1855. Аппарат Гофмана
Современных химиков не пугают массовые и молярные доли, не пугают простые целочисленные соотношения. Да что там химиков, уже с восьмого-девятого класса, школьник, планирующий сдавать ЕГЭ по химии и участвовать в олимпиадах, быстро обучается рассчитывать простейшую формулу вещества на основании информации о соотношении элементов в этом веществе. В научных статьях, описывающих синтез новых соединений, обязательно необходимо приводить элементный анализ в формате «найдено-вычислено». Сейчас расчёты, основанные на законе кратных соотношений, да и сам закон кажутся чем-то само собой разумеющимся, однако так было не всегда.
Когда химия делала свои первые шаги, выбравшись из колыбели алхимии, зачастую у учёных не было никакого представления о составе веществ. Ситуация стала меняться, когда французский химик Жозеф Луи Пруст провёл серию тщательных экспериментов с неорганическими веществами. Наиболее значимым результатом его трудов было обнаружение того, что образцы карбоната меди разного происхождения имеют одинаковое содержание меди, углерода и кислорода. Аналогичным образом состав оксида и сульфида железа не зависел от того, как были получены эти соединения, для каждого из веществ он оставался постоянным и не менялся ни при каких условиях. Результаты своих измерений Пруст в 1794 году изложил в письме в Парижскую академию наук, сформулировав мораль из своих экспериментов как «Закон постоянства состава веществ».
Если мы попытаемся найти в интернете самую базовую информацию о законе постоянства состава, в большинстве источников мы увидим, что датой его создания является не 1794, а 1811 год (в крайнем случае, интервал 1808-1811). Почему так, почему между официальной датой создания закона и первой его представленной на суд общественности формулировкой прошло как минимум полтора десятка лет? Дело в том, что члены Парижской академии скептически отнеслись к письму Пруста, и уважаемый и именитый Клод Луи Бертолле совместно с не менее известным и именитым Лавуазье (в прямом смысле потерявшим голову в мае того же года), приводя свои теоретические доводы о том, что состав вещества не должен быть постоянным, отказали Прусту в публикации его письма в вестнике Парижской академии наук. Не утратив присутствия духа из-за отказа именитых коллег, Пруст продолжил изучать состав веществ и пытаться опубликовать формулировку предложенного закона и аргументы в пользу этой формулировки в других научных изданиях. Сложно сказать, к счастью или к несчастью в те времена научных изданий было меньше, чем сейчас, много меньше. Точно к счастью, что не было изданий, готовых опубликовать научную работу человека, заплатившего им определенную сумму (сейчас, увы, таких много, каждый день приходится вычищать электронный почтовый ящик от предложений «плати и публикуйся», причем суммы разнятся от тысячи рублей за страницу до двух тысяч евро за статью). К несчастью, большинство живших в то время экспертов-рецензентов разделяли позиции Бертолле и Лавуазье, и Прусту отказывали в публикации своего закона во всех научных альманахах Европы. Упорство и правота Пруста были вознаграждены только в 1811 году, когда Берцелиус после ряда своих экспериментов, направленных на определение и уточнение атомных масс элементов, независимо от Пруста провёл проверку его результатов и доказал состоятельность прустовского закона постоянства состава вещества.
Идея Пруста стала одним из краеугольных камней химии. Закон постоянства состава позволял предполагать, что вещество дискретно, он лег в основу атомной теории Джона Дальтона, говорившей о том, что вещества – это не что иное, как определённые комбинации атомов. Теоретически всё это было замечательно, так что человеку XXI века не нужно это доказывать и демонстрировать. Но как эту идею можно было донести до коллег по цеху и до учеников в XIX веке? Электронных одночашечных весов не было, и техника взвешивания была сложной, да и для подтверждения закона кратных соотношений одного взвешивания было мало, нужно было вести расчеты, что опять же два века назад приходилось делать пером на бумаге, и поэтому было непростой задачей. Химики того времени понимали, что для подтверждения верности и всесильности теории Пруста-Дальтона нужен хороший демонстрационный эксперимент, который был бы наглядным для каждого.
В молодости Август Вильгельм Гофман не подавал надежд. Он разрывался между самыми различными интересами – архитектурой, юриспруденцией, естественными науками, историей и искусством. В какой-то момент его отец, архитектор Гиссена, уже начал отчаиваться от того, что наследник никак не может определиться с тем, как строить будущее. К счастью, Гофмана-старшего нанял для строительства новой лаборатории Юстас Либих, и архитектор решил посоветоваться с химиком. Либих ответил Гофману-старшему, что с удовольствием попробует поработать с молодым человеком и посмотреть, что из него можно сделать. Вскоре Гофман-младший стал учеником Либиха и доказал свои незаурядные способности, быстро подготовив и защитив диссертацию.
В 1844 году, когда Либих отправился в Лондон обсудить деловые связи с тамошними химиками, Гофман, у которого к тому времени уже состоялась помолвка с племянницей Либиха, оставил Гиссен и, не предупреждая патрона и родственника, занял должность приват-доцента Боннского университета. Либиху изменение места работы будущего родственника не понравилось, да и оно просто не входило в его планы – на должность в Бонн Либих планировал отправить Фридриха Мора, а Гофмана хотел послать в Лондон в качестве директора основанного в 1844 году Королевского химического колледжа. Либиху не составило труда реализовать свои планы, провести в Бонне рокировку Гофмана на Мора и отправить Гофмана в Лондон. В столице Британии Гофман проработал директором химического колледжа около двадцати лет.
Наверное, за эти два десятка лет Гофман не раз мысленно благодарил своего знаменитого дважды двоюродного тестя (Гофман был женат четыре раза, он был отцом одиннадцати детей, а его первая и третья жёны были племянницами Либиха) за вмешательство в карьерные дела. Жалование директора химического колледжа было щедрым (напоминаю, что приват-доценты вообще не получали заработной платы, ожидая появления вакансий на кафедре), новые лаборатории в Лондоне, вероятно, были оснащены лучше лабораторий Бонна, а студентам можно было поручать проверку самых смелых идей. Будучи человеком с неиссякаемым запасом энергии, Гофман иногда мог пригласить студентов для обсуждения научных проблем на два часа ночи, он успешно занимался, говоря современным языком, интеграцией высшей школы и бизнеса, принимал участие в организации Великой выставки промышленных работ всех народов, организованной в Лондоне в 1851 году. В течение своего лондонского периода Гофман выделил из каменноугольного дёгтя бензол; обработкой смесью серной и азотной кислот перевёл его в нитробензол, восстановил нитробензол водородом и получил анилин, усовершенствовав открытую в 1842 году реакцию Зинина, разработал способы получения аминов.
Достижения Гофмана в органической химии спустя некоторое время оценили потомки, а для современников, в особенности студентов, он запомнился как отличный преподаватель, проводящий лекции, как сейчас можно было бы сказать, с полным погружением в дополненную интерактивную среду. Он регулярно демонстрировал эксперименты, подтверждающие теоретические воззрения, о которых рассказывал, причем для ряда таких демонстрационных экспериментов лично разрабатывал аппаратуру. Одним из таких собственноручно разработанных и изготовленных устройств был аппарат (который впоследствии стал называться аппаратом Гофмана), представлявший собой две перевёрнутые бюретки с электродами, в которых можно было собирать и измерять объёмы газов, выделяющихся при электролизе воды. Такая демонстрация была наглядной: разглядеть, что объёмы водорода и кислорода относятся как 2:1, можно было без проблем, так что увидеть проявление закона кратных соотношений можно было вполне наглядно. Энтузиазм Гофмана в чтении лекций привлекал многих студентов, которые затем и сами достигли в химии немалых высот, среди которых были Перкин (синтез и патент первого синтетического красителя), Абель (исследование алкалоидов и изобретение пороха-кордита), Мэнсфилд (изобретение фракционной перегонки) и Ньюландс (закон октав).
В 1860 году Гофман вернулся из Британии в Германию, где в скором времени получил должность полного профессора кафедры химии в Берлинском университете. Германское химическое общество поздравило Гофмана с шестидесятилетием памфлетом, написанным на грани фола в стиле одного из своих научных журналов – Berichte der Durstigen Chemischen Gesellschaft – «Сообщения жаждущего химического общества».
За свою жизнь в науке и преподавании Гофман с соавторами опубликовал около восьми сотен научных работ. К его смерти в 1892 году и теоретическая, и прикладная химии уже сформировались в полноценные научные дисциплины, одним из краеугольных камней стал закон кратных соотношений. По иронии судьбы на рубеже девятнадцатого и двадцатого века старые идеи Луи Бертолле о том, что вещества могут обладать переменным составом, снова стали актуальными, появилась информация о веществах с переменным составом, которые стали называть «бертоллидами» (вещества, подчиняющиеся закону постоянного состава, в память Джона Дальтона получили название «дальтониды»). Сейчас бертоллиды находят все более широкое применение в химии и технике, и юным химикам-олимпиадникам нужно понимать, что простые расчёты – это только начало, а простые соотношения открывают двери в более сложные, но и более интересные области науки.
