Реферат: Химик Томас Грем

Пока что приблизительные. Видимо причиной является диффузия. Все газы способны расширяться, заполняя весь предоставленный им объем. Вот почему, если соединить два сосуда, заполненные разными газами, через некоторое время в них образуется совершенно однородная смесь. Протекает свободная диффузия. В моих опытах, однако, диффузия осуществляется через пористую перегородку – стенки глиняного сосуда. Мы могли бы назвать процесс вынужденной диффузией. Оказывается, разные газы проходят через пористую перегородку с различной скоростью. Например, в опыте, который вы видели, и водород через стенки сосуда проходит быстрее, поэтому количество газа в сосуде увеличивается и выталкивает ртуть. Конечно, воздух тоже выходит наружу, но медленнее.

Понимаю. По-моему, вам надо, не откладывая, подробно описать свои опыты и опубликовать результаты.

Статья была напечатана в «Квартальном журнале науки» в 1829 году. В том же году Грэму было предложено место умершего доктора Кларка в Механическом институте.

Дружба с Кларком направила интересы двадцатичетырехлетнего Грэма и к другой области химии. Последние годы своей жизни доктор Кларк посвятил солям фосфорной кислоты. Подобное исследование этих соединений давало все больше фактов, которые не удавалось объяснить с помощью теории Берцелиуса. По мнению шведского ученого, каждая кислота образуется в результате присоединения одного атома воды к одному атому кислородного окисла. Согласно этой теории, каждый кислотный окисел образовывает только одну одноосновную кислоту. Доктору Кларку, однако, удалось получить новую натриевую соль фосфорной кислоты, значительно отличавшуюся по свойствам от обыкновенного фосфата натрия. Фосфат натрия образует с нитратом серебра желтый осадок, и раствор над осадком имеет, кислую ре­акцию. Фосфат, полученный доктором Кларком, при взаимодействии с нитратом серебра давал белый осадок, раствор над которым был нейтральным. Эту соль он получил из обыкновенного фосфата натрия, нагревая его докрасна. Так как новый фосфат образовался под действием огня (огонь по-гречески «пирос»), Кларк назвал его пирофосфатом.

Продолжительные исследования доктора Кларка не внесли ясность в вопрос о фосфорной кислоте и ее солях; более того, они значительно усложнили его. Теперь в хорошо оборудованной лаборатории доктора Кларка Грэм получил возможность расширить и углубить свои исследования. Основное внимание он уделил газам и фосфатам. Вопрос о диффузии все еще оставался открытым. Чтобы определить скорость диффузии, Грэму пришлось измерять количество перешедшего через пористую перегородку газа за единицу времени. Для получения количественной зависимости он видоизменил и сам опыт. Вместо глиняного сосуда, поверхность которого измерить трудно, он использовал широкую стеклян­ную трубку, конец которой закрыл специальной пористой перегородкой. Грэм производил многократные анализы газов внутри и снаружи стеклянной трубки для определения их процентного содержания в газовой смеси. Наряду с этим он решил определить и некоторые физические параметры газов. Эта продолжительная и в какой-то степени однообразная работа вовсе не надоедала ему. Грэм проводил сотый анализ с таким же удовольствием, с каким когда-то провел первый.

Упорная работа завершилась открытием закона, лежавшего в основе явления диффузии газов. Грэм установил, что чем тяжелее газ, тем медленнее он проходит через пористую перегородку. Но это только качественная взаимосвязь. Он хотел найти строгую математическую зависимость, и его попытки увенчались успехом. Вычисления показывали, что скорость диффузии газа обратно пропорциональна квадратному корню из его плотности.

Параллельно с этой работой Грэм окончил исследования по окислению фосфора и установил, что в присутствии ничтожно малых количеств некоторых газов окисление фосфора значительно замедляется. Этот факт имел большое значение для науки, так как давал первый пример отрицательного катализа – явления, у которого даже не было названия, потому что не существовало самой теории каталитических процессов. Даже понятие «катализ» Иенс Якоб Берцелиус ввел лишь через пять лет после этого открытия.

Вторая статья Грэма о диффузий газов вышла из печати в 1831 году, когда он был уже профессором химии в Андерсеновском университете в Глазго. Здесь в большой и отлично оборудованной лаборатории он сделал очень важное открытие, в результате которого полностью изменился взгляд на природу кислот. К этому открытию Грэма привели результаты исследования фосфорной кислоты и ее солей.

Начав в лаборатории доктора Кларка с исследования соединений фосфора, Грэм перешел затем к исследованию солей мышьяковой кислоты, которые, как было известно из работ Митчерлиха, обладали свойствами, аналогичными фосфатам. В сущности Грэм повторил опыты Митчерлиха, Берцелиуса, Кларка и получил все известные в ту пору фосфаты и арсенаты. Он не нашел ошибок в выводах ни одного из ученых: это были действительно различные по свойствам и составу соли. Варьируя условия их получения, Грэм выделил несколько новых фосфатов. Он обратил особое внимание на бесцветное кристаллическое вещество, которое содержало большое количество фосфора. Обрабатывая его концентрированной серной кислотой, Грэм получил фосфорную кислоту нового типа. Она образовывала бесцветные кристаллы и легко вызывала коагуляцию растворов альбуминов. Грэм назвал эту кислоту метафосфорной, а ее соли – метафосфатами. В конце концов он подытожил результаты продолжительных и сложных опытов, которые показывали, что при образовании солей фосфорной кислоты один «атом» окиси фосфора способен связаться с одним, двумя или тремя «атомами» окиси натрия или калия. Это утверждение было справедливо лишь при условии, если кислоты содержат несколько атомов водорода, замещаемого металлами.

Грэм был убежден, что при растворении в воде окись фосфора способна связываться с одной, двумя или тремя молекулами воды (по воззрениям того времени – атомами воды). Результатом этого взаимодействия являются три различные по свойствам фосфорные кислоты – метафосфорная, пирофосфорная и ортофосфорная. Это допущение противоречило не только ученику Берцелиуса об одноосновности кис­лот, но шло вразрез со взглядами всех ученых. Однако его подтверждали факты, которыми нельзя было пренебречь. Статья Грэма, опубликованная в 1833 году, положила начало современной теории многоосновности кислот. Несколько позже идея о многоосновности кислот вошла и в органическую химию. Впервые об этом писал Юстус Либих, а о многоосновных спиртах (правильнее многовалентных) – Адольф Вюрц.

Вклад Грэма в науку имел большое значение. Его высоко оценила научная общественность. В 1834 году в Эдинбурге состоялась торжественная церемония, на которой Грэма удостоили почетной награды.

На торжество приехали самые выдающиеся ученые Шотландии, чтобы выразить свое уважение этому скромному исследователю.

Грэм был популярен не только в Шотландии, он пользовался известностью и среди ученых Лондона. Когда в 1837 году умер профессор химии Университетского колледжа в Лондоне Эдуард Тэнер, академический совет единодушно избрал на его место Томаса Грэма.

В то время Лондон был центром науки. Здесь работали самые выдающиеся ученые по всем отраслям знаний. Именно в Лондоне существовала возможность непосредственного контакта с различными специалистами. Грэма радушно приняли в свой круг его лондонские коллеги. В 1837 году он стал членом Лондонского королевского общества, во время засе­даний которого он встречался и беседовал со многими видными учеными. Через доктора Уильяма, Узвелла Грэм познакомился с Майклом Фарадеем.

Работа над учебником увлекла Грэма, и он на некоторое время прекратил экспериментальные исследования. Дружба с Фарадеем отразилась на его научных интересах. В результате появилась новая статья Грэма «Теория цикла Вольта», которую он доложил в 1839 году на заседании Британской ассоциации.

Авторитет Грэма рос с каждым днем. Глубокие познания и оригинальные исследования выдвинули его в число первых среди выдающихся английских ученых. Когда в 1842 году было основано английское Химическое общество, Грэма избрали его президентом. Это общество и сегодня играет важную роль в развитии химической науки в Англии. После смерти Джона Дальтона в 1844 году французские ученые избрали на его место Томаса Грэма – одного из одиннадцати выдающихся иностранных ученых – почетных членов Парижской академии.

Многочисленные обязанности мешали, однако, научной работе Грэма. Ему без конца приходилось заседать в разнообразных комиссиях: в 1846 году его назначили в состав комиссии по изучению вентиляции нового здания парламента; в следующем году уже другая комиссия подробно изучала во­прос об улучшении методов литья ружей, винтовок и пушек. В 1851 году Грэм совместно с профессором Миллером и профессором Гофманом проводил работу по определению чистоты и пригодности для питья воды некоторых городов Англии. В том же году Грэм был назначен членом жюри выставки химикатов и фармацевтических препаратов в Лондоне.

И, тем не менее, ученый не прерывал научно-исследователь­ской работы. Он продолжал изучать явления, связанные с движением молекул газов, интересовался причинами, вызывающими это движение, условиями, от которых оно зависит. Методы исследования газов Грэм применил и к жидкостям. Оказалось, что жидкости, будучи отделенными друг от друга полупроницаемой перегородкой, могут переходить через нее. Таким же образом ведут себя растворы, если их отделить от растворителя пористой перегородкой. Грэм назвал это явление «осмосом» и подробно описал его в статье «Об осмотической силе» (1854 г.).

Открытие осмотических явлений было объявлено самым значительным открытием года. По традициям Королевского химического общества автор статьи должен был выступить перед научной общественностью с лекцией, в которой необходимо было подробно изложить сущность исследований и полученные результаты. Лекция состоялась в конце декабря 1854 года. Это была вторая Бейкерианская лекция, с которой Грэм имел честь выступить перед учеными Лондона (первую лекцию он прочитал в конце 1850 года в связи с исследованиями диффузии жидкостей):

«...Явление это аналогично диффузии газов, но оно таит в себе еще много неясного. Газы диффундируют в двух направлениях, а жидкости только в одном. Сущность эксперимента в следующем. Широкую часть воронки накрываем животным пузырем, пергаментом или какой-либо другой полупроницаемой перегородкой, потом воронку заполняем раствором определенного вещества и погружаем ее в воду так, что трубка воронки остается над водой. Через некоторое время можно заметить, что жидкость по ней начинает медленно подниматься. Это показывает, что вода проникает через перегородку в раствор. Что переходит из раствора в воду, установить не удалось. Продолжительные исследования показали, что высота, до которой поднимается жидкость в трубке, сильно зависит от природы растворенных веществ. Например, однопроцентные растворы хлоридов натрия, кальция, ртути и меди дают соответственно 2, 20, 121 и 351 мм высоты. Объяснение этому наблюдению еще больше усложняется тем фактом, кто оно не связано с капиллярными явлениями, как склонны думать многие исследователи. Один и тот же раствор дает всегда одинаковое повышение уровня в трубке, несмотря на вид полупроницаемой мембраны и толщину трубки, в которой находится раствор...»

С исследования осмотических явлений начался один из самых плодотворных периодов научной деятельности Грэма. В 1855 году ему предложили перейти на работу в лабораторию Государственного монетного двора. Грэм с радостью принял это предложение, так как профессорская деятельность отвлекала его от проведения научных исследований, а членство в ряде правительственных комиссий отнимало значительную часть драгоценного времени.

Работа в лаборатории Монетного двора была сравнительно спокойной, и ученый получил возможность посвятить свое время науке. В лаборатории он находил радость и смысл всей своей жизни. Даже дома после трудового дня он мысленно возвращался в лабораторию, к опытам, к неизвестному, которое ждало своего открытия.

Изучение осмотических явлений встречало большие трудности. Ученому никак не удавалось установить взаимосвязь между высотой поднимавшегося столбика жидкости и концентрацией растворенного вещества. Грэм провел десятки, сотни, тысячи опытов, но все оказалось напрасным. Законы осмотического давления суждено было открыть Вильгельму Пфефферу лишь через 20 лет.

Прошло пять лет с тех пор, как Грэм начал работать в лаборатории Монетного двора. Он следил за достижениями ученых не только Англии, но и всего мира. Растворы изучали многие. Интересные открытия в этой области сделал Майкл Фарадей. Распыляя порошок металла в воде, он получил очень тонкие взвеси, сохранявшиеся длительное время. Эти «растворы» были очень похожи по свойствам на растворы кремневой кислоты, которые Грэм изучал вместе с молодым ассистентом Уильямом Остином. Томас Грэм не обзавелся в свое время семьей, и потому ничто не мешало ему задерживаться в лаборатории вместе с Остином до поздней ночи.

Грэм и Остин провели ряд исследований, на основе которых Грэм создал совершенно новую теорию веществ. В результате своих опытов они установили, что некоторые вещества образуют исключительно стойкие растворы. Если такой раствор подвергнуть испарению и потом охладить, растворенное вещество выделится в виде кристаллов. Словом, такие вещества очень легко кристаллизуются. Другая группа веществ, как установили ученые, образует нестойкие растворы, которые легко коагулируют, и растворенное вещество осаждается в виде студенистого осадка или тонкого порошка. Несмотря на все усилия, им не удалось получить кристаллы веществ второй группы. Приняв, что свойство кристаллизоваться заключено в самой сущности веществ, Грэм разделил их на две группы: первые (легко образующие кристаллы) он назвал кристаллоидами, вторые (не образующие кристаллов) –. коллоидами.

Растворы. коллоидных веществ обладали и другим важным свойством: при охлаждении они постепенно сгущались и превращались в студнеобразную массу – гель. При нагревании гель снова превращался в жидкость – золь. Изучая Диффузию растворов, Грэм установил, что коллоидные растворы не могут переходить через перегородку, а кристалловидные – переходят. Он сразу же использовал это свойство для получения совершенно чистых коллоидных веществ. С этой целью Грэм наливал коллоидный раствор в широкое блюдо, дно которого было выполнено в виде полупроницаемой мембраны. Опущенное в ванну с чистой водой, блюдо плавало по ее поверхности наподобие лодки. Все соли, растворенные в коллоидном растворе, проникали через перегородку в чистую воду, а в блюде оставались лишь коллоидные части­цы. После того как воду меняли несколько раз, в блюде оста­вался совершенно чистый коллоидный раствор, из которого можно было выделить и само вещество. Таким образом Грэму удалось получить очень чистые окись кремния, гидроокиси железа, алюминия и хрома, прусскую синь, оловянную, титановую, вольфрамовую и молибденовую кислоты. Некоторые из этих веществ (например, окись кремния) встречаются в природе в кристаллическом состоянии. Эти исследования Грэма способствовали формированию воззрений, развитых впоследствии другими авторами. Согласно этим воззрениям, коллоидное состояние является свойством всех веществ, но в определенных условиях.

Одновременно с изучением коллоидных растворов Грэм по-прежнему занимался газами. Причиной этому послужило открытие французского химика Анри Сент-Клер Девилля. Грэм не раз перечитывал сенсационную статью ученого.

– Остин, идите-ка сюда. Вот почитайте. Какое замечательное открытие! – Он протянул журнал ассистенту. – Опять о прохождении газов через полупроницаемые перегородки.

Остин, взглянув на заголовок, воскликнул: