100 великих научных достижений России

ОСНОВНОЙ ЗАКОН ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ

Великий русский ученый-естествоиспытатель, «первый наш университет» (А.С. Пушкин), поборник развития отечественной науки и просвещения, Михаил Васильевич Ломоносов (1711–1765), впервые определив, что общий вес веществ до химической реакции и после нее не изменяется, установил тем самым закон сохранения веса при химических реакциях как частный случай общего закона сохранения материи.

При жизни Ломоносова в Западной Европе сложился миф, что в России два Ломоносовых: один химик, а второй – поэт. В головах его современников не укладывалось, как один человек может с таким успехом заниматься химией и стихами, физикой и мозаикой, геологией и историей, горным делом и правом, минералогией и языкознанием, астрономией и народным просвещением, а еще навигацией, мореплаванием, металлургией, созданием приборов, географией… Опять таки владеть одиннадцатью языками! Ничего странного, однако же, в том не было. По словам самого Михаила Васильевича: «Может собственных Платонов / И быстрых разумом Невтонов / Российская земля рождать». Собственно, таким «двуликим» – Платоном и Ньютоном в одном лице – и был сам Ломоносов.

Ломоносов принес русской науке всемирную славу и обессмертил свое имя. Он построил первую в России химическую научно-исследовательскую лабораторию; выдвинул теорию образования града и смерчей; исследовал атмосферное электричество и объяснил северное сияние; установил современную классификацию землетрясений; наметил кинетическую теорию газов; открыл атмосферу на Венере; доказал органическое происхождение почвы, торфа, каменного угля, нефти, янтаря; разработал приборы для физических исследований химических объектов и для определения географической долготы и широты; изобрел «ночезрительную трубу»; разработал технологию получения цветного стекла; доказал существование Антарктиды; выдвинул теорию об эволюции природы; разработал концепцию развития России, основанную на православии, самодержавии и духовно-нравственных ценностях русского народа и теорию славяно-чудского происхождения Древней Руси, принятую последующими историками; сработал мозаичные портреты Петра I и гигантскую мозаику «Полтавская баталия»; разработал концепцию «трех штилей» русского языка, применил к нему силлабо-тоническое стихосложение, и, сочинив превосходные ямбические стихи, начал новую эру русского языка…

При множестве заслуг Ломоносова в самых разных областях человеческого знания главным достижением Михаила Васильевича считают его открытия в химии, которую ученый определил как «науку изменений» – учение о процессах, происходящих в телах.

Императрица Екатерина II у Ломоносова. Художник И.К. Федоров

В самой же химии Ломоносов открыл ее суть. Сегодня она формулируется так: масса веществ, вступающих в химическую реакцию, равна массе веществ, образующихся в результате реакции.

Атомистическая гипотеза строения материи, выдвинутая в античности Демокритом, нашла поддержку у многих философов и ученых. Догадка о том, что общее число атомов при всех изменениях, происходящих в природе, остается неизменным, стала в конце концов трактоваться естествоиспытателями как закон сохранения материи.

После того как Ньютон (1643–1727) ввел понятие массы как количества материи, пропорционального ее весу, стали говорить о законе сохранения массы (веса) при всех процессах, происходящих с материальными телами, в том числе и при химических процессах.

Не хватало количественной характеристики, подтверждавшей этот тезис. Мешала убежденность ученых в существовании «огненной субстанции» (теплорода, флогистона и т. п.), якобы принадлежащей самому огню либо выделяющейся при горении. Английский физик и химик Р. Бойль (1627–1691) в опытах по обжигу свинца обнаружил увеличение веса. Теперь-то мы знаем, что это происходит за счет присоединения кислорода из воздуха, но ученый тогда предположил, что виновата в этом «материя огня».

Экспериментальная база в XVIII в. уже позволяла получить эти количественные соотношения. В 1756 г. М.В. Ломоносов повторил опыт Бойля. При этом, чтобы избежать притока или, напротив, утечки этой таинственной «субстанции», ученый взвешивал свинец в запаянной реторте, а не в открытой, как его предшественник. Опыт показал, что общий вес реторты с металлом при прокаливании не изменился. Это позволило Ломоносову в годовом отчете о своей деятельности написать: «Славного Роберта Боила мнение ложно, ибо без пропущения внешнего воздуха вес сожженного металла остается в одной мере».

Открытие сие не было случайно. Ломоносов давно уже был убежден, что воздух обладает весом, о чем сообщил Л. Эйлеру еще в 1748 г. «Нет никакого сомнения, что частички воздуха, непрерывно текущего над обжигаемым телом, соединяются с ним и увеличивают вес его». И далее: «Все перемены в натуре случающиеся такого суть состояния, что сколько чего от одного тела отнимается, столько присовокупится к другому. Так, ежели где убудет несколько материи, то умножится в другом месте… Сей всеобщий естественной закон простирается и в самые правила движения: ибо тело, движущее своей силой другое, столько же оные у себя теряет, сколько сообщает другому, которое от него движение получает». Как видим, связав закон сохранения массы вещества с законом сохранения энергии (количества движения), Ломоносов дал первую формулировку основного закона природы.

Ученый во всем хотел «дойти до сути» – доказать свои гипотезы опытным путем. «Истинный химик должен быть теоретиком и практиком… Один опыт я ставлю выше, чем тысячу мнений, рожденных только воображением», – утверждал он. Не только теоретическими разработками, но и многими своими опытами, ставшими классическими, Ломоносов опередил европейских ученых на десятилетия, а порой и на целое столетие.

При этом надо отметить, что почти все теоретические концепции Ломоносова – учение о теплоте, о состоянии вещества и т. д. – до малейших деталей совпали с путем развития этих наук в дальнейшем.

Открытый Ломоносовым закон получил более полное обоснование в его работах: «Об отношении количества материи и веса» (1758) и в «Рассуждении о твердости и жидкости тел» (1760), опубликованных на латинском языке в Европе. Однако осознать значение этих трудов большинство естествоиспытателей тех лет не смогло. Они попросту не обратили на них должного внимания. Об открытии русского ученого научный мир узнал много позже, тогда же Ломоносову был отдан и приоритет в установлении закона сохранения вещества, поскольку долгое время его автором считался французский химик А.Л. Лавуазье (1743–1794), опубликовавший результаты своих опытов (аналогичных опытам Ломоносова) в 1789 г.

Ломоносов – не только автор множества открытий, он и сам – открытие для России. Благодаря ему и Россия во многом открылась для Запада. Судьба ученого уникальна. Гений – он всегда из будущего и для будущего. Но Ломоносов, хотя намного опередил уровень тогдашней русской науки, оказался в ней очень вовремя, так как, собственно, и создал ее и придал ей ускорение, которое позволило нашему естествознанию не только не отстать от мирового, но и часто быть впереди него.

Перечисляя все открытия Михаила Васильевича, можно, пожалуй, и утомить читателя. Биография его также хорошо известна. Стоит разве что лишний раз напомнить, что он был сыном помора, простым «мужиком», за заслуги ставшим дворянином, обладавшим потрясающим интеллектом и огромной пробивной силой. Что в науку Ломоносов пришел поздно – на четвертом десятке лет, но и систематически начал учиться только за двадцать. Он не был вундеркиндом, во всяком случае, свидетельств тому нет. Но им с малых лет владела такая жажда знаний и желание отдать себя науке и быть полезным Отечеству, что этого с лихвой хватило бы всем российским академикам той поры, вознамерься они повторить все его исследования. Ведь труды ученого, почетного члена Стокгольмской и Болонской академий наук, четверть века были гордостью и славой Петербургской академии.

Из его биографии можно разве что упомянуть один эпизод. У Ломоносова враги не переводились – гениев, как правило, не жалуют. Он постоянно вынужден был пробивать свои идеи сквозь чиновничьи препоны и отметать клевету завистников и «неприятелей наук российских». Академик не позволял не то что приструнивать, а даже подтрунивать над собой никому, в том числе и своим высокопоставленным покровителям. Так, графу И.И. Шувалову, например, Михаил Васильевич заявил: «Я, ваше высокопревосходительство, не только у вельмож, но ниже у Господа моего Бога дураком быть не хочу». Несколько раз ученый попадал в опалу. Дошло до того, что в 1763 г. в Сенат был направлен указ об отставке Ломоносова, в очередной раз оклеветанного врагами.

Хорошо, что академик был «вхож» во двор. Екатерина II несколько раз изволила его приглашать к себе в комнаты и довольно с ним «разговаривать о науках с оказанием своего всемилостивейшего удовольствия». Приходила императрица на обед и к Михаилу Васильевичу, «в знак благоволения к наукам приказывала хозяину ходить и сидеть по правую руку около себя». Посетила она его, больного, и на этот раз, после чего отозвала из Сената указ об его отставке и пожаловала Михаилу Васильевичу генеральский чин статского советника, подняв ему жалованье с трехсот рублей в год в семь раз. После же кончины Ломоносова Екатерина распорядилась «спасением души» усопшего и его архивом, а также назначила вдове, Е.А. Ломоносовой, пенсию, а дочь Елену выдала замуж за сына брянского священника.

Что же касается основного закона, который открыл Ломоносов, его полностью подтвердила современная наука. Так, в частности, взаимосвязь массы и энергии, на которую впервые обратил внимание русский ученый, выражается уравнением Эйнштейна: Е=mc2, где Е – энергия; m – масса; c – скорость света в вакууме.

Опираясь на закон сохранения массы веществ, сегодня производят различные расчеты – начиная со школьной парты, за которой над составлением уравнений химических реакций упражняются будущие инженеры и ученые.

АНИЛИН ЗИНИНА

Химик-органик, лектор, общественный деятель; профессор Казанского университета, заслуженный профессор, «директор химических работ» Медико-хирургической академии в Петербурге; академик Петербургской АН, почетный член многих русских и иностранных научных обществ, академий и университетов; основатель и глава большой школы русских химиков-органиков (А.М. Бутлеров, Н.Н. Бекетов, А.П. Бородин, А.Н. Энгельгардт, Л.Н. Шишков, А.М. Зайцев, В.В. Марковников и др.), один из организаторов Русского физико-химического общества и первый его президент; ученый секретарь, председатель академического суда; член мануфактурного совета Министерства финансов, Военно-медицинского ученого комитета, Николай Николаевич Зинин (1812–1880) снискал мировую славу синтезом анилина – исходного продукта в производстве богатейшего разнообразия веществ многих отраслей промышленности.

Ни одна биография Н.Н. Зинина не обходится без слов председателя Германского химического общества А.В. фон Гофмана, сказанных им на заседании общества 8 марта 1880 г. в память о почившем русском химике: «Если бы Зинин не научил нас ничему более, кроме превращения нитробензола в анилин, то и тогда его имя осталось бы записанным золотыми буквами в историю химии». Что и говорить, модифицировав этот способ получения анилина, немецкий химик занялся синтезом анилиновых красителей и стал основателем анилинокрасочной промышленности в Германии.

Согласно энциклопедическим данным, анилин (фениламин) – органическое соединение с формулой С6H5NH2, бесцветная маслянистая жидкость с характерным запахом, на воздухе красно-бурая. Слово «анилин» происходит от названия растения, содержащего индиго – Indigofera anil.

Это вещество, впервые полученное в 1826 г. при перегонке индиго с известью немецким химиком О. Унфердорбеном, было названо им «кристаллином». Позднее вещество было обнаружено в каменноугольной смоле и названо «кианолом». Полученное нагреванием индиго с раствором КОН обрело название «анилин».

Прежде чем Зинин занялся данной проблемой, анилин не имел никакого технического применения, поскольку получался в незначительных количествах и с чрезвычайно низким выходом – не более 15 %.

Н.Н. Зинин

Зинин начал свои исследования после окончания Казанского университета во время длительной командировки по научным учреждениям Европы и продолжил их по возвращении домой. С целью изучения свойств масла горького миндаля и нитробензола химик обрабатывал их разными веществами, в частности сероводородом и раствором сульфида натрия. Ученый и не думал получать анилин – он у него «получился». Ожидая обрести серу, химик синтезировал новое вещество, которое назвал «бензидам».

В 1842 г. в столичном «Бюллетене Академии наук» была опубликована статья Зинина «Описание некоторых новых органических оснований, приготовленных действием сероводорода на соединения углеводородов с азотистой кислотой», в которой сообщил о получении бензидама и нафталидама (альфа-нафтиламин). Открытие вызвало интерес у европейских ученых и статью перепечатали многие научные журналы.

А.В. фон Гофман, активно занимавшийся красителями, в 1843 г. доказал идентичность бензидама Зимина с анилином, кианолом и кристаллином, полученными другими учеными. Несмотря на идентичность веществ, бензидам был получен несравненно более простым способом, нежели при разложении тех же индиго или каменноугольной смолы.

За новым веществом закрепилось название «анилин», а метод его получения (как и получения всех ароматических аминов) восстановлением нитросоединений с тех пор называют реакцией Зинина.

Эта реакция давала возможность совершенствовать ее, получать новые вещества, что и было сделано Гофманом, самим Зининым и другими химиками-органиками.

Продолжая изучать возможности открытой им реакции и применяя ее к моно– и динитропроизводным бензола, а также к нитрокислотам, Зинин получил из нитробензола семинафтилидам (нафтилендиамин), семибензидам (м-фенилендиамин), дезоксибензоин, бензаминовую кислоту, синтезировал азоксибензол, гидразобензол, бензидин – промежуточный продукт анилинокрасочной индустрии, исходный материал для синтеза сотен марок субстантивных красителей.

Работы Зинина заложили научную основу для развития анилинокрасочной промышленности и, как следствие, развития органической химии вообще. Спустя несколько лет анилин и нафтиламин стали основой промышленного производства анилиновых красителей во всем мире. Первым такое производство организовал Гофман, заменив восстановитель сульфид аммония водородом в момент выделения. Первый фиолетовый краситель мовеин на основе анилина появился в 1856 г., через 2 года – красный фуксин.

В настоящее время анилин получают восстановлением нитробензола чугунными опилками с соляной кислотой, что стало развитием зининского подхода к данной проблеме.

Анилин используется при производстве искусственных каучуков, гербицидов, сложных органических красок и красителей, фотографических материалов, взрывчатых средств, душистых веществ, лекарственных препаратов (сульфаниламидные препараты), полиуретана, из которого изготавливают пенополиуретаны, уплотнения, герметики, клеи, формы для декоративных камней, защитные покрытия, лакокрасочные изделия, пластмассы, валы, ролики, пружины, изоляторы, имплантаты и т. п.

В 1853 г. во время Крымской кампании Зинин совместно с инженером-артиллеристом В.Ф. Петрушевским предложил Артиллерийскому ведомству заменить порох в гранатах на нитроглицерин, который он получал в своей лаборатории по разработанному им прогрессивному методу синтеза нитроглицерина из глицерина. По ряду причин эксперименты с новым взрывчатым веществом первоначально не дали надежных результатов. О своих опытах Зинин рассказал соседу по даче А. Нобелю, сыну «минного короля» Э. Нобеля, и когда Альфред через 6 лет занялся получением взрывчатки, то предпринял серию испытаний с различными абсорбентами, пропитанными нитроглицерином. На полученный в 1866 г. динамит шведский предприниматель приобрел американский патент. Н.Н. Зинин, как и с анилином, вновь подарил иностранцу плоды своих трудов. И хотя к тому времени нитроглицерин уже успешно применяли и в России – для подземных и подводных взрывов, химик бросил: «Этот Альфред Нобель выхватил у нас динамит из-под носа». Ничего не поделаешь, это судьба многих русских ученых, озабоченных научной стороной дела, а не ее финансовой подкладкой. Впрочем, всегда ли нужна созидателям слава Герострата?

ТЕОРИЯ ХИМИЧЕСКОГО СТРОЕНИЯ ВЕЩЕСТВА БУТЛЕРОВА

Химик, ботаник, энтомолог-лепидоптерист (специалист по бабочкам), пчеловод, садовод, чаевод; общественный деятель, лектор, популяризатор науки, пропагандист научного спиритизма; профессор химии Казанского университета, заслуженный профессор Петербургского университета, организатор и заведующий академической химической лабораторией Петербургского университета, профессор Высших женских курсов; академик Петербургской АН; председатель отделения химии Русского физико-химического общества, вице-президент императорского Вольного экономического общества (ВЭО); почетный член Казанского и Киевского университетов, Медико-хирургической академии, английского и немецкого химических обществ, член многих других русских и иностранных ученых обществ; ректор Казанского университета; лауреат Ломоносовской премии, кавалер Большой золотой медали ВЭО, Александр Михайлович Бутлеров (1828–1886) всемирно известен своими теоретическими и экспериментальными работами в области органической химии. Бутлеров является главой первой русской школы химиков-органиков, создателем классической теории химического строения вещества.

На лекции Бутлерова «О воде», «О светильном газе», о бабочках Волги и Урала, о пчелах и растениях-медоносах, о медиумах и т. п. публика ходила охотнее, чем в театр. Профессор рассказывал о любом предмете, включая химические цепи, так увлеченно и с такой образностью, что слушатели выносили из аудитории помимо обретенных знаний еще такой заряд бодрости, какой не всегда получишь и на водевиле.

Александра Михайловича интересовало все, он был жаден не только до химической науки, но и до живой природы, и все свои знания преподносил так нестандартно, но в то же время просто, что его с равным удовольствием слушали студенты и академики, статские советники и барышни.

Чем бы ни занимался знаменитый химик, везде он оставил заметный вклад, не потускневший со временем. Даже в спиритизме. Интересно, что вопросы медиумизма интересовали его не меньше, чем права женщин на высшее образование или засилье иностранцев в Петербургской АН. Но вернемся к главному предмету нашей книги – научным достижениям ученого. Они велики. Особенно в главном деле его жизни – в структурной теории химического строения.

В середине XIX в. органическая химия (новый раздел химии, занявшийся изучением соединений углерода, их структуры и свойств) пребывала в начальной стадии развития. Возникнув в 1828 г. с получением Ф. Вёлером органического вещества – мочевины, наука прошла еще только один этап – разработку теории валентности А.С. Купером и Ф.А. Кекуле в 1857 г. Как видим, поля молодой науки еще не были даже толком вспаханы. И на них славно потрудился Бутлеров.

Во время своей первой заграничной командировки по Германии, Франции, Англии, Швейцарии, Италии (1857–1858) русский ученый познакомился с трудами выдающихся химиков той поры – Ф.А. Кекуле, Р.В. Бунзена, Э. Эрленмейера, Ш.А. Вюрца и др., а также провел в их лабораториях собственные экспериментальные исследования. В этих опытах был открыт новый способ получения йодистого метилена, впервые синтезирован гексаметилентетрамин (уротропин) C6H12N4 из полимера формальдегида HC(O) H и аммиака NH3, впервые был выделен метиленитан – сахаристое вещество состава C6H12O6 (ныне формоза или акроза). Этот полный синтез глюкозы, осуществленный химиком, стал открытием мирового уровня.

Развивая отдельные положения теории атомности элементов Кекуле, Бутлеров пришел к идее химического сродства химических атомов, на которой и возвел здание теории химического строения (называемой еще «теорией строения молекулы», или структурным учением).

А.М. Бутлеров. Неизвестный художник

В 1861 г. на химической секции 16-го Съезда немецких естествоиспытателей и врачей в Шпейере Бутлеров в своем знаменитом докладе «Нечто о химическом строении тел» изложил начала новой теории, квинтэссенция которой сводилась к следующему:

«Полагая, что каждому химическому атому свойственно лишь определенное и ограниченное количество химической силы (сродства), с которой он принимает участие в образовании тела, я назвал бы химическим строением эту химическую связь, или способ взаимного соединения атомов в сложном теле… Химическая натура сложной частицы определяется натурой элементарных составных частей, количеством их и химическим строением».

Там же Бутлеров наметил пути для определения химического строения, «впервые объяснил явление изомерии тем, что изомеры – это соединения, обладающие одинаковым элементарным составом, но различным химическим строением».

Может быть, потому, что доклад был принят немецкими химиками довольно прохладно, все свои теоретические выводы ученый поспешил подтвердить блестящими экспериментами. Собственно, этому он посвятил всю свою жизнь, и для этого создал первую русскую школу химиков-органиков, в которой воспитал будущих профессоров В.В. Марковникова, А.Н. Попова, А.М. Зайцева, Д.П. Коновалова, А.Е. Фаворского, М.Д. Львова, И.Л. Кондакова и др.

Десятки последователей Бутлерова были благодарны учителю за то, что он научил их главному в профессии ученого-химика – лабораторным приемам и методам исследования веществ, получаемых часто с невероятным трудом и в мизерных количествах, а также следованию в трактовке полученных результатов общим принципам теории.

Теория химического строения тел внесла новое направление в химические исследования и оказала огромное влияние на развитие органической химии в новейшее время. Она полностью вошла в элементарные курсы органической химии, так же как и многие другие работы Бутлерова, написанные на ее основе и в ее развитие. Теория дала в руки исследователей возможность по химическому строению вещества судить о его свойствах. Предсказывание свойств еще не открытых веществ в химии стало революционным открытием – и по сути своей, и по масштабу – равновеликим Периодической таблице элементов Менделеева. (К слову сказать, скептик Менделеев полностью признал справедливость теории гениального современника лишь спустя десять лет после смерти Бутлерова.) Уже в XX в. бутлеровская концепция взаимного влияния атомов получила электронную интерпретацию.

Так, на основаниях теории химического строения было предсказано, а затем и доказано существование позиционной и скелетной изомерии, третичного бутилового спирта и его изомеров, двух бутанов, трех пентанов, триметилформена, изобутилена, триметилуксусной кислоты, осуществлен синтез пинаколина, изучены металлоорганические соединения, начато систематическое исследование полимеризации, завершившееся открытием С.В. Лебедевым промышленного способа получения синтетического каучука…

Показав возможность обратимой изомеризации, ученый заложил еще и основы учения о таутомерии (явление обратимой изомерии, при которой два или более изомера легко переходят друг в друга).

В развитие своей теории Бутлеров в 1863 г. опубликовал в «Kritische Zeitschrift f. Chemie» и в «Ученых записках Казанского университета» основополагающую статью «О различных способах объяснения некоторых случаев изомерии», а в 1864–1866 гг. издал в Казани тремя выпусками «Введение к полному изучению органической химии», которое тут же было переведено на немецкий язык. Полностью базировавшееся на идеях теории химического строения, «Введение» (фактически заново написанный курс органической химии) в считаные годы стало достоянием всего научного мира. Проникновению учения во многом способствовала одновременная публикация многочисленных работ Бутлерова на русском, немецком и французском языках в химических журналах разных стран.

Став основой современной органической химии, химической физики, биохимии, генетики, теория Бутлерова служит источником бесконечного ряда открытий, имеющих теоретическое и практическое значение. По образному определению Я.К. Голованова, Бутлеров «химию “плоскостную”… сделал “объемной”, создал мир новых химических измерений, показал, как в этом мире становится объяснимо то, что вчера еще нельзя было объяснить».

Что же касается синтезированных Бутлеровым веществ, без них сегодня не обходятся многие отрасли хозяйства. Йодистый метилен, например, – первое вещество. полученное химиком, активно используется минералогами и петрографами при определении удельного веса и состава минералов и горных пород, а разнообразные углеводороды и спирты, которыми занимался ученый, ныне производятся миллионами тонн.

ФИЗИЧЕСКАЯ ХИМИЯ И АЛЮМИНОТЕРМИЯ БЕКЕТОВА

Химик, лектор, популяризатор, общественный деятель; профессор химии Харьковского университета и Высших женских курсов; ординарный академик Петербургской АН, член Парижского химического общества; основатель и глава научной физико-химической школы; председатель Русского физико-химического общества; инициатор и член ряда научных и просветительных обществ; заведующий химической лабораторией Петербургской АН, основатель нескольких термохимических лабораторий; лауреат Ломоносовской премии Петербургской АН; тайный советник, Николай Николаевич Бекетов (1827–1911) является одним из основоположников физической химии и химической динамики, создателем алюминотермии.

На Западе основоположником физической химии в ее современном виде считается немецкий ученый В. Оствальд, возглавивший первую кафедру физической химии Лейпцигского университета в 1888 г., а родоначальником алюминотермии – немецкий химик Г. Гольдшмидт, получивший свои первые результаты в 1894–1898 гг.

Правда, Н.Н. Бекетов занимался этим несколько ранее. В 1865 г. русский ученый защитил докторскую диссертацию «Исследования над явлениями вытеснения одних элементов другими», представляющую собой обширное физико-химическое экспериментальное исследование, и тогда же начал читать первый курс лекций по современной физической химии в Харьковском университете. (До этого в течение 5 лет Бекетов вел «Специальный курс органической химии и отношение физических и химических явлений между собой».) Кстати, тогда В. Оствальду было всего 12 лет.

Алюминотермию Бекетов открыл и вовсе в 1859 г., за два года до рождения Г. Гольдшмидта, а когда Гансу исполнилось 4 годика, русский химик уже разработал методы «химического» производства алюминия. Фабрики Германии и Франции, внедрившие этот метод, к 1890-м гг. давали четверть мирового производства алюминия. Гольдшмидт же осваивал т. н. внепечной процесс – одно из направлений алюминотермии.

Н.Н. Бекетов

Старая история Старого Света! Научные приоритеты на Западе дело тонкое. Займемся делом.

Первым физической химией как наукой занялся М.В. Ломоносов. Он даже читал курс «Введение в истинную физическую химию» в 1752–1754 гг. Затем сто лет наука развивалась своим естественным путем, пока Бекетов вновь не втиснул ее в русло университетской программы. Эта научная и учебная новация была как нельзя более кстати. Во-первых, потому, что и сам Бекетов на примере своих теоретических выкладок и процесса алюминотермии прекрасно продемонстрировал принципы физической химии как самостоятельной науки, имеющей практическое применение. И во-вторых, открытый Д.И. Менделеевым в 1869 г. периодический закон химических элементов и ряд работ европейских ученых обрели в этой науке свое надежное основание.

Историки науки, отмечавшие неординарность общего бекетовского подхода к химии, любят говорить об ученом как о химике-философе. В то время как европейские химики занимались исключительно открыванием новых тел и новых соединений, Бекетов, не соблазняясь жаждой открытия новых фактов, «медленно шел по трудному пути теоретической химии и стремился к решению вопроса о том, где источник, где причина того, что в химии определяется термином “химическое сродство”».

На этот путь химик ступил во время 15-месячной командировки в научные учреждения Европы. Начал Бекетов с того, что в парижской Сорбонне у академика Ж.Б. Дюма стал изучать зависимость направления химических реакций от состояния реагентов и внешних условий. В 1858 г. ученый приступил к исследованию действия водорода на водные растворы солей серебра, цинка на хлориды бария и кремния, магния на фторид алюминия. В этих весьма опасных опытах, проводимых в запаянных стеклянных трубках, когда давление доходило до 100 атм, химик обнаружил, что водород, магний и цинк вытесняют металлы из их солей, то есть восстанавливают их.

Посвятив несколько лет исследованиям этих реакций восстановления металлов, химик убедился, что наибольшей устойчивостью (прочностью) обладают соединения противоположных по характеру элементов с наиболее близкими атомными весами (паями). Помимо этого Бекетов указал также на то, что количество тепла, выделяемое при соединении простых тел, представляет собою «разность между сродствами однородных и сродствами разнородных атомов» и что при реакции «менее плотное тело вытесняет более плотное». Определяя теплоты образования оксидов и хлоридов щелочных металлов, Бекетов впервые в мире получил безводные оксиды щелочных металлов.

Изучая вытеснение одних элементов другими и впервые наблюдая протекание реакции в двух направлениях, Бекетов установил, что на направление химической реакции влияет концентрация реагентов и давление, дал формулировку состояния равновесия. Предположив также, что химические явления связаны с относительными массами и расстояниями между центрами действующих частиц, ученый вплотную подошел к одному из главных химических законов – закону действующих масс, устанавливающему соотношение между массами реагирующих веществ в химических реакциях при равновесии, а также зависимость скорости химической реакции от концентрации исходных веществ. Этот закон в его классическом виде был сформулирован в 1867 г. норвежскими учеными К. Гульдбергом и П. Вааге.

Установив «вытеснительный ряд металлов», повторенный позднее электрохимическим рядом активности (напряжений), Бекетов в качестве наиболее сильных восстанавливающих агентов в этом ряду увидел глиний (алюминий) и магний. С их помощью ученый получил металлический барий, рубидий, цезий, хром, ванадий, марганец, вольфрам, освоил промышленное производство алюминия.

Описание опыта можно найти у самого Бекетова: «Я взял безводную окись бария и, прибавив к ней некоторое количество хлористого бария, как плавня, положил эту смесь вместе с кусками глиния в угленой тигель и накаливал его несколько часов. По охлаждении тигля я нашел в нем металлический сплав уже совсем другого вида и физических свойств, нежели глиний. Этот сплав имеет крупнокристаллическое строение, очень хрупок, свежий излом имеет слабый желтоватый отблеск; анализ показал, что он состоит на 100 частей из 33,3 бария и 66,7 глиния, или, иначе, на одну часть бария содержал две части глиния».

Типичная реакция с выделением огромного количества тепла Q (температура достигает 2000–3000 °C) имеет вид:

Созданные Бекетовым основы методов алюминотермии и магниетермии позволили по аналогии создать позднее калиетермию и кальциетермию. Обобщает все эти методы металлотермия, с помощью которой удается получать титан, ниобий, цирконий, бор, уран, стронций, гафний, редкоземельные элементы, огнеупорный термиткорунд, магниды и другие металлы и сплавы.

Алюминотермия незаменима при сварке стальных трамвайных рельсов, проводов, труб, металлических конструкций. В место стыка засыпается термит (смесь порошка алюминия с железной окалиной), поджигается и буквально за минуту рельсы свариваются.

Говорят, химия – скучная вещь. Отнюдь. Однажды в кабинет Бекетова вбежал взволнованный слуга:

– Николай Николаевич! В вашей библиотеке воры!

Ученый с трудом оторвался от расчетов:

– И что же они, интересно, читают?..

ПЕРИОДИЧЕСКИЙ ЗАКОН МЕНДЕЛЕЕВА

Ученый-энциклопедист – химик, физик, метролог, технолог, экономист, приборостроитель, педагог; почетный член и дипломант 130 российских и зарубежных академий, университетов, научных обществ и организаций; обладатель многих орденов и медалей; один из главных консультантов российского правительства по ряду научных и народнохозяйственных проблем – от бездымного пороха и воздухоплавания до таможенных тарифов и реформы высшего образования, внук сельского священника П.М. Соколова, Дмитрий Иванович Менделеев (1834–1907) знаменит открытием периодического закона химических элементов (1869) – естественно-научной основы современного учения о веществе.

Охотники до фактов с удовольствием расскажут о том, что Менделеев изготовил 40-градусную водку, во сне увидел свою таблицу, а на досуге мастерил классные чемоданы. Любители поэзии добавят, что на дочери химика был женат А. Блок. Сам же Дмитрий Иванович, человек знаменитый, но очень скромный, делом своей жизни считал «три службы Родине». «Плоды моих трудов – прежде всего в научной известности, составляющей гордость – не одну мою личную, но и общую русскую… Лучшее время жизни и ее главную силу взяло преподавательство. Из тысяч моих учеников много теперь повсюду видных деятелей, профессоров, администраторов, и, встречая их, всегда слышал, что доброе в них семя полагал, а не простую отбывал повинность. Третья служба моя Родине наименее видна, хотя заботила меня с юных лет по сих пор. Это служба по мере сил и возможности на пользу роста русской промышленности» (из неотправленного письма председателю Совета министров С.Ю. Витте).

Портрет Д.И. Менделеева. Художник Н.А. Ярошенко

«Три службы» включали в себя больше двух десятков направлений деятельности Менделеева, в которых ученый достиг выдающихся результатов. Свои фундаментальные исследования он провел в неорганической и органической химии; в химии твердого тела и теории растворов; в физике жидкостей и газов; в технологии твердого топлива и стекла; в технологии нефти и экономике нефтяной промышленности; в метеорологии и воздухоплавании; в кораблестроении и освоении Крайнего Севера; в метрологии и эталонах; в биологии и медицинской химии; в агрохимии и сельском хозяйстве; в вопросах народонаселения…

К Менделееву как к эксперту часто обращались государственные чиновники. По государевой и по своей доброй воле он объездил страну вдоль и поперек, изучил множество учебных заведений и производств, везде серьезно влиял на ситуацию и всегда добивался положительного эффекта. Ученый оставил 500 научных работ и целую армию учеников, прославивших Россию.

Трижды выдвигаемый иностранными учеными на Нобелевскую премию (1905, 1906, 1907), Менделеев так и не был удостоен этой награды – дважды по причине закулисных интриг Нобелевского комитета и в третий раз – по причине своей смерти. Видно, не судьба была получить русскому ученому премию А. Нобеля, с братом которого у Дмитрия Ивановича был серьезный конфликт из-за хищнического способа потребления Нобелями и Ко российской нефти.

Один из главных трудов Менделеева – учебник «Основы химии» (1868–1871), выдержавший восемь изданий и переведенный на основные европейские языки, – повлиял на тысячи химиков-неоргаников. Этой работой, стержнем которой является открытый ученым периодический закон химических элементов, Менделеев заложил фундамент здания современной химии и ряда смежных наук. Как выяснилось, без знания этого закона, на основе которого была создана периодическая система элементов, немыслимы никакие химические и физические исследования вообще.

На вопрос журналистов, правда ли, что таблицу ученый увидел во сне (а это действительно было так, но не спонтанно, а после многолетних раздумий), ученый не без иронии отвечал: «Я над ней, может, двадцать пять лет думал, а вы полагаете: сидел, и вдруг пятак за строчку, пятак за строчку, и готово!»

До этого мифа родился еще один – что Менделеева «родной отец» водки. Водку Дмитрий Иванович не «открывал». Докторскую диссертацию на тему «Рассуждение о соединении спирта с водою» в 1865 г. защитил, было дело, но уже после защиты назвал идеальной крепость водки 38°. (Это число округлили до 40, дабы акциз повысить.)

Однако же именно эта диссертация подвигла ученого на раздумья (которые, впрочем, были у него еще со студенческой скамьи). Получив через два года после ее защиты в университете кафедру неорганической химии, которую он занимал потом 23 года, профессор обнаружил, что собственно курса общей химии и нет – ни у нас, ни на Западе. И, не откладывая в долгий ящик, взял и этот курс за год написал. При подготовке второго выпуска учебника автор при систематизации химических элементов объединил их по сходным свойствам и атомному весу в несколько групп: литий, натрий и калий; хлор, бром и йод; кальций, стронций и барий и т. д. Собственно, это и стало первым шагом ученого к его великому открытию.

До Менделеева ряд европейских ученых (А.Э. Шанкуртуа, И.В. Деберейнер, Д.А. Ньюлендс, Ю.Л. Мейер и др.) были на полпути к открытию этого закона, но ни одна из предложенных ими систем не охватывала всю совокупность известных химических элементов, и предлагаемые группы элементов объединялись не по четкой закономерности, а порой произвольно.

Заведя для всех элементов (на тот момент их было 63) «именные» карточки и пытаясь найти в их взаимном расположении некую закономерность, Менделеев совершил нестандартный шаг. Исходя из своих предпосылок о повторяемости свойств элементов, он уточнил атомные веса нескольких элементов (например, урана вместо 60– 240), сделал рокировку элементов (кобальта с никелем, теллура с йодом и т. п.), три карточки оставил вовсе вакантными – под будущие, еще не открытые элементы, но с предсказанными им свойствами и атомным весом. В 1869 г. химик опубликовал первый вариант своей таблицы (19 строк, 6 столбцов) как графическую иллюстрацию закона, по которому «свойства простых тел, а также формы и свойства соединений элементов, а потому и свойства образуемых ими простых и сложных тел стоят в периодической зависимости от их атомного веса». Впервые Дмитрий Иванович назвал закон «периодическим» в 1870 г.

Сущность открытия заключалась в том, что с ростом атомной массы химических элементов их свойства меняются периодически. После определенного количества разных по свойствам элементов, расположенных по возрастанию атомного веса, свойства повторяются, хотя и с определенными изменениями.

В дальнейшем автор неоднократно перекраивал свою таблицу: перенес из центра таблицы на ее края галогены и щелочные металлы, исправил атомные веса одиннадцати элементов, изменил местоположение двадцати. В 1871 г. периодическая (т. н. короткая) таблица приняла современный вид. Статью ученого «Периодическая законность для химических элементов» перевели на немецкий язык, разослали ее оттиски европейским химикам. Но таблица завоевала мир не сразу. Только через 15 лет, когда были открыты галлий, скандий и германий, свойства которых с удивительной точностью предсказал Менделеев, она стала для всех ученых неоспоримым, как таблица умножения, фактом. Дальнейшее развитие периодической системы было связано с заполнением пустых клеток таблицы, в которые помещались новые элементы: благородные газы, природные и искусственно полученные радиоэлементы. Появление квантовой теории дало новое, более глубокое содержание этой системе.

За 140 лет возникло несколько сотен вариантов изображения периодической системы (таблиц, кривых и других геометрических фигур). Сегодня в качестве основного принят т. н. длинный вариант (длиннопериодная форма), утвержденный Международным союзом теоретической и прикладной химии (IUPAC).

Прошел век, как нет Менделеева, и особый смысл обрели его слова о самом себе: «Ни капиталу, ни грубой силе, ни своему достатку я ни на йоту… не служил, а только старался… дать плодотворное промышленно-реальное дело своей стране в уверенности, что политика, устройство, образование и даже оборона страны ныне без развития промышленности немыслимы».

ОРГАНИЧЕСКИЙ КАТАЛИЗ И НЕФТЕХИМИЯ ЗЕЛИНСКОГО

Химик-органик, педагог, член многих академий и научных обществ мира, президент Московского общества испытателей природы, заслуженный деятель науки СССР, лауреат Премии им. В.И. Ленина, трижды лауреат Сталинской премии СССР, Герой Социалистического Труда, кавалер четырех орденов Ленина и двух орденов Трудового Красного Знамени, профессор МГУ, академик АН СССР, Николай Дмитриевич Зелинский (1861–1953) прославился как изобретатель первого в мире универсального угольного противогаза, создатель научной школы и основоположник гетерогенного органического катализа и нефтехимии.

Зелинский «двулик». Совместив в себе две ипостаси – ученого и педагога, он вошел в историю мировой науки как автор двух величайших научных достижений. Это – собственно его труды (их сотни) по органическому катализу и нефтехимии и научная школа, созданная Николаем Дмитриевичем в 1920–1930 гг. и воспитавшая более сотни профессоров, членов-корреспондентов и академиков АН СССР. Многие из учеников Зелинского – выдающиеся ученые А.Н. Несмеянов, А.А. Баландин, Б.А. Казанский, Л.Ф. Верещагин, К.А. Кочешков, С.С. Наметкин, К.П. Лавровский и др. – организовали собственные школы и внесли огромный вклад в развитие науки и промышленности страны. Этот очерк вполне можно было бы озаглавить «Школа химиков-органиков Зелинского». Посвятив себя, по его собственному признанию, «приложению научных истин для создания разнообразных химических ценностей, полезных человечеству», Зелинский не мог не воспользоваться широчайшими возможностями, предоставленными ему в начале 1920-х гг., для создания собственной школы. Тем более что тем самым он убивал сразу двух зайцев. У знаменитого к тому времени химика было столько идей и замыслов, что довести их до ума мог только научный коллектив, спаянный общей идеологией и заряженностью на подвижничество. Ученый стал одним из организаторов Института органической химии АН СССР (1934; ныне им. Зелинского), лаборатории сверхвысоких давлений этого института (1939), еще ряда лабораторий, Всесоюзного химического общества им. Д.И. Менделеева; являлся почетным членом Московского общества испытателей природы, а с 1935 г. – его президентом.

Н.Д. Зелинский. Художник П.И. Котов

С первого курса Николай посвятил себя органической химии; первое научное исследование в области химии глицидных кислот опубликовал в 1884 г. в «Журнале Русского физико-химического общества». Тогда же он получил диплом об окончании университета, был оставлен работать при кафедре химии и вскоре направлен на стажировку в Германию. В Геттингене, занимаясь синтезом новых веществ, Зелинский приготовил «промежуточный продукт – дихлордиэтилсульфид, – оказавшийся сильным ядом». Молодой человек, получив ожоги рук и тела, на целый семестр оказался прикованным к больничной койке. Как оказалось потом, Зелинский впервые синтезировал сильнейшее отравляющее вещество (ОВ) – иприт. Он же стал и его первой жертвой. Похоже, сама судьба направила химика в тот момент на мысли о создании эффективного средства против этого яда – противогаза.

В 1888 г. Зелинский был зачислен приват-доцентом в Новороссийский университет; на следующий год защитил диссертацию «К вопросу об изомерии в тиофеновом ряду» и стал магистром химии. А через 2 года блестяще защитил докторскую – «Исследование явлений стереоизомерии в рядах предельных углеродистых соединений» и был назначен экстраординарным профессором Московского университета по кафедре аналитической и органической химии, в котором потом, за перерывом в 6 лет (1911–1917), проработал всю свою жизнь. Научные интересы ученого сосредоточились на химии алициклических соединений, в первую очередь углеводородов, а также на химии нефти.

В 1915 г. немцы впервые применили на французском, а затем на русском фронте отравляющие вещества, от которых погибли десятки тысяч военных (всего за годы войны от них пострадало больше миллиона человек). Зелинский, придя к идее создания защиты от отравляющих газов, основанной на сорбируемости этих веществ активированным углем, разработал угольный противогаз, оказавшийся универсальным средством защиты от ОВ. Совместно с инженером Э.Л. Куммантом они предложили конструкцию, в которой поглотительный фильтр Зелинского был соединен с резиновой маской Кумманта. Противогаз Зелинского – Кумманта, принятый на вооружение во всех армиях с обеих сторон, спас сотни тысяч человеческих жизней. Только в России за время Первой мировой войны было произведено 11 185 750 таких противогазов. К слову, Зелинский, в отличие от Кумманта, запатентовавшего маску, не получил за свое изобретение ни копейки.

В Гражданскую войну, когда молодая республика оказалась отрезанной от нефтяных районов и была лишена топлива, Зелинский нашел выход и предложил метод получения бензина каталитическим крекингом мазута и солярки, находившихся в цистернах и нефтехранилищах Поволжья. Тогда же ученый разработал еще один метод, ставший одним из величайших его открытий, – обессеривание высокосернистых нефтей (каталитическое гидрирование в присутствии катализаторов) и получение таким образом топлива для двигателей внутреннего сгорания.

У Зелинского масса исследований, связанных с промышленной переработкой нефти. Поскольку терминология нефтехимии и вообще органической химии весьма трудна и специфична, обойдемся без «умных слов» и скажем лишь, что ученый стал автором теории дегидрогенизационного и гидрогенизационного катализа, которая тут же нашла свое практическое применения и вывела Зелинского в число крупнейших мировых химиков-органиков. Ученый открыл много новых явлений: селективный (избирательный) катализ, «необратимый катализ», каталитическое образование ароматических углеводородов из алканов и циклоалканов. А еще Николай Дмитриевич занимался биохимией, генезисом нефти, химией аминокислот, синтетическим каучуком, реакциями при сверхвысоких давлениях и при ультрафиолетовом излучении…

Идеи Зелинского продолжают жить в делах сегодняшних ученых. Ученики продолжили многие его работы, среди которых мультиплетная теория катализа, синтез углеводородов и исследование их каталитических превращений, синтетические алюмосиликаты-цеолиты, химия белка, органический синтез…

«Химия часто одаряла меня величайшими наслаждениями познания еще не разведанных тайн природы, – писал ученый. – Она дала мне возможность послужить людям… Я уверен, что ни один из тех, кто заинтересуется химией, не пожалеет о том, что выберет эту науку в качестве своей специальности».

Право, слова эти лишний раз подтверждают мысль, что не место красит человека, а человек – место.

ВЫСОКОЕ ДАВЛЕНИЕ ИПАТЬЕВА

Химик-органик, военный инженер, генерал-лейтенант, организатор отечественной химической промышленности, председатель Научно-технического совета химической промышленности, директор Института высокого давления; заслуженный профессор Михайловской артиллерийской академии, академик Петербургской АН (РАН, АН СССР), член многих академий и университетов Старого и Нового Света; лауреат Премии им. В.И. Ленина, кавалер французского ордена Почетного легиона, медалей Лавуазье, Бертло, Гиббса и др., заслуженный деятель науки и техники, «глава нашей химической промышленности» (В.И. Ленин), Владимир Николаевич Ипатьев (1867–1952) является автором нескольких десятков книг, сотен научных статей и изобретений, основоположником каталитического органического синтеза, разработчиком метода высокого давления и аппарата («бомбы Ипатьева») для изучения превращения веществ при высоких давлениях и температурах.

Долгая плодотворная жизнь Владимира Николаевича Ипатьева в науке состояла из трех периодов: дореволюционного (1895–1917), советского (1917–1930) и американского (1930–1952). Поскольку главные открытия были сделаны Ипатьевым в первый период, а самые важные работы написаны во втором, то есть в России, мы и посвящаем научным достижениям ученого этот очерк. Волей судеб оказавшись в Штатах, Ипатьев до последнего дня не порвал с родиной своих духовных связей, не раз безуспешно пытался вернуться домой. До 1936 г. все свои труды он печатал только в советских журналах и посылал дефицитное оборудование и лабораторный инвентарь в научные учреждения СССР.

В.Н. Ипатьев

Признанный в США «самым великим человеком во всей истории химии» (Ипатьев, к слову, не имел высшего химического образования) и названный в 1937 г. «человеком года», профессор и директор Лаборатории катализа и высоких давлений Нортуэстернского университета все заработанные им деньги вкладывал в развитие лаборатории, приглашая на работу только русских и американцев, знавших русский язык.

Увы, сегодня горько осознавать справедливость слов ученика Ипатьева, американского профессора Г. Сайнса, сказанных им после смерти Владимира Николаевича на чужбине: «Вы, русские, не представляете себе, кого вы потеряли в лице Ипатьева, не понимаете даже, кем был этот человек. Каждый час своей жизни здесь, в США, всю свою научную деятельность он отдал России. Беспредельная любовь к родине, какой я никогда и ни у кого из эмигрантов не видел, была той почвой, на которой произрастали все выдающиеся результаты исследовательских трудов Ипатьева».

Но перейдем к фундаментальным научным достижениям химика, которые навечно остались в России. Главное из них – «Каталитические реакции при высоких температурах и давлениях» – так называлась докторская диссертация Ипатьева (1908), в которой ученый обобщил свои исследования 1901–1907 гг. и которая принесла ему мировую известность. Позднее Владимир Николаевич выпустил под этим названием одну из лучших монографий катализа. Эта проблема и стала делом всей его жизни.

Своими исследованиями каталитических явлений Ипатьев продолжил изыскания русских химиков К.С. Кирхгофа, Г.Г. Густавсона, Д.П. Коновалова и др., а также работы французского химика П. Сабатье в области гетерогенного катализа. Развивая органический синтез с применением специальных катализаторов, Ипатьев вывел органическую химию на ведущее место и получил с помощью гетерогенного катализа, проводившегося в экстремальных условиях множество практически важных продуктов. Главным объектом изучения ученого были пирогенетические реакции, проводимые с катализатором глиноземом (А12О3) при высоких давлениях (больше 300–400 атм).

Цикл исследований Ипатьева открыл его доклад «О двойном каталитическом разложений алкоголей» (1901) и множество статей, посвященных разработанным им «высокотемпературным» методам. Одна из реакций, открытых ученым, ныне носит его имя.

Блестяще обосновав теоретически введение в каталитическую практику высокого давления, Ипатьев сконструировал специальный высокопрочный аппарат с термометром и термопарой (1904). «Бомба Ипатьева» стала прототипом современных химических реакторов и автоклавов.

Владимир Николаевич с первых своих работ в этой области был уверен в их практической пользе. «Метод высоких давлений, введенный в науку по моему почину, – писал он, – получит исключительное значение в промышленности жидкого горючего, подобно тому как он завоевал себе полное право гражданства в синтезах аммиака, мочевины, метанола и других важнейших химических продуктов».

В 1909 г. Ипатьев применил высокие давления и для проведения неорганических реакций, в частности, вытеснения металлов из водных растворов солей водородом. Тогда же ученый получил из этилового спирта бутадиен (дивинил), нашедший мировое применение как основной мономер в производстве синтетического каучука. Химик активно использовал многофункциональные катализаторы при крекинге, риформинге и других процессах переработки нефти, получил олефины из спиртов, первым из химиков осуществил полимеризацию этилена, указав на возможность получения полиэтилена различной молекулярной массы. Результаты работ Ипатьева нашли практическое воплощение в получении полиэтилена, изопрена, жидкого топлива из угля, в переработке нефти.

В годы Первой мировой войны глава Химического комитета при Главном артиллерийском управлении генерал-лейтенант Ипатьев, осуществляя снабжение фронта продуктами военной химии и руководство строительством новых химических предприятий, не забывал и про науку, но вернулся к ней вплотную уже после Гражданской войны. 1920-е гг. оказались наиболее плодотворной порой для научного творчества ученого. В частности, он установил, что ароматизация (процесс обогащения нефтяного сырья ароматическими углеводородами) необходима не только для получения из нефти бензола, толуола и их производных, но и для повышения антидетонационных свойств моторного топлива, что было тут же внедрено в практику моторостроения.

Эти и другие труды ученого подняли химическую промышленность СССР на уровень с западноевропейской и даже превысили его.

В США особо отметили заслуги Ипатьева в изготовлении высококачественных бензинов для американской авиации в период Второй мировой войны. Три завода, производящие это топливо, поставили в СССР и разместили их в Уфе, Красноводске и Орске.

В первой трети XX в. научная общественность не сомневалась, что нашедшие широкое применение методы высокого давления в химии будут увенчаны Нобелевской премией. Так и случилось – в 1931 г. немецкие химики-технологи Ф. Бергиус и К. Бош, последователи В.Н. Ипатьева, получили эту премию – «За заслуги по введению и развитию методов высокого давления в химии», с лестным панегириком: «Введение методов высокого давления в химию представляет собой эпохальное событие в области химической технологии».

Для большинства химиков осталось неясно, почему Королевская АН заслуги Ипатьева приписала другим лицам. Объяснение тому историки науки видят в том, что у русского ученого не было должным образом оформленного патента. Как правило, русские изобретатели вообще мало заботились о своевременном патентовании своих открытий.

Не исключено также, что Нобелевский комитет в данном случае, как и в ряде других, оказался в плену не научных, а политических пристрастий. С одной стороны, русские эмигранты не могли простить Ипатьеву его «сотрудничество с Советами», усугубленное еще тем обстоятельством, что в доме его брата Николая в Екатеринбурге была в 1918 г. расстреляна царская семья. С другой – европейцы всегда относились с предубеждением к научным достижениям россиян. Да и немецкий концерн «И.Г. Фарбениндустри», к тому времени подмяв под себя экономику западноевропейских стран, диктовал свою волю фактически всей Европе.

Нобелевский лауреат Ф. Бергиус позднее сам признал, что, в частности, его метод деструктивной гидрогенизации углей до жидкого моторного топлива был целиком основан на работах В.Н. Ипатьева.

ХРОМОТОГРАФИЯ ЦВЕТА

Химик, ботаник-физиолог, биохимик, приват-доцент Варшавского, профессор Юрьевского (ныне Тарту) и Воронежского университетов, действительный член Петербургского общества естествоиспытателей и Немецкого ботанического общества; лауреат Академической премии им. М.Н. Шахматова I степени, кавалер орденов Святого Станислава 3-й и 2-й степени, Святой Анны 3-й степени, юбилейной медали в честь 300-летия дома Романовых, Михаил Семенович Цвет (1872–1919) основные свои труды посвятил изучению пластид и пигментов растений и разработке методов их исследований. Созданная ученым хроматография стала одним из 20 великих открытий, преобразовавших, по мнению экспертов, науку, технику и промышленность XX века. Федерация европейских химических обществ относит М.С. Цвета наряду с четырьмя другими русскими учеными – Ломоносовым, Менделеевым, Бутлеровым и Семеновым к числу ста выдающихся химиков прошлого.

Наименование науки, открытия или изобретения довольно часто состоит из собственного названия и имени своего создателя. Например, геометрия Лобачевского, сварка Патона, «свеча Яблочкова». Но чтобы название науки совпадало с именем ее родоначальника – такое случается крайне редко. Ярчайший пример подобного слияния можно найти в хроматографии (от др.-греч. χρωµα – цвет и γράφω – пишу), открытой М.С. Цветом. В ней автор идеально вписался в название своего детища, невольно породив тавтологию и в заглавии нашего очерка – «Цвет Цвета», а точнее – «Цветопись Цвета». К слову заметим, что сам химик не был обуреваем тщеславием и менее всего повинен в таком совпадении; оно – всего лишь дело случая (а может, и судьбы). Михаил Семенович Цвет, сын итальянки – Марии де Дороцца и крупного русского чиновника Семена Николаевича Цвета, высшее образование получил в Швейцарии. Там же он стал доктором естественных наук. В 1896 г. Цвет приехал в Россию и несколько месяцев не мог устроиться на работу по единственной причине – степень доктора Женевского университета у нас не признавалась, поскольку по тогдашним требованиям не «тянула» даже на степень бакалавра. Многомесячное прозябание подтолкнуло ученого к повторной защите магистерской диссертации в Казанском университете в 1901 г., после чего он занял место ассистента кафедры физиологии и анатомии растений Варшавского университета. Житейские неурядицы (Цвет, не имея жилья, несколько лет ночевал в ботаническом кабинете на лабораторном столе), видимо, только способствовали его истовым занятиям.

М.С. Цвет

Изучая физиологию растений, ученый жаждал расшифровать зеленый пигмент листьев. Этой проблемой в мире занималось тогда множество химиков и ботаников, но никто не мог разделить близкие по свойствам пигменты (неорганические красители). Применявшиеся для этих целей стандартные процедуры были невероятно сложны и громоздки и требовали большого числа реактивов.

Чтобы выделить и очистить пигменты зеленого листа – хлорофиллы, Цвет провел множество опытов (было исследовано более ста различных по своей природе минеральных и органических адсорбентов), заключавшихся в том, что в стеклянную трубку с тонко измельченным порошком очищенного мела он наливал зеленый раствор пигментов, а затем по каплям добавлял бензол. Пигменты адсорбировались (поглощались) крупинками мела и, растворяясь, опускались вниз. Там они разделялись с образованием окрашенных колец – от ярко-зеленого до желто-оранжевого цвета.

Извлеченный из трубки мел разрезался на цветные кружочки, представлявшие собою индивидуальные вещества, и затем исследовался. Полученную при разделении веществ разноцветную картину, напоминавшую разложение света на спектр, Цвет и назвал хроматограммой, а метод – хроматографией.

Ученый нашел, что кружочки являли собою два вида хлорофиллов и каротиноиды (пигмент, окрашивающий осенью листья в разные цвета). То есть разделив считавшийся дотоле однородным зеленый пигмент на несколько веществ, Цвет впервые получил в чистом виде хлорофиллы А и B. Эти исследования вообще развеяли убежденность ботаников в том, что в каждом растении содержится свой вид хлорофилла – дубовый, пихтовый, ромашковый… Цвет сузил поиск хлорофиллов до двух форм. Позднее этот метод позволил получить в чистом виде хлорофиллины a, b, g (хлорофиллы a, b, с) и ряд изомеров ксантофилла.

Химик был уверен, что новый метод подойдет и для разделения бесцветных веществ, что вскоре нашло свое подтверждение. Тогда же Цвет сформулировал и закон адсорбционного замещения.

Впервые о своих исследованиях Цвет сообщил в двух докладах – на XI Съезде естествоиспытателей и врачей в Санкт-Петербурге (1901) и на заседании ботанического отделения Варшавского общества естествоиспытателей (1903).

Термин «хроматография» в первый раз появился в двух печатных работах Цвета в 1906 г., опубликованных в немецком журнале «Berichte der Deutschen Botanischen Gesellschaft». А в 1907 г. Цвет выступил на заседании Немецкого ботанического общества с сообщением об открытии хроматографии и продемонстрировал первый хроматограф и принцип его действия.

После этого ученый занимался доработкой своего метода до начала Первой мировой войны. В 1910 г. Цвет защитил диссертацию на степень доктора ботаники; в 1911 г. сделал доклад на втором Менделеевском съезде «Современное состояние химии хлорофилла»; получил Большую премию РАН им. М.Н. Ахматова за книгу по теме диссертации – «Хромофиллы в растительном и животном мире».

Гениально простой метод был не воспринят современниками. Более того, нашлось немало ниспровергателей. Скорее всего, по этой причине ученого забаллотировал Нобелевский комитет в 1918 г. и открытие было забыто на 10 с лишним лет.

В конце войны немцы заняли Юрьев, где в университете преподавал Михаил Семенович. Цвет вынужден был эвакуироваться в Воронеж. Там профессор ботаники по какой-то причине остался без продовольственных карточек. Он читал лекции в университете, хотя в последние дни от слабости не мог стоять за кафедрой. 26 июня 1919 г. ученый умер от голода. Могила была затеряна, найдена лишь в 1992 г. На плите оставили надпись: «Ему дано открыть хроматографию – разделяющую молекулы, объединяющую людей».

Открытие Цвета получило широкое признание в 1930-х гг., когда стало применяться для разделения и идентификации пигментов, витаминов, ферментов, гормонов и других органических и неорганических соединений.

В СССР метод и имя Цвета вернулись с Запада, где сохранились считавшиеся утраченными в войну рукописные труды ученого.

Вряд ли какой другой метод исследования веществ развивался в середине XX в. так же бурно, как хроматографический. Он стал «виновником» доброго десятка Нобелевских премий, поскольку был основой большинства достижений в науке и технике XX в.

По мнению доктора химических наук В.А. Даванкова и доктора химических наук Я.И. Яшина, хроматография представляет собою сегодня «самый распространенный и совершенный метод разделения смесей атомов, изотопов, молекул… уникальный метод качественного и количественного анализа сложных многокомпонентных смесей; самостоятельное научное направление и важный физико-химический метод исследования и измерения; препаративный и промышленный метод выделения веществ в чистом виде; мощную отрасль научного приборостроения».

Это чрезвычайно эффективный процесс, позволяющий в одном эксперименте разделять более 1000 индивидуальных компонентов и до 2000 белков в биологических объектах либо использовать его для сверхтонкой очистки вещества.

Диапазон применения хроматографических методов огромен: от анализа атмосферы планет Солнечной системы до полного анализа содержимого одной живой клетки.

Выдающуюся роль хроматография играет в химической, нефтехимической, газовой, целлюлозно-бумажной, пищевой и других отраслях промышленности; в технологическом контроле и поддержании оптимального режима производства; в контроле исходного сырья и качества готовой продукции; в анализе газовых и водных сбросов производства.

На каждом крупном заводе постоянно функционирует до 600 газовых хроматографов; в лабораториях Госсанэпиднадзора, экологических центрах, токсикологических лабораториях, в учреждениях Водоканала, в лабораториях Госкомгидромета, в ветеринарных лабораториях, на станциях защиты растений, в лабораториях судебной и судебно-медицинской экспертизы эксплуатируются десятки, если не сотни тысяч газовых, жидкостных и ионных хроматографов.

СИНТЕТИЧЕСКИЙ КАУЧУК С.В. ЛЕБЕДЕВА

Химик-органик; профессор Военно-медицинской академии, Ленинградского технологического, Психоневрологического и Женского педагогического институтов, ЛГУ; академик АН СССР; организатор и руководитель ряда лабораторий (химической переработки нефти, каменного угля, синтетического каучука, высокомолекулярных соединений АН СССР); заведующий химической частью завода «Нефтегаз»; кавалер золотой медали Международной выставки по железнодорожному делу, двух почетных золотых медалей Российской АН, ордена В.И. Ленина; лауреат Большой премии И.Д. Толстого Российской АН, Премии им. Ф.Э. Дзержинского за исследования в области каталитической гидрогенизаци, Сергей Васильевич Лебедев (1874–1934) является основоположником промышленного способа получения синтетического каучука.

С появлением в начале XX в. автомобилей, аэропланов, танков и тракторов на резиновом ходу резко возросла потребность в шинах. Новые отрасли промышленности (в первую очередь электротехническая) нуждались в электроизоляционных материалах, прорезиненных тканях, конвейерных лентах, приводных ремнях, уплотнителях, резиновых клеях, всевозможных шлангах и рукавах. Ассортимент товаров широкого потребления пополнился резиновой обувью, одеждой, игрушками, спортивным инвентарем, предметами санитарии и гигиены. Появился спрос на водолазные костюмы и прочую экзотику. Поначалу резины на эти цели хватало. Сырьем для нее служил натуральный каучук из млечного сока (латекса) бразильской гевеи, произраставшей на плантациях в тропических странах. («Каучу» – сок гевеи, с языка индейцев Амазонки.)

Резину получают при вулканизации этого полимера – высокомолекулярного непредельного углеводорода элементарного состава (С5Н8)n. Главная способность каучука заключается в высокой эластичности при комнатных и умеренно низких температурах – метровую пластинку можно растянуть до 9 м без потери свойств.

В довоенной России резиновая промышленность была развита слабо, и отношение властей, да и научного сообщества к работам химиков, занимавшихся невероятно сложной «резиновой» проблемой, также оставляло желать лучшего.

С.В. Лебедев

Первая мировая война выявила колоссальную зависимость любой страны от каучука. Стоило Антанте отрезать Германию от импорта каучука, как у подданных кайзера Вильгельма II тут же начались серьезные проблемы с шинами для танков, пушек, машин. Немецкие химики смогли получить из изопрена первый синтетический метилкаучук, но от него из-за дороговизны и крайне низких эксплуатационных свойств после войны тут же отказались.

Правительство СССР, не желая повторять печальный опыт противника, проявило максимум усилий по созданию резиновой промышленности на основе отечественного каучука. Прорабатывались два варианта получения каучука: натурального – поиск каучуконосов, пригодных для разведения в нашей стране (этой проблемой занимался Н.И. Вавилов); и синтетического, для чего в 1926 г. был объявлен всемирный конкурс на производство искусственного каучука с премиальным фондом 150 000 рублей (100 000 – за первое место). Через 2 года конкурсанты должны были передать в жюри 2 кг дешевого продукта, не уступающего по свойствам природному, описание лабораторного и заводского способов его получения.

С.В. Лебедев занимался синтезом каучука еще в 1900-х гг. параллельно с другими химиками – И.Л. Кондаковым и И.И. Остромысленским. В 1910 г. Лебедев впервые получил из дивинила синтетический бутадиеновый каучук. 19-граммовый образец произвел впечатление на коллег ученого, но никак не на представителей промышленности. «Исследование в области полимеризации двуэтиленовых углеводородов» (1913) Лебедева стало в дальнейшем научной базой промышленного синтеза каучука, а целый цикл работ ученого по полимеризации этиленовых углеводородов лег в основу промышленных методов получения бутилкаучука и полиизобутилена.

Лебедев создал «великолепную семерку» энтузиастов-химиков и в свободное от работы время и за свой счет занялся невероятно трудоемкой работой. Все приходилось делать самим – закупать подсобные материалы, колоть и таскать с Невы необходимый для опытов лед. Руководитель группы был одновременно «и исполнителем, и лаборантом, и слесарем, и стеклодувом, и электромонтером». Без опыта и интуиции Лебедева, без его железной уверенности в правильности выбранного пути вряд ли это предприятие увенчалось успехом.

Разработав «одностадийный промышленный способ получения бутадиена из этилового спирта путем совмещенной каталитической реакции дегидрогенизации и дегидратации», ученый успел получить в лаборатории общей химии в Ленинградской военно-медицинской академии к установленному сроку 2 кг синтетического натрий-бутадиенового каучука – диолифина.

Сырьем для получения каучука вначале была нефть, но вскоре перешли на этиловый спирт, получаемый из картошки. В качестве катализаторов Лебедев взял природные глины, а катализатором полимеризации послужил металлический натрий. Первоначальный 20-процентный выход дивинила на затраченный спирт затем был доведен до 40 %.

Жюри конкурса признало лебедевский продукт победителем, способ его получения – перспективным и дало добро на его дальнейшую разработку, для чего правительством были отпущены необходимые средства.

Лебедев составил проект Опытного завода, который был построен в Ленинграде в 1930 г. В течение года синтетический каучук был получен в промышленных масштабах (первый блок весом 260 кг), изучены его свойства, найдены активные наполнители, предложены методы и технологии получения из него высокотехничной резины и резинотехнических изделий. Автомобильные покрышки успешно выдержали серьезное испытание в знаменитом Каракумском пробеге (9400 км по дорогам и бездорожью маршрута Москва – Ташкент – Красноводск – Баку – Москва).

В 1931 г. Сергей Васильевич Лебедев был награжден орденом Ленина за «особо выдающиеся заслуги по разрешению проблемы получения синтетического каучука», а в следующем году избран действительным членом АН СССР.

Совет труда и обороны СССР принял решение о строительстве первых трех заводов синтетического каучука проектной мощностью 10 000 т в год каждый. Так в мире появилась новая промышленность синтетического каучука.

Когда американский изобретатель Т.А. Эдисон, тщетно занимавшийся каучуковой проблемой, узнал об успехе русских, он не поверил и заявил: «Этого нельзя сделать. Я бы сказал даже больше, весь этот отчет является фальшивкой. На основании моего собственного опыта и опыта других стран сейчас нельзя сказать, что получение синтетического каучука вообще когда-либо будет успешным» (В. Азерников).

Тем не менее именно СССР накануне Второй мировой войны занял первое место в мире по производству синтетического каучука.

В Германии каучук был синтезирован в 1936–1937 гг., а в США – в 1942 г.

В 1950-х гг. советские химики вернулись к одному из путей, которые осваивал С.В. Лебедев – к производству каучука из нефтяных газов и продуктов переработки нефти. Это был новый шаг в получении еще более высококачественного искусственного каучука.

2 мая 1934 г. Лебедев скончался от сыпного тифа. Его жена Анна Петровна Остроумова исполнила последнее желание Сергея Васильевича – «деньги за внедрение синтетического каучука передала на устройство будущей химической лаборатории в Академии наук».

ХИМИЧЕСКАЯ ФИЗИКА СЕМЕНОВА

Химик, физик, общественный деятель, депутат Верховного Совета СССР нескольких созывов; профессор, заведующий кафедрой химической кинетики МГУ; академик, академик-секретарь отделения химических наук, вице-президент АН СССР, родоначальник огромной научной школы; член 14 иностранных академий и обществ; заместитель директора Ленинградского физико-технического института, директор Института химической физики АН СССР; один из основателей Московского физико-технического и Московского инженерно-физического институтов, основатель и председатель Научного центра АН СССР в Черноголовке; один из главных участников советского ядерного проекта; председатель правления общества «Знание»; лауреат двух Сталинских и Ленинской премий, Нобелевской премии 1956 г. по химии (совместно с С. Хиншелвудом); обладатель почетной степени Honoris causa восьми известных университетов мира; кавалер 9 орденов Ленина, Золотой медали им. Ломоносова АН СССР; дважды Герой Социалистического Труда, Николай Николаевич Семенов (1896–1986) является первооткрывателем ионно-гетерогенного катализа, автором общей количественной теории цепных реакций, теории теплового взрыва газовых смесей и других открытий мирового уровня. Главной заслугой Семенова считается основание им нового направления в физической химии – химической физики.

На первый взгляд большой разницы между физической химией и химической физикой нет. Но это, конечно, только на первый взгляд – для людей особо не отягощенных естественно-научным образованием. Впрочем, даже они наверняка слышали о таинственных алхимиках, которые и занимались на стыке средневековой науки и искусства «физической химией», а попросту – «химичили». Так вот, никакого отношения к нашему предмету это не имеет. Первым этот термин ввел в 1752 г. М.В. Ломоносов, назвав свои лекции «Курсом истинной физической химии». Это направление «наше всё» определил так: «Физическая химия – наука, которая должна на основании положений и опытов физических объяснить причину того, что происходит через химические операции в сложных телах». (Сегодня определение сократили до «науки об общих законах физики и химии».)

Получив методологическое основание, физическая химия развивалась и обогащалась, пока в 1930-х гг. от нее не отпочковалась самостоятельная ветвь – «химическая физика». Это направление узурпировало часть функций родоначальницы и занялось изучением физических законов, управляющих строением и превращением химических веществ. «Предметом физической химии (классической) является суммарное рассмотрение химических процессов, протекающих с одновременным участием множества частиц, тогда как предметом химической физики – рассмотрение отдельных частиц и взаимодействий между ними, то есть элементарных процессов».

Термин обязан своим рождением немецкому физико-химику А. Эйкену, выпустившему в 1930 г. «Учебник химической физики». (Справедливости ради стоит отметить, что за 3 года до этого вышла книга советских ученых В.Н. Кондратьева, Н.Н. Семенова и Ю.Б. Харитона «Электронная химия», в которой была изложена суть науки, не получившей еще своего названия.) Сама наука возникла не по прихоти ученых, а вследствие появления квантовой механики с ее представлениями, теории химической связи, открытия межмолекулярных взаимодействий и реакционной способности молекул.

Н.Н. Семенов

Спрос на новую отрасль знания оказался столь велик, что уже в 1931 г. у нас был организован Институт химической физики АН СССР, а в США с 1933 г. стал издаваться «Journal of Chemical Physics» («Журнал химической физики»).

Пограничная область между химией и новыми разделами физики, вобравшая в себя последние научные достижения, получила быстрое развитие – в первую очередь благодаря открытию и изучению ранее неизвестные типов химических реакций. В частности, теории разветвленных цепных реакций, которую независимо друг от друга развивали в 1920–1930-е гг. советский ученый Н.Н. Семенов и английский физико-химик С.Н. Хиншвулд. В 1956 г. оба исследователя были удостоены Нобелевской премии по химии (к слову, из российских химиков Семенов – единственный лауреат по этой номинации) – «за исследования в области механизма химических реакций». Разработанная Семеновым теория цепных химических реакций легла в основу создания полимеров – веществ с заранее заданными свойствами, химических лазеров и др.

(Цепными реакциями называют сложные реакции, в которых промежуточные активные частицы, регенерируясь в каждом элементарном акте, вызывают цепь превращений исходного вещества. Различают химические цепные реакции (горение, полимеризация) и ядерные. В первых активными частицами выступают свободные радикалы, возбужденные атомы и молекулы, во вторых – нейтроны.)

Опубликованная в 1934 г. Семеновым монография «Цепные реакции» закрепила за ним и руководимым им Институтом химической физики роль мирового лидера в области химической кинетики.

Еще одним шагом по развитию новой науки стало создание Семеновым теории теплового взрыва газовых смесей (самовоспламенения), впервые изложенной в его статье «К теории процессов горения» (1928). На основе этой теории химик в дальнейшем построил учение о распространении пламени, детонации, горении взрывчатых веществ и порохов.

Предыдущие открытия априори подготовили Семенова к участию в ядерном проекте. В 1945 г. Николай Николаевич сам обратился к правительству с предложением участвовать в работах по созданию атомного оружия. Институт химической физики успешно участвовал в расчетах, измерении констант, подготовке полигона и оборудования для испытаний.

В 1955 г. Семенов сделал очередное выдающееся открытие: новый тип катализа – ионно-гетерогенный. Ученым и его учениками была развита цепная теория гетерогенного катализа, разработаны статистическая теория каталитической активности, теория топохимических процессов и кристаллизации.

Во второй половине XX в. Семенов стал инициатором нового направления развития химической физики – биологического. В результате за несколько десятилетий химическая физика стала теоретической основой науки о жизни, и на слиянии ее и биологии возникла новая наука – биохимическая физика, которая по прогнозам (академик А.Е. Шилов) в нашем веке должна стать основной в понимании молекулярных механизмов процессов, происходящих в живых организмах.

Н.Н. Семенов создал знаменитую семеновскую научную школу химической физики и воспитал блестящую плеяду учеников, ставших академиками: В.Н. Кондратьева, Л.Б. Зельдовича, Ю.Б. Харитона, В.В. Воеводского, В.И. Гольданского, Н.С. Ениколопова, Н.М. Эмануэля, А.И. Шальникова, А.Е. Шилова, Д.Г. Кнорре, М.А. Садовского, А.Б. Налбандяна и многих других.

Современный этап в развитии химической физики характеризуется широким применением масс-спектрометрии, рентгеноструктурного анализа, электронной микроскопии, ядерного магнитного резонанса, метода спинового эха, электронографии и ионографии, ударно-волновых и десятков, если не сотен других методов теоретической и экспериментальной физики.

Химическая физика нашла широчайшее применение в науке и технике. Она изучает процессы горения и взрыва, электронную структуру молекул и твердых тел, элементарные акты химических реакций, молекулярные спектры и т. д. В ней сегодня выделились два основных направления: «определение электронной и атомно-молекулярной структуры химических частиц и образованных ими веществ и исследования, связанные с решением проблем химической динамики, то есть изменений во времени энергетических и структурных характеристик частиц».

Ныне получили дальнейшее развитие многие разделы химической физики, разработанные Семеновым и его учениками – электрохимия и катализ, квантовая и ядерная химия; появилась химия низких температур и высоких энергий, фото– и плазмохимия, радиационная химия… Не забыта и прародительница этой науки – физическая химия.

Говорить о применении этой науки на практике можно много, но разве упомянутых полимеров, химических лазеров и атомной бомбы мало?