1920. Ловушка Дина-Старка

Химиков разных специализаций – органиков, неоргаников, физхимиков и тем более аналитиков, несмотря на разноплановость объектов исследования и, временами, выяснения того, какая же химия для нас является наиболее важной, объединяет одно и то же вещество – вода, без которой, как пелось в старой песне, «ни туды и ни сюды».

Вода везде – она греет реакционные смеси в водяных банях и охлаждает пары веществ, струясь в рубашке холодильников, она создает разрежение, шумя в водоструйном насосе, разрушает чувствительные к её действию химические связи и позволяет определять состав различных смесей с помощью титриметического анализа. Даже космохимики, объекты исследования которых расположены не там, где они могут их потрогать, а в далекой-далекой галактике, могут увидеть сигналы воды в спектре газопылевых туманностей. Может показаться, что столь общее для всех вещество будет самым простым (в смысле свойств) и самым хорошо изученным, но вода имеет много гитик – скорее всего это не самое простое вещество, а наоборот – самое сложное, свойства которого пытаются опровергнуть почти любое химическое правило.

Существует 15 форм твердой воды, до сих пор не ясно, каким количеством жидких фаз может похвастаться это «незамысловатое» вещество. Атомы водорода и кислорода в воде находятся в опасной близости друг к другу, однако эта близость не дестабилизирует воду, а её молекула очень устойчива. Вода везде, она попадает даже в те материалы, которые её боятся – гидрофобные. Для кондитера или повара, который готовит желе или суфле с водой, жирами и маслами, это даже хорошо, но, несмотря на все сходства кулинарии и химии и их очевидное различие – в химии сваренные продукты не принято дегустировать, – добавляется ещё одна трудность: если продукт реакции представляет собой эмульсию, в которой содержится вода, выделить продукт будет очень сложно. Чтобы избавить его от влажных объятий дигидрогенмоноксида, придётся потрудиться не на страх, а на совесть. Именно в битвах за чистый безводный продукт и появилось замечательное устройство, которое можно найти в каждой лаборатории.

Эрнст Вудворд Дин родился в 1888 году в Таунтоне, штат Массачусетс, изучал химию в Университете Кларка в Ворчестере. Закончив обучение с отличием в 1910 году, Дин занялся исследованиями кинетики гидролиза сложных эфиров карбоновых кислот в Йельском университете. Получив степень доктора философии в 1912 году, он начал преподавать химию в колледже. В колледже он начал встречаться с одной из студенток, Глэдис Мойер, на которой в 1915 году, как честный человек, женился. Непонятно – то ли по причине подмоченной репутации преподавателя, то ли опасаясь, что на жалованье преподавателя колледжа не сможет содержать семью и удовлетворить запросы молодой жены (возможно, тут было и то, и другое), Дин бросил преподавание и в 1915 году начал работать в Исследовательском департаменте отдела Горнорудного управления США в Питтсбурге. На новом месте работы Дин изучал способы перегонки нефти и изучения её состава. И именно там он встретился с эмульсиями, которые вызывают головную боль и у современных нефтяников.

Пытаясь определить содержание воды в сырой нефти, Дин начал сотрудничать с коллегой Дэвидом Дьюи Старком. После нескольких неудачных попыток разрушения эмульсии и также оказавшихся малоэффективными попыток разделить нефтяную и водную фазы, экстрагируя их различными растворителями, Дин и Старк остановились на процессе перегонки. К тому времени уже существовали методы определения влаги в специях, древесине и масле, основанные на процессе отгонки воды. Но полученные с помощью таких подходов результаты отличались крайне низкой точностью. Дин и Старк решили изменить подход и для повышения точности увеличили время отгонки воды с органическим растворителем, дающим азеотропную смесь (кипящую ниже температуры кипения каждого из компонентов смеси). В качестве растворителей было решено использовать бензол, толуол или ксилол, которые образуют с водой азеотропные смеси, которые при комнатной температуре быстро расслаиваются – водный слой остаётся внизу, а органический – сверху. С помощь стеклодува они разработали и соорудили устройство, в котором были объединены обратный холодильник, охлаждавший пары кипящей смеси, и небольшая градуированная пробирка. Конструкция была изогнута таким образом, что конденсат из холодильника попадал не в нагревавшуюся перегонную колбу, а в градуированную пробирку. И только когда она наполнялась до краёв колбы, верхний органический слой переливался в колбу, а вода оставалась на дне пробирки. Второй модификацией, которой обзавелась ловушка Дина-Старка, был кран на выходе у дна измерительной пробирки, позволявший периодически сливать нижний слой воды при большой обводнённости изучаемого образца.

В 1922 году Дин Перешёл на работу в компанию Standard Oil, где с коллегами разработал такой способ характеристики нефти, как индекс вязкости. Хотя этот параметр эмпирический и предложить ему какое-то теоретическое обоснование невозможно, он используется и в современной нефтяной промышленности. Перейдя в 1930-е годы от анализа нефти в полевых условиях в лабораторию компании, Дин жил спокойной и размеренной жизнью обитателя пригорода, его романтическое приключение со времен преподавания в колледже так и осталось единственной любовью на всю жизнь – вместе с женой Дин воспитывал двух сыновей и двух дочерей. Он подал в отставку в 1953 году и спустя шесть лет умер. Старк тоже бросил работу госструктуре и перешел на работу в нефтяную промышленность, но почти до самой отставки продолжал работать непосредственно на месторождениях. Он скончался в Лос-Анжелесе в 1979 году.

Ловушка Дина-Старка до сих пор используется в лабораториях. Она может применяться как аналитический инструмент – и для определения содержания воды в нефти (по соответствующему ГОСТу), и для выяснения влажности продающихся в аптеках растительных сборов (по соответствующей статье Государственной Фармакопеи РФ). Но не только аналитики используют ловушку Дина-Старка. Если синтетик хочет получить какое-то вещество с помощью конденсации – реакции, протекающей с выделением воды, – ловушка Дина-Старка позволяет и получить хороший выход целевого продукта (собираясь в ловушке, вода не попадает в реакционную смесь и не может гидролизовать продукт, тем самым смещается равновесие), и понять, когда реакция завершилась. Тем самым нормальный химик может заранее просчитать, сколько воды должно выделиться в процессе реакции, а измерение объёма воды позволит ответить на стандартный студенческий вопрос: «А долго еще синтез будет идти?». Есть только одна проблема с ловушками Дина-Старка: в неумелых руках они часто бьются, причем разбивается наиболее тонкостенная часть – градуированная пробирка. Починить её, конечно, можно – даже не прибегая к помощи профессионального стеклодува, любой химик, освоивший базовые навыки работы с изготовлением пипеток и капилляров на стеклодувной горелке с этим делом справится. Но после починки ловушка уже перестает быть аналитическим устройством – градуировка в процессе починки искажается, восстановленная ловушка Дина-Старка может использоваться только в синтезе, да и там о завершённости реакции приходится судить уже не по количеству выделившейся воды, а следя за тем, когда уровень водяного конденсата прекратит изменяться.