1874. Газовый анализатор Орса
Кафедра университета, на которой я работаю, помимо прочего отвечает за проведение занятий по химической технологии. Практические работы, которые мы предлагаем студентам, меняются – появляются новые, снимаются устаревшие. Но одно в лаборатории практикума постоянно: каждый сентябрь в ней ровными рядами выставляются несколько приборов для анализа газовых смесей – деревянные коробки с наполненными разноцветными жидкостями стеклянными сосудами и мерной бюреткой, соединенные друг с другом резиновыми шлангами и стеклянными кранами.
Я учу студентов работать на этих приборах, когда я был студентом химфака, меня учили работать на этих приборах, более того – когда мои родители учились на химфаке (а закончили химфак Казанского университета они в год моего рождения), их тоже учили работать на этих приборах. В описи материальных ценностей кафедры эти приборы обозначены как ГХП-3М (газоанализатор химический портативный, модель третья, модернизированная), но принципиальная конструкционная схема такого устройства, которая практически не модернизируется с момента его изобретения, называется «Газовый анализатор Орсá», и она была изобретена почти за столетие до моего рождения – в 1870-е годы.
Изобретатель газового анализатора Луи Орсá родился 14 августа 1837 года в Париже. Его отец был владельцем первой фабрики, производившей свинцовые белила (карбонат свинца), расположенной в предместье под названием Клиши. Свинцовые белила применялись в изготовлении красок и косметических средств, даже несмотря на свою сомнительную репутацию – работники фабрики страдали от сатурнизма (хронического отравления свинцом).
После обучения инженерному делу в престижных Политехнической и Горной школах Парижа Орса стал работать частным техническим консультантом в Париже, выполняя различного рода исследовательские и конструкторские заказы для фирм, консультируя их по вопросам применения топлива различных типов и его горения. Попутно Орса помогал отцу вести дела семейного предприятия в Клиши.
Во время франко-прусской войны Орса служил офицером артиллерии. Эта война практически полностью разрушила Францию, которая отказалась капитулировать даже после Седанской катастрофы, когда страна практически полностью лишилась армии. Орса оказался в осажденном прусскими войсками Париже, в котором из-за нехватки продовольствия некоторые рестораны стали подавать «изысканные» блюда, такие как, например, консоме из слона, вырезку из кенгуру (животные из зоопарков и цирков пошли под нож мясника) и даже «кошачье мясо с ломтиками крысиного». После капитуляции Парижа и Франции, потери Эльзаса и Лотарингии и наступления мирной жизни Орса был награждён орденом Почетного легиона, оставил военную службу и снова занялся изучением процессов сгорания.
Основная проблема, которую он пытался изучить – эффективность использования топлива. Так, например, для плавильных печей очень важно вести сжигание топлива, поддерживая оптимальное соотношение угарного газа CO и углекислого газа CO2. Однако, как отмечал в своих записках Орса, такой анализ, да еще и в режиме реального времени, мог провести лишь опытный химик, к тому же имевший доступ к соответствующему оборудованию эпохи – ртутным склянкам, термометрам, барометрам, катетометрам, гигрометрам и другим приборам.
Итак, Орса поставил перед собой задачу упрощения метода анализа газов. Для начала он засел за литературу, в которой обнаружил, что еще в 1849 году Анри Рено и Жюль Рейзе опубликовали монументальный двухсотстраничный труд, в котором описали эксперименты по установлению точного весового баланса живого организма, вдыхающего воздух и выдыхающего газовую смесь, обогащенную углекислым газом. Помещая собак, кроликов, голубей и даже сурков в сосуд с газоотводной трубкой, исследователи для определения содержания углекислого газа поглощали его, а кислород определяли, взрывая его с избытком водорода.
Орса быстро адаптировал подход, связанный с постадийным поглощением газов, поместив всю аппаратуру для измерения объемов газов в деревянный ящик. Созданный Орса аппарат состоял из трех поглотительных трубок с реагентами – одна содержала поташ, другая – щелочной раствор пирогаллола, а третья – аммиачный раствор хлорида меди(I). Газопоглотительные трубки были связаны с газовой бюреткой, заполнение и высвобождение которой газом осуществлялось за счет подъема или опускания уравнительной склянки, заполненной жидкостью (в конструкции Орса это была вода, сейчас, по крайней мере на нашем лабораторном практикуме, уравнительную склянку заполняют раствором серной кислоты средней концентрации). Со стороны, обратной от газовой бюретки, располагался патрубок для поглощения анализируемых газов, которые Орса фильтровал через небольшой клочок хлопка или шерсти.
Прибор работает следующим образом: с помощью уравнительной склянки из газовой бюретки вытесняют газ, доводя запирающую жидкость до нулевой отметки, затем отбирают порцию газовой смеси для анализа и изолируют систему от атмосферы. В первой поглотительной трубке поташом (в настоящее время в конструкции наших аппаратов – щелочью) поглощается углекислый газ, раствором пирогаллола поглощают кислород, а медноаммиачным раствором – угарный газ. После поглощения каждого газа проводятся измерения уменьшения объема, которое и равно содержанию каждого из газов в смеси. Газ, который не поглотился ни одной из поглотительных трубок – азот, то есть аппарат Орса позволял достаточно быстро по тем временам (на весь анализ уходит чуть более часа) определять состав смеси, содержащей кислород, азот, углекислый и угарный газы. Возможности своего метода Орса продемонстрировал (возможно – в первую очередь самому себе), построив несколько прототипов анализатора газов и три месяца катаясь с ними по железной дороге от Парижа до Тернье и обратно, в поездках анализируя состав отдувочных газов из паровозной топки.
После такой проверки Орса в 1874 году запатентовал конструкцию аппарата и описал ее в журналах Chemical News и Dinglers Polytechnisches Journal. Вскоре после публикации последователи Орса модифицировали его устройство, приспособив его для анализа практически каждого газа. В каталоге химического оборудования, опубликованном Артуром Томасом в 1912 году, приводятся аппараты Орса в модификациях Лунге, Мюнке и Фишера. Надежность и простота этого аппарата в использовании привела к тому, что и сейчас, спустя почти 150 лет после изобретения, он применяется и для анализа газов, и для обучения студентов.
