Коллоиды
В 1926 г. ученые Шведской королевской академии наук продемонстрировали исключительное единомыслие. Нобелевские премии по физике и химии были присуждены ученым, занимавшимся исследованием коллоидов. Эти исследования, представлявшие для химии чисто теоретический интерес, способствовали вместе с тем выяснению атомно-молекулярного строения вещества и, кроме того, заложили основы метода, который сыграл важную роль в исследовании живой клетки.
Коллоиды давно известны в химии. Еще Парацельс (Филипп Ауреол Теофраст Бомбаст фон Гогейгейм) говорил об аурум потабиле (золотом напитке), который в сущности есть не что иное, как коллоидный раствор золота. В XVII—XVIII вв. исследователи наблюдали свертывание и коагуляцию белковых и других растворов. В XIX в. коллоидами занимались Берцелиус, Фарадей и другие крупные ученые. В 1861 г. английский химик Томас Грэм ввел термин «коллоид» (от греческого «кола», что значит «клей»). Он вообще делил вещества на две группы: кристаллоиды и коллоиды. Согласно представлениям Грэма, кристаллоиды образуют обычные растворы, а коллоиды — коллоидные растворы, которые характеризуются малой устойчивостью, склонностью к образованию гелей, низким осмотическим давлением и т. д. Эта теория оказалась ошибочной, и к правильным представлениям о коллоидах пришли лишь в конце прошлого века благодаря исследованиям ряда ученых, среди которых особо следует отметить австрийского ученого Рихарда Зигмонди (Жигмонди). Он первым выяснил гетерогенную природу коллоидных растворов.
В 1898 г. Зигмонди разработал новую методику получения коллоидных растворов, а в 1903 г. вместе с Генрихом Фридрихом Вильгельмом Зидентопфом на заводах фирмы Карла Цейса в Йене создал так называемый ультрамикроскоп. В этом оптическом приборе объекты освещаются со стороны и наблюдаются на темном поле. Благодаря специальному способу освещения увеличение микроскопа значительно возрастает, что дает возможность наблюдать мельчайшие частицы коллоидов. С помощью ультрамикроскопа Зигмонди провел обширные исследования коллоидных частиц и произвел их классификацию. Большое увеличение позволяло исследовать движение частиц и процессы их соединения, выпадения в осадок и т. д.
В начале нашего века Зигмонди и некоторые другие ученые использовали ультрамикроскоп для исследования броуновского движения. Это явление было открыто в 1827 г. шотландским ботаником Робертом Броуном, в честь которого и получило свое название. Наблюдая в микроскоп движение цветочной пыльцы, взвешенной в воде, Броун заметил, что частички пыльцы без какой-либо видимой причины движутся хаотично. Долгое время никто не отдавал себе отчета в том, насколько глубокий смысл имеет это наблюдение, и лишь в начале XX в., после работ Альберта Эйнштейна, Мариана Смолуховского и Жана Батиста Перрена, это явление получило объяснение.
Математическая теория броуновского движения была разработана в 1905 г. А. Эйнштейном. В основу ее положена кинетическая теория газов. Движение коллоидных частиц вызывается тепловым движением молекул жидкости, с которыми они соударяются. Таким образом, теория давала возможность косвенным способом — путем исследования коллоидных частиц — изучать движение, самих молекул. Известный французский физик Жан Перрен собрал большое количество экспериментальных данных, исследуя с помощью ультрамикроскопа не только горизонтальное движение частиц (что делал еще Броун), но и распределение их по вертикали. Несмотря на действие силы тяжести, коллоидные частицы не падают на дно, а остаются рассеянными в жидкости, причем плотность их распределения уменьшается снизу вверх. Броуновское движение и седиментационное равновесие эмульсий дали Жану Перрену возможность определить число молекул в данном объеме жидкости. В начале века, когда некоторые даже крупные химики по-прежнему считали атомы и молекулы не реальными физическими объектами, а лишь удобной абстракцией, открытие Перрена сыграло важную роль.
Жан Перрен выполнил много оригинальных новаторских исследований. Он изучал катодные лучи и показал, что они представляют собой поток отрицательно заряженных частиц, занимался исследованием рентгеновских лучей и радиоактивности; в 1901 г. он предложил планетарную модель атома. Случилось, однако, так, что в истории науки Перрен известен прежде всего своими исследованиями броуновского движения. В то время как другие ученые использовали для изучения строения вещества вакуумные трубки и радиоактивные препараты, он достиг той же цели простейшими средствами, что, безусловно, служит важнейшим доказательством его таланта.
Третьим ученым, внесшим большой вклад в исследование коллоидов, был шведский химик Теодор Сведберг. В 1906 г., занимаясь изучением броуновского движения, он с помощью ультрамикроскопа сфотографировал следы коллоидных частиц и получил экспериментальные данные, подтверждающие теорию броуновского движения А. Эйнштейна и М. Смолуховского. Результаты Сведберга были настолько убедительны, что даже Оствальд, который упорно отказывался признать существование атомов, вынужден был изменить свое мнение. Самым крупным достижением Сведберга является, однако, изобретение ультрацентрифуги.
Опыты Перрена показали, что, несмотря на действие земного притяжения, коллоидные частицы остаются в растворе во взвешенном состоянии. Чтобы вызвать их осаждение, Сведберг решил просто увеличить силу тяготения. Аппарат, необходимый для этой цели, существовал давно — это центрифуга. Однако создаваемые ею центробежные силы были недостаточны для осаждения мельчайших коллоидных частиц. В 1922 г. Сведберг сконструировал центрифугу, которая, делая 10 000 оборотов в минуту, создавала ускорение, в 5000 раз превышающее ускорение силы тяжести. Это значит, что частица осаждается так, словно ее масса в 5000 раз больше реальной.
Важное значение ультрацентрифуги химики оценили довольно быстро, но по-настоящему незаменимой она оказалась в биохимии. По своим размерам макромолекулы близки к мельчайшим коллоидным частицам. Молекулярные комплексы и клеточные микроструктуры также можно превратить в коллоидный раствор. В результате ультрацентрифуга стала незаменимым инструментом для исследования компонентов живой клетки.
Деятельность Рихарда Зигмонди, Жана Перрена и Теодора Сведберга, трех ученых, создавших современную коллоидную химию, была по достоинству оценена Нобелевским комитетом по физике и химии. Р. Зигмонди получил Нобелевскую премию за 1925 г. за вклад в исследование природы коллоидных растворов и созданные им с этой целью методы. Премии по химии за 1926 г. был удостоен Т. Сведберг за работу над дисперсными системами. Премия по физике была присуждена Ж. Перрену за открытие седиментационного равновесия эмульсий, что послужило одним из доказательств существования молекул,
IX. ПРОМЫШЛЕННАЯ ХИМИЯ
Успехи теоретической химии способствовали бурному развитию промышленной технологии и возникновению мощной современной химической промышленности. Особенно ценные результаты принесли исследования закономерностей протекания химических реакций, и прежде всего работы в области термодинамики Вальтера Нернста. В первом десятилетии нашего века труды этого теоретика помогли Фрицу Габеру осуществить химическую фиксацию атмосферного азота.
Получение азотных соединений стимулировалось интенсивным развитием земледелия. После того как в середине прошлого века Юстус Либих заложил основы агрохимии и показал, что растения нуждаются в определенных элементах, началось производство минеральных удобрений. Их важнейшей составной частью являются соединения азота. Основные залежи этих веществ находились в пустыне Атакама в Чили. Однако запасы чилийской селитры были ограниченны, и это создавало большие препятствия для развития земледелия. Требовался какой-то другой источник азота, который мог бы заменить селитру.
Этим вопросом занялся профессор Ф. Габер из Карлсруэ. В 1904 г. он начал эксперименты по получению аммиака — основы для синтеза азотной кислоты и нитратов. Габер пропускал электрические искры через смесь азота и водорода, но процесс оказался неэффективным. Не увенчались успехом и попытки использовать электрическую дугу и нагрев до 1000°С. Немецкий химик счел работу бесперспективной и прекратил ее.
В 1906 г. Вальтер Нернст опубликовал результаты своих теоретических исследований по термодинамике, где, в частности, рассматривались условия химического равновесия в реакции соединения азота и водорода с образованием аммиака. Познакомившись с работой Нернста, Габер решил проверить его выводы экспериментально. Действие высокой температуры он уже исследовал, и теперь ему оставалось выяснить, как влияет на реакцию высокое давление.
При синтезе аммиака из двух молекул (азота и водорода) образуется одна. Согласно. законам химической кинетики, повышение давления способствует смещению равновесия к конечному продукту. И действительно, при температуре 500°С и давлении 200 атм Габеру удалось получить аммиак путем непосредственного соединения атмосферного азота с водородом. Вскоре после этого открытия была разработана соответствующая технология и начался промышленный синтез аммиака, что привело к значительному снижению цен на азотные удобрения.
