Наши чертоги
Тот дом хорош, где хороши обитатели.
Школьные учебники химии, справочники, пособия, учебники для студентов вузов, солидные монографии, научные статьи полны (или даже переполнены) сведениями о том, как устроены молекулы различных веществ и каким способом можно их получить. Гораздо реже можно встретить описание тех приборов, в которых получают эти соединения. Предполагается, как само собой разумеющееся, что если описана методика синтеза, то грамотный химик сам сумеет собрать нужный прибор. Это действительно так, впрочем, некоторые намеки на то, каким должен быть прибор, в методиках иногда присутствуют.
Но совсем не уделяется внимание тому, где именно совершаются все химические работы, т. е. описанию лаборатории. С точки зрения химика, ничего привлекательного в таком помещении нет, все самое интересное происходит в реакционном сосуде. Если какой-либо популярный журнал или научное издательство попросит авторитетного химика прислать фотографию, он, скорее всего, пришлет копию снимка на паспорт (похожего на те, которые именуют «Их разыскивает полиция»), в крайнем случае сфотографируется в своем рабочем кабинете у стола, заваленного бумагами, либо на фоне персонального компьютера. Согласитесь, что это полностью обезличивает профессию, точно так же можно сделать снимок на фоне дачного домика или личного автомобиля.
Тем не менее лабораторное помещение, где химики проводят основное время, вполне заслуживает внимания. Уважительный интерес можно встретить не у химиков, а у тех, кто пытается рассказать о химиках, – у журналистов, фотокорреспондентов или телеоператоров. Они всегда стараются сделать снимок или видеорепортаж на фоне сложных стеклянных приборов и непременно с булькающими в них цветными жидкостями. Если люди, далекие от химии, видят в обстановке лаборатории некую привлекательность, то, может быть, и химикам следует иногда взглянуть свежим взглядом на окружающее их пространство. Особенно интересно посмотреть, как это пространство менялось со временем.
Предшественница химии
Известно, что алхимия ставила своей целью получение золота из неблагородных металлов – ртути, меди, свинца и др. Дополнительной задачей было получение некоего философского камня, который, как полагали, позволит осуществить любые превращения веществ. По существу, алхимия была предшественницей всей современной химической науки. Пытаясь решить основную задачу, алхимики проводили множество различных опытов и накопили большое количество сведений о свойствах разнообразных веществ. Полученные знания оказались достаточно ценными независимо от основной цели. Алхимики изучили многие свойства известных в то время металлов – золота, серебра, олова, свинца, меди, железа и ртути. Во второй половине VIII в. были уже освоены такие химические процедуры, как растворение солей, фильтрование растворов, кристаллизация из растворов, перегонка жидкостей при нагревании, обжигание известкового камня с получением негашеной извести, плавление и сплавление металлов. Было освоено получение уксусной кислоты перегонкой прокисшего виноградного вина. При нагревании смеси трех солей – селитры, купороса и квасцов – с последующей отгонкой была получена жидкость, способная растворять серебро, медь, свинец (азотная кислота – HNO3). При добавлении к смеси этих солей нашатыря (NH4Cl) получалась жидкость, названная «царской водкой» из-за ее способности растворять золото (смесь соляной и азотной кислоты). Множество опытов проводилось с самородной серой, были получены сульфиды всех доступных металлов и описаны их свойства.
Рисунки в сохранившихся рукописях показывают, что основной процедурой было нагревание, позволявшее проводить дистилляцию (перегонку).
Такие рисунки можно условно рассматривать как иллюстрации к публикациям, они добросовестно изображают используемое оборудование, но не более того. Обстановку в самой лаборатории взяли на себя труд изобразить профессиональные художники.
Во все времена непосвященные люди воспринимали химию как некое колдовство или шаманство, что неизбежно сопровождалось удивлением и уважением. Всегда находились те, кто старался запечатлеть алхимиков и ту обстановку, в которой они свершают свое таинство. Благодаря этому мы имеем возможность познакомиться с сохранившимися гравюрами и живописными полотнами. На гравюрах (рис. 9.9) центральное место, как правило, занимают очаг или раздуваемая специальными мехами жаровня. У главного алхимика обычно несколько помощников, поддерживающих огонь, смешивающих и измельчающих вещества, сам маэстро показан погруженным в чтение алхимического трактата. Обычно всюду царит беспорядок, на полу разбросана различная утварь, при внимательном рассмотрении можно заметить простейшие измерительные приборы – песочные часы или чашечные весы, кроме того, видны непременные реторты. Реторта – универсальный прибор алхимиков, предназначенный для различных химических операций: перегонки, разложения, сплавления при высокой температуре. Долгое время реторта служила общепринятым символом химии.
На некоторых гравюрах (рис. 9.10) чувствуется отчетливое ироническое отношение автора к алхимику.
Гораздо более детально внутреннее убранство лаборатории передавали живописцы, которые в определенный момент почувствовали, что алхимическая лаборатория и связанное с ней нетерпеливое ожидание получить золото – прекрасный сюжет для картины. Основное внимание художника, естественно, было сосредоточено на тех эмоциях, которые владеют изображаемым лицом, однако давняя традиция многих художников – быть точными в деталях – позволяет нам рассмотреть всю обстановку. Алхимик, как правило, окружен различными символическими предметами (череп, глобус, подвешенное к потолку чучело животного), которые должны были помочь в поисках философского камня, а заодно произвести впечатление на непосвященных. Как в нынешние времена, так и ранее, экспериментальные работы чередовались с чтением «научной» литературы, в те времена ее заменяли алхимические трактаты (9.11).
Временами в лаборатории работала целая артель энтузиастов, которая под руководством «маэстро» проводила дистилляцию, измельчение веществ в ступке, прокаливание, отжимание под прессом и многое другое. На некоторых картинах показана печь алхимика, имеющая высокий свод, что представляло собой, по существу, прообраз вытяжного шкафа, удаляющего из помещения продукты реакции с неприятным запахом (рис. 9.12).
Не остались в стороне яркие и драматические моменты в работе алхимиков – вспышки, взрывы, получение светящегося белого фосфора (рис. 9.13).
Мучительные попытки получить золото часто приводили алхимиков к разочарованию. Обломки битой посуды и обилие бесполезных трактатов дополняют на рисунке 9.14 обстановку безысходности.
Далеко не все живописцы старались точно воспроизвести детали окружающей обстановки. Увлеченные эмоциональной стороной сюжета и желанием создать красочное полотно, они дополняли картину яркими покрывалами, гардинами, мало соответствующими обстановке лаборатории алхимика, жившего чаще всего в бедности.
Некоторые алхимики пользовались финансовой поддержкой состоятельных особ, жаждавших заполучить синтетическое золото; естественно, такие «спонсоры» периодически навещали алхимиков с проверкой (рис. 9.15–9.16).
Упадок алхимии начинается с XVI в., в конце XVII в. она практически исчезла как научное направление, но алхимические сюжеты еще долгое время вдохновляли живописцев.
Заканчивая рассказ об алхимиках, отметим, что синтетическое золото все же получено, но только с помощью не химических, а ядерных реакций. Теоретически эта задача несложная, необходимо взять ядро ртути – ближайшего соседа золота – и понизить его заряд на единицу, т. е. удалить из ядра один протон.
Известны процессы, когда ядро бомбардируют нейтронами, в результате ядро выбрасывает протон и электрон, и заряд ядра понижается на единицу. Тем не менее теоретическая возможность и ее реальное воплощение – не одно и то же, задача оказалась совсем не такой простой, как виделось вначале.
Опыты продемонстрировали, что при облучении ртути быстрыми нейтронами образуются сразу три изотопа золота: 198Au, 199Au и 200Au; напомним, что изотопы отличаются содержанием нейтронов в ядре, но по химическим свойствам это тот же самый элемент. Все образующиеся изотопы золота радиоактивны, т. е. неустойчивы, и в течение нескольких часов или дней, испуская бета-лучи, превращаются в устойчивые изотопы ртути. Естественно, такое золото никого, кроме ученых, не интересует. Оказалось, что природное золото содержит всего один изотоп 197Au, устойчив только он, что и позволило ему сохраниться в земной коре.
Постепенно стало понятно, что получить устойчивое золото 197Au можно только из изотопа ртути 197Hg. Природная ртуть содержит семь изотопов, но среди них нет нужного изотопа 197Hg, поскольку он радиоактивен и неустойчив. Если его не существует в природе, то, следовательно, его необходимо синтезировать, что удалось осуществить американскому физику Артуру Демпстеру с сотрудниками. Они облучали ртуть медленными нейтронами, при этом к намеченной цели вело превращение только одного изотопа – 196Hg (из семи присутствующих в природной ртути), его содержание всего 0,15 %. При попадании нейтрона в ядро ртути 196Hg образуется нужный изотоп 197Hg и вылетает гамма-квант.
Далее этот изотоп самопроизвольно преобразуется в результате перестройки электронов в атоме. Происходит так называемый K-захват: электрон с одной из внутренних орбиталей захватывается протоном ядра с образованием нейтрона, в результате заряд ядра понижается на единицу и образуется другой элемент, т. е. золото (рис. 9.17).
В итоге из 100 мг ртути удалось получить всего 35 мкг (!) чистого золота. Сейчас этот «экспонат» хранится в Чикагском музее науки и промышленности. Цена золота, полученного таким способом, исключительно высока: она во много раз превосходит цену природного золота, добытого из самых бедных золотоносных руд. Пока ни одно государство не планирует пополнение своих золотых запасов за счет синтетического золота, тем не менее мечту древних алхимиков все же удалось осуществить!
Химия становится наукой
Алхимики, накопив большой экспериментальный опыт, постепенно начинали понимать, что владеют умением получать многие нужные и полезные вещества. Типичный пример – творчество Иоганна Рудольфа Глаубера (1604–1670), который в молодости изготавливал зеркала, затем занимался алхимией и периодически работал в аптеках. Позже он стал серьезно изучать состав солей и кислот, разработал способы получения серной, азотной, соляной кислот (рис. 9.18). Его экспериментальные успехи заложили основы для научной и промышленной химии. Начинались времена, когда алхимия все теснее связывала свои цели с задачами практической металлургии, горного дела и медицины.
В лабораториях этого времени уже отсутствует обстановка напряженного ожидания алхимического чуда, идет будничная работа (рис. 9.19). Посуда, как правило, керамическая, из стекла изготавливают только реторты.
На рисунке 9.20 показан макет химической лаборатории М.В. Ломоносова, открытой им в 1748 г. в С.-Петербурге. Центральное место занимает печь, которую дополняют различные инструменты для работы с нагретыми предметами, впрочем, чашечные весы находятся на почетном месте.
В начале XVIII в. керамическая посуда постепенно заменяется стеклянной (рис. 9.21).
С годами лабораторная практика позволила создать некоторые стандартные приборы, удовлетворяющие требованиям большинства химиков. На рисунке 9.22 показана небольшая часть таких приборов и дополнительного лабораторного оборудования, использовавшегося в начале ХХ в. Большинство этих приборов и их назначение хорошо знакомы нынешним химикам старшего поколения; примечательно, что в современных лабораториях до сих пор присутствуют и используются некоторые из них. Два последних предмета, показанных на рисунке, практически вышли из употребления – это водяная турбинка, вращающаяся под действием струи воды и перемешивающая реакционную массу, а также ручной вакуумный насос.
К началу XX в. реторту вытеснили из лабораторной практики более совершенные приборы, такие как колба Вюрца и холодильник Либиха. Однако в каталоге «Лабораторная химическая посуда» Центракадемснаба (1963 г.) реторта все же была представлена как выпускаемая продукция. Показанный далеко не полный набор лабораторного оборудования на непосвященных производит сильное впечатление, многим кажется, что даже запомнить назначение всех этих предметов невозможно, однако у работающего химика этой проблемы вообще не возникает.
Лабораторные помещения были разной величины; для занятий начинающих химиков отводили один большой общий зал, где преподавателю было удобно наблюдать за работой учеников, проводивших несложные синтезы, именно этим объясняется отсутствие на показанных снимках вытяжных шкафов (рис. 9.23). Для профессоров, их помощников и других лиц, ведущих самостоятельные исследования, устраивали отдельные небольшие комнаты с вытяжными шкафами.
С исчезновением алхимии интерес к изображению лабораторных помещений у художников постепенно исчез. Эстетически более привлекательными стали интерьеры замка, концертного зала либо мастерская художника или скульптора, нежели химическая лаборатория. Лишь редкие энтузиасты старались запечатлеть на снимках эти, на первый взгляд будничные, помещения, благодаря чему мы можем увидеть, как выглядела лаборатория в первой половине ХХ в. В больших лабораторных помещениях присутствует непременная «икона» химии – таблица Менделеева, вытяжные шкафы становятся неотъемлемым атрибутом интерьера (рис. 9.24).
На снимках, показывающих рабочую обстановку, можно отметить, что строгий «аптечный» порядок на лабораторных столах, как правило, отсутствует. Это неизбежная примета большинства лабораторий, в которых ведут исследовательские работы (рис. 9.25).
К концу ХХ в. внутреннее убранство лабораторий заметно меняется. В практику входят магнитные мешалки с нагревом, электронные весы, роторные испарители, позволяющие проводить отгонку растворителя во вращающейся колбе. Вместо традиционного чугунного штатива с лапками и кольцами чаще используют металлическую решетку, которая дает больше свободы при сборке приборов.
Устройство, называемое линией Шленка, дает возможность проводить эксперименты в атмосфере инертного газа или в вакууме. Для добавления жидкостей и растворов в реакционную емкость используют шприцы, протыкающие резиновые пробки. Различные части приборов соединяются между собой при помощи герметичных шлифов. Реакционный раствор переводят из одного сосуда в другой действием вакуума или давлением инертного газа (рис. 9.26).
Для работы с нестабильными на воздухе соединениями используют также перчаточные камеры (их часто называют боксами), заполненные инертным газом и снабженные увеличивающими окулярами для проведения более точных манипуляций (рис. 9.27).
В работе химика-синтетика заметная часть усилий уходит на доказательство строения вещества. Используемое для этого современное оборудование (разнообразные спектрометры, дифрактометры, электронные, сканирующие и атомно-силовые микроскопы, хроматографы) не только предоставляет исследователю мощные методы исследования, но и весьма эффектно выглядит внешне, однако мы сосредоточим внимание на изображениях, показывающих обстановку, в которой проводят химический синтез.
Официальные снимки в рекламных проспектах передают не рабочую обстановку в лаборатории, а нечто образцово-показательное, при этом интерьер аккуратно «причесан» и изображен с парадной яркостью (рис. 9.28).
В подобных помещениях, вероятнее всего, проводят ряд простых однотипных опытов или серию стандартных анализов. Истинную обстановку в синтетической лаборатории можно увидеть только на некоторых любительских снимках, редких потому, что, как уже было сказано, химики считают, что самое занимательное не внешняя обстановка, а то, что происходит в реакционной колбе. Но именно любительские снимки наиболее интересны.
Объемные вытяжные шкафы с хорошим освещением позволяют собирать приборы любой сложности; подача холодной и горячей воды, инертного газа, сжатого воздуха и вакуума производится по трубам разного цвета. Перегонку растворителей проводят не в колбе Вюрца с наклонным холодильником Либиха, а в более компактных установках, где холодильник расположен вертикально, а конденсат стекает в расположенную сбоку колбу (рис. 9.29).
Непременные атрибуты – роторный испаритель для отгонки растворителя из вращающейся колбы, электронные весы и воздушный пистолет – хитган (напоминающий фен), подающий струю горячего воздуха для нагревания небольших реакционных сосудов или отдельных частей прибора (рис. 9.30).
Примечательно, что популярный прибор всех научных лабораторий – персональный компьютер – на рабочем столе химика чаще всего стоит отдельно. Дело не в том, что химики стараются его уберечь от вредных испарений (все агрессивные и пахучие вещества стоят на полках в вытяжном шкафу), просто на лабораторных столах всегда не хватает места, важнее разместить все необходимое для эксперимента.
Наиболее интересно выглядит рабочий стол у аспиранта третьего года обучения, когда поджимает срок окончания аспирантуры (рис. 9.31). Энтропия (беспорядок) рабочего места довольно высока (почти такая же, как на гравюрах с алхимиками), зато такой снимок гораздо ближе к жизни, нежели различные рекламные проспекты.
Эти снимки современных лабораторий сделаны энтузиастами, которые считают, что, с точки зрения истинного химика, подобные «натюрморты» лишь немного уступают по своей привлекательности живописным работам старых фламандских мастеров с изобилием овощей и фруктов, битой птицы, морских и речных животных (рис. 9.32).
Несмотря на то что живописцы потеряли интерес к рассматриваемой нами теме, отдельные мастера, работы которых скорее ближе к народному творчеству, полагают, что лабораторное оборудование может быть представлено в виде некоего сувенира. Аппарат для дистилляции, называемый в быту самогонным аппаратом, не только изящно оформлен, но и представляет собой действующую настольную модель, способную позабавить взрослых и вызвать интерес у детей, наблюдающих за процессами кипения, бурления и конденсации жидкости (рис. 9.33).
Привычный, хорошо знакомый каждому химику-синтетику интерьер лаборатории и в наши дни вызывает у непосвященных такую же смесь удивления и уважения, как это было у тех, кто попадал в алхимические лаборатории.
Достижения современной химической науки неоспоримы, но, если задуматься, невольно приходишь к мысли, что основные процедуры, сопровождающие получение новых веществ, – смешение реагентов и нагрев с перемешиванием – пришли к нам от наших далеких предшественников.
В конце путешествия по лабораторным помещениям предлагаем вам посмотреть на цветной вклейке два живописных полотна, изображающих алхимиков. Авторы картин – фламандские художники Матеус ван Гельмонт (1623–1679) и Давид Тенирс Младший (1610–1690). В эти картины автор книги намеренно добавил некоторые детали, не соответствующие той эпохе, которая на них изображена. Попробуйте найти в каждой из картин по крайне мере 10 таких несоответствий. Не забудьте, что картины написаны в середине XVII в. (рис. 9.34 и 9.35).
Если задача оказалась трудной, смотрите показанные ниже тексты-подсказки (перевернуты и отражены в зеркале).
Детали, добавленные в первую картину:
Детали, добавленные во вторую картину:
В заключение отметим, что существуют области человеческой деятельности, история которых запечатлена в материальных предметах: например, история архитектуры, автомобилестроения, самолетостроения, холодного и огнестрельного оружия и т. п. Пожалуй, более близкий нам пример – фото- и кинематография, где исторически ценны не только снимки и фильмы, но и оборудование, на котором все это изготавливали.
Историю химии составляют, прежде всего, достижения этой науки – вещества и реакции. Сами вещества, как правило, не представляют исторической ценности; бензол, впервые выделенный Фарадеем, не отличается от «современного» бензола, зато обстановка, в которой он был получен, всегда представляла интерес. История химии достаточно богата и, безусловно, тесно связана с самой наукой.