Помоги проекту - поделись книгой:
В университетах с химией знакомились лишь поверхностно: в основном при изучении медицины, минералогии или физики. Это ознакомление редко сочеталось с лабораторно-практическим обучением. Например, в 1699 г. на медицинском факультете Лейпцигского университета удалось создать кафедру общей химии. Однако приглашенный на нее профессор Шайдер напрасно добивался у университетского начальства разрешения на оборудование лаборатории, хотя он был готов приобрести на собственные средства помещение, оборудование и приборы. Его предложение было отклонено, потому что "в сомнительных лабораториях обычно готовят не только соединения мышьяка, которые сами по себе ничего, кроме сильнейшего яда, не представляют, но и другие подобные ему вещества, создавая при их приготовлении величайший смрад, не говоря уже о том, что само испарение является ядовитым. А наряду с другими специфическими явлениями чад для ученых и всех студентов, занимающихся умственным трудом, почти невыносим" [84, с. 66]. Даже примерно 80 лет спустя администрация университета упорно придерживалась точки зрения, что "необходимости в подобного рода заведении нет и для университета это слишком дорого". И все это даже несмотря на то, что ландтаг[190] ходатайствовал об организации химической лаборатории. Лишь спустя примерно 100 лет после Шайдера, в 1804 г., профессор К. Г. Эшенбах в результате длительной борьбы добился того, что для создания химической лаборатории в его распоряжение было предоставлено небольшое, мало приглядное помещение в Пляйсенбурге [84, с. 66]. И хотя столь неблагоприятное положение существовало не во всех университетах, все же характерно, что все большие открытия в последней трети XVIII в. были сделаны людьми, находящимися в стороне от университетской жизни, и даже нередко самоучками.
Несколько более благоприятным для исследований положение было в академиях, особенно во Франции и Швеции. В Англии инициатива по оборудованию лабораторий и учебных центров находилась в основном в частных руках. Точно так же в немецких государствах отдельные лица создавали частные учебные и исследовательские центры, например И. Виглеб в г. Лангензальца и И. Троммсдорф в Эрфурте. Они готовили аптекарей, давая ученикам теоретическое и практическое химическое образование. Во Фрейберге при Горной академии тоже возникла исследовательская и учебная лаборатория, в которой работал В. А. Лампадиус, а в Йенском университете И. В. Дёберейнер ввел лабораторный практикум в преподавание химии в высшей школе.
Лаборатория Университета г. Альтдорфа (1700 г.)
Петербургская Академия наук работала в значительной мере благодаря плодотворной деятельности Ломоносова, способствовавшего развитию исследовательских работ и образования в России. В Петербург приглашались различные иностранные ученые, главным образом немецкие. В Италии, Испании и Нидерландах исследованиям и образованию в области естественных наук тоже уделялось значительное внимание. Здесь нет возможности останавливаться на особенностях системы образования в каждой стране. В общем в последней трети XVIII в. интерес к естественным наукам заметно возрос. Этому способствовали многочисленные учебники, которые в то время начали издаваться в основном не на латыни, а на национальных языках и стали доступны более широким кругам образованных людей. Они служили пособиями для самообразования и являлись источником не только общехимических сведений, но и специальных знаний для ремесленников, занимающихся крашением, дублением, изготовлением стекол, земледелием, металлургией [8, с. 70 и ел.]. К наиболее известным относилась книга Ж. Демахи "Лаборант в широком смысле", вышедшая в 1777 г. в Париже, а в 1801 г. в Лейпциге в немецком переводе [85], а также книги С. Гермбштедта.
В 1794 г. в Париже была основана Политехническая школа, которая изменила характер естественнонаучного образования и в которой проводились как практические, так и теоретические занятия. К этому времени химия благодаря системе Лавуазье стала намного понятнее. А Фуркруа и Л. Воклен, а также Ж. д'Арсе, не только читали лекции по основам химии, но и руководили занятиями в лаборатории. Гей-Люссак и Тенар проводили такую же работу, но в их маленьких лабораториях находилось место только для избранных.
В начале XIX в. в Англии врач Т. Томсон, подобно И. Троммедорфу из Эрфурта, ввел систематическое обучение химии. С 1818 по 1841 г. Томсон успешно руководил химическими занятиями в лаборатории в Глазго. Одновременно он способствовал развитию химии, написав учебник по химии, а также книгу "История химии"[191].
Когда Юстус Либих вынужден был прервать обучение фармации в Университете г. Эрлангена и переехать в Париж, он пришел в восторг от того, как преподавали химию Ж. Гей-Люссак и Л. Тенар, от четкости изложения их лекций и доказательств. Теория и практика в их системе преподавания сливались в единое целое. В автобиографических записках о годах учебы в Париже Либих писал: "Лекция состояла из разумно расположенного ряда явлений, т. е. опытов, связь между которыми дополнялась устными объяснениями" [83, с. 21]. Привязанность к своим учителям Либих сохранил на всю жизнь. После франко-прусской войны 1870-1871 гг. Либих выступал за примирение с Францией и призвал к сбору пожертвований среди немецких ученых для их французских коллег.
Лаборатория Химико-фармацевтического института Либиха (1840 г.)
В 1824 г. Либих по рекомендации А. Гумбольдта был приглашен заведывать кафедрой химии в Гиссенском университете. Из года в год он увеличивал число учеников, получавших у него систематическое химическое образование. "Для того чтобы обучать сразу многих, необходим систематизированный план или последовательный путь, который прежде должен быть продуман и опробован... Преподавание в собственном смысле, которое вели опытные ассистенты, существовало в лаборатории только для начинающих; мои специальные ученики занимались каждый соответственно полученной ими предварительной подготовке. Я задавал задачи и ждал их выполнения... Руководства в собственном смысле не было; я каждое утро принимал от каждого в отдельности отчет о том, что сделано им накануне... я соглашался или делал возражения. Каждый вынужден был искать собственную дорогу" [83].
Аудитория в Химико-фармацевтическом институте Либиха (реконструкция музея Либиха в Гиссене)
Лекции Либиха всегда сопровождались экспериментом. Он расширил лабораторный практикум, в котором студент шаг за шагом упражнялся в мастерстве: от затачивания ножа для материалов до собирания приборов, от работы с лабораторным стеклом до работы на кали-аппарате. Одновременно студент обучался обращению с химическими веществами, ему представлялась возможность проводить качественный и количественный анализ и готовить препараты. Тот, кто заканчивал обучение, получив свидетельство от Либиха, был готов к самостоятельной работе и имел на руках документ, пользующийся международным признанием.
Число учеников у Либиха росло быстрее, чем расширялись помещения его лаборатории. Ф. Вёлер писал Ю. Либиху: "Знаю ли я, что ты знаменит, что со всех концов света, из России, Норвегии, Англии, Ирландии и Китая, приезжают, чтобы увидеть тебя? Меня русские посещают только потому, что Гёттинген лежит на пути из России в Гиссен. Верно ли, что сейчас у тебя органическим анализом занимается молодой гренландец?" [32].
Обучение и исследовательскую работу Либих объединял в единое целое. Наиболее способные студенты работали над проблемами, особенно интересовавшими Либиха. Результаты этих работ публиковались Либихом совместно с его студентами. Международная известность лаборатории Либиха была обусловлена как используемым им его методом обучения, так и многочисленными научными результатами [86, с. 21 и сл.].
Благодаря созданной Либихом системе обучения и исследований развитие высшего химического образования достигло кульминационной стадии. Основной характер сложившейся таким образом системы образования сохранился вплоть до XX в. Эта система оказалась способной к дальнейшему развитию, она соответствовала возросшей потребности в кадрах химиков. В свою очередь она же активизировала эту потребность, способствуя росту личностей, которые были в состоянии использовать научные методы в науке, промышленности и сельском хозяйстве.
В лабораториях Ф. Вёлера в Гёттингене, Р. Бунзена в Гейдельберге, Р. Фрезениуса в Висбадене, О. Л. Эрдмана в Лейпциге последовали примеру преподавания в Гиссенском университете. Однако в самых крупных немецких государствах — Пруссии[192] и Австрии — химическое образование оставалось довольно отсталым. Поэтому Либих подвергал критике застой в развитии химии в этих странах. Изменения там произошли только после революции 1848 г.[193] [87].
Во второй половине XIX в. были созданы новые химические институты в Берлине, Бонне и Лейпциге, которые по сравнению с уже существовавшими были значительно крупнее и оснащены более современным оборудованием. Значение химико-технического образования еще более возросло благодаря созданию высших химических школ в ряде городов: в Аахене (1870 г.), Дрездене (1875 г.), Мюнхене (1877 г.), Берлине (1879 г.), Киле (1880г.), Страсбурге (1885г.), Гёттингене (1888г.), Гейдельберге (1892 г.), Галле (Халле) (1894 г.), а вскоре и в Вюрцбурге, Бонне, Карлсруэ, Данциге (ныне Гданьск, ПНР.-
Лаборатория Й. Я. Берцелиуса была еще похожа на кухню; лаборатория Либиха была вначале тоже так примитивна, что он мог в ней работать только в теплое время года, а все приборы и вещества должен был изготавливать сам. Я. Фольгард так описывал химическую лабораторию того времени: "Посредине, на плите, стоят несколько небольших печек с раскаленным углем; газа в то время еще не было, а пламени спиртовок хватало только для обогрева маленьких приборов. На одном столе в большой фарфоровой чашке выпаривается какаягто жидкость, на другом в огромной стеклянной реторте перегоняется кислота. Вдруг реторта лопается — кислота выливается на раскаленный уголь и мгновенно все помещение наполняется густым дымом и едким паром. Вентиляции нет, быстро распахиваются двери и окна, а учитель и его ученики выбегают на воздух и находятся там до тех пор, пока не рассеется дым" [97, с. 56].
Однако вскоре положение изменилось, и многие созданные в конце XIX в. лаборатории уже отвечали всем требованиям проведения экспериментальных работ (вплоть до середины XX в.).
Прежде всего химики усовершенствовали освещение и вентиляцию. Были сконструированы вытяжные шкафы; до этого длительные работы с плохо пахнущими или "едкими" веществами приходилось проводить не в помещении, а на открытом воздухе. Газовое освещение, появившееся в последней трети XIX в., облегчило условия работы, так же как и создание водопровода (хотя в некоторых лабораториях даже во второй половине XIX в. приходилось вручную качать воду из колодцев).
Электричество стало использоваться для освещения только в конце "классического этапа" развития химии. В Англии Г. Дэви и в России В. В. Петров[194], используя большие батареи Вольта и угольные электроды, получили электрическую дугу. После открытия Фарадеем в 1831 г. явления электромагнитной индукции были созданы достаточно мощные генераторы. После этого в некоторых местах (на маяках, на улицах и заводах) Европы и Америки засветились дуговые лампы.
Однако освещение дуговыми лампами требовало больших затрат, а время их горения было очень кратким. Только создание в восьмидесятых годах XIX в. Томасом Эдисоном[195] ламп накаливания и изобретение в 1906 г. танталовой лампы привели постепенно к замене старых, основанных на горении способов освещения [98]. Керосиновые лампы и газовые фонари оказались последними этапами этой стадии развития освещения. И тем не менее свет свечи до сих пор сохраняет очарование. М. Фарадей в своих прекрасных, крайне интересных для чтения даже сейчас лекциях, которые вышли на немецком языке под названием "История свечи", писал: "Сравните блеск золота и серебра и еще большую яркость драгоценных камней — рубина и алмаза,- но ни то, ни другое не сравнится с сиянием и красотой пламени. И действительно, какой алмаз может светить как пламя? Ведь вечером и ночью алмаз обязан своим сверканием именно тому пламени, которое его освещает. Пламя светит в темноте, а блеск, заключенный в алмазе,- ничто, пока его не осветит пламя, и тогда алмаз снова засверкает. Только свеча светит сама по себе и сама для себя или для тех, кто ее изготовил" [99, пер. Драгуновой, с. 23-24].
С появлением в лабораториях более совершенного оборудования быстро возросли и расходы на их постройку и содержание. Так, создание лаборатории института Кольбе в 1866- 1868 гг. (по масштабам того времени — крупнейшей) стоило 240 000 марок. В лаборатории было свыше 132 рабочих мест. Пристройка для института, возглавляемого Т. Курцисом, при Гейдельбергском университете в 1892 г. обошлась в 503 000 марок. Строительство корпуса химического института, руководимого Эмилем Фишером, при Берлинском университете, в 1900 г. стоило уже 1 670 000 марок. Помещение этого института было рассчитано на 250 стажеров и 50 сотрудников. На строительство институтов неорганической, органической, технической химии и электрохимии при Высшей технической школе в Ганновере в 1911г. было израсходовано 1537 437 марок.
Химическая лаборатория 1890-х годов
К многочисленным расширенным или вновь построенным лабораториям и институтам при университетах в Германии в начале XX в. добавились также лаборатории и институты основанного в 1911г. Общества содействия развитию науки им. кайзера Вильгельма. Финансирование последних осуществлялось богатыми промышленниками, заинтересованными в практическом использовании научных достижений. Вследствие этого институты Общества отличались от институтов при учебных заведениях, поскольку были предназначены не для обучения, а специально для исследовательской работы. В начале XX в. стали возникать научные институты, специализирующиеся на изучении вопросов определенных областей химии: физической химии, биохимии, электрохимии, химии волокнистых веществ, общей химии. Решение проблем химии играло также важную роль в работе созданных при Обществе им. кайзера Вильгельма институтах, занимавшихся исследованием в области биологии, металлургии, переработки угля и кож. Стоимость Института общей химии достигла 1,1 млн. марок, а Института физической химии — 930 тыс. марок. Заработная плата в год у ассистента составляла примерно 1 500 марок; руководитель отдела в химической лаборатории фирмы "Фон Хейден" получал 6000 марок [90].
С появлением новых областей химии продолжали создаваться специализированные институты, например физико-химический, технологический, фармакологический, специальные исследовательские институты при сельскохозяйственных и лесотехнических высших учебных заведениях.
Понимание того, что наука приносит пользу развитию производства, что целенаправленное исследование способствует прогрессу промышленности и сельского хозяйства, что новые и лучшие виды продукции больше ценятся и приносят более высокую прибыль,- все это побудило промышленников к созданию лабораторий на предприятиях. В них проводились и небольшие, и довольно крупные исследовательские работы, на проведение которых выделялись значительные материальные средства.
В последней трети XIX в. сотрудничество между высшей школой и промышленностью расширилось. Уже Либих признавал это, и о значении химии он судил по ее роли в производстве. Г. Кольбе, А. В. Гофман и А. Байер придерживались такого же мнения. Однако не все профессора химии хорошо представляли себе связь науки с промышленностью. Они были сторонниками химического образования, подобного гуманитарному. Так, например, Р. Бунзен называл исследовательскую работу прекрасной, а ремесло — ужасным. В 1895 г. Р. Фиттиг критиковал тех, кто рассматривал химию как "дойную корову" [89, с. 6]. Эти ученые разделяли точку зрения Либиха, который подчеркивал: "Требования, диктуемые только практической целесообразностью, являются откровенным врагом науки, которая должна быть занята лишь поиском истины и первооснов сущего" [12]. Но такое слепое следование букве, а не духу высказываний Либиха неправомерно. На самом деле Либих подчеркивал преимущества теоретического изучения основ наук по сравнению с прикладными исследованиями отнюдь не в столь категорической форме. Либих отвергал принцип полезности для оценки важности науки, потому что наука всегда полезна в самом широком смысле. Однако требовать от науки только "полезности" все равно, что укладывать ее в прокрустово ложе.
Рабочий стол химика (1890 г.)
Преподаватели высшей школы знали, что большинство выпускников химических отделений поступают на работу в промышленность. Эти выпускники поддерживали связь со своими бывшими преподавателями, из первых рук получали информацию о результатах новых научных работ и зачастую некоторые из этих результатов использовали в промышленности.
Кое-кто из преподавателей высшей школы, например Г. Кольбе, получивший несколько патентов на проведение химических процессов, или В. Оствальд, сами искали контакты с промышленностью и предлагали разработанные в их лабораториях методы для создания промышленного производства. К химикам, работающим в высших учебных заведениях, промышленники часто обращались за консультациями и помощью. Появляющиеся за счет этого дополнительные доходы были довольно значительными, а для многих химиков-преподавателей жизненно необходимыми, так как только ординарные (т.е. штатные) профессора были достаточно обеспечены материально. Это способствовало созданию химиками собственных предприятий или широкому участию в работе уже существующих производств [90, с. 267 и сл.].
В стены научных институтов стал проникать дух конкуренции, и заметно проявилась тенденция к засекречиванию научных работ (что еще с XVIII в. было характерно для стремящейся к господству буржуазии). Э. Эрленмейер, который в качестве одного из ведущих химиков принимал участие в промышленных предприятиях, резко критиковал и эту "секретность" в университетских лабораториях, и многочисленных "охотников за патентами". Ф. Бейлыытейн высказывал сожаление, что на международной выставке химической промышленности в результате пристрастного решения лучшие оценки получила продукция фирм, в которых члены жюри были держателями акций или активно участвовали в работе этих промышленных объединений. Бейлынтейн приводил такой яркий пример создания атмосферы секретности: ему хотели представить химика, получающего индиго искусственным путем, но Бель-штейн не должен был видеть, из каких склянок были взяты вещества [90, с. 281 и ел.].
В XX в. исследовательские институты создавались не только при высших учебных заведениях и в промышленности. Городские и государственные власти также все чаще создавали химические лаборатории для специальных целей. В 1897 г. К. Вихельхаус опубликовал обзор о возможности профессионального использования химиков на государственной службе в Пруссии. Он считал необходимым использование химиков в бюро по регистрации изобретений и выдаче патентов, в отделах здравоохранения, пищевой промышленности, в криминалистической и судебной практике, на заводах по изготовлению взрывчатых веществ и боеприпасов, на монетных дворах и в таможенных управлениях, в технических контрольных ведомствах, в организациях министерства торговли, в городских управлениях рудниками и металлургическими предприятиями, на фабриках по изготовлению фарфора, для контроля за работами фабрик и для работы в технических исследовательских учреждениях [91, с. 299].
В других европейских странах и в США создание химических учебных и исследовательских центров происходило медленнее, чем в Германии. В Англии в 1845 г. был создан химический колледж под руководством А. Гофмана — ученика Дибиха. Франция, когда-то передовая в области химии страна, имела, согласно докладу А. Вюрца (1869 г.), только один химический институт, соответствующий уровню развития того времени. [92]. Однако к началу XX в. большинство стран Европы и Северной Америки уже располагали высокоэффективными химическими институтами. Среди них особенно выделялись такие, как Университетский колледж в Лондоне, руководимый У. Рамзаем, Физико-химический институт В. Оствальда в Лейпциге, Институт радия в Париже, возглавляемый М. Кюри. Их заметная роль в науке определялась, во-первых, личностью руководителей и их педагогическим талантом, а во-вторых, результативностью работ, проводимых в этих институтах. В основе функционирования этих учреждений лежал принцип: обучение должно способствовать развитию склонностей к самостоятельной работе и мышлению. Однако этот принцип намного легче было провозглашать, чем осуществлять. Одних только знаний и навыков профессоров для этого не было достаточно, характер преподавателей тоже играл важную роль. Преподаватель должен был воспитывать не слепо доверяющих ему студентов, а способных к критическому осмыслению знаний учеников, даже если эти ученики выступали против теории, созданной их преподавателем [93, 94].
Лабораторное оборудование
Успешная работа учебных и исследовательских лабораторий в значительной степени определялась искусством экспериментирования, непосредственно связанным с оборудованием лабораторий — приборами, реактивами, техническим оснащением, а также методикой проведения эксперимента.
Так, например, при исследовании эманации радия, называемой также нитоном и радоном, взвешиваемые количества газов составляли 1/15
Здесь невозможно даже перечислить все приборы и вещества, которые оказали благотворное влияние на совершенствование химических знаний в классический период развития химии. Это прежде всего весы высокой чувствительности, тонкие фильтры и совершенные дистилляционные аппараты. Противо-точный холодильник был описан К. Вайгелем еще в 1771 г.; позднее он был усовершенствован Ф. Мором. Ю. Либих особенно активно способствовал внедрению в практику этого холодильника, впоследствии названного поэтому холодильником Либиха. Берцелиус и Фрезениус настолько усовершенствовали водяную баню, что стало возможным во время опыта поддерживать в ней постоянный уровень. Во второй половине XIX в. Р. Бунзен создал водоструйный насос, который облегчил и даже сделал впервые возможными многие операции, например вакуумную перегонку. Бунзен сконструировал также и ввел в практику газовую горелку, названную впоследствии его именем. Замена угля на газ оказалась очень важным усовершенствованием в лабораторной практике. В "эпоху угля" для защиты от находящейся в воздухе угольной пыли студенты и ассистенты, например, в лаборатории Либиха носили цилиндры, береты или бумажные шапочки. К тому же поддерживать и регулировать нагрев приборов с помощью дров было несравненно тяжелее, чем регулировать пламя бунзеновской горелки.
Лабораторное оборудование Й. Берцелиуса (1820 г.)
Изобретение "вольтова столба" открыло перед химическим анализом новые возможности. С этого времени использование электрического тока, а также различных измерительных приборов и систем, позволяющих работать при разных давлениях, постепенно вошло в обычную практику.
Й. Я. Берцелиус сконструировал и изготовил многочисленные приборы из стекла. Он сам был великолепным стеклодувом и считал, что химик должен уметь обращаться со стеклом и паяльной трубкой[196]. Даже во второй половине XIX в. химик должен был большей частью сам изготовлять некоторые из необходимых ему деталей лабораторных приборов из стекла. Создание большого числа лабораторий послужило стимулом к возникновению промышленного производства химикатов и реактивов. Это позволило заказывать реактивы и запасаться ими заранее. Во второй половине XIX в. цена на реактивы была очень высока, и для студентов покупка реактивов обходилась весьма дорого. В целом, включая все другие расходы, стоимость обучения химии одного студента в Германии в 1913 г. составляла 10 000 марок. Для сравнения достаточно, например, сказать, что штатив с двумя кольцами, одним зажимом и одной муфтой стоил в то время 6 марок 45 пфеннигов, а одно куриное яйцо — лишь 8 пфеннигов [91, с. 287].
Каждый пытливый химик так или иначе внес свой вклад в совершенствование лабораторной техники. Приведем некоторые примеры. Уже со времен Либиха и Вёлера для проведения химических реакций под давлением использовались запаянные трубки. После усовершенствования калориметра П. Фавром и Ж. Зильберманом (в 1848 г.) стало возможным определять теплоты сгорания органических веществ. Важную роль в лабораторной практике играл микроскоп, который впервые для исследования природных явлений использовал А. ван Левенгук[197]. В конце XVIII в. А. Маргграф с помощью микроскопа установил идентичность кристаллов свекловичного и тростникового сахара. В конце XVIII в. Товий Егорович (Иоганн Тобиас) Ловиц использовал микроскоп для определения кристаллических форм веществ, а минералоги — для определения состава продуктов, получающихся при прокаливании образцов с использованием паяльной трубки.
В середине XIX в., после того как стало известно, что существует определенная зависимость между интенсивностью окраски раствора и количеством вещества, вызывающим эту окраску, были созданы первые колориметры. В 1853 г. Александр Мюллер представил в "Журнал прикладной химии" статью "Усложненный колориметр" [65]. Дальнейшее развитие колориметрии связано с именем Ж. Дюбоска (1863 г.). В журнале "Новости химии" он описал двухлучевой колориметр [66].
Говоря об оптических методах, следует упомянуть и фотометрию. И. Бар и Р. Бунзен использовали для количественного анализа абсорбционную спектроскопию (спектры поглощения). В 1870 г. К. Фирордт опубликовал работу о применении созданного им спектрофотометра для измерения спектров поглощения и количественного анализа [67]. В 1877г. П.Глен и К. Г. Хюфнер сконструировали фотометр, в котором интенсивность света регулировалась с помощью поляризатора.
Учитывая значения критических температур газов, Рауль Пикте (Женева) и Луи Кайете (Париж) независимо друг от друга разработали установки для работы при высоких давлениях с такими газами, как кислород, азот и оксид азота. Карл Линде и другие ученые усовершенствовали эти установки: в них за счет расширения сильно охлажденных газов создавались еще более низкие температуры, которые использовались для проведения химических экспериментов, при этом были получены водород и кислород в твердом состоянии, а также жидкий гелий. Были достигнуты температуры, близкие к абсолютному нулю. В лабораториях ученые стали получать жидкие воздух и диоксид серы, твердый диоксид углерода.
Для измерения электропроводности растворов Ф. Р. Кольрауш в 1879 г. разработал метод, который позволял наряду с определением молекулярного веса (массы) устанавливать и степень диссоциации электролита.
В 1892 г. французский ученый А. Муассан впервые использовал электрическую печь. Нагревая в ней вещества до очень высоких температур, он смог получить карбиды и нитриды металлов.
Пятью годами позднее немецкий физико-химик Г. Гольд -шмидт разработал метод, названный алюмотермией, пользуясь которым можно было получать температуры до 3000 °С. При этом смесь порошкообразного алюминия и оксида железа доводилась до накаливания в присутствии смеси ВаО2 + Mg, которая играла роль "запала". Благодаря высокой температуре, возникающей при взаимодействии Fe3O4 и алюминия, железо выделялось в раскаленном добела (расплавленном) состоянии. Этот метод использовался при сварке железных изделий, а также (в случае других исходных оксидов) для получения трудно восстанавливаемых металлов.
Прибор Э. Резерфорда для расщепления атомных ядер (1919 г.)
Рентгеновские лучи, проходящие сквозь светонепроницаемые вещества, вызывающие флуоресценцию веществ и почернение фотопластинок, стали важным инструментом исследований. Природа рентгеновских лучей была установлена в 1912 г. Максом Лауэ, который обнаружил дифракцию этих лучей кристаллами. Рентгеновские лучи подобны световым, но с длиной волны, примерно в 5000 раз меньшей, чем у лучей видимой части спектра. По дифракции рентгеновских лучей были определены длины волн рентгеновского спектра для различных элементов и установлено расположение атомов в кристаллах. Тем самым были заложены основы структурной химии. Используя этот метод, английские физики Уильям Брэгг и его сын Лоуренс определили структуры примерно 20 кристаллических соединений. Кроме того, они определили длины волн рентгеновского излучения.
В конце XIX в. открытие радиоактивности тоже дало в руки химиков новый метод исследования [100]. Несложное устройство (сильный магнит и свинцовая камера с отверстиями, в которой находился радий) позволило П. Виллару и Э. Резерфорду доказать, что радий испускает лучи трех различных видов: α, β и γ. Облучая потоком α-частиц тонкую металлическую фольгу, Резерфорд установил, что α-частицы представляют собой ядра атомов гелия [101].
В 1897 г. Дж.Дж. Томсон сконструировал прибор, с помощью которого он, исследуя отклонения катодных лучей в магнитном и электрическом полях, показал, что они представляют собой поток отрицательно заряженных частиц, измерил удельный заряд этих частиц и нашел, что их масса приблизительно в 1837 раз меньше массы атома водорода.
В 1906-1914 гг. Р. Э. Милликен в опытах с распыленными капельками масла сумел довольно точно определить заряд электрона.
К концу классического периода и к началу "атомного" века были созданы и другие важные инструменты и методы исследования. В 1905 г. Р. Зигмонди и Г. Зидентопф с помощью ультрамикроскопа обнаружили "броуновское движение" коллоидных частиц. Благодаря этому же микроскопу Ж. Перрен смог наблюдать движение суспендированных в воде микроскопических частичек мастики и рассчитать числа Авогадро и Лошмидта. В 1925 г. Теодор Сведберг сконструировал ультрацентрифугу, вследствие чего стало возможным определение молекулярных весов (масс) макромолекул.
В 1907 г. Дж. Дж. Томсон создал масс-спектрометр, с помощью которого он определил отношение заряда к массе у ионизированных атомов или молекул газов, наблюдая отклонение потока ионизированных частиц в электромагнитных полях. С помощью масс-спектрометра (после усовершенствований, внесенных в 1919 г. Ф. Астоном) Томсон обнаружил изотопы и определил атомные массы элементов. Оказалось, что, за исключением 22 так называемых чистых элементов, остальные элементы представляют собой смесь изотопов.
В 1919 г. Резерфорд создал первую установку для искусственного расщепления атомов азота, которые он "бомбардировал" α-частицами.
Луи Пастер говорил о значении лаборатории: "Если достижения, служащие человечеству, волнуют ваше сердце, если вы ошеломлены удивительным воздействием телеграфа, фотографии, наркоза и еще многих поразительных открытий, то, заклинаю вас, воздайте должное священным обителям с многозначительным названием "лаборатория". Потребуйте, чтобы их оснащали разнообразнее и богаче. Они — храмы будущего, храмы благосостояния и процветания, которое возможно лишь тогда, когда человечество становится сильнее и лучше. Тогда и оно учится понимать создания природы — создания истинного прогресса и всемирного согласия, в то время как собственная деятельность человечества представляет собой слишком часто только варварство, фанатизм и разрушение..." [102, с. 398-399].
Промышленная химия
Едва ли существует какая-нибудь потребность ремесел, промышленности, физиологии, которой до сих пор не удовлетворила бы химия. Всякий вопрос, точно и определенно поставленный, до настоящего времени всегда бывал разрешаем...
Введение
В течение XVIII в. между химией и различными ремеслами установилась тесная связь [6]. Химики, будучи представителями буржуазии, энергично выступали против корпоративного стремления ремесленников держать в тайне методы производства и против чисто эмпирических изысканий. Они выступали за производство, основанное на опыте и здравом смысле, осуждали любую дискриминацию практических работ. В странах с феодально-абсолютистским правлением они даже оказывали давление непосредственно на монархов для либерализации их экономической политики, ориентируя их на крупные достижения в развитии промышленности, каких добилась в то время Англия [8].
Во второй половине XVIII в. наступил период, получивший название промышленной революции. Для этого периода характерен переход от мануфактурного производства, основанного преимущественно на ручном труде, к использованию машин. При этом особую роль играли металлообрабатывающие станки и паровые машины, а также трансмиссионные установки. В химической промышленности революция произошла в результате применения новых методов в металлургии, производстве серной кислоты, соды, хлора, красителей. В ходе этих изменений образовались два новых общественных класса — промышленная буржуазия и промышленный пролетариат[199].
Когда в большинстве стран был снят запрет на ношение хлопчатобумажных тканей (в Пруссии в 1735 г., во Франции в 1759 г. и в Англии в 1774 г.), то благодаря широкому применению волокноотделительных, прядильных и ткацких станков начался подъем в текстильной промышленности. В течение короткого времени увеличилось производство хлопковой пряжи и хлопчатобумажных тканей. Использование машин было большим достижением, если принять во внимание, что ранее на протяжении многих столетий ремесленные гильдии вели борьбу против усовершенствования производственных процессов, преследовали изобретателей, разрушали их станки. Так, например, это произошло с англичанином Уильямом Ли, который в конце XVI в. изобрел станок для изготовления чулок. Такая же участь постигла Антона Моллера, который в 1586 г. изобрел ленточный ткацкий станок, запрещенный около 1600 г. в Англии, Нидерландах, Франции и Германии. Несмотря на сопротивление ремесленных объединений в XVIII в. свободные ремесленники и даже мелкие предприниматели все более укрепляли свое положение. Так, в Мюнхене в 1850 г. существовало примерно одинаковое число свободных ремесленников и ремесленников, входящих в гильдии; в Вене число "свободных мастеров" превышало число ремесленников в гильдиях.
Как уже отмечалось в первом томе этого издания, в химической промышленности получили развитие самые ранние формы капиталистического производства — кооперирование, мануфактуры; например, производство красителей, металлов, селитры, фарфора, керамики, стекла, кислот требовало организации таких форм промышленного производства, которые имели ряд преимуществ перед ремесленными мастерскими [6, с. 166 и сл.].
Как только в последней трети XVIII в. стала стремительно развиваться текстильная промышленность, сразу же резко возросла потребность в серной кислоте, соде и хлоре, потому что текстильные изделия, особенно хлопчатобумажные, нужно было очищать от загрязнений, отбеливать и окрашивать.
"Переворот в способе производства, совершившийся в одной сфере промышленности,- по словам К. Маркса,- обусловливает переворот в других сферах. Это относится прежде всего к таким отраслям промышленности, которые переплетаются между собой как фазы одного общего процесса, хотя общественное разделение труда до такой степени изолировало их, что каждая из них производит самостоятельный товар. Так, например, машинное прядение выдвинуло необходимость машинного ткачества, а оба вместе сделали необходимой механико-химическую революцию в белильном, ситцепечатном и красильном производствах" [114, с. 395][200].
Сначала производственные мощности в химической промышленности увеличивались традиционным способом — путем организации новых предприятий. Например, в последней трети XVIII в. в Глазго и Бирмингеме появилось около 15 сернокислотных предприятий. Но уже через 100 лет на рынке господствовала лишь одна крупная фирма. Это было вызвано изменениями в капиталистической экономике: на смену относительно свободно конкурирующим отдельным предприятиям в химической промышленности уже во второй половине XIX в. пришли монопольные капиталистические формы организации производства. Созданию крупных монополий способствовали все более увеличивающиеся затраты основного капитала на оборудование, а также уменьшение стоимости продукции при укрупнении производства, основанного, кроме того, на использовании передовых научно-технических методов (см. ниже).
Это в свою очередь повлияло на изменение социального положения рабочих. Если в начале периода капиталистического развития число занятых в каком-либо производстве составляло от 10 до 100 человек, то впоследствии их количество достигало сотен, тысяч и более человек. На первом этапе этого развития условия труда на производстве были особенно тяжелы — 16-часовой рабочий день, отсутствие надлежащей техники безопасности и медицинской помощи, низкая заработная плата. В начале XIX в. на такие предприятия, как производство серной кислоты или соды, направляли в основном наиболее физически сильных рабочих, однако даже они могли выдержать на этой работе только около 10 лет. Через 100 лет рабочий класс вместе с профсоюзами и рабочими партиями добились определенных социально-политических свобод и прав.
К началу XIX в. химики, получившие специальное или высшее образование, были редкостью в промышленности. Через 100 лет они составляли уже социальную прослойку и представляли собой определенную силу. В их руках было сосредоточено руководство предприятиями и отделами, а также исследовательскими лабораториями. Предприниматели заключали с ними контракты, в которых оговаривались особые льготы, например участие в прибылях при создании нового препарата или метода. В социальной борьбе химики часто были вне партий, однако им все-таки случалось оказываться то на стороне предпринимателей, то на стороне профсоюзов.
Специфика химической промышленности заключалась в непрерывности цикла производства. Такие предприятия были особенно уязвимы для забастовок. Поэтому владельцы химических предприятий оказывались более склонными к социальным уступкам. К тому же благодаря чрезвычайно высоким прибылям — сверхприбылям, которые получали химические концерны,- такие уступки не были особенно чувствительными для предпринимателей.
Экономическая и социальная история химической промышленности и история становления в ней рабочего класса являются специальной темой исторической науки, и в этой книге невозможно полностью отразить историю химической промышленности. Поэтому остановимся лишь на развитии некоторых важнейших химических производств.
Производство серной кислоты[201]
Камерный способ[202]
Даже если не учитывать громадного значения серной кислоты и соды для развития текстильной промышленности, оба эти вещества имеют для химической промышленности такое же значение, как руда и уголь для металлургии.
Производство серной кислоты, описанное в первом томе этой книги, в XIX в. было значительно усовершенствовано благодаря достижениям технического и научного прогресса. Прежде всего стеклянные баллоны были заменены на большие свинцовые камеры. Вслед за этим последовали изучение механизма реакций и рационализация производственного процесса. Во-первых, выяснилось, что прерывание производства делает его значительно более дорогостоящим; во-вторых, расходовалось большое количество дорогой селитры (значительные запасы селитры в Чили были открыты только в 1863 г., а химический способ ее получения был создан лишь в XX в. на основе предложенного Габером и Бошем метода синтеза аммиака).
В 1793 г. химики Н. Клеман и Ш. Б. Дезорм обнаружили, что при образовании триоксида серы селитра играет только "посредническую" роль — роль катализатора; в конечном итоге для окисления используется только кислород воздуха. На этой основе в начале XIX в. был разработан непрерывный камерный процесс получения серной кислоты, причем расход селитры в значительной степени был уменьшен.
Дальнейшее усовершенствование этого способа произошло в 1827 г., когда Гей-Люссак предложил улавливать нитрозные газы в специальном устройстве, названном впоследствии башней Гей-Люссака. В башне из огнеупорного материала оксиды азота поглощались льющейся сверху "камерной кислотой"; затем процесс повторялся[203].
Во второй половине XIX в. в этом процессе стали использовать усовершенствование, предложенное в 1860 г. английским химиком Джоном Гловером. Он сконструировал башню, через которую пропускали нагретый газообразный диоксид серы. Навстречу этому газу направляли смесь нитрозилсерной и "камерной" кислот. При этом сернистый газ (диоксид серы) окислялся оксидами азота и концентрация введенной разбавленной кислоты увеличивалась примерно до 80% .
Этим нововведениям предшествовало изучение химических процессов, протекающих в свинцовых камерах. Химикам Эугену-Мельхиору Пелиго, Клеменсу Винклеру, Георгу Лунге, фрицу Рашигу и др. удалось установить механизмы процессов, протекающих между диоксидом серы, воздухом, водой и "нитрозным" газом. Производство серной кислоты постоянно совершенствовалось; ход превращения контролировался при анализе "камерных" газов.
Эти достижения являются примером установления все более тесных связей между наукой и производством. При этом нередко инициатива принадлежала представителям промышленности. Конкуренция вынуждала предпринимателей к постоянному снижению цен на продукты производства для сохранения в своих руках рынков сбыта. В то же время для обновления дорогостоящих сооружений им необходимы были большие накопления, чтобы даже при падении цен добиваться получения высоких прибылей. Одновременно им следовало учитывать меняющуюся рыночную конъюнктуру. В 1838 г. производители серной кислоты попали в затруднительное положение, потому что в течение одной ночи цена на важнейшее сырье — серу — поднялась в три раза, так как марсельская торговая фирма получила от неаполитанского правительства торговую монополию на сицилийскую серу[204]. Тем не менее рыночная конъюнктура была благоприятной, потому что с развитием текстильной промышленности и производства соды по методу Леблана спрос на серную кислоту очень возрос. Химики искали и нашли "эрзац"-метод получения серной кислоты из серусодержащих руд. Был поставлен ряд опытов и установлено, что диоксид серы можно получить из пирита (серного или железного колчедана). Оставалось только неясным, какими должны быть сооружения для обжига пирита и других серусодержащих руд.
Кроме того, для получения диоксида серы можно было использовать продукты обжига рудного передела. Уже в 1840 г. вблизи Гослара было построено предприятие для использования богатой серным колчеданом раммельсбергской медной руды. Металлургические заводы во Фрейберге перерабатывали серусодержащие металлургические отходы, заводы в Мансфельде — медный роштейн, а в Альтенау (Обергарц) на заводе по выплавке серебра перерабатывали колчедан и свинцовую руду.
Сульфид кальция, накапливающийся при производстве соды, тоже начал использоваться в качестве исходного материала при производстве серной кислоты.
В результате после всех усовершенствований процесс получения серной кислоты протекал следующим образом. При 400-500° С происходил обжиг серного колчедана в обжиговых, или "колчеданных", печах. Обжиговый газ, содержавший около 7% диоксида серы, очищался от примесей в пылеуловительных камерах и направлялся в башню Гловера, наполненную шамотом. В башне Гловера обжиговый газ (7% SО2, 8% О2, 85% N2) пропускался противотоком через серную кислоту, насыщенную оксидами азота, т. е. через нитрозил-серную кислоту, поступавшую туда из башни Гей-Люссака. Он насыщался при этом оксидами азота, после чего поступал в свинцовые камеры. Одновременно в эти камеры поступала вода, и благодаря каталитическому действию оксидов азота происходило образование триоксида серы при 80° С в первой камере и при 50° С во второй; растворяясь в воде, триоксид серы превращался в серную кислоту: 2Н2О + O2 + 2SO2 = 2H2SO4. "Камерная" кислота, собирающаяся в нижней части свинцовых камер, имела концентрацию от 56 до 70% и вытекала через свинцовые трубы. Нитрозные, газы, охлажденные в третьей камере до наружной температуры, направлялись в башню Гей-Люссака, в которой они поглощались движущейся им навстречу серной кислотой, образуя "нитрозную" кислоту. Последняя, разбавленная "камерной" кислотой и смешанная (пропорционально расходу оксидов азота) с азотной кислотой, попадала в башню Гловера. Здесь вновь протекал описанный выше процесс, длящийся непрерывно в течение ряда лет.
"Камерная" кислота использовалась для многих промышленных производств, например для получения суперфосфата, сульфатов аммония и натрия, соляной кислоты. Она служила для процессов осаждения, очистки металлов и частично для получения азотной кислоты из чилийской селитры. Для получения серной кислоты, необходимой при производстве красителей, взрывчатых веществ, нефтяных продуктов, ее концентрацию повышали различными способами до 96% [103, с. 452 и сл.].
Контактный способ
Наряду с английской "камерной" кислотой существовала также более концентрированная "саксонская" кислота, или олеум (дымящая концентрированная серная кислота). В начале XIX в. в сернокислотном производстве самой крупной была фирма Иоганна Давида Штарка из Богемии, которая располагала обширными и географически выгодно расположенными месторождениями купороса и до конца XIX в. была в состоянии полностью удовлетворять потребности промышленности в концентрированной серной кислоте.
Производство серной кислоты камерных (А) и контактным (Б) способами (Брокгауз, 1929 г.). А: 1 — печь для обжига колчедана; 2 — камера для очистки газов от пыли; 3 — башня Гловера; 4, 5 — свинцовые камеры; 6 — башни Гей-Люссака; 7-10 — автоклавы; Б: 1 — печь для обжига колчедана; 2 — камера для очистки газов от пыли; 3 — башня для охлаждения газов; 4 — скруббер; 5 — осушительная башня; 6 — насосы; 7 — печь для предварительного обогрева; 8 — контактный аппарат; 9 — поглотительная башня; 10 — резервуар для серной кислоты
Тем не менее уже в течение десятков лет в XIX в. химики искали новые способы получения дымящей серной кислоты. Так, в 1831 г. Перегрин Филипс наблюдал, что диоксид серы мгновенно реагирует с кислородом воздуха, если оба эти газа в соответствующих соотношениях пропускать с помощью воздухонагнетателя через раскаленную трубку из платины, фарфора или другого материала, устойчивого к действию горячего серного ангидрида. Необходимо было только, чтобы в трубке находилась платиновая проволока или маленькие кусочки платины. Образующийся при этом триоксид серы поглощался затем в обшитой свинцом и наполненной шамотом башне, в которой сверху вниз стекала вода.
В лабораторных условиях этот синтез хорошо осуществлялся. Однако попытки провести его в большем масштабе оканчивались неудачей. Кроме того, метод был сложен и дорог и поэтому казался не пригодным для промышленного производства. Несмотря на это, постоянно проводились все новые и новые работы по его совершенствованию. В качестве катализаторов химики испытывали разнообразные контактные массы из платинированного асбеста и пемзы, раскаленные фарфоровые трубки, кремневую кислоту, оксиды меди, железа и другие вещества. Но все было напрасно. Правда, таким образом накапливались данные о природе катализаторов и их свойствах. Было замечено, что некоторые вещества заметно ускоряют взаимодействие диоксида серы с кислородом, однако этот процесс очень быстро останавливался, так что большие технические сооружения могли оказаться нерентабельными[205].
Во второй половине XIX в. потребность в дымящей серной кислоте резко возросла. В 1868 г. Карл Гребе и Карл Либерман открыли синтетический метод получения ализарина из ант-рахинон-2-сульфоновой кислоты; тремя годами позднее Генрих Каро синтезировал красные азокрасители. В это же время стало развиваться производство синтетических красителей, а для проектируемых в большом количестве фабрик понадобилось очень много серного ангидрида. Можно было предвидеть, что если эта потребность в олеуме не сможет быть удовлетворена, то по сравнению с традиционными природными красителями синтетические красители не будут иметь никаких преимуществ.
В 1875 г. К. Винклер, применив в качестве катализатора платину, обнаружил, что действие катализатора зависит от степени разбавления газов. Так, из смеси чистого диоксида серы с кислородом он сумел перевести в триоксид серы 73,3% диоксида серы, из смеси чистого диоксида серы с воздухом — только 47,4% , а из смеси неочищенного диоксида серы с воздухом — всего 11,5% диоксида серы. Отсюда он сделал вывод, что действие платинированного асбеста и других катализаторов ослабляется при разбавлении диоксида серы другими индифферентными газами. Такое разбавление возникает также в случае, если диоксид серы и кислород взяты не в стехио-метрических количествах. Поэтому для получения хороших выходов продукта необходимо вводить в реакции стехио-метрические количества исходных веществ.
Клеменс Винклер (1838-1904)
Поделиться книгой: