Винклер обратился к одному из лучших стеклодувов Лейпцига, Францу Хугершоффу с идеей изготовления крана по своим чертежам: полый конический предмет с отверстиями, расположенными таким образом, что при определённом положении эти отверстия могли соединять между собой одно положение трубок для газовой коммуникации, в другом — другую пару трубок, а также могли и просто запирать любое перемещение газа. Посмотрев на чертёж, Хугершофф отказал Винклеру, сказав, что исполнить такое устройство в стекле просто невозможно — слишком тонка была работа, слишком близко располагались каналы для движения газов в винклеровском проекте крана, так что отлить такую деталь из стекла того периода, отличавшегося достаточно большим коэффициентом термического расширения, казалось пустой тратой времени и материала (до изобретения другим немецким стеклодувом и химиком Отто Шоттом термостойкого стекла с меньшим коэффициентом расширения оставалось ещё около двух десятков лет). Винклер, едва скрывая досаду, ушёл, но на этом история не закончилась. Хугершофф всё же решил проверить своё экспериментальное мастерство и спустя несколько месяцев доставил первую партию трёхходовых кранов Виклеру. В 1873 году Винклер опубликовал большую статью, посвящённую анализу наиболее важных в то время газов с помощью газовой бюретки, снабжённой новой моделью трехходового крана. Не забыл Винклер и Хугершоффа: во всех своих статьях и выступлениях, касавшихся проблем анализа газов, он называл стеклодува единственным человеком, поставляющим краны нового типа Винклеру и единственным мастером, способным изготовить краны такой сложности.
Успехи Винклера в аналитической химии промышленных производств привели к тому, что в 1873 году он стал профессором и самым ярким лектором в Горной школе Фрайберга (это высшее учебное заведение существует и по сей день, но теперь оно называется не «школой», а «академией»). В этой школе-академии Винклер и проработал до выхода в отставку уже в XX веке — в 1902 году, причем в период 1896–1899 возглавлял это учебное заведение. В 1873 году, спустя несколько недель после назначения его профессором, правительство Австро-Венгрии наняло учёного вести исследование того, каким образом лучше освоить обнаруженное около Кракова (территория нынешней Польши) месторождение серы. Работа по этому исследовательскому гранту окончательно закрепила интерес Винклера к химии серы. Понимая, что сернистый газ представляет собой главную опасность для окружающей среды (опять же здесь главным мотивом сохранения окружающей среды скорее было ресурсосбережение, а не создание благоприятной экологической обстановки), Винклер начал искать способы более эффективного получения серной кислоты. Учёный разработал катализатор окисления сернистого газа (платина, нанесённая на волокна асбеста) и оптимизировал соотношение сернистый газ-кислород, необходимое для эффективного окисления диоксида газа до серного ангидрида, в итоге заложив основы современного сернокислотного производства, конечным продуктом которого является олеум (дымящий раствор серного ангидрида SO3 в серной кислоте H2SO4). Новый метод получения серной кислоты пришёлся как раз на тот момент, когда стараниями Перкина и последователей стало развиваться производство синтетических красителей, и производство серной кислоты, как и производство красителей, стало наращивать объёмы. Для того чтобы сернистый газ, который не удалось уловить для превращения в серную кислоту, не попадал в атмосферу, Винклер предложил пропускать топочные газы через поглощающую сернистый газ SO2 известь. И технология производства серной кислоты, предложенная Винклером, и технология очистки газообразных промышленных выбросов работают и сегодня, правда, с незначительными изменениями.
Но в наших школьных учебниках и книгах для чтения по химии Винклер упоминается не как автор идеи трехходового крана и не как человек, разработавший актуальный до наших дней способ получения серной кислоты. Во Фрайбурге Винклер изучал химию индия, химического элемента, обнаруженного его коллегой и наставником по Горной школе, Вильгельмом Рейхом. Эти исследования привели к тому, что в 1886 году Винклер начал изучать новый минерал из рудника Химмельсфюрст расположенного вблизи Фрайберга. Минерал, названный аргиродитом, содержал серебро и серу. Когда Винклер проанализировал этот минерал, он обнаружил, что сера и серебро составляют примерно до 93–94 % от его общей массы, что привело его к подозрению, что здесь должен присутствовать что-то ещё, вероятно неизвестный элемент. После дополнительной химической очистки 6 февраля 1886 года Винклер выделил чистый элемент, экспериментально определённые свойства которого практически совпадали с теоретически предсказанными Дмитрием Ивановичем Менделеевым на основе Периодического закона свойствами эка-кремния, элемента, неизвестного на время создания первой версии Таблицы Менделеева. Винклер патриотично назвал новый элемент германием, и в нашей литературе его чаще всего вспоминают как одного из химиков, подтвердивших верность идей Менделеева, хотя, как видно из рассказа выше, открытие нового элемента не единственное достижение Клеменса Винклера.
Правда, трёхходовые краны Винклера так и не стали основным рабочим инструментом в «массовой химии» — изготовление таких кранов было процессом сложным, с которым справлялись только мастера-стеклодувы уровня Хугершоффа, и серийное производство таких кранов так и не было налажено. Через десять лет после появления крана Винклера появились более простые модели трехходовых кранов из стекла, которые и применяются в стеклянных приборах сейчас. Тем не менее, поворачивая трехходовой кран в системе для анализа газов или другом стеклянном приборе, я иногда вспоминаю историю, связанную с изобретением таких кранов и их изобретателем.
1874. Газовый анализатор Орса
Кафедра университета, на которой я работаю, помимо прочего отвечает за проведение занятий по химической технологии. Практические работы, которые мы предлагаем студентам, меняются — появляются новые, снимаются устаревшие. Но одно в лаборатории практикума постоянно: каждый сентябрь в ней ровными рядами выставляются несколько приборов для анализа газовых смесей — деревянные коробки с наполненными разноцветными жидкостями стеклянными сосудами и мерной бюреткой, соединенные друг с другом резиновыми шлангами и стеклянными кранами.
Я учу студентов работать на этих приборах, когда я был студентом химфака, меня учили работать на этих приборах, более того — когда мои родители учились на химфаке (а закончили химфак Казанского университета они в год моего рождения), их тоже учили работать на этих приборах. В описи материальных ценностей кафедры эти приборы обозначены как ГХП-3М (газоанализатор химический портативный, модель третья, модернизированная), но принципиальная конструкционная схема такого устройства, которая практически не модернизируется с момента его изобретения, называется «Газовый анализатор Орсá», и она была изобретена почти за столетие до моего рождения — в 1870-е годы.
Изобретатель газового анализатора Луи Орсá родился 14 августа 1837 года в Париже. Его отец был владельцем первой фабрики, производившей свинцовые белила (карбонат свинца), расположенной в предместье под названием Клиши. Свинцовые белила применялись в изготовлении красок и косметических средств, даже несмотря на свою сомнительную репутацию — работники фабрики страдали от сатурнизма (хронического отравления свинцом).
После обучения инженерному делу в престижных Политехнической и Горной школах Парижа Орса стал работать частным техническим консультантом в Париже, выполняя различного рода исследовательские и конструкторские заказы для фирм, консультируя их по вопросам применения топлива различных типов и его горения. Попутно Орса помогал отцу вести дела семейного предприятия в Клиши.
Во время франко-прусской войны Орса служил офицером артиллерии. Эта война практически полностью разрушила Францию, которая отказалась капитулировать даже после Седанской катастрофы, когда страна практически полностью лишилась армии. Орса оказался в осажденном прусскими войсками Париже, в котором из-за нехватки продовольствия некоторые рестораны стали подавать «изысканные» блюда, такие как, например, консоме из слона, вырезку из кенгуру (животные из зоопарков и цирков пошли под нож мясника) и даже «кошачье мясо с ломтиками крысиного». После капитуляции Парижа и Франции, потери Эльзаса и Лотарингии и наступления мирной жизни Орса был награждён орденом Почетного легиона, оставил военную службу и снова занялся изучением процессов сгорания.
Основная проблема, которую он пытался изучить — эффективность использования топлива. Так, например, для плавильных печей очень важно вести сжигание топлива, поддерживая оптимальное соотношение угарного газа CO и углекислого газа CO2. Однако, как отмечал в своих записках Орса, такой анализ, да еще и в режиме реального времени, мог провести лишь опытный химик, к тому же имевший доступ к соответствующему оборудованию эпохи — ртутным склянкам, термометрам, барометрам, катетометрам, гигрометрам и другим приборам.
Итак, Орса поставил перед собой задачу упрощения метода анализа газов. Для начала он засел за литературу, в которой обнаружил, что еще в 1849 году Анри Рено и Жюль Рейзе опубликовали монументальный двухсотстраничный труд, в котором описали эксперименты по установлению точного весового баланса живого организма, вдыхающего воздух и выдыхающего газовую смесь, обогащенную углекислым газом. Помещая собак, кроликов, голубей и даже сурков в сосуд с газоотводной трубкой, исследователи для определения содержания углекислого газа поглощали его, а кислород определяли, взрывая его с избытком водорода.
Орса быстро адаптировал подход, связанный с постадийным поглощением газов, поместив всю аппаратуру для измерения объемов газов в деревянный ящик. Созданный Орса аппарат состоял из трех поглотительных трубок с реагентами — одна содержала поташ, другая — щелочной раствор пирогаллола, а третья — аммиачный раствор хлорида меди(I). Газопоглотительные трубки были связаны с газовой бюреткой, заполнение и высвобождение которой газом осуществлялось за счет подъема или опускания уравнительной склянки, заполненной жидкостью (в конструкции Орса это была вода, сейчас, по крайней мере на нашем лабораторном практикуме, уравнительную склянку заполняют раствором серной кислоты средней концентрации). Со стороны, обратной от газовой бюретки, располагался патрубок для поглощения анализируемых газов, которые Орса фильтровал через небольшой клочок хлопка или шерсти.