1873. Кран Винклера
У моих старших коллег есть безобидное развлечение – они любят выстраивать свое «научное генеалогическое древо», гордясь друг перед другом, какого из именитых химиков ХХ века они считают своим учителем. Правда обычно дальше первого-второго поколения это дерево редко строится, да и понятно – всех нас, представителей органической и элементоорганической ветвей Казанской химической школы в конечном итоге через несколько поколений можно привести к единому научному предку – А. М. Бутлерову, а далее к Роберту Бунзену и Леопольду Гмелину.
У устройств тоже есть своя генеалогия: бюретки, которыми мы пользуемся сейчас, отличаются от бюретки Гей-Люссака, и нам не приходится затыкать их пальцем, в большинстве учебных и научных лабораторий они отличаются и от бюреток Мора – бывший прогрессивным для своего времени зажим ныне заменили краны. Понятно, что краны, которыми оснащены бюретки и другая многочисленная химическая аппаратура из стекла, тоже появились не по мановению волшебной палочки, а были изобретены в свое время. Особенно же интересна история создания трехходового крана, применяющегося в системах для анализа газов, или крана Винклера.
Химия текла через Клеменса Винклера, и он был един с химией. Три старших поколения семьи Винклеров владели заводом по производству неорганических пигментов, расположенным в богатых полезными ископаемыми горах Саксонии вблизи того места, где ныне Германия граничит с Чехией. Завод производил тенарову синь (кобальтовую синь, смешанный оксид алюминия-кобальта CoAl2O4), пигмент, применявшийся для окраски стекла и керамики по всей Европе.
Клеменс Винклер выучился на химика в Лейпциге, там же защитил диссертацию, посвящённую химии кремния. Получив учёную степень, он стал работать в должности химика, оказывающего консультации и проводящего анализы сразу для нескольких районов, в которых велись горные разработки. Зарабатывая деньги анализом сульфидных руд, Винклер также исследовал ряд проблем, причиной появления которых была та самая промышленность, которую он консультировал. Переработка сульфидных руд в металлы приводила к выбросам диоксида серы, которые уничтожали местные леса, что не могло не беспокоить местных производителей металла – древесина использовалась в качестве топлива. Признайтесь, кто-то уже успел подумать про заботу об экологической обстановке и социальной ответственности деловых кругов Германии середины 19-го века, но, увы, мотивы людей были проще – бизнес и ничего ни личного, ни лишнего. Чтобы с химической промышленностью ничего не произошло и чтобы не остаться без средств к существованию, Винклер старался предпринимать меры. В 1872 году он опубликовал манифест, в котором подчёркивал важность химических исследований процессов металлургии и добычи металлов из шахт, главным образом – изучение возможности понижения выбросов сернистого газа.
После первых результатов работы Винклеру пришлось признать, что доступные на тот момент методы анализа газов, основанные на их сжигании (зачастую со взрывом), не подходили для слежения за выбросами газов в режиме реального времени. Винклер решил использовать аналитические подходы, основанные на процессах абсорбции, но спроектировать и построить полноценные аналитические системы не представлялось простой задачей из-за того, что системы хранения газа и системы газовых коммуникаций в то время были довольно примитивны. Конечно для того, чтобы обеспечить движение газов по коммуникациям, существовали зажимы Мора и двухходовые краны, способные либо открывать, либо перекрывать трубку, по которой идёт газ, но Винклеру было мало этих возможностей – он хотел получить способность не только открывать/закрывать поток газа, но и дать ему возможность перемещаться по разным направлениям. Для этого нужно было использовать трехходовой кран, но, если металлические трехходовые шаровые краны были известны с конца семнадцатого века – с изобретения воздушного насоса Дени Папеном, – стеклянных трехходовых кранов не было, более того, никто точно не знал, как такое устройство выполнить «в стекле».
Винклер обратился к одному из лучших стеклодувов Лейпцига, Францу Хугершоффу с идеей изготовления крана по своим чертежам: полый конический предмет с отверстиями, расположенными таким образом, что при определённом положении эти отверстия могли соединять между собой одно положение трубок для газовой коммуникации, в другом – другую пару трубок, а также могли и просто запирать любое перемещение газа. Посмотрев на чертёж, Хугершофф отказал Винклеру, сказав, что исполнить такое устройство в стекле просто невозможно – слишком тонка была работа, слишком близко располагались каналы для движения газов в винклеровском проекте крана, так что отлить такую деталь из стекла того периода, отличавшегося достаточно большим коэффициентом термического расширения, казалось пустой тратой времени и материала (до изобретения другим немецким стеклодувом и химиком Отто Шоттом термостойкого стекла с меньшим коэффициентом расширения оставалось ещё около двух десятков лет). Винклер, едва скрывая досаду, ушёл, но на этом история не закончилась. Хугершофф всё же решил проверить своё экспериментальное мастерство и спустя несколько месяцев доставил первую партию трёхходовых кранов Виклеру. В 1873 году Винклер опубликовал большую статью, посвящённую анализу наиболее важных в то время газов с помощью газовой бюретки, снабжённой новой моделью трехходового крана. Не забыл Винклер и Хугершоффа: во всех своих статьях и выступлениях, касавшихся проблем анализа газов, он называл стеклодува единственным человеком, поставляющим краны нового типа Винклеру и единственным мастером, способным изготовить краны такой сложности.
Успехи Винклера в аналитической химии промышленных производств привели к тому, что в 1873 году он стал профессором и самым ярким лектором в Горной школе Фрайберга (это высшее учебное заведение существует и по сей день, но теперь оно называется не «школой», а «академией»). В этой школе-академии Винклер и проработал до выхода в отставку уже в ХХ веке – в 1902 году, причем в период 1896–1899 возглавлял это учебное заведение. В 1873 году, спустя несколько недель после назначения его профессором, правительство Австро-Венгрии наняло учёного вести исследование того, каким образом лучше освоить обнаруженное около Кракова (территория нынешней Польши) месторождение серы. Работа по этому исследовательскому гранту окончательно закрепила интерес Винклера к химии серы. Понимая, что сернистый газ представляет собой главную опасность для окружающей среды (опять же здесь главным мотивом сохранения окружающей среды скорее было ресурсосбережение, а не создание благоприятной экологической обстановки), Винклер начал искать способы более эффективного получения серной кислоты. Учёный разработал катализатор окисления сернистого газа (платина, нанесённая на волокна асбеста) и оптимизировал соотношение сернистый газ-кислород, необходимое для эффективного окисления диоксида газа до серного ангидрида, в итоге заложив основы современного сернокислотного производства, конечным продуктом которого является олеум (дымящий раствор серного ангидрида SO3 в серной кислоте H2SO4). Новый метод получения серной кислоты пришёлся как раз на тот момент, когда стараниями Перкина и последователей стало развиваться производство синтетических красителей, и производство серной кислоты, как и производство красителей, стало наращивать объёмы. Для того чтобы сернистый газ, который не удалось уловить для превращения в серную кислоту, не попадал в атмосферу, Винклер предложил пропускать топочные газы через поглощающую сернистый газ SO2 известь. И технология производства серной кислоты, предложенная Винклером, и технология очистки газообразных промышленных выбросов работают и сегодня, правда, с незначительными изменениями.
Но в наших школьных учебниках и книгах для чтения по химии Винклер упоминается не как автор идеи трехходового крана и не как человек, разработавший актуальный до наших дней способ получения серной кислоты. Во Фрайбурге Винклер изучал химию индия, химического элемента, обнаруженного его коллегой и наставником по Горной школе, Вильгельмом Рейхом. Эти исследования привели к тому, что в 1886 году Винклер начал изучать новый минерал из рудника Химмельсфюрст расположенного вблизи Фрайберга. Минерал, названный аргиродитом, содержал серебро и серу. Когда Винклер проанализировал этот минерал, он обнаружил, что сера и серебро составляют примерно до 93-94 % от его общей массы, что привело его к подозрению, что здесь должен присутствовать что-то ещё, вероятно неизвестный элемент. После дополнительной химической очистки 6 февраля 1886 года Винклер выделил чистый элемент, экспериментально определённые свойства которого практически совпадали с теоретически предсказанными Дмитрием Ивановичем Менделеевым на основе Периодического закона свойствами эка-кремния, элемента, неизвестного на время создания первой версии Таблицы Менделеева. Винклер патриотично назвал новый элемент германием, и в нашей литературе его чаще всего вспоминают как одного из химиков, подтвердивших верность идей Менделеева, хотя, как видно из рассказа выше, открытие нового элемента не единственное достижение Клеменса Винклера.
Правда, трёхходовые краны Винклера так и не стали основным рабочим инструментом в «массовой химии» – изготовление таких кранов было процессом сложным, с которым справлялись только мастера-стеклодувы уровня Хугершоффа, и серийное производство таких кранов так и не было налажено. Через десять лет после появления крана Винклера появились более простые модели трехходовых кранов из стекла, которые и применяются в стеклянных приборах сейчас. Тем не менее, поворачивая трехходовой кран в системе для анализа газов или другом стеклянном приборе, я иногда вспоминаю историю, связанную с изобретением таких кранов и их изобретателем.
