Глава V. Физическая химия

Роберт Вильгельм Бунзен

Роберт Вильгельм Бунзен - один из знаменитых немецких химиков XIX в., подлинный основатель физико-химического направления исследований. Работы Бунзена в значительной мере способствовали развитию экспериментального естествознания и материального производства, помогли ученым воссоздать материалистическую картину мира.

Роберт Вильгельм Бунзен (1811-1899)

Роберт Вильгельм Бунзен родился 31 марта 1811 г. в Гёттингене. Он происходил из образованной и хорошо обеспеченной семьи - отец Роберта был профессором и библиотекарем университета в Гёттингене. Бунзен получил блестящее школьное образование в гимназиях своего родного города и Гольцминдена¹.

В 1828 г. он поступил в Гёттингенский университет, где изучал химию, физику, геологию, минералогию, ботанику, анатомию и математику. Юноша обучался химии у Штромейера, открывшего кадмий. В возрасте 20 лет Бунзен окончил университет; его докторская работа была посвящена разработке новых измерительных приборов.

Во время путешествия по некоторым странам Европы с 1832 по 1833 г. Бунзен познакомился со знаменитыми химиками своего времени, провел геологические исследования и посетил промышленные предприятия. Довольно долгое время он провел в Париже, где слушал курсы лекций в Политехнической школе. В 1833 г, Бунзен стал приват-доцентом в университете Гёттингена.

В 1836 г. он начал преподавать химию в Высшей промышленной школе в Касселе, где ранее работал Вёлер.

Роберт Бунзен со своими студентами (Гейдельберг, 1855 г.). На фотографии среди других Г. Роско, Лотар Мейер, Ф. Бейльштейн, Г. Ландольт, А. Кекуле

Здесь Бунзен начал первый большой цикл работ по изучению органических соединений мышьяка. Наиболее важными из них явились исследования арсинов (с 1837 по 1843 г.), где рассматривались основополагающие вопросы теории и практики развивающейся органической химии. Путем нагревания диметиларсинхлорида (хлорида какодила) с цинком в атмосфере двуоксида углерода Бунзен получил тетраметилдиарсин (какодил), (СН₃)₂Аs - группу которого он назвал радикалом какодила². Эта работа подкрепила представление о радикалах как основных частях органических соединений, выдвинутое в известном исследовании Либиха и Вёлера³. Работы с опасным диметиларсинцианидом (какодилцианидом) зачастую сопровождались взрывами, отчего у Бунзена заболели глаза и несколько раз имело место отравление. Тем не менее он продолжал изучение арсинов. Исследованиями других разделов органической химии Бунзен не занимался.

В 1839 г. Бунзен был приглашен в Марбургский университет на должность экстраординарного профессора и директора химического института. Уже через два года он получил звание ординарного профессора. В Марбурге Бунзен занялся исследованиями в области электрохимии, а также изучал реакции в газовых смесях. Таким образом ученый пришел к анализу проблем прикладной и физической химии, которыми и занимался всю свою творческую жизнь.

Минералогические и геохимические исследования, которые Бунзен проводил в 1846 г. по поручению датского правительства, вызвали необходимость побывать даже в Исландии⁴.

В 1851 г. ученый был приглашен в Бреслау (ныне Вроцлав в ПНР). Спустя год Бунзен покинул этот город, согласившись на предложение перейти в Гейдельбергский университет, где он занял кафедру вышедшего в отставку Гмелина. Здесь Бунзен вместе С физиком Г. Р. Кирхгофом занялся разработкой методов спектрального анализа. Последовавшее после смерти Мичерлиха и Розе приглашение в Берлинский университет Бунзен отклонил, так как он не хотел жить "при режиме господина Бисмарка". До своей отставки по возрасту в 1889 г. ученый остался верен Гейдельбергскому университету. Бунзен скончался в Гейдельберге 16 августа 1899 г.

Спектроскоп Бунзена и Кирхгофа (1859 г.)

Бунзен был превосходным преподавателем. Подобно лаборатории Либиха в Гиссене, лаборатория Бунзена в Гейдельберге стала заветным местом для многих молодых ученых, желавших серьезно заниматься химией. Впоследствии многие из них стали выдающимися химиками и преподавателями в университетах. В Марбурге его учениками были Франкланд, Тиндаль и Кольбе, в Гейдельберге у Бунзена учились Роско, Шорлеммер, Эрленмейер, Лотар Мейер и Виктор Мейер, Д. И. Менделеев, Ауэр фон Вельсбах, Адольф фон Байер и другие.

Для лабораторных работ и демонстрации опытов на лекциях Бунзен применял эффективные и часто удивительные по простоте приборы. Таковы, например, фотометр с жировым пятном и клапан Бунзена. Газовая горелка, сконструированная Бунзеном, стала необходимой принадлежностью каждой лаборатории. Он же усовершенствовал водоструйный насос и калориметры различных конструкций.

Наиболее важным результатом работ Бунзена явилось создание спектрального анализа совместно с его другом Кирхгофом в 1859-1860 гг. Эти исследования наглядно показали большую пользу научного сотрудничества физиков и химиков.

Р. Бунзен, Г. Кирхгоф и Г. Роско

Бунзен исследовал в несветящемся пламени горелки различные вещества и разлагал при помощи призмы свет, излучаемый пламенем. Вначале ученый установил, что желтая линия натрия и D-линия солнечного света имеют одинаковую длину волны Вместе с Кирхгофом он обнаружил совпадение 70 линий солнечного спектра и спектральных линий определенных химических элементов. Кирхгоф сделал следующий вывод из обнаружения совпадения фраунгоферовых линий с линиями специальных спектров. "Для лучей, одной и той же длины волны при той же самой температуре, соотношение испускательной и поглощательной,- отмечал Кирхгоф,- способности для всех тел одинаково" [73, с. 784], Использование спектрального анализа позволило значительно увеличить число известных элементов. Тем самым Бунзен и Кирхгоф подготовили систематизацию основных химических веществ.

Уже в 1860 г. Бунзен открыл при спектральных анализах минеральной воды из Дюркхайма⁵ цезий, а в 1861 г. в минерале из Саксонии лепидолите⁶ - рубидий. В том же году Крукс обнаружил при помощи спектрального анализа таллий в шламе свинцовых камер для производства серной кислоты, а в 1863 г. Райх и Рихтер таким же способом открыли индий. Аналогичным образом позже были обнаружены некоторые благородные газы, актиноиды, а также элементы скандий и галлий.

С помощью спектрального анализа оказалось возможным исследовать химический состав звезд, несмотря на их удаление от Земли. При этом астрофизики показали, что химические элементы, обнаруженные на небесных телах, идентичны элементам, известным на Земле. Тем самым была существенно подорвана опора агностицизма и внесен важный вклад в подтверждение материалистического положения о единстве мира.

Исследования Бунзена всегда были ориентированы на решение практических задач. Уже в его первой работе, проведенной вместе с врачом А. А. Бертольдом, приведены сведения об использовании свежеосажденного гидроксида железа (III) как противоядия при отравлении мышьяком⁷. Необходимость решения таких технических проблем, как совершенствование процесса производства чугуна и получения колошникового газа⁸, в значительной мере обусловили появление газового анализа. Эти работы должны были объяснить, каким образом колошниковый газ может использоваться для нагревания воздуха, вдуваемого в доменные печи, и насколько велики будут потери энергии, если не использовать этот газ. Бунзен провел эти исследования по заказу руководителей английской металлургической промышленности, перед которой встали в то время важные технические и экономические проблемы в связи с введением метода доменной плавки на коксе. При этом Бунзен заложил научные основы для более поздней постройки Каупером (1857 г.) воздухонагревателей⁹. Эти технические усовершенствования позволили сэкономить большие количества кокса при производстве чугуна. Кроме того, резко увеличилась производительность доменных печей без значительного изменения их конструкций¹⁰. С 1838 по 1845 г. Бунзен исследовал доменные газы; при этом был усовершенствован известный ранее, но мало эффективный способ разделения газов и измерения их объема. Бунзен не ограничился лишь разработкой новых методов измерения объема и установления состава газа, но и внедрил эти методы в практику металлургического производства. Работы Бунзена не только способствовали стремительному росту доменного производства, но и оказали большое влияние на развитие всей металлургической промышленности. В 1857 г. Бунзен опубликовал первый учебник по газовому анализу "Газометрические методы". В том же году он исследовал вместе с Л. Н. Шишковым процессы сгорания пороха.

Бунзен изучил также электрохимические процессы. Он заменил угольными пластинами дорогие электроды гальванических элементов, изготовлявшиеся ранее лишь из благородных и полублагородных металлов, а также создал угольно-цинковый элемент¹¹. При помощи новых элементов Бунзен получил путем электролиза расплавленных солей довольно большие количества магния (1862 г.) и алюминия (1854 г.). Это легло в основу металлургии легких металлов.

Бунзен изучал и другие свойства легких металлов. Он исследовал свечение горящего магния и связанные с этим фотохимические явления. Проведенный Бунзеном вместе с его учеником Роско синтез хлористого водорода из элементов стал примером мастерской экспериментальной работы. В 1862 г. авторы установили количественные закономерности фотохимических процессов, которые были сформулированы в законе, получившем впоследствии их имена - закон Бунзена-Роско¹². Этот закон был использован в фотографии, когда следовало определить, например, зависимость времени освещения от яркости предмета. Совместными исследованиями Бунзена и Роско была основана измерительная фотохимия.

Бунзен был равнодушен к обилию почестей, выпавших на его долю. В признание научных заслуг Бунзена по предложению В. Оствальда Общество электрохимии и физической химии было переименовано в Немецкое общество электрохимии и физической химии имени Бунзена.

Роберт Бунзен был всегда готов помочь людям, отличался свободомыслием и благородством поступков. Он - один из последних великих исследователей и педагогов XIX в.- сделал выдающиеся открытия на благо человечества. Его ученик Тиндаль говорил, что Бунзен ближе всего подходит к идеалу преподавателя высшей школы¹³.