Химия — это не только таблица Менделеева и унылые формулы. Химия — это то, из чего состоим все мы и то, чем мы пользуемся каждый день. В издательстве АСТ вышла книга «Химия — просто. История одной науки». В ней молодой учёный и блогер Александр Иванов рассказывает, как открытие тех или иных химических элементов полностью меняло мир, ход истории и представления людей о самих себе.
Что есть тепло? Лавуазье считал, что горение — это соединение горючих веществ с кислородом. Известно было, что в процессе горения образуются новые тела — окислы. Но вот откуда при этом берётся теплота? Увы, ответа на этот вопрос теория Лавуазье не давала.
Так неужели теплота образуется из ничего?! Представь, друг мой, долгое время так и считалось. До тех пор, пока в дело не вмешался граф Румфорд — второй муж уже известной нам вдовы Лавуазье.
Одно время Бенджамин Румфорд (1753–1814) служил главным инспектором в мюнхенском военном арсенале. Однажды, наблюдая за сверлением пушек, он сделал весьма интересное открытие: всякий раз, когда в действие приводилась сверлильная машина, пушка нагревалась. Причём настолько сильно, что выделенная при сверлении теплота смогла довести до кипения девять литров воды в ящике, в котором находилась пушка!
«Кипение такого большого количества воды без огня чрезвычайно поразило всех присутствовавших», — отметил Румфорд при описании своего открытия.
Сейчас аналогичное явление уже не кажется нам странным или удивительным: зимой мы греем озябшие руки, потирая их одна о другую, зажигаем спичку трением головки о боковую стенку коробка, а из уроков истории давно знаем, что древний человек научился извлекать огонь именно путём трения деревянного колышка. Однако учёным XIX века утверждение, что теплоту можно произвести искусственно, ударом или трением, казалось немыслимым. Оно было недоступно их пониманию, поскольку тогда теплоту, равно как электричество и магнетизм, а ранее и свет, считали веществом, особым невесомым видом материи.
Лавуазье установил, что материю нельзя ни создать, ни уничтожить, что все её превращения ведут лишь к изменению формы
Вот почему в то время невозможно было понять и объяснить явления, в которых теплота, называвшаяся тогда теплородом, образовывалась как бы сама из себя, а не из какого-то другого вида материи. И это заблуждение длилось довольно долго.
Лишь в 1842 году удалось положить ему конец, причём благодаря английскому пивовару Джэймсу Прескотту Джоулю и немецкому врачу Юлиусу Роберту Майеру, которые не были профессиональными учёными и даже не знали друг друга.
За 60 лет до основания известного английского футбольного клуба «Манчестер Юнайтед», в английском городке Солфорд близ Манчестера, в семье владельца пивоваренного завода родился Джеймс Прескотт Джоуль (1818–1889). Имея от рождения слабое здоровье, Джеймс был освобождён от занятий в школе — его обучали дома. Но по достижении 16 лет он вместе с братом отправился в Манчестер, где начал изучать естественные науки под руководством талантливого учителя-самоучки Джона Дальтона.
В 19 лет Джоуль опубликовал работу о магнетизме, в которой описал изобретённые им электромагнитные машины. Уделяя максимум внимания превращению электрического тока в работу, он заметил, что всякий раз, когда электрический ток проходил по проводнику (например, по металлической проволоке), тот нагревался. И теплота, порождённая током, была прямо пропорциональна силе пропускаемого тока.
Постепенно Джоуль пришёл к общему принципу, гласящему, что между теплотой и работой должна существовать причинная зависимость. «Всякий раз, как исчезает работа, появляется теплота. Обратно: посредством надлежащих приспособлений можно теплоту превратить в работу, как, например, в котлах наших паровых машин».
Кстати, мой дорогой читатель, первый паровоз был создан французским военным инженером Николя-Жозефом Кюньо в 1769 году, когда никто ещё не знал, на базе каких физических и химических законов работает паровой двигатель. То есть сначала появился паровоз, а уж потом родилась теория основ работы парового двигателя. Парадокс?! Да. Тем не менее это реальный исторический факт.
Но вернёмся к нашему пивовару Джоулю, который путём обобщения отдельных явлений возвысился до познания наиболее общего закона природы. К сожалению, работы Джоуля не были оценены по достоинству сразу, и он прожил жизнь в тиши своего имения почти в полном забвении. Лишь в год его смерти единице измерения энергии было присвоено его имя — Джоуль.
А теперь я познакомлю тебя вкратце с немецким врачом Юли усом Робертом фон Майером (1814–1878), родившимся в маленьком городке Гейльбронне. Обучение в гимназии, а затем в духовном учебном заведении казалось юному Майеру пыткой. Ему были ненавистны латинский и древнегреческий языки — он считал их мёртвыми. Изучению мёртвых языков Майер предпочёл изучение мёртвых тел — человеческих трупов, поэтому в 1832 году отправился в Тюбинген, где записался на медицинский факультет и проучился там восемь семестров.
Майер занимался наукой с большим увлечением, но с не меньшим энтузиазмом участвовал и в студенческой жизни: был даже избран председателем студенческого кружка. Но, как известно, студенческие организации считались в те времена опасными для государства и строго преследовались, поэтому Майер, будучи заподозрен в какой-то крамоле, угодил однажды в карцер. Глубокое чувство негодования из-за несправедливости обвинения побудило его отказаться от пищи (объявить голодовку), и вскоре власти вынуждены были освободить его.
Правда, после этой истории пришлось уйти из университета. Продолжив изучение медицины в Мюнхене и Вене, в 1838 году Майер получил диплом врача. Примерно в то же время ему представилась возможность увидеть свет — в должности судового доктора он отправился на торговом корабле на остров Ява, где и занялся врачебной практикой среди туземцев.
В то время универсальный метод лечения практически всех болезней заключался в пускании крови. Представь, что ты приходишь в поликлинику с больным горлом или, допустим, с ушибом, а врач с порога прописывает тебе кровопускание. Не помогло? Приходи ещё раз. Странно?! Да, согласен, странно. Но так было, а историю не перепишешь.
Однажды, делая кровопускание очередному пациенту, Майер отметил мысленно, что венозная кровь туземцев светлее венозной крови европейцев. Впоследствии данное наблюдение привело к открытию закона сохранения энергии, но сначала Майер просто задумался: чем можно объяснить столь явную разницу в цвете крови? Из физиологии ему было известно, что венозная кровь светлеет в лёгких по причине того, что при соприкосновении с воздухом насыщается кислородом. Лишаясь же кислорода, кровь, напротив, темнеет. Но что же происходит с кислородом в крови?
Ответ на этот вопрос уже был дан Антуаном Лавуазье. Кислород расходуется при горении органических веществ в организме подобно тому, как расходуется воздух при горении дров в печи. Применив эту теорию к аборигенам Явы, Майер рассудил так: кровь туземцев светлее, следовательно, содержит больше кислорода, чем кровь европейцев. В свою очередь, это происходит из-за того, что процесс горения в организме туземцев совершается медленнее и менее энергично, чем у жителей Европы. Из-за жаркого тропического климата организму не требуется производить теплоту в том количестве, которое приходится вырабатывать жителям холодных стран, чтобы поддерживать температуру тела на постоянном уровне.
Также Майер пришёл к выводу, что источником работы, которую производит организм, служит дыхание. Недаром ведь при подъёме в гору или поднятии тяжестей наше дыхание становится более учащённым и энергичным, нежели когда мы находимся в состоянии покоя. Кроме того, Майер пришёл к заключению, что помимо материи в природе существует ещё и другая постоянная величина — нечто невесомое, способное являться в разных видах (таких как теплота, свет, движение, электричество и так далее).
Это неизменное нечто он назвал «силой», но термин оказался неудачным: тем же самым словом в физике уже обозначали другую величину. Сейчас понятие, введённое Майером, называется «энергией».
Учёным миром того времени идеи Майера были восприняты холодно. Его работу «Количественное и качественное определение сил» даже не удостоили публикации в издававшемся Либихом журнале «Анналы физики и фармацевтики». Тогда Майер, не утративший интереса к исследованиям, занялся пополнением научных знаний, чтобы привести свои взгляды в соответствие с требованиями науки. В итоге он выпустил новую статью «О силах мёртвой природы», которую уже опубликовали. Однако официальный научный мир продолжал его игнорировать.
Судьба открытий Джоуля и Майера была примерно одинакова. Простые опыты Джоуля не вызывали сомнений, но оспаривалось их глобальное, космическое значение. Работы же Майера, напротив, рассматривались с космической точки зрения, но им не доверяли как слишком «философским».
Почти одновременно с изданием своего труда Майер женился, но его новоиспечённая супруга не разделяла научных взглядов мужа. Из-за частых семейных скандалов и не слишком приятных столкновений с внешним миром нервная система Майера постепенно ослабела, и в 1849 году с ним случился припадок. Выпрыгнув из окна второго этажа, он повредил себе ноги. Родные и близкие, не поняв причину нервного срыва Майера, решили, что он страдает манией величия, и поместили его в психиатрическую лечебницу. Там Майера лечили наравне с настоящими помешанными, то есть теми же средствами: холодный душ, электрошок и так далее. Разумеется, такое лечение привело лишь к ухудшению самочувствия, и врачи поспешили выписать Майера из лечебницы.
Возможно, «чёрная полоса» в судьбе Майера так бы и продолжалась, если бы его идеи не начали постепенно проникать в научный мир. Практически в то же самое время учёные всерьёз заинтересовались и опытами Джоуля. В 1847 году знаменитый немецкий физик Герман Гельмгольц сформулировал закон «сохранения энергии», придав ему математическое выражение, и на целом ряде примеров продемонстрировал применение данного закона в самых различных областях физики. Благодаря этому обстоятельству Майер получил признание уже при жизни, а правительство даже наградило его дворянским званием.
Гениальные рассуждения немецкого врача и блестящие опыты английского пивовара положили начало чрезвычайно важному принципу, позволившему объединить все отрасли физики с химией. И этим объединяющим понятием стало понятие «энергия».
Научный мир принял за основу, что все явления (физические и химические) представляют собой превращения энергии из одного вида в другой.
