Высокотемпературные способы производства

Вплоть до XIII в. важнейшим "химическим агентом" был огонь. Поэтому во всех сочинениях по химии в то время особое место занимали описания конструкций различных печей. В XIII в. различались печи для кальцинирования, перегонки, плавления. Значительным достижением в то время считалось создание специальной печи ("атанор"), где процессы горения могли осуществляться длительное время, поскольку топливо по мере сгорания само по себе проваливалось в печь.

В XV в. Томас Нортон сконструировал, вероятно, первую многорядную муфельную печь, в которой "при одном процессе нагрева можно было осуществлять сразу 60 операций" [11, т. II, с. 12].

Дальнейшие изменения конструкции печей, описанные Агриколой, Глаубером, Глазером, Кункелем и Бехером, касались главным образом улучшения качества небольших (лабораторных) печей. В книге "Переносная лаборатория" Бехер описал конструкцию такой печи, пригодной для проведения многих разнообразных химических процессов при разных температурах. В XVIII в. берлинский ученый Потт и шведский исследователь Энгештрём сконструировали печи, в которых достигались и поддерживались довольно высокие температуры.

Но не только конструкция печей, а и качество горючих материалов имело большое значение для осуществления различных химических процессов. С древних времен как горючие материалы использовались дерево, торф, навоз, древесный уголь. Применяя в качестве топлива древесину разных пород, люди хорошо различали специфику их влияния на протекание превращений веществ. Например, еще Гебер писал, что для создания высоких температур следует использовать дерево твердых пород, а для получения умеренных температур - мягкую древесину. При перегонке жидкостей следовало, как считал Роберт Бойль, сжигать торф, из-за равномерного выделения тепла при его горении.

Непросто было освоить искусство управления огнем. В XVII - XVIII вв. для поддержания особенно высокой температуры использовали печи из огнеупорного кирпича, в которых в центре свода достигалась температура до 1500 °С. Эти печи многократно применяли Парацельс, Бойль, Чирнгауз, Бёттгер, Гомберг (1702 г.) и Жоффруа (1709 г.). Некоторые из этих изящно оформленных аппаратов находятся в Дрездене, в коллекции физико-математического отдела в музее Цвингер.

Химическая аппаратура (из книги И. Р. Глаубера, 1661 г.). Слева направо - перегонка квасцов для получения серной кислоты; установка для перегонки; аппарат для сублимации

Для проведения особенно важных экспериментов использовали "зажигательные стекла". С их помощью, например, в стеклянных колбах плавили и прокаливали свинец и другие металлы. Такие экспериментаторы, как Дж. Мэйоу и М. В. Ломоносов, отмечали, что после проведения этих операций образуется "известь", более тяжелая, чем исходный металл. Причиной этого Бойль считал "огненные частицы", проникающие через стекло. Однако это объяснение было позже опровергнуто в результате проведения экспериментов.

Непросто было также долго поддерживать и относительно невысокие температуры. Уже Марии-Еврейке^* приписывали изобретение водяной бани ("бани Марии"). Гебер (псевдо-Джабир - Перев.) предпочитал зольную баню, иные алхимики - песчаную, Парацельс - баню из железных опилок, нагреваемых паром. Итальянец И. Коста широко использовал метод нагревания паром "ароматической воды". Более низкие температуры Гебер и Луллий получали, применяя смеси органических удобрений. Брожение виноградных выжимок или дубильного корья также применялось для поддержания невысоких температур, необходимых для проведения некоторых химических процессов.

^* (Мария-Еврейка (Коптская) - легендарная основательница "тайного искусства" - по преданиям жила в III в до н. э. Марии приписывают, кроме изобретения водяной бани, оригинальные взгляды на использование огня для проведения превращений веществ.- Прим. перев.)

Нагревание колб с помощью зажигательных стекол (XVI в.)

Экспериментаторы использовали для нагрева свечи, масляные лампы и начиная с XVI в. спиртовые горелки. В 1773 г.Бауме и в 1794 г. Гёттлинг описали конструкции специальных "ламповых печей". Гитон де Морво в 1798 г. применял для изучения химических процессов спиртовые лампы улучшенной конструкции. По словам Германа Коппа, эти лампы имели в XVIII в. то же значение, что и в первой половине XIX в. спиртовые лампы (которые рекомендовал применять Берцелиус) [11, т. 11, с. 23].

Печи и аппараты для перегонки (из книги И. Шредера 'Фармакопея', 1700 г.). Справа - ручная мельница

После открытия кислорода в конце XVIII в. его стали использовать для создания еще более высоких температур, чем те, которые до этого достигались лишь с помощью "зажигательных стекол". Пристли, а позднее и Лавуазье направляли поток газообразного кислорода на горящий уголь. Таким образом они расплавляли помещенные на поверхности угля вещества, которые ранее никому не удавалось превратить в жидкость. Марсе в 1813 г. показал, что можно получить высокие температуры при вдувании кислорода в пламя спиртовой горелки.

Андреас Либавий (1540-1616).^*

^* (Либавий Андреас (ок. 1540-1550 - 1616) - немецкий иатрохимик и химик-практик. В написанной им книге "Алхимия" (1597 г.), которая была по существу учебником химии, хорошо отражен уровень развития химических знаний в конце XVI в. Работы Либавия способствовали развитию металлургии, технической химии, неорганической химии.- Прим. перев.)

В XIII-XVIII вв. существовали довольно грубые оценки нагрева веществ. Так, Гебер различал три "степени тепла", Либавий - четыре "градуса тепла". Тела, нагретые до первого "градуса тепла", можно было держать рукой не испытывая неприятных ощущений. Тела, нагретые до второго "градуса тепла", причиняли раздражение, но не вызывали ожогов кожи. Третий "градус тепла" соответствовал температуре раскаленного железа, четвертый - еще более высокой. Лишь с изобретением термометра химиками были отвергнуты эти расплывчатые характеристики степени нагрева. Г. Бургаве одним из первых подчеркнул необходимость использования термометра при изучении химических процессов. После работ Бургаве стала ощущаться все большая необходимость точного определения температуры. В 1714 г. Фаренгейт использовал ртуть для заполнения термометров; он выделял шесть "степеней тепла", в соответствии с которыми построил многоградусную шкалу измерения температуры. Таким образом, несмотря на изобретение термометра, еще применялись различные условные характеристики химических процессов, хотя разработанные Фаренгейтом характеристики были более совершенными по сравнению с использовавшимися ранее Бургаве. На основе своей шкалы Фаренгейт определял точные температуры плавления и замерзания веществ.

Медная многоцелевая нагревательная печь с пятью разделительными насадками (пентатлум)

Плавление, кальцинирование, кристаллизация, возгонка, фильтрация и другие процессы, с давних пор применявшиеся в химических ремеслах, начали вовлекаться в орбиту экспериментов и сами становились предметом экспериментального исследования. Особенно это касается экспериментирования с малыми, а затем и мельчайшими количествами вещества.

'Звездная печь' для последовательной ступенчатой перегонки (ок. 1650 г.)

Перегонка - процесс, очень важный для развития химических ремесел и "пробирного искусства",- долгое время оставалась единственным и незаменимым методом исследования. Процессы перегонки применялись еще в древнейшие времена. Уже Аристотель как о хорошо известном факте сообщал о том, что морскую воду можно сделать пригодной для питья после ее испарения и конденсации. Аристотелю было известно, что "субстанции", состоящие из твердых и жидких частиц, можно разделить нагреванием, а затем образовавшийся пар сконденсировать.

С появлением огнестойких сосудов их стали использовать для выпаривания различных веществ; при этом наблюдали появление на крышках капель сконденсированного пара. В пробирном искусстве для перегонки применялись колбы и насадки - "шлемы" ("алембик"). Уже до начала нашей эры перегонные аппараты служили для многих целей (например, в них нагревали киноварь с железом и получали ртуть). Некоторые способы применения перегонки, в частности для получения терпентинового и розового масел, были известны задолго до XVIII-XIX вв.

Аппарат для перегонки, используемый при получении соляной кислоты из поваренной соли и серной кислоты (из работы И. Р. Глаубера, 1648 г.)

По свидетельству Синезия и Зосимы, в IV в. н. э. перегонные аппараты состояли из двух сосудов - "пузыря", т.е. основной колбы, и "шлема", от которого отходили одна или несколько труб к сосудам, принимающим отогнанную жидкость. Позже химики стали применять для перегонки реторту.

Несмотря на то что еще в глубокой древности пытались регулировать температуру химических процессов, аппараты для охлаждения были разработаны лишь через несколько веков после начала нашей эры, т. е. значительно позже, чем появились нагревательные устройства. Процессам искусственного охлаждения продуктов реакции стали уделять особое внимание лишь после того, как начали перегонять летучие жидкости. Первоначально Р. Луллий для охлаждения пара при перегонке ставил приемник в сосуд с холодной водой. Василий Валентин использовал бочонок, в который вливалась холодная вода, а нагревшаяся - вытекала наружу. Однако система противоточного охлаждения была изобретена И. Хр. Вайгелем лишь в конце XVIII в.