Наука высокого напряжения. Фарадей. Электромагнитная индукция

Фарадей — мое величайшее открытие.

Гемфри Дэви

Однако возможность показать себя представилась Фарадею несколько позже. Его первым собственным экспериментом стал анализ образца негашеной извести, взятого в Италии. Результаты этого эксперимента были опубликованы в 1816 году в Quarterly Journal of Science под заглавием «Анализ каустического известняка из Тосканы». Благодаря передовому техническому оборудованию, которое попало в распоряжение Фарадея, он сразу же проявил себя как прекрасный экспериментатор, так что распространилось мнение, что его по заслугам можно назвать достойным преемником Дэви.

Вскоре Фарадей открыл два хлорида углерода и вместе с Ричардом Филлипсом подтвердил наличие третьего. В 1826 году он установил, что каучук состоит из углеводородных цепей, и предположил, что в дальнейшем будет возможно создание синтетического каучука. Это открытие для той эпохи нельзя недооценивать, так как каучук — довольно странное вещество. Когда европейцы (это были португальцы), вернувшиеся из Бразилии, привезли первые образцы каучука, многие решили, что это вещество наверняка связано с колдовством: его кусочки не только обладали эластичностью, но и могли стирать написанное карандашом — так появилась первая в истории резинка (до этого вместо нее использовали хлебный мякиш).

Затруднение состояло в том, что дерево (Hevea brasilensis), из которого получали каучук, росло только в Южной Америке. Одному английскому биологу пришлось перевезти на родину 70 тысяч его семян. В 1770 году инженер Эдвард Нэрн (1726–1806) впервые начал продавать в Лондоне маленькие блоки каучука, которые предполагалось использовать в качестве стирательной резинки, стоили они по три шиллинга, и такая цена делала их настоящим предметом роскоши. При этом блоки быстро портились и начинали издавать ужасный запах. Проблема была решена только в 1839 году, когда американец Чарльз Гудьир (1800–1860) обнаружил, что при нагревании каучука с серой масса становилась менее липкой, более твердой, сохраняла при этом эластичность и, самое главное, больше не портилась. Процесс назвали вулканизацией в честь римского бога огня Вулкана.

ОТКРЫТИЕ БЕНЗОЛА

Одно из самых важных открытий Фарадея в области химии было связано с его братом, китами и прозрачной бесцветной жидкостью, имевшей запах миндаля.

В середине 1820-х годов старший брат Фарадея, Роберт, начал работать в компании по поставкам газа, использовавшей в качестве сырья китовое масло — вещество, дающее лучший свет в ту эпоху.

Масло получали из спермацета, содержащегося в голове кашалота. От одного кашалота можно было получить до трех тонн спермацета. Моряки назвали это вещество так, потому что при контакте с воздухом оно из жидкого и прозрачного превращалось в беловатый крем. Его природная функция до сих пор неизвестна, возможно, спермацет требуется кашалоту, чтобы избежать декомпрессии при плавании на глубинах более 500 метров. Продукт был очень ценным: он использовался для освещения, в качестве эмолента при производстве мыла и красок, так что, по оценкам, с 1830 по 1870 год было истреблено около 300 тысяч китов. Спрос был настолько высок, что около 1850 года галлон китового масла продавался за 2,5 доллара — половину недельной зарплаты рабочего.

В процессе распределения газа по емкостям образовывались отходы в виде легкого масла. Фарадей сделал его анализ в 1825 году. После длительной и трудоемкой процедуры дистилляции, в течение которой нужно было отделить сотни составляющих, ученый получил вещество, распространяющее аромат, похожий на миндальный. Это был очищенный углеводород, который Фарадей назвал бикарбидом водорода, так как он состоял из водорода и углерода. Позднее, в 1834 году, немецкий химик Эйльхард Митчерлих (1794–1863) дал этому углеводороду название бензол.

В начале развития органической химии органические соединения разделялись на ароматические (душистые) и алифатические (жирные). Первые соединения имели различные запахи, например толуол пах ванилью и корицей. В основном все запахи были приятными, отсюда и название «ароматические».

Когда позднее была изучена необыкновенная стабильность связи водород — углерод в других соединениях, термин «ароматические» распространился на все соединения, обладавшие такой стабильностью независимо от запаха.

В 1865 году немецкий химик Фридрих Кекуле увидел сон, в котором змея кусала себя за хвост, и открыл кольцевую структуру молекулы бензола за два года до смерти Фарадея. В ту эпоху уже было известно, что бензол состоит из шести атомов углерода и шести атомов водорода (C₆H₆), но структура его молекулы была неясна.

Кекуле уверял, что идея, приведшая его к открытию структуры молекулы ароматического углеводорода бензола, возникла у него после увиденного сна, в котором появлялась змея, кусавшая себя за хвост, — традиционный символ древнейших культур, известный как уроборос. Это и привело ученого к идее рассмотреть возможность кольцевой молекулы бензола.

В 1865 году Кекуле опубликовал статью, в которой высказал мнение, что атомы углерода составляют замкнутую структуру в виде шестиугольника, используя поочередно одну или две валентности для соединения между собой, а атомы водорода присоединяются к оставшимся валентностям (см. схему). Это новое понимание структуры бензола и всех ароматических соединений оказалось очень важным для дальнейшего развития науки.

^{Формула бензола.} 

Сегодня бензол — один из основных химических продуктов по мировым объемам производства, количество способов его применения бесконечно: он используется при изготовлении разных видов резин, смазок, красок, порошков, медикаментов, пестицидов, на его основе производятся другие химические продукты, используемые при изготовлении пластмасс, смол и синтетических волокон, в том числе кевлар. Хотя свойства бензола сегодня изучены наиболее хорошо по сравнению с другими органическими соединениями, точная химическая структура вещества не была определена до недавнего времени — 1931 года.

Продолжительное воздействие бензола может вызывать лейкемию — уменьшение количества красных кровяных телец и увеличение белых.

Фарадей объединил результаты всех исследований в области химии в работе «Химические манипуляции» (Chemical manipulation), в которую включил и открытие бензола — свое последнее важное открытие, относящееся исключительно к области химии. Книга понятна даже неспециалистам, так как адресована студентам, не имеющим предварительных знаний по предмету. Фарадей избегал в ней сложных теоретических описаний, характерных для учебников той эпохи, и акцентировал внимание на экспериментах, так что работу можно считать своеобразным практическим руководством по химическим процессам.

СЖИЖЕНИЕ ГАЗОВ

Вернемся на несколько лет назад, в 1823 год, когда, используя сжатие и охлаждение, Фарадей смог добиться сжижения различных газов — хлора, диоксида водорода, сульфгидрильной кислоты — и опубликовал первое серьезное исследование по сжижению газов, что было его важнейшим открытием в области химии. Ученый также стал пионером криогенеза и первым получил температуру ниже 100 градусов по Фаренгейту.

Процесс сжижения газов состоит в общем виде из нескольких этапов, включающих изменение температуры и давления для перевода вещества из газообразного состояния в жидкое. Уже в 1681 году Дени Папен установил, что вода в закрытой емкости остается в жидком состоянии даже при превышении температуры кипения 100 ºС. С тех пор велись исследования, чтобы выяснить роль давления и температуры в процессах сжижения газов. В 1783 году Джеймс Уатт, создатель первой паровой машины, открыл, что латентное тепло парообразования (или энергия, необходимая для перехода из жидкого состояния в газообразное) изменяется с увеличением давления.