1855. Бюретка Мора
Титрование нельзя назвать увлекательной химической процедурой, скорее всего это одна из самых скучных химических операций, требующая помимо всего и постоянного внимания, и аккуратности. Не то, чтобы для других химических процедур аккуратность не нужна – неаккуратному химику лучше задуматься о перспективах смены профессии, – но все же сейчас многие операции в химии выполняют приборы, и, пока прибор делает свое дело, химик может отвлечься, почитать книгу или даже написать её, а во время титрования отвлекаться нельзя.
Симптоматично и то, что титрование считают скучным все химики – и те, которые, как я, освоив базовый курс аналитической химии на младших курсах, постарался выбрать специализацию, далекую от необходимости титровать (в моём случае – органика и элементоорганика), и те, кого титрование не напугало на младших курсах (ну или, по крайней мере, напугало не настолько, чтобы не выбрать аналитическую химию в качестве специализации). Тем не менее, все мы – и синтетики, и аналитики – едины в одном: каким бы ни было скучным титрование, это очень простой и удобный способ определения количественного анализа. Берём известный объём или массу образца, медленно и аккуратно добавляем к нему реагент, пока реакция не завершится (на завершение реакции обычно нам указывает цветовой переход индикатора) и вуаля – можно определить жёсткость воды, содержание лимонной кислоты в соке или газировке, или достаточно ли в фармакологической субстанции фармакологически активного вещества. Всё это кажется очень легким и простым, однако разработка метода титрования потребовала ряда изобретений.
Химия стала количественной дисциплиной после того, как исследователи начали использовать для взвешивания исходных веществ и продуктов химических реакций высокочувствительные весы. Взвешивание измерений позволило прояснить законы химии – вскоре после начала точных взвешиваний Жозеф Луи Пруст научился сам и научил современников отличать оксиды от гидроксидов и открыл закон постоянства состава, который позволил Джону Дальтону объяснить атомную теорию уже на количественном уровне. Чуть позже Иеремия Вениамин Рихтер формулирует закон эквивалентов, который касается уже не просто состава веществ (статичное состояние химии), но и их реакций (динамическая составляющая химии). Оба закона – и закон постоянства состава, и закон эквивалентов – используются в химии и в нынешнее время. Повышение точности взвешивания и новые аналитические методы позволяли проводить более четкий анализ состава руд и минералов, что способствовало росту промышленности, а рост промышленности и появление новых товаров и технологий, в свою очередь, диктовал необходимость разработки новых методов анализа для защиты потребителей от приобретения фальсифицированных товаров и даже товаров, содержащих токсичные вещества.
Основанные на взвешивании исходных веществ и продуктов реакции гравиметрические методы анализа отличались (как, впрочем, отличаются и сейчас) высокой точностью, но они страдают от нехватки другого свойства, крайне необходимого для аналитического метода – скорости (химики-аналитики называют это «экспрессность анализа»). Для проведения гравиметрического анализа нужно получить осадок, отделить его от раствора, промыть, прокалить до постоянной массы и только потом уже определить требуемый параметр. Чтобы знать, был ли образец прокален до постоянной массы, вплоть до конца ХХ века можно было потратить несколько суток – перед взвешиванием его нужно охладить до комнатной температуры, потом заново нагреть, заново охладить (сейчас проводить гравиметрический анализ намного проще благодаря термовесам, в которых можно совмещать нагрев и взвешивание). Стоит ли говорить о том, что, если в процессе взвешивания потеряется хоть пара крупинок весовой формы вещества, весь анализ придётся начинать заново. Для ускорения анализов в конце 18 века химики стали разрабатывать волюмометрические методы анализа (от англ. volume – объём), основанные на измерении не масс, а объёмов растворов. Так, например, анализ уксуса проводили следующим образом: к известному объему раствора уксуса добавляли заведомо избыточное количество раствора карбоната калия, закрывали колбу и измеряли объём газа, выделяющегося в результате взаимодействия, после чего рассчитывали содержание уксусной кислоты по этому объёму. В 1806 году французский химик Франсуа Антуан Декруазиль предложил метод алкалиметрии – в сужающуюся книзу трубку, градуированную сверху вниз, заливали раствор щелочи, который медленно, по порциям приливали к раствору анализируемой кислоты. Важной деталью этого устройства был палец исследователя – именно палец: дозировка раствора щёлочи осуществлялась с помощью пальца, которым химик затыкал или открывал отверстие в трубке. Чуть позже Жозеф Луи Гей-Люссак модифицировал трубку Декруазиля, назвав её «бюреткой» (от французского слова, означающего «графинчик для масла»). Гей-Люссак снабдил градуированную трубку узким изогнутым носиком, похожим на носик от тех самых столовых ёмкостей для масла или уксуса, но при этом не отказался от идеи применения пальца в качестве устройства, регулирующего ток жидкости. Химикам того времени было жалко свои пальцы, да они и представляли, что палец может исказить результаты анализа, поэтому волюмометрические методы анализа воспринимались скорее, как неведомая зверюшка – диковинная, но не мышонок, не лягушка, и что с ней делать – непонятно. Йёнс Якоб Берцелиус так вообще полагал, что «зверюшка волюмометрического анализа» не имеет никаких шансов конкурировать с благородной гравиметрией и «…вряд ли будет когда-то применяться там, где уже имеются достаточно точные методы».
Тем не менее, с Берцелиусом согласились далеко не все, и в первую очередь – Карл Фридрих Мор. Мор родился в прусском Кобленце в 1806 году в семье зажиточного аптекаря. В двадцатилетнем возрасте Мор начал изучать химию в Гейдельберге, его первым учителем был Леопольд Гмелин. После пяти лет, проведённых в Гейдельберге, Берлине и Бонне, Мор вернулся в Кобленц со степенью доктора философии и присоединился к управлению отцовским бизнесом, который не заключался только в концепции «купи дешевле – продай дороже», но и в проведении исследований. Работая в лаборатории отца, Мор показал себя отличным экспериментатором, одна из его работ, опубликованная в 1837 году и посвященная превращениям энергии в химических и физических процессах, может расцениваться как одна из попыток обоснования закона сохранения энергии. В 1840 году отец Мора умер и Карл унаследовал его дело.
К счастью для нас, живущих в XXI веке, фамильное дело Моров работало исправно, и у Карла оставалось время на исследования. Пытаясь в еще большей степени увеличить качество анализа продаваемых в семейной аптеке снадобий, Мор внес немалый вклад в развитие аналитической химии. Так, Мор предложил использовать щавелевую кислоту и сульфат аммония-железа (II) (впоследствии соль Мора) в качестве первичных стандартов для кислотно-основного и окислительно-восстановительного титрования соответственно. Мор разработал классические методы определения хлоридов и других соединений, изобрел сверло для пробок и нанёс градуированную шкалу на изобретение Пастера – пипетку.
Однако самое значимое изобретение Мора в аналитике – модификация бюретки и придание этому стеклянному прибору практически современных очертаний. Взяв одну из своих градуированных пипеток, Мор закрепил на её носике небольшую резиновую трубку, которая пережималась бронзовым зажимом своего собственного изобретения. Давя на зажим, можно было добиться непрерывного течения жидкости из бюретки, меньшее давление позволяло добавлять реагент-титрант по каплям, изменение объёма титранта можно было считывать по шкале невооружённым глазом. Введённые модификации позволяли значительно ускорить анализ образцов. Появление схемы нового устройства в опубликованном в 1855 году учебнике Мора «Lehrbuch der chemisch-analytischen Titrirmethode» (Титриметрические методы в аналитической химии), впоследствии выдержавшем одиннадцать переизданий, можно считать датой рождения современной техники титрования. Через несколько лет после первого издания учебника бюретки Декруазиля и Гей-Люссака исчезли из аналитических лабораторий.
В 1857 году Мор продал фамильное предприятие и поселился в поместье, живя на банковские проценты и занимаясь экспериментальной химией в своё удовольствие. Однако через семь лет, в 1864 году, когда уксусный завод его зятя разорился, Мору пришлось снова искать источники активного дохода. Уже в почтенном возрасте в 1867 году Мор занял должность младшего лектора (приват-доцента) кафедры фармации в Университете в Бонне и, несмотря на заслуги, до самой смерти в 1879 году так и не был повышен до полного профессора.
