Сержио Рарра Кастильо Наука высокого напряжения. Фарадей. Электромагнитная индукция
жүктеу/скачать 1.83 Mb.
|
- Бұл бет үшін навигация:
- * * * Батарейка Вольты
- ПЕРВЫЙ СОБСТВЕННЫЙ ЭКСПЕРИМЕНТ
- * * * Открытие «Люцифера»
- * * * Газовые законы
- Портрет Фарадея, написанный в 1842 году Томасом Филлипсом.
- СЕКРЕТЫ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОГО УСПЕХА ФАРАДЕЯ
- * * * Записи прославленных умов
- Тетрадь Чарльза Дарвина, 1837 год. B ней впервые можно увидеть диаграмму в форме дерева, лежащую в основе эволюционной теории
ГЛАВА 2.Химическая искраПосле того как старания и немного удачи позволили Фарадею попасть в самое важное научное учреждение страны, гениальность привела его к изучению загадок химии. В то же время его популярность становится примером того, как выходец из социальных низов может подняться до высоты, позволяющей работать бок о бок с учеными, обладающими мировой известностью. Когда Фарадей начал работу в Королевском институте, электричество еще считалось частью химии, прежде всего потому что батарейка, изобретенная итальянским физиком Алессандро Вольтой в 1800 году, позволяла получать электричество химическим способом. Поэтому Фарадей продолжал свои исследования в области физики с использованием методов, характерных в его эпоху для химии. Был и другой фактор, благоприятствующий склонности Фарадея к этой науке: в химии не было математики, которой он не владел, при этом она включала активные опыты с природными явлениями, а Фарадей стал знаменит именно как экспериментатор. Несмотря на поздний возраст для вступления на научную стезю, ученый под руководством Гемфри Дэви сразу же получил известность среди химиков. Позднее, в 1823 году, он провел ряд успешных экспериментов, также лежащих в области химии, по сжижению газов под давлением. Первые химические работы Фарадея появились благодаря его учителю Дэви, которому в 1808 и 1809 годах удалось выделить натрий и калий с помощью самой большой в мире батарейки, созданной самим Дэви. Через год он использовал батарейку для выделения других элементов: стронция, бора, кальция и магния; в 1810-м — хлора; в 1812-м — йода; в 1826-м — брома. Этот успех был таким эффектным, что Наполеон, несмотря на то что Франция находилась в состоянии войны с Англией, наградил Дэви престижной премией Бонапарта Французской академии наук. Фарадей самостоятельно открыл в 1825 году бензол, который позже будет играть решающую роль в работах о молекулярной структуре Августа Кекуле (1829–1896). ПЕРВЫЕ ОТКРЫТИЯНесмотря на то что Дэви принял Фарадея на работу, чтобы тот просто мыл пробирки и выполнял аналогичные задания, Майкл согласился на эти условия, пользуясь любой возможностью для того, чтобы приблизиться к настоящей науке. Некоторое время спустя, в октябре 1814 года, Дэви попросил Фарадея стать его помощником и камердинером во время путешествия за границу. Для другого человека, не обладавшего скромностью Фарадея, это стало бы невыносимым унижением: сначала мойщик пробирок, теперь слуга. Ho Фарадей решил воспользоваться возможностью путешествовать с Дэви и увидеть Париж и города Италии — Геную, Флоренцию, Рим, Неаполь, Милан. Во время поездки он познакомился с лучшими учеными Европы — Алессандро Вольтой, которому было уже 70 лет, Андре-Мари Ампером, чьи публикации Фарадей с жадностью прочел еще в переплетной мастерской Рибо. Фарадей всегда носил с собой дневник, в котором тщательно описывал важные события, чтобы не забыть деталей, поэтому сейчас мы можем прочесть его впечатления от посещения Неаполя и восхождения на Везувий:
Итальянский физик Алессандро Вольта (1745–1827) 20 марта 1800 года сообщил в Королевское общество об изобретении электрической батарейки, представлявшей собой соединение медных и цинковых пластин, проложенных тканью, смоченной в слабом растворе кислоты. Первоначально Вольта назвал свое изобретение электрический искусственный орган, основываясь на экспериментах Гальвани над мертвыми лягушками, мускулы которых подергивались при пропускании постоянного тока. Вольта доказал, что если поместить два металла в кислый раствор, возникает электрический ток. В элементе Вольта происходила электрохимическая реакция, во время которой медь отдавала электроны в раствор, а цинк забирал их. Одновременно цинк растворялся, и на поверхности меди появлялся водород. 
Электродвижущая сила Такая батарейка могла производить электродвижущую силу (ЭДС) порядка одного вольта на каждое соединение дисков. Хотя электродвижущая сила на самом деле представляет собой другую силу, исторически сохранилось именно такое наименование для обозначения электрической энергии, производимой батарейкой в замкнутый контур от каждой единицы электрического заряда, перемещаемого вдоль всего контура. В честь Алессандро Вольта единица электродвижущей силы в международной системе единиц СИ называется с 1881 года вольт. Открытие йодаВо время своего путешествия на континент Дэви сделал открытие, которое пошатнуло одно практически всеобщее мнение, господствовавшее среди химиков. В Париже Ампер и КлеманДезорм показали Дэви вещество, изготовленное из одного вида морских водорослей, открытого всего два года назад Бернаром Куртуа (1777–1838). При нагревании новое вещество испускало фиолетовый дымок, который затем конденсировался в виде темных кристаллов. Вещество было похоже на хлор. Тогда существовало мнение, что все кислоты содержат кислород, поэтому, если хлор составлял кислоту в комбинации с водородом (хлоргидридная кислота), считалось, что это должен быть какой-то оксид.
Кристаллы йода.Два новых элемента Дэви отвергал теорию о том, что все кислоты содержат кислород, и доказал: хлор и новое вещество — разные элементы. Сразу же из Парижа он отправил письмо в Королевское общество с описанием нового вещества и предложил для него название йод — от греческого слова, обозначающего фиолетовый цвет. Сейчас мы знаем, что йод — элемент с атомным номером 53, являющийся важным компонентом нашего рациона: недостаточное его количество может привести к различным заболеваниям. Английский философ Бертран Рассел (1872–1970) использовал эти медицинские данные о йоде для опровержения существования бессмертной души: «Явно химического происхождения используемая для мышления энергия. К примеру, недостаток йода в организме превращает разумного человека в идиота. Феномены сознания, вероятно, связаны с материальной структурой». * * *Кроме того, должность камердинера и готовность выполнить любую просьбу Дэви принесли свои плоды: по возвращении в Лондон Дэви в качестве компенсации обеспечил Фарадею двойное повышение по службе — Майкл стал ответственным за оборудование, помощником в лаборатории и коллекции минералов, а также получил разрешение проводить самостоятельные эксперименты. Итак, скромное поведение бедного переплетчика позволило ему поступить в Королевский институт. Гемфри Дэви взял над ним покровительство, и Фарадей смог путешествовать по Европе и знакомиться со знаменитыми учеными — именно так жили молодые британские аристократы после нескольких лет учебы в Оксфорде или Кембридже. Кроме того, перед исследователем открывалась первая возможность ставить собственные опыты. Фарадей, не обладая ни деньгами, ни связями, умудрился получить такое же образование, как и любой другой студент высокого происхождения.
В 1815 году, после возвращения в Англию, Фарадей длительное время занимался подготовкой материалов для лекторов Королевского института, а также проводил химический анализ проб воды, взятых в разных регионах Великобритании. Кроме того, он помогал Дэви в его исследованиях, среди которых можно выделить изобретение лампы для горняков. По всей видимости, мысль о данном изобретении, в конечном итоге спасшем много горных рабочих, пришла в голову Дэви из-за несчастного случая, произошедшего в 1812 году, когда от взрыва на глубине 180 метров погибли 92 взрослых и ребенка. Подземный газ метан, содержавшийся в рудничном газе, легко воспламенялся от свечей и ламп, используемых горняками. Дэви сконструировал лампу, в которую метан проникал и выходил через маленькие трубки. Пламя было защищено сеткой из проволоки с 127 отверстиями на квадратный сантиметр, поэтому тепло от лампы не распространялось наружу и не вызывало воспламенения газа. * * *Открытие «Люцифера»В 1826 году Майкл Фарадей посоветовал своему коллеге, химику и фармацевту Джону Уолкеру (1781–1859), зарегистрировать патент на, как ему казалось, важное изобретение — спички, зажигающиеся от трения. Считается, что открытие было случайным. 
Джон УолкерУолкер взял хлорат калия, сульфид сурьмы, камедь и крахмал и перемешал их деревянной палочкой. Смесь засохла на конце палочки, а когда Уолкер решил очистить ее и потер палочкой о пол, вспыхнуло пламя. Уолкер не считал, что его изобретение достойно патента, он воспринимал его скорее как естественную химическую реакцию. Однако на следующий год некто Сэмюэль Джонс, присутствовавший на демонстрации опытов Уолкера, зарегистрировал патент на спички, которые скоро появились в продаже под названием «Люцифер». Возможно, название «Люцифер» звучало лучше, чем «спички, зажигающиеся от трения», или потому что ими было очень удобно зажигать сигары, однако продажи табака вместе со спичками сильно возросли. Проблема состояла в том, что запах от химической реакции спичек «Люцифер» был очень сильным, они горели с большим количеством искр, а пламя было нестойким, так что использование этих спичек было более вредным для здоровья, чем курение табака.
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 БЕНЗОЛАОдно 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 ГАЗОВВернемся 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. При увеличении давления и повышении предела точки кипения Уатт наблюдал, что латентное тепло постепенно уменьшается до достижения предела, в котором практически пропадает. * * *Газовые законыОсновное отличие газа от твердых или жидких веществ состоит в том, что его молекулы находятся далеко друг от друга и перемещаются во всех направлениях. Ян Баптист ванн Гельмут ввел термин газ на основе греческого слова хаос («беспорядок»). Постепенно ученые пришли к выводу, что поведение газов можно изучить на основании отношений между их температурой, давлением и объемом. С XVII века начали устанавливаться первые газовые законы. — Закон Бойля — Мариотта, сформулированный Робертом Бойлем и Эдмом Мариоттом в XVIII веке, утверждает, что для определенного количества газа при постоянной температуре объем газа обратно пропорционален давлению данного газа. — Закон Шарля — Гей-Люссака, сформулированный французским химиком Жозефом Луи Гей-Люссаком в 1802 году, утверждает, что для определенного количества газа при постоянном давлении объем газа прямо пропорционален температуре данного газа и для определенного количества газа при постоянном объеме давление газа прямо пропорционально его температуре. — Закон Авогадро, сформулированный Амедео Авогадро в 1811 году, утверждает, что при одинаковых условиях давления и температуры одинаковые объемы разных газов содержат одинаковое количество молекул. — Закон Грэма, сформулированный Томасом Грэмом в 1829 году, утверждает, что движение молекул двух или более газов дает в результате смешение молекул, в закрытой емкости такое смешение быстро образует гомогенную массу. Однако этот процесс меняется при наличии возможности для газа выйти из емкости через маленькие отверстия, или поры (так называемая эффузия газа). Скорость эффузии газов обратно пропорциональна квадратному корню плотности газа. * * *Фарадей знал о возможности сжижения газов: с 1799 года — аммиака (NH3) с помощью сжатия или охлаждения, с 1800 года — диоксида серы (SO2) с помощью охлаждения, хлора (Cl2) с помощью сжатия. В 1823 году ученый осуществил серию экспериментов, являющихся первой попыткой систематизировать исследования по сжижению газов. Во время этих экспериментов были сжижены диоксид углерода (CO2), диоксид серы (SO2), оксид азота (N2O), этилен (C2H4), моноксид азота (NO), аммиак (NH3), хлоргидридная кислота (ClH), хлор (Cl2), сульфгидрильная кислота (SH2), цианистоводородная кислота (CNH). Также он смог добиться сжижения водорода (H2), кислорода (O2), азота (N2) и моноксида углерода (CO). В 1845 году Фарадей вернулся к своим экспериментам и пришел к выводу: при достижении определенной температуры маловероятно, что увеличение давления, за исключением очень больших скачков, превратит газ в жидкость. Хотя он рассматривал и другую возможность — что некоторые газы, которые он не смог превратить в жидкость, являются постоянными, то есть газами, сжижение которых невозможно. Сегодня известно, что все газы можно подвергнуть сжижению. В 1869 году ирландский химик Томас Эндрюс (1813–1885) открыл, что диоксид углерода можно превратить в жидкость под давлением при температуре ниже 31 ºС. Выше этой температуры невозможно достичь давления, которое могло бы превратить этот газ в жидкость. Все эксперименты подкрепляли атомные гипотезы той эпохи. В случае с водой, например, объяснялось, что плотность жидкости выше плотности газа, соответственно при сжатии газа возможно сжать или приблизить друг к другу атомы, при этом будет «выжиматься» теплота. Также существовало мнение, что можно сжижать вещества при достаточном охлаждении на основании того, что при нагревании они испаряются. В течение XIX и первой половины XX века было выяснено: все вещества могут становиться твердыми или, по крайней мере, сжижаться до достижения температуры -273ºC, что является наименьшей теоретически возможной температурой. 
Портрет Фарадея, написанный в 1842 году Томасом Филлипсом. |
