1855. Горелка Бунзена
Когда исландский вулкан Гекла в 1845 году в очередной раз изверг из себя клубы вулканического пепла и дыма, он не мог нарушить воздушное сообщение, как при своем извержении 2000 года или извержении Эйфьятлаокутля в 2010 году – в XIX веке еще не было летающих повозок с крыльями и чартерных рейсов.
Однако, как и 2010 году, вулканический пепел достиг Европы, где он не мог не заинтересовать научную общественность. Дания, которой в те годы принадлежала Исландия, в 1846 году направила к вулкану научную экспедицию, одним из участников которой был немецкий химик Роберт Бунзен, навыки которого в анализе состава газов в домнах и других печах с высокой температурой как нельзя лучше соответствовали целям экспедиции.
Бунзен не только собрал образцы в ещё горячем кратере вулкана, он измерял температуру образовавшихся у вулкана гейзеров, погружая термометры всё ниже и ниже, не боясь, что огненная гора захочет послать свой горячий привет человеку, решившему побольше узнать о её тайнах. Такая самоотверженность была типична для Бунзена – если впереди маячил интересный научный результат, никакая опасность не могла заставить Бунзена довести исследование до логического завершения. Судьба любит смелых: хотя большую часть своей жизни Бунзен работал, изучая токсичные и взрывоопасные вещества, он дожил почти до 90 лет.
Бунзен родился 31 марта 1811 года в семье Кристиана Бунзена, профессора филологии Геттингёнского университета, Роберт был четвёртым и младшим сыном Кристиана. Позже Роберт вспоминал, что его непоседливый характер весьма осложнял жизнь родителям и учителям – только любящей и любимой матери удавалось держать сорванца в узде. Тем не менее, характер не мешал осваивать науки, и в школе, и в университете Роберт продемонстрировал недюжинные способности к учебе и естествознанию, закончив работу над докторской диссертацией (степень, аналогичная нашей степени кандидата наук) в 22 года. После Геттингена Бунзен продолжил образование в университетах Парижа, Берлина и Вены, а в 1834 году в Геттингёнском университете он получил должность приват-доцента (получившего лицензию преподавателя по рангу соответствующего доценту с одним различием – работающим «за идею», то есть без заработной платы в ожидании высвобождения ставки) от химии.
С 1836 года Бунзен преподаёт в политехнической школе в Касселе, а с 1838 года – в Университете Марбурга, в котором он получил должность полного профессора в 1842 году. В 1852 году Роберт Бунзен заменил Леопольда Гмелина на посту заведующего кафедрой химии в Гейдельбергском университете, на этом посту он и доработал до ухода в отставку в 1889 году. За полвека научной и учебной работы Бунзен успел и сам внести вклад во многие области химии, да и многие из его учеников могут похвастаться уже собственными научными достижениями.
Первое значимое исследование Бунзена (опубликованное в 1843 году) было посвящено свойствам мышьяковистой кислоты. Он обнаружил, что свежеосаждённый гидроксид железа(III) является эффективным антидотом отравления мышьяком. В 1835-36 годах Бунзен выделил и изучил несколько до его работ неизвестных (и проявляющих высокую токсичность) цианидсодержащих соединений. В период между 1837 и 1843 годами он исследовал семейство мышьякорганических соединений, который одновременно были и токсичными, и огнеопасными. Это были производные какодила – вещества, получившего название благодаря греческому слову, означающему «вонь» – состав и строение этих соединений, впервые полученных в 1760 году Луи Клодом Каде де Гассикуром, до работ Бунзена было неизвестно. Работы Бунзена показали, что всё это «вонючее семейство» было производным одного соединения, которое сейчас нам известно как тетраметилдиарсин – (CH3)2As-As(CH3)2.
Бунзен описал свойства мышьякорганических соединений точно и ярко:
«Производные какодила оказывают специфическое действие на нервную систему. Следует особо отметить, что у человека, чувствующего запах одного из этих соединений, язык покрывается темным налётом, даже если не оказывается другое действие, наносящее вред здоровью».
К сожалению, здоровью самого Бунзена вред был нанесён. В 1843 году в результате несчастного случая в лаборатории Бунзен подвергся воздействию цианида какодила, временно потерял зрение на правый глаз и отравился настолько сильно, что врачи даже сомневались – сможет ли он выкарабкаться. Несмотря на то, что жизнь Бунзена висела на волоске, он поправился и, более того, продолжил работу с веществами, чуть не угробившими его, доведя исследование до конца.
Исследовательский проект в области химической технологии, которым Бунзен занимался с 1838 по 1846 год, также заставил исследователя рисковать здоровьем. Анализируя топочные газы печей (а в состав этих топочных газов входили угарный газ и дициан N=C–C=N), Бунзен надышался ими, потерял сознание, но, к счастью, коллега оттащил Бунзена в безопасное место. Исследования Бунзена показали, что коэффициент полезного действия немецких литейных печей, работавших на каменном угле, составлял всего 50 %, остальное топливо либо вообще не сгорало, либо сгорало не полностью, только с образованием угарного газа. Справедливости ради, как показали более поздние исследования Бунзена, проведённые в Британии совместно с местным учёным и политиком Лайоном Плейфейром, в ряде случаев эффективность британских печей по сжиганию кокса составляла всего 20 %. Первоначально хозяева литейных производств с изрядным скептицизмом отнеслись к предложению Бунзена использовать выходящие из топки газы, содержащие горючий угарный газ, в качестве дополнительного топлива, однако со временем они оценили преимущество предложенного подхода.
Продолжая исследования в области газов, выделяющихся из печей, Бунзен значительно усовершенствовал существовавшие в то время методики анализа газов, что и сделало его идеальным кандидатом в участники направленной в 1846 году к Гекле экспедиции. В письмах матери из Исландии он ярко описывает свои приключения:
«Хотя здесь на крайнем севере пейзажи пустынны, но они изумительно прекрасны, и я никогда не пожалею о том, что я увидел их, хотя это и стоило невероятных лишений и усилий и мне, и всем, кто находится здесь со мной».
Пробив себе дорогу через клубы дыма и пепла в кратер Геклы, вулкана, который ещё за три месяца до прибытия экспедиции активно извергался, Бунзен собрал сотни образцов для анализа. Погружение термометров вглубь гейзера позволило Бунзену прийти к выводу, что при высоком давлении вода остаётся в жидком агрегатном состоянии при температуре более высокой, чем её температура кипения при нормальном атмосферном давлении.
Ещё одна область, в которой Бунзену удалось внести существенные усовершенствования – создание источников электрического тока. В 1841 году он заменил платиновый катод в электрохимической ячейке Грова более дешёвым угольным электродом, а затем продемонстрировал, что батарея из 44 таких ячеек может использоваться для получения дугового разряда. Для измерения интенсивности свечения дугового разряда Бунзен изобрел простой, но при этом эффективный прибор – фотометр с масляным пятном (фотометр Бунзена), который применялся ещё долгое время. Начиная с 1852 года, Бунзен с помощью этой батареи проводил электролиз расплавов солей реакционноспособных металлов и получал чистые образцы стронция, бария, алюминия и некоторых редкоземельных металлов. Выделив эти металлы в чистом виде, он измерил их удельную теплоёмкость с помощью самостоятельно разработанного калориметра, который фиксировал изменение объёмов смеси льда и воды, выдерживаемой при постоянной температуре в 0°C.
Получив воспроизводимые значения теплоёмкости, которые Бунзен посчитал надёжными, он решил определить атомные массы полученных металлов, используя закон, разработанный в 1816 году французскими химиками Пьером Дюлонгом и Алексисом Пти (молярная теплоёмкость твёрдых тел при комнатной температуре одинакова и близка к 3R, где R – универсальная газовая постоянная 8.314 Дж). Уточнённые значения атомных масс впоследствии позволили ученикам Бунзена Лотару Мейеру и в первую очередь Дмитрию Ивановичу Менделееву начать классификацию химических элементов: и Лотар, и Менделеев в отличие от Дёберейнера первоначально группировали элементы не триадами с близкими химическими свойствами, а в порядке увеличения атомных масс.
Бунзен был первым учёным, разработавшим технологию получения металлического магния в мультиграммовых и килограммовых количествах, и в 1859 году рекомендовал использовать горящий магниевый порошок в качестве источника света при фотографии. Фотографы, делавшие индивидуальные и групповые фотопортреты в собственных студиях, быстро воспользовались советом Бунзена, и магний с лёгкой руки Бунзена стал применяться в фотоискусстве. Заметим, что интересы Бунзена в области фотохимических процессов не ограничивались исключительно фотосъёмкой. Совместно с одним из своих учеников, британским химиком Генри Энфилдом Роско, Бунзен изучал фотоактивируемую реакцию водорода с хлором. Бунзен и Роско установили, что скорость образования хлороводорода пропорциональна интенсивности излучения, но только после небольшого начального периода реакции (индукционный период). Исследователям не удалось объяснить феномен существования индукционного периода, более поздние работы показали, что его появление связано с реакцией хлора с примесями, находящимися в следовых количествах в водороде или хлоре.
То самое устройство, благодаря которому мы регулярно вспоминаем Бунзена (справедливости ради, лавры за изобретение этого устройства принадлежат не только Бунзену), появилось в 1855 году, когда в его новую лабораторию для освещения и обогрева стали подавать светильный газ (смесь 50 % водорода, 34 % метана, 8 % угарного газа и других горючих газов, получаемая при пиролизе каменного угля по технологии, разработанной немецким инженером Германном Блау). Желая разработать источник тепла, более мощный по сравнению со спиртовкой и более управляемый по сравнению с угольной жаровней, Бунзен совместно с техником-лаборантом своей кафедры Петером Десага разработал новый тип газовой горелки. В разные времена газовые горелки пытались конструировать и другие исследователи, например, Франсуа Пьер Ами Аргант (1750–1803) и Майкл Фарадей (1791–1867), однако горелка Бунзена-Десага быстро показала свое преимущество и стала использоваться в качестве стандартной модели газовой горелки в химической лаборатории. Применяется эта модель горелки в лабораторной практике и сейчас, в наше время мы называем её просто «горелкой Бунзена», подчас вспоминая Бунзена только в связи с горелкой. Хотя сам он и не считал её изобретение наиболее выдающимся из своих трудов, но, вероятно, миллионы химиков, применяющих горелку Бунзена по всему земному шару, ошибаться не могут.
Новая газовая горелка, которую, регулируя расход горючего газа и воздуха, можно было заставить гореть практически бесцветным пламенем, оказалась полезной для идентификации неорганических веществ по окраске пламени горелки их солями (карминово-красные, малиново-красные и кирпично-красные оттенки, которые должны знать и участники школьных химических олимпиад, и те, кто их к этим олимпиадам готовит). В 1859 году друг Бунзена, физик Густав Кирхгофф посоветовал ему модифицировать новый аналитический подход, применяя призму для разложения излучения горелки в спектр. Опять же, как это было и с горелкой, попытки создать спектроскоп делались и до судьбоносного разговора Бунзена с Кирхгофом. Попытки использовать спектральный анализ в химии предпринимали Уильям Волластон (1766–1828), Йозеф Фраунгофер (1787–1826) и сын открывшего планету Уран астронома Уильяма Гершеля – химик и физик Джон Гершель (1792–1871). Однако первыми, кто стал использовать спектральный анализ и спектрометры систематически, стали именно Бунзен и Кирхгофф, попутно разрекламировав потенциал спектрального анализа, открыв с помощью спектроскопа два новых элемента – рубидий и цезий, оба из которых были названы в честь преобладающих в их спектре линий. С рубидием моим современникам, надеюсь, понятно, его основная спектральная линия – рубиново-красная. Цезий же получил своё название за наличие в спектре двух ярких синих линий (от лат. caesius – небесно-голубой).
Во времена, когда Кирхгоф и Бунзен работали над конструкцией своего спектрометра, многие учёные (например, «ставшие единицами измерения» Георг Стокс и Андерс Ангстрем) теоретически рассуждали о том, что спектр элемента может содержать информацию о строении атома этого элемента. Другие учёные умы им возражали, в том числе утверждая, что атомы и элемента являются хорошей абстракцией для представлений о веществе, но вряд ли существуют в реальном мире. Надежды тех, кто полагал существование связи между спектром элемента и строением его атома, были верными, но преждевременными: лишь спустя полвека теория Нильса Бора позволила объяснить причины появления спектральных линий. Любопытно, что ни Бунзен, ни Кирхгофф в этих теоретических дискуссиях не участвовали, но при этом сделали для становления спектроскопии гораздо больше других. Как так получилось? Если говорить о Бунзене, то он считал теоретизирование чем-то отвлекающим его от приключений в лаборатории или за её стенами, каковыми он точно считал эксперименты. По отзывам современников, Бунзен радовался как дитя хорошим экспериментальным результатам, оставляя разработки гипотез и теорий мыслителям-теоретикам и сторонникам «чистого разума в науке».
Одной из последних тем исследований Бунзена снова стала работа с опасными веществами, включая дымный и бездымный пороха. Он изучал ряд реакций, протекающих со взрывом, пытаясь отследить их развитие с помощью стробоскопа, но при этом достиг лишь умеренного успеха. В 1868 году с металлами платиновой группы он чудом выжил во время еще одного взрыва. Российский императорский монетный двор в Санкт Петербурге использовал разработанную российскими учёными методику выделения чистой платины из руды, однако палладий, иридий, рутений и осмий оставались в отходах производства. Бунзен искал методы экстракции этих металлов, разработав при этом более эффективную систему фильтрования осадков, которую вскоре стали использовать и другие химики (фильтрование под вакуумом с воронкой Бюхнера и колбой Бунзена). Однажды, когда Бунзен выделил смесь иридия и родия в виде мелко размолотого порошка, этот порошок самопроизвольно воспламенился со взрывом. В письме Энфилду Роско Бунзен писал:
«Я защитил левой рукой глаза, но моё лицо было обожжено пламенем, который прошёл сквозь пальцы. К счастью, мои глаза не повреждены, и, если не считать того, что я лишился бровей и ресниц, в целом взрыв не оставил серьезных следов».
Взрыв не смог повлиять на решение Бунзена довести исследование до конца, и он разработал способ выделения всех платиновых металлов в чистом виде, продолжая при этом и другие химические исследования (но уже без взрывов и опасности для себя и окружающих). Бунзен завершил работу преподавателя и исследователя, уйдя в отставку в 1889 году, но до самой смерти в 1899 году он продолжал интересоваться новыми веяниями в химии.
Несмотря на интенсивную исследовательскую работу, Бунзен никогда не пренебрегал занятиями со студентами. Кафедра химии в Гейдельберге оказала огромное влияние на развитие не только немецкой химии, но и химии мировой, в частности – Российской. Среди тех, кто учился и работал у Бунзена, были Д. И. Менделеев, К. А. Тимирязев, Д. А. Лачинов, А. Г. Столетов, Ф. Ф. Бейльштейн и многие другие российские учёные. Один из учеников Бунзена вспоминал в мемуарах:
«Как исследователь он был велик, еще в большей степени его величие проявлялось в наставничестве, но, прежде всего, он был величайшим человеком и другом».
Благодарны Бунзену были не только те его ученики, которым удалось вписать свои собственные имена в историю химии, но и те, кого сейчас мы могли бы назвать раздолбаями. Во времена Бунзена в конце каждого семестра лектора в Университете Гейдельберга должны были подписывать студентам документ, подтверждающий посещение студентами лекций. Когда один из студентов, постоянно отсутствовавший на лекциях Бунзена, протянул профессору на подпись свой документ, Бунзен заметил, что не видел студента на своих лекциях. Находчивый студент ответил, что он обычно сидел за колонной и был незаметен с трибуны, на что Бунзен ответил что-то типа: «Знаю я эту колонну, такая тонкая, но за ней может сидеть пара десятков человек», – но свидетельство о посещении лекций всё же подписал.
Личная жизнь Бунзена не была такой разнообразной, как его научная и преподавательская карьеры, точнее говоря, скорее всего личной жизни у Бунзена просто не было. Он вставал с постели до рассвета, работал часами и скромно ужинал в расположенном поблизости кафедры трактире. Единственным развлечением, которое он себе позволял, были пешие прогулки по сельской местности. Бунзен не был женат. На вопрос, почему он не обзавёлся семьёй, он обычно отвечал, что проводит слишком много времени в лаборатории. Возможно, что остаться холостяком «помог» Бунзену и частый контакт с веществами, которые, отнюдь, не благоухали розами. Так, после встречи с Бунзеном Агнес Фишер (жена немецкого химика Эмиля Фишера, которая, теоретически, должна была бы привыкнуть к «запаху лаборатории», вспоминала:
«Сначала я бы хотела отмыть Бунзена, а потом поцеловать этого очаровательного человека».
