. Соглашайся на все. Поступишь в университет, а там видно будет.

Свое четырнадцатилетие Томас отпраздновал в университете Глазго. Отец не отступил от принятого им решения, и Томас вынужден был поступить на богословское отделение.

Студент Томас Грэм испытывал на себе влияние идей профессора Мейклиама, преподававшего в университете натурфилософию. Его лекции помогли Томасу найти ответы на десятки мучавших его вопросов. От профессора он узнал много нового, познакомился с основами физики и химии. Профессор Мейклиам дружил с читавшим курс химии доктором Томасом Томсоном, сам интересовался этой наукой и посоветовал молодому студенту Грэму посещать лекции Томсона.

Томас регулярно посещал эти лекции. Постепенно он пришел к выводу, что химия – самая интересная наука, которой стоит посвятить жизнь. Уметь работать с веществами, изучать их взаимодействие, получать новые, никому не известные соединения, открывать закономерности, которым подчиняются химические реакции, – вот его истинная дорога в жизни. Он слишком долго стоял на распутье, однако теперь для него ясна цель в жизни. Он нашел свое призвание и, несмотря на непреклонное желание отца видеть сына пастором, посвятит свою жизнь науке.

Грэм усердно работал, много читал и в конце концов получил степень магистра искусств. Лишь студенты, обладавшие глубокими познаниями в области философии и некоторых других, специальных дисциплин, могли добиться подобного.

Первоначальные знания по химии Грэм получил в лаборатории доктора Томсона, но этого было недостаточно для исследовательской работы. По совету профессора Мейклиама он переехал в Эдинбург.

Эдинбургский университет славился хорошими специалистами-медиками. Обучение молодых врачей, однако, требовало знакомства с основами ряда важных наук, среди которых в первую очередь была химия. Кафедру химии в то время занимал док-тор Хоуп. Согласно традиции, установившейся еще со времен профессора Джозефа Блэка, который открыл и подробно исследовал двуокись углерода, в лаборатории доктора Хоупа занимались изучением газов.

С этого начал и Грэм. Ему были известны исследования Уильяма Генри из Манчестера. Он знал открытый Генри закон о растворении газов в жидкостях, но явления, которые сопутствуют этому процессу, нуждались в дополнительных исследованиях. Грэму было известно, что одни газы, например аммиак и хлористый водород, хорошо растворяются в воде, другие – азот, водород, кислород – значительно хуже. Он задавал себе вопрос: есть ли какая-нибудь в этом закономерность или все зависит от индивидуальных свойств газа?

Увлеченный сложными проблемами, Грэм подолгу задерживался в лаборатории. Он возвращался домой только к полуночи, а ранним утром его вновь можно было видеть в лаборатории.

В то время Грэм был стройным красивым юношей; его изяществу могла позавидовать любая красавица Эдинбурга. Приятная внешность и обходительные манеры молодого человека располагали к себе. У него было много друзей среди работавших с ним в лаборатории. Начинающие ученые нередко подолгу беседовали о волнующих их научных проблемах. Среди друзей Грэма был и профессор Лесли – философ, литератор и языковед. Их встречи и интересные беседы помогли Грэму более широко познать и увидеть мир.

Часто, оставаясь наедине с собой, Грэм думал о матери. Он любил ее всем сердцем, тревожился за нее, мечтал о встрече. В минуты отдыха он писал ей длинные нежные письма. В них он рассказывал матери о своей работе, своей жизни…

Вот уже два года Томас находился рядом с доктором Хоупом. Он узнал много интересного, но главное – научился самостоятельно вести исследовательскую работу. Он закончил исследование абсорбции газов жидкостями, и в конце 1826 года в «Философских летописях» появилась его первая статья, за которую Грэм получил свой первый гонорар – 6 фунтов. С этими деньгами Грэм отправился покупать подарок матери, чтобы порадовать ее и хоть чем-то отплатить за ее беспредельную любовь, заботу, нежность. Не забыл он и сестер. С покупками он возвратился домой, счастливый, что доставит немного радости и близким.

Радости? Нет, это не то. Матери любят своих детей преданно и бескорыстно. Теплое слово для них дороже, чем самый ценный подарок. Грэм растрогал всегда сдержанную мать до слез. Она плакала от радости и гордости, что сын наконец нашел свою дорогу в жизни. Путь, которым осмеливаются идти не многие, потому что он тернист и редко усыпан розами. Но это путь, который приносит радость и удовлетворение, не сравнимые ни с чем, это путь творческого труда.

Грэм оставался в лаборатории доктора Хоупа еще два года. В 1828 году он вернулся в родной Глазго.

Тот же двухэтажный дом отца, та же комната с окнами на улицу, немая свидетельница его мечтаний о будущем. Теперь, однако, эти мечты были более реальными, более определенными. Романтические фантазии юношеских лет уступили место серьезной и глубокой мысли молодого ученого. Его волновали большие проблемы, привлекали интересные явления.

Уроки математики и химии, которые он вел в лаборатории, находившейся на Портланд-стрит, давали средства к жизни, но Грэм нуждался в собственной лаборатории, а денег для этого не было. Хорошо, пусть своя лаборатория – дело будущего… А работу начинать надо немедленно. На первых порах можно воспользоваться и скромной лабораторией на Портланд-стрит. Явления, которые его интересовали, не требовали сложной аппаратуры: не муравленый[435]435
  Муравление – глазурирование обжигом гончарных керамических изделий. – Прим. ред.


[Закрыть] глиняный сосудик, имеющий форму склянки с узким горлышком, изогнутая стеклянная трубка и небольшое количество ртути – вот все, что пока было нужно.

Глиняные сосуды он заказал гончару Тэйтону, а ртуть получил у доктора Кларка, который преподавал химию в Механическом институте. Кларк был намного старше Томаса, но это не помешало им стать друзьями. Он часто посещал своего молодого друга. Исследования Грэма представлялись ему интересными, и он хотел не только увидеть все в мельчайших подробностях, но и помочь молодому ученому своими советами.

– Пока что в моем распоряжении только факты, – сказал Грэм… – Но я уверен, что существует какая-то закономерность…

– Вполне вероятно, но пока неясен путь, по которому можно добраться до нее, – ответил доктор Кларк.

Надеюсь найти этот путь, хотя ряд деталей еще надо продумать. Первый шаг уже сделан. Пойдемте, я покажу вам мой опыт. Он прост, но чрезвычайно интересен.

Друзья подошли к столу, на котором стоял стакан и глиняный сосуд с укрепленной в горлышке стеклянной U-образной трубкой. Грэм принялся объяснять:

– Глиняный сосуд пористый, не муравленый. Конечно, в нем воздух. Ртуть в трубке выполняет роль пробки: она задерживает газ в глиняном сосуде и одновременно регистрирует изменения объема. Смотрите, уровни ртути в обоих коленах трубки одинаковы. Теперь я наполняю стакан водородом и помещаю в него глиняный сосуд. Оба газа разделены пористой перегородкой, и они начинают диффундировать. Водород будет просачиваться в сосуд, воздух – в обратном направлении. Но смотрите, что происходит?!

Грэм получил водород и накрыл глиняный сосуд стаканом, опрокинутым вверх дном, поскольку водород легче воздуха. Постепенно ртуть в колене изогнутой трубки, связанном с сосудом, начала опускаться вниз. Казалось, что газ в глиняном сосуде расширялся и выталкивал ртуть.

– Как интересно! – воскликнул доктор Кларк.

– Но это не все. Смотрите, теперь обратный эффект!

Грэм снял стакан с глиняного сосуда. Через несколько секунд ртуть начала подниматься к первоначальному уровню. К удивлению доктора Кларка, ртуть не остановилась на прежнем уровне, а продолжала подниматься в том колене трубки, который был связан с глиняным сосудом. Казалось, газ в нем сжимался и всасывал ртуть в сосуд.

– А с другими газами вы проводили опыты?

– Да. Пробовал хлористый водород, углекислый газ…

– И во всех случаях наблюдается подобное явление?

– В том-то и трудность. С углекислым газом все наоборот. Если ввести сосуд с воздухом в атмосферу углекислого газа, ртуть начинает заполнять колено со стороны сосуда, а потом, если удалить стакан с углекислым газом, ртуть переходит в другое колено. Можно предположить, что вначале газ сжимается, а затем расширяется. Через некоторое время состояние газа в глиняном сосуде нормализуется и уровень ртути в обоих коленах выравнивается.

– Ну, и какие из всего этого выводы?

– Пока что приблизительные. Видимо причиной является диффузия. Все газы способны расширяться, заполняя весь предоставленный им объем. Вот почему, если соединить два сосуда, заполненные разными газами, через некоторое время в них образуется совершенно однородная смесь. Протекает свободная диффузия.

– Факт этот уже известен. Такие опыты проводил лет тридцать назад французский исследователь Клод Луи Бертолле.

– В моих опытах, однако, диффузия осуществляется через пористую перегородку – стенки глиняного сосуда. Мы могли бы назвать процесс вынужденной диффузией. Оказывается, разные газы проходят через пористую перегородку с различной скоростью. Например, в опыте, который вы видели, водород через стенки сосуда проходит быстрее, поэтому количество газа в сосуде увеличивается и выталкивает ртуть. Конечно, воздух тоже выходит наружу, но медленнее.

– Понимаю. По-моему, вам надо, не откладывая, подробно описать свои опыты и опубликовать результаты.

Статья была напечатана в «Квартальном журнале науки» в 1829 году[436]436
  Quarterly Journal of Science” выпускался Королевским институтом. Первая статья Грэма была названа «Краткое сообщение об экспериментальных исследованиях диффузии газов друг в друга и их механическом разделении».


[Закрыть]. В том же году Грэму было предложено место умершего доктора Кларка в Механическом институте.

Дружба с Кларком направила интересы двадцатичетырехлетнего Грэма и к другой области химии. Последние годы своей жизни доктор Кларк посвятил солям фосфорной кислоты. Подробное исследование этих соединений давало все больше фактов, которые не удавалось объяснить с помощью теории Берцелиуса. По мнению шведского ученого, каждая кислота образуется в результате присоединения одного атома воды к одному атому кислотного окисла[437]437
  В то время понятия «молекула» еще не существовало.


[Закрыть]. Согласно этой теории, каждый кислотный окисел образовывает только одну одноосновную кислоту. Доктору Кларку, однако, удалось получить новую натриевую соль фосфорной кислоты, значительно отличавшуюся по свойствам от обыкновенного фосфата натрия. Фосфат натрия образует с нитратом серебра желтый осадок, и раствор над осадком имеет кислую реакцию. Фосфат, полученный доктором Кларком, при взаимодействии с нитратом серебра давал белый осадок, раствор над которым был нейтральным. Эту соль он получил из обыкновенного фосфата натрия, нагревая его докрасна. Так как новый фосфат образовался под действием огня (огонь по-гречески – «пирос»), Кларк назвал его пирофосфатом.

Продолжительные исследования доктора Кларка не внесла ясность в вопрос о фосфорной кислоте и ее солях; более того, они значительно усложнили его. Теперь в хорошо оборудованной лаборатории доктора Кларка Грэм получил возможность расширить и углубить свои исследования. Основное внимание он уделил газам и фосфатам. Вопрос о диффузии все еще оставался открытым. Чтобы определить скорость диффузии, Грэму пришлось измерять количество перешедшего через пористую перегородку газа за единицу времени. Для получения количественной зависимости он видоизменил и сам опыт. Вместо глиняного сосуда, поверхность которого измерить трудно, он использовал широкую стеклянную трубку, конец которой закрыл специальной пористой перегородкой. Грэм производил многократные анализы газов внутри и снаружи стеклянной трубки для определения их процентного содержания в газовой смеси. Наряду с этим он решил определить и некоторые физические параметры газов. Эта продолжительная и в какой-то степени однообразная работа вовсе не надоедала ему. Грэм проводил сотый анализ с таким же удовольствием, с каким когда-то провел первый.

Упорная работа завершилась открытием закона, лежавшего в основе явления диффузии газов. Грэм установил, что чем тяжелее газ, тем медленнее он проходит через пористую перегородку. Но это только качественная взаимосвязь. Он хотел найти строгую математическую зависимость, и его попытки увенчались успехом. Вычисления показывали, что скорость диффузии газа обратно пропорциональна квадратному корню из «го ^плотности.

Параллельно с этой работой Грэм окончил исследования по окислению фосфора и установил, что в присутствии ничтожно малых количеств некоторых газов окисление фосфора значительно замедляется. Этот факт имел большое значение для науки, так как давал первый пример отрицательного катализа – явления, у которого даже не было названия, потому что не существовало самой теории каталитических процессов. Даже понятие «катализ» Йене Якоб Берцелиус ввел лишь через пять лет после этого открытия.

Вторая статья Грэма о диффузии газов[438]438
  Вторая статья Грэма, опубликованная в «Квартальном журнале науки», называлась «О законе диффузии газов» и была удостоена премии.


[Закрыть] вышла из печати в 1831 году, когда он был уже профессором химии в Андерсеновском университете в Глазго. Здесь в большой и отлично оборудованной лаборатории он сделал очень важное открытие, в результате которого полностью изменился взгляд на природу кислот. К этому открытию Грэма привели результаты исследования фосфорной кислоты и ее солей.

Начав в лаборатории доктора Кларка с исследования соединений фосфора, Грэм перешел затем к исследованию солей мышьяковой кислоты, которые, как было известно из работ Митчерлиха, обладали свойствами, аналогичными фосфатам.

В сущности Грэм повторил опыты Митчерлиха, Берцелиуса, Кларка и получил все известные в ту пору фосфаты и арсенаты. Он не нашел ошибок в выводах ни одного из ученых: это были действительно различные по свойствам и составу соли. Варьируя условия их получения, Грэм выделил несколько новых фосфатов. Он обратил особое внимание на бесцветное кристаллическое вещество, которое содержало большое количество фосфора. Обрабатывая его концентрированней серной кислотой, Грэм получил фосфорную кислоту нового типа. Она образовывала бесцветные кристаллы и легко вызывала коагуляцию растворов альбуминов. Грэм назвал эту кислоту метафосфорной, а ее соли – метафосфатами. В конце концов он подытожил результаты продолжительных и сложных опытов, которые показывали, что при образовании солей фосфорной кислоты один «атом» окиси фосфора способен связаться с одним, двумя или тремя «атомами» окиси натрия или калия[439]439
  В то время ученые изображали «атом» окиси фосфора в виде PO₅ (современной формулы остатка фосфорной кислоты PO₄^3— пока еще не было), «атомы» окислов калия и натрия – в виде NaO и КО, воду – в виде НО. Кислота состояла, таким образом, из «атомов» окиси фосфора и воды.


[Закрыть]. Это утверждение было справедливо лишь при условии, если кислоты содержат несколько атомов водорода, замещаемого металлами.

Грэм был убежден, что при растворении в воде окись фосфора способна связываться с одной, двумя или тремя молекулами воды (по воззрениям того времени – атомами воды). Результатом этого взаимодействия являются три различные по свойствам фосфорные кислоты – метафосфорная, пирофосфорная и ортофосфорная. Это допущение противоречило не только учению Берцелиуса об одноосновности кислот, но шло вразрез со взглядами всех ученых. Однако его подтверждали факты, которыми нельзя было пренебречь. Статья Грэма, опубликованная в 1833 году, положила начало современной теории многоосновности кислот. Несколько позже идея о многоосновности кислот вешла и в органическую химию. Впервые об этом писал Юстус Либих[440]440
  Liebig J. Ann. chim. phys., 68, 5 (1838).


[Закрыть], а о многоосновных спиртах (правильнее многовалентных) – Адольф Вюрц[441]441
  Речь идет о работах Вюрца по синтезу двухатомных спиртов – гликолей [Ann. chim. phys., 55, 409 (1856)]. Теория многоосновных кислот Грэма получила свое развитие также в работах Жерара и в литературе фигурирует как теория Грэма – Либиха – Жерара (Краткая химическая энциклопедия: В 5-ти томах./Гл. ред. И. Л. Кнунянц. – М.: Сов. энцикл., 1961–1967. – Т. 2: Ж – Малоновый эфир, с. 581–587).


[Закрыть].

Вклад Грэма в науку имел большое значение. Его высоко оценила научная общественность. В 1834 году в Эдинбурге состоялась торжественная церемония, на которой Грэма удостоили почетной награды.

На торжество приехали самые выдающиеся ученые Шотландии, чтобы выразить свое уважение этому скромному исследователю.

Грэм был популярен не только в Шотландии, он пользовался известностью и среди ученых Лондона. Когда в 1837 году умер профессор химии Университетского колледжа в Лондоне Эдуард Тэнер[442]442
  Эдуард Тэнер (1796–1837) – с 1827 г. профессор открывшегося в 1828 г. Лондонского университета, где возглавил курс практической химии. Тэнеру принадлежит исследование атомных весов, минералов, процессов каталитического горения.


[Закрыть], академический совет единодушно избрал на его место Томаса Грэма.

В то время Лондон был центром науки. Здесь работали самые выдающиеся ученые по всем отраслям знаний. Именно в Лондоне существовала возможность непосредственного контакта с различными специалистами. Грэма радушно приняли в свой круг его лондонские коллеги. В 1837 году он стал членом Лондонского королевского общества, во время заседаний которого он встречался и беседовал со многими видными учеными. Через доктора Уильяма Уэвелла Грэм познакомился с Майклом Фарадеем.

– Конечно, у каждого человека свои, определенные интересы, – сказал как-то Грэм Фарадею.

– Так-то оно так, но часто эти интересы меняются… – Фарадей смолк, а потом продолжил: – Вот, например, я постепенно удаляюсь от химии, меня больше интересует теперь физика. Главный вопрос сейчас для меня – электричество и связанные с ним явления.

– А я наоборот. Начал почти с чисто физических исследований, а теперь все больше перехожу к химии. Исследование фосфатов привело меня к проблеме кристаллизационной воды. Кристаллы почти всех солей фосфорных кислот содержат некоторое количество воды. В разных солях количество кристаллизационной воды различно. Я уже получил некоторые результаты в этой области и опубликовал их еще в Глазго[443]443
  Первая статья «О воде как об основной части солей» (1835 г.) была представлена Королевскому обществу в Эдинбурге, вторая – «Вопросы, связанные со строением солей» (1836 г.) – в Лондонское королевское общество.


[Закрыть].

Фарадей оживился:

– Да, я знаю их. Ваши взгляды на кристаллизационную воду весьма оригинальны. Вода действительно обладает исключительным свойством связываться с другими веществами?

– Я убежден в этом. При растворении в воде атомы[444]444
  Имеются в виду молекулы. – Прим. ред.


[Закрыть] солей гидратируются. Как следует из опытов, они связываются так прочно, что входят в состав соли даже в кристаллическом состоянии. Анализы десятков веществ подтверждают это.

– Вы будете продолжать работу в данной области?

– Надеюсь. Но обязанности, возложенные на меня в университете, в известной степени мешают осуществлению моих планов. Я должен написать учебник химии.

– У вас незаурядные ораторские способности, и это сильно поможет вам.

Работа над учебником увлекла Грэма, и он на некоторое время прекратил экспериментальные исследования. Дружба с Фарадеем отразилась на его научных интересах. В результате появилась новая статья Грэма «Теория цикла Вольта», которую он доложил в 1839 году на заседании Британской ассоциации.

Авторитет Грэма рос с каждым днем. Глубокие познания и оригинальные исследования выдвинули его в число первых среди выдающихся английский ученых. Когда в 1842 году было основано английское Химическое общество, Грэма избрали его президентом. Это общество и сегодня играет важную роль в развитии химической науки в Англии. После смерти Джона Дальтона в 1844 году французские ученые избрали на его место Томаса Грэма – одного из одиннадцати выдающихся иностранных ученых – почетных членов Парижской академии.

Многочисленные обязанности мешали, однако, научной работе Грэма. Ему без конца приходилось заседать в разнообразных комиссиях: в 1846 году его назначили в состав комиссии по изучению вентиляции нового здания парламента; в следующем году уже другая комиссия подробно изучала вопрос об улучшении методов литья ружей, винтовок и пушек. В 1851 году Грэм совместно с профессором Миллером и профессором Гофманом проводил работу по определению чистоты и пригодности для питья воды некоторых городов Англии. В том же году Грэм был назначен членом жюри выставки химикатов и фармацевтических препаратов в Лондоне.

И тем не менее ученый не прерывал научно-исследовательской работы. Он продолжал изучать явления, связанные с движением молекул газов, интересовался причинами, вызывающими это движение, условиями, от которых оно зависит. Методы исследования газов Грэм применил и к жидкостям. Оказалось, что жидкости, будучи отделенными друг от друга полупроницаемой перегородкой, могут переходить через нее. Таким же образом ведут себя растворы, если их отделить от растворителя пористой перегородкой. Грэм назвал это явление «осмосом» и подробно описал его в статье «Об осмотической силе» (1854 г.).

Открытие осмотических явлений было объявлено самым значительным открытием года. По традициям Королевского химического общества автор статьи должен был выступить перед научной общественностью с лекцией, в которой необходимо было подробно изложить сущность исследований и полученные результаты. Лекция состоялась в конце декабря 1854 года. Это была вторая Бейкерианская лекция, с которой Грэм имел честь выступить перед учеными Лондона (первую лекцию он прочитал в конце 1850 года в связи с исследованиями диффузии жидкостей):

«… Явление это аналогично диффузии газов, но оно таит в себе еще много неясного. Газы диффундируют в двух направлениях, а жидкости только в одном. Сущность эксперимента в следующем. Широкую часть воронки накрываем животным пузырем, пергаментом или какой-либо другой полупроницаемой перегородкой, потом воронку заполняем раствором определенного вещества и погружаем ее в воду так, что трубка воронки остается над водой. Через некоторое время можно заметить, что жидкость по ней начинает медленно подниматься. Это показывает, что вода проникает через перегородку в раствор. Что переходит из раствора в воду, установить не удалось. Продолжительные исследования показали, что высота, до которой поднимается жидкость в трубке, сильно зависит от природы растворенных веществ. Например, однопроцентные растворы хлоридов натрия, кальция, ртути и меди дают соответственно 2, 20, 121 и 351 мм высоты. Объяснение этому наблюдению еще больше усложняется тем фактом, что оно не связано с капиллярными явлениями, как склонны думать многие исследователи. Один и тот же раствор дает всегда одинаковое повышение уровня в трубке, несмотря на вид полупроницаемой мембраны и толщину трубки, в которой находится раствор…»

С исследования осмотических явлений начался один из самых плодотворных периодов научной деятельности Грэма. В 1855 году ему предложили перейти на работу в лабораторию Государственного монетного двора. Грэм с радостью принял это» предложение, так как профессорская деятельность отвлекала его от проведения научных исследований, а членство в ряде правительственных комиссий отнимало значительную часть драгоценного времени.

Работа в лаборатории Монетного двора была сравнительно спокойной, и ученый получил возможность посвятить свое время науке. В лаборатории он находил радость и смысл всей своей жизни. Даже дома после трудового дня он мысленно возвращался в лабораторию, к опытам, к неизвестному, которое ждал» своего открытия.

Изучение осмотических явлений встречало большие трудности. Ученому никак не удавалось установить взаимосвязь между высотой поднимавшегося столбика жидкости и концентрацией растворенного вещества. Грэм провел десятки, сотни,тысячи опытов, но все оказалось напрасным. Законы осмотического давления суждено было открыть Вильгельму Пфефферу[445]445
  Вильгельм Пфеффер (1845–1920) – немецкий физиолог растений. В работе «Осмотические исследования» (1877 г.) с помощью сконструированного им особого типа осмометра (с полупроницаемой мембраной из железистосинеродистой меди) показал зависимость осмотического давления раствора от его концентрации и температуры. О Пфеффере см.: Биографический словарь деятелей естествознания и техники, ук. соч., т. 2, с. 159; История биологии: С древнейших времен до начала XX века/Под ред. С. Р. Микулинского. – М.: Наука, 1972, с. 453 и сл.


[Закрыть] лишь через 20 лет.

Прошло пять лет с тех пор, как Грэм начал работать в лаборатории Монетного двора. Он следил за достижениями ученых не только Англии, но и всего мира. Растворы изучали многие. Интересные открытия в этой области сделал Майкл Фарадей. Распыляя порошок металла в воде, он получил очень тонкие взвеси, сохранявшиеся длительное время. Эти «растворы» были очень похожи по свойствам на растворы кремневой кислоты, которые Грэм изучал вместе с молодым ассистентом Уильямом Остином. Томас Грэм не обзавелся в свое время семьей, и потому ничто не мешало ему задерживаться в лаборатории вместе с Остином до поздней ночи.

Грэм и Остин провели ряд исследований, на основе которых Грэм создал совершенно новую теорию веществ. В результате своих опытов они установили, что некоторые вещества образуют исключительно стойкие растворы. Если такой раствор подвергнуть испарению и потом охладить, растворенное вещество выделится в виде кристаллов. Словом, такие вещества очень легко кристаллизуются. Другая группа веществ, как установили ученые, образует нестойкие растворы, которые легко коагулируют, и растворенное вещество осаждается в виде студенистого осадка или тонкого порошка. Несмотря на все усилия, им не удалось получить кристаллы веществ второй группы. Приняв, что свойство кристаллизоваться заключено в самой сущности веществ, Грэм разделил их на две группы: первые (легко образующие кристаллы) он назвал кристаллоидами, вторые (не образующие кристаллов) – коллоидами.

Растворы коллоидных веществ обладали и другим важным свойством: при охлаждении они постепенно сгущались и превращались в студнеобразную массу – гель. При нагревании гель снова превращался в жидкость – золь. Изучая диффузию растворов, Грэм установил, что коллоидные растворы не могут переходить через перегородку, а кристаллоидные – переходят. Он сразу же использовал это свойство для получения совершенно чистых коллоидных веществ. С этой целью Грэм наливал коллоидный раствор в широкое блюдо, дно которого было выполнено в виде полупроницаемой мембраны. Опущенное в ванну с чистой водой, блюдо плавало по ее поверхности наподобие лодки. Все соли, растворенные в коллоидном растворе, проникали через перегородку в чистую воду, а в блюде оставались лишь коллоидные частицы. После того как воду меняли несколько раз, в блюде оставался совершенно чистый коллоидный раствор, из которого можно было выделить и само вещество. Таким образом Грэму удалось получить очень чистые окись кремния, гидроокиси железа, алюминия и хрома, прусскую синь, оловянную, титановую, вольфрамовую и молибденовую кислоты. Некоторые из этих веществ (например, окись кремния) встречаются в природе в кристаллическом состоянии. Эти исследования Грэма способствовали формированию воззрений, развитых впоследствии другими авторами[446]446
  Изучением коллоидных систем с успехом занимались русский ботаник и химик Илья Григорьевич Борщов (1833–1878) и другие русские и советские ученые: Ф. Н. Шведов (1840–1905), Н. А. Шилов (1872–1930), Б. Шишковский (1873–1931), А. В. Думанский (1880–1967), М. С. Цвет (1872–1919) и др. Большой вклад в исследование коллоидов внесли также лауреаты Нобелевской премии 1926 г. немецкий ученый Рихард Зигмонди (1865–1929), шведский ученый Теодор Сведберг (1884–1971) и французский ученый Жан Батист Перрен (1870–1942).


[Закрыть]. Согласно этим воззрениям, коллоидное состояние является свойством всех веществ, но в определенных условиях.

Одновременно с изучением коллоидных растворов Грэм по-прежнему занимался газами. Дричиной этому послужило открытие французского химика Анри Сент-Клер Девилля. Грэм не раз перечитывал сенсационную статью ученого.

– Остин, идите-ка сюда. Вот почитайте. Какое замечательное открытие! – Он протянул журнал ассистенту. – Опять о прохождении газов через полупроницаемые перегородки.

Остин, взглянув на заголовок, воскликнул:

– Но здесь речь идет о платине[447]447
  Упомянутые работы касаются не только платины, но и платиновых металлов – иридия, осмия, рутения.


[Закрыть]. Разве платина пористая?

– Уникальное открытие! Надо немедленно все проверить.

– Но у нас нет аппаратуры Девилля.

– А мы поступим по-иному. Когда-то, лет сорок назад, я начал изучать диффузию газов и для этой цели мне служила одна-единственная стеклянная трубка. Теперь мы возьмем платиновую трубку. Плотно закупорив ее с одного конца, выкачаем из нее воздух и поместим в атмосферу водорода; если то, о чем пишет Девилль, верно, через некоторое время внутри трубки должен накопиться водород.

Остин приготовил необходимые детали прибора, и они начали эксперимент. Тонкие стенки платиновой трубки оказались полностью непроницаемыми для водорода не только при комнатной температуре, по и при 200, 300 и даже 500°С. Однако, когда температура платиновой трубки повысилась настолько, что металл раскалился докрасна и начал светиться, как разгоревшийся уголь, в ней начал бистро накапливаться водород. Газ свободно проходил сквозь нагретую металлическую стенку трубки.

– Девиль совершенно прав. Надо проверить, проявляет ли платина это свойство только по отношению к водороду или по отношению к другим газам также, – возбужденно сказал Грэм.

– С чего начнем?

– Вначале с чистых газов – азота и кислорода, а потом поставим опыты со смесями.

Новое свойство платины так увлекло двух неутомимых экспериментаторов, что они временно забросили все другие проблемы. Через некоторое время ими было показано, что проникновение через платину является характерным свойством только водорода. Если платиновую трубку, нагретую докрасна, вводили в сосуд, заполненный светильным газом, то в трубку проходил только водород, а метан и другие газы, входившие в состав светильного газа, оставались в сосуде. В то время как в течение получаса в трубке накапливалось до ста кубиков водорода, объем проникших метана, азота, этилена, окиси и двуокиси углерода едва достигал одной десятой доли кубического сантиметра.

– Полная аналогия с каучуковыми мембранами, – сказал Грэм. – Когда я был молод и только начинал работать, я наблюдал подобное явление на каучуковых мембранах. Если наполнить резиновый шарик воздухом, через некоторое время он сжимается, потому что часть заключенного в нем газа выходит через тонкие стенки. Подумайте, анализ оставшегося газа показал, что это почти чистый азот. Каучуковая мембрана проницаема только для кислорода.

– Тогда можно предположить, что и другие вещества будут проявлять это удивительное свойство.

– Может быть. Через несколько дней у нас будут трубки, сделанные из железа, серебра, золота, палладия и никеля.

Новые, неожиданные результаты они получили только при работе с палладиевой трубкой. Водород проникал внутрь нее даже при комнатной температуре. Для объяснения перемещения воды сквозь полупроницаемую перегородку при осмотических явлениях Грэм предполагал, что она связывается с веществом мембраны и потом освобождается с другой стороны. Аналогия явлений навела его на мысль о том, что водород связывается с платиной и палладием, а на другой стороне металлической стенки освобождается.