Книга: Химия - просто

Глава 5. Либих. Изгой один

Глава 5. Либих. Изгой один

1812 год, Франция напала на Россию, но об этом пусть говорят на уроках истории, мы же с тобой перенесёмся сейчас в Дармштадт, Германию. Ярмарка в этом году выдалась необыкновенно оживлённой. Со всех сторон съехались купцы и торговцы, надеясь продать свои товары. В те времена это было делом нелёгким: крупных торговых сетей и супермаркетов ещё не придумали, скорые и надёжные пути сообщения между населёнными пунктами отсутствовали. Поэтому ярмарки оставались практически единственным способом торговых взаимоотношений.

Среди многочисленных лавок на видном месте стоит человек, окружённый любопытной толпой зрителей, и совершает различные чудеса: то мгновенно склеивает разбитую чашку, то с помощью какой-то жидкости выводит пятно с одежды кого-нибудь из желающих. Показывая фокусы, человек объясняет, учит и попутно расхваливает свои товары: фейерверки, средство для зубов и др. Он показывает зевакам, как можно в одно мгновение приготовить взрывчатый горох из ртути, спирта и азотной кислоты. Перед нами — странствующий химик.

За всеми его действиями из толпы наблюдает маленький мальчик. С лица мальчишки не сходит лукавая ухмылка: он как бы даёт понять, что уж ему-то секреты всех этих фокусов давно известны. И это действительно так: 9-летний паренёк в толпе — сын владельца аптекарского магазина. Его зовут Юстус Либих, и он украдкой успел познать уже многие тайны химического искусства.

Юстус Либих

Юстус Либих (1803–1873) с детства любил повторять опыты великих химиков, описанные в книгах по химии. Эти опыты интересовали его гораздо больше, чем игры со сверстниками и тем более школьные занятия. В школе он вообще считался одним из худших учеников. Возможно, Юстус мог бы претендовать и на звание самого худшего, но это место уже было занято его другом Рейлингом, который уделял школьным наукам внимания ещё меньше, чем он. Впрочем, плохая успеваемость не помешала Рейлингу стать впоследствии известным композитором и директором придворного оркестра в Вене. А что же Либих? Какая судьба была уготована ему?

Юстус Либих был с позором исключён из предпоследнего класса как неспособный к обучению и отдан в услужение аптекарю. Он с удовольствием продолжил заниматься химическими опытами — то в своей комнате, то на чердаке. Охотнее всего Юстус проделывал опыты со взрывчатыми веществами, ведь они интересовали его с детства. (Тут я хочу отметить, что подобных любителей похимичить у себя дома хватает и в настоящее время. Я лично знаком с несколькими школьниками, домашние химические лаборатории которых оснащены порой даже лучше, чем школьные. В таких случаях родителям очень важно не заглушить интерес к химии у своих детей, а мудро направить их деятельность в мирное русло и по возможности помочь им получить доступ в настоящие серьёзные лаборатории, где они смогли бы, в целях безопасности, развивать свои знания под присмотром профессионалов.)

Однажды ночью, во время опыта по изучению гремучего серебра, произошёл сильный взрыв, начисто разметавший часть крыши. Поняв, что сопротивляться увлечению сына бесполезно, отец отправил его в Боннский университет, где тот мог бы свободно заниматься любимой наукой.

Однако в университете Либиха ждало разочарование: преподавание химии в Германии велось в те времена на столь низком уровне, что сводилось в основном к чтению лекций. Сам Либих писал: «В большинстве университетов не было собственной кафедры химии. Лекции по химии читались профессором медицины, который должен был преподавать химию, в связи с токсикологией и фармакологией. Поэтому он читал столько, сколько сам знал, а знал он немного».

Недовольный таким положением дел, Либих перевёлся в Эрлангенский университет, но и там надолго не задержался. В Эрлангене он вступил в студенческую организацию «Ренания», участвовал в демонстрациях, и вскоре был объявлен неблагонадёжным. Либиху пришлось бежать в Дармштадт, но рука правосудия достала его и там. В итоге, отбыв наказание в тюрьме, для продолжения научного образования он отправился в Париж.

В отличие от Германии, во Франции химия процветала. Учение Лавуазье привлекало к ней всё новых исследователей, желающих расширить и углубить его идеи. Вот и Либих, желавший обрести ясное и трезвое представление о природных явлениях, а также приобрести умение точно анализировать химические тела, занялся в Париже изучением новых, самостоятельно им выбранных задач. Предпочтение, как водится, отдал взрывчатым соединениям — гремучей ртути и гремучему серебру. Довольно скоро Либих пришёл к открытию, что гремучая ртуть, гремучее серебро и другие подобные соединения взрывчатых веществ являются солями, то есть сочетанием металлов с остатком одной общей кислоты. Эту кислоту он назвал «гремучей кислотой».

Подвергнув её тщательному анализу и определив химический состав (углерод, кислород, водород, азот), в 1823 году Либих предложил Парижской Академии наук точную формулу гремучей кислоты. Каково же было его изумление, когда он узнал, что одновременно с ним другой немецкий химик описал аналогичное вещество, состоявшее из тех же элементов в тех же пропорциях, и назвал его «циановой кислотой»!

Этим «другим химиком» был Фридрих Вёлер (1800–1882). Подобно Юстусу Либиху, Фридрих с детства тяготел к химическим опытам. Правда, повзрослев, он начал изучать медицину, но затем всё-таки оставил её и, переехав из родных мест в Гейдельберг, полностью посвятил себя изучению химии. Как и Либиха, Вёлера не удовлетворил уровень преподавания химии в немецких университетах, поэтому он тоже отправился во Францию, причём к самому Берцелиусу.

Фридрих Вёлер

Итак, Либих считал, что это Вёлер допустил ошибку в анализе циановой кислоты, а Вёлер считал, что ошибается Либих. Между двумя молодыми учёными разгорелся нешуточный спор, грозивший перерасти в ожесточённую полемику. В итоге разум возобладал, и они обратились к Берцелиусу, считавшемуся тогда главным экспертом в области химии. Тщательно проверив результаты их работ, Берцелиус пришёл к выводу, что правы… оба.

Так, по воле Его Величества Случая, был открыт факт существования веществ с одинаковым химическим составом, но обладающих при этом разными свойствами. Берцелиус дал этому явлению название «изомерия», а вещества одинакового состава, но с разными свойствами стали называть «изомерами». Вскоре и вовсе выяснилось, что изомерия — довольно частое явление.

Диссертация Либиха, посвящённая гремучей кислоте, вызвала определённый резонанс в научных кругах, и её автором заинтересовался немецкий учёный-энциклопедист Александр Гумбольдт. В частности, он ходатайствовал, чтобы молодой учёный (а Либиху на тот момент исполнился 21 год) был назначен профессором химии в Гиссенский университет. Однако, как это повсеместно случается в науке, высокое звание редко бывает подкреплено достаточным материальным обеспечением. Так, годовое жалование Либиха составляло всего 300 флоринов (для сравнения, один осмотр у врача стоил один флорин), поэтому необходимые для работы приборы новоиспечённому профессору приходилось брать в аренду у коллег или приобретать за собственный счёт. А если учесть, что спустя два года после назначения он ещё и женился, нетрудно представить, в каком стеснённом материальном положении находилась его семья.

И всё-таки, несмотря на все трудности, Либих исполнял свою работу с достойными уважения энергией и настойчивостью. Памятуя об отвратительном качестве университетского преподавания, с которым столкнулся в юности, он, в частности, уделял много внимания реорганизации учебного процесса, ставя во главу угла улучшение методов обучения и воспитания у студентов истинного, неподдельного интереса к химии.

Юстус Либих читает лекцию студентам

Вот ты, мой друг, помнишь ли свой первый урок химии? О чём, например, размышлял, о чём мечтал тогда? Думаю, не ошибусь, если предположу, что ты хотел поскорее приступить к опытам, чтобы на столе что — нибудь горело, взрывалось и т. д. А как вышло на самом деле? Нудная лекция, скучные термины, непонятные иероглифы в учебнике… Я угадал? Тогда тебе легче будет представить атмосферу, царившую в те времена в немецких университетах. И Либиху это, понятное дело, совсем не нравилось.

Либих прекрасно сознавал, что химия — это опытная наука, что она вытекает из опыта, что именно опыт должен составлять единственный и неиссякаемый источник её дальнейшего развития. Следовательно, химическую науку следует изучать не только по книгам и сухим лекциям, но и — в первую очередь! — в лабораториях, путём наглядного ознакомления с химическими явлениями. Потому-то его первые действия в должности профессора и были направлены на создание и обустройство химической лаборатории.

И тут, как говорится, не было бы счастья, да несчастье помогло: умер старший коллега по университету, профессор Циммерман, и его лаборатория перешла к Либиху. Именно так, мой друг, в Германии родилась первая химическая лаборатория, послужившая своего рода колыбелью для нового метода преподавания химии. Вскоре лабораторная наука привилась и в других немецких университетах, а ещё чуть позже — распространилась по всему миру. Постепенно принцип индуктивной науки, основанный на наблюдениях и опытах самих учащихся, проник во все отрасли естественных наук.

Мало-помалу стали появляться лаборатории для практического изучения не только химии, но и физики, зоологии, ботаники, минералогии, даже — опытной психологии и теоретической физики. В связи с этим в большинстве учебных заведений отдельные науки начали обособляться, требуя для себя отдельных зданий и специального оборудования. Соответственно, многие университеты сильно разрослись.

Однако мы с тобой вернёмся пока в маленькую лабораторию Юстуса Либиха, где, кстати, зародилась органическая химия. Сам Либих занимался в основном усовершенствованием методов химического анализа, но именно тогда дошла очередь до соединений, из которых состоят растительный и животный миры.

Уже было известно, что оба эти мира, при всём своём видовом многообразии, состоят практически всегда из одних и тех же четырёх элементов: углерода, кислорода, водорода и азота. Переменным было лишь соотношение этих элементов в различных веществах. Вот для более точной систематики и назрела необходимость в относительно лёгких способах определения этих пропорций.

Для решения столь важной задачи Либих придумал метод, которому впоследствии было присвоено его имя, — «Метод Либиха». Следующие два абзаца я, пожалуй, ему и посвящу, а ты, если тебе это не интересно, волен «перепрыгнуть» через них.

Метод Либиха (элементный анализ)

Исследуемое вещество взвешивают в фарфоровой чашечке, а затем вместе с чашкой помещают в стеклянную трубку, наполненную окисью меди. Трубку нагревают в газовой (или электрической) печи и одновременно пропускают через неё сухой воздух. Исследуемое вещество сгорает. Несгоревшие остатки, которые при такой высокой температуре могли бы улетучиться, сгорают при соприкосновении с окисью меди.

Выходное отверстие трубки посредством резинового шланга соединено с шарообразными приборами, которые называются приборами Либиха. Один из них содержит концентрированную серную кислоту (для поглощения водяного пара), а другой — раствор едкого калия (для поглощения углекислоты). Взвесив оба прибора до и после горения, по разности их веса можно определить количество продуктов горения и вычислить содержание углеродам водорода в исследуемом веществе.

Опыт Либиха

Метод Либиха, используемый для анализа органических веществ, продвинул исследования в области органической химии далеко вперёд. Сам Либих, весьма гордившийся своим методом, не раз говорил: «Теперь даже обезьяна может стать химиком».

Разумеется, на этом развитие органической химии не остановилось. Настала пора отличиться и уже известному нам Вёлеру. Кстати, после положительного разрешения их спора Берцелиусом Либих и Вёлер стали хорошими друзьями.

И хотя Вёлер работал в Берлине, а Либих — в Гиссене, они всё равно нередко проводили совместные опыты. Кроме того, состояли в переписке, посредством которой делились друг с другом ближайшими планами.

В 1828 году, проводя опыты с циановой кислотой, Вёлер впервые получил известную человечеству с 1773 года мочевину искусственным путём. Чтобы оценить важность этого открытия, нам с тобой снова придётся мысленно перенестись в ту эпоху.

Вся химия делилась тогда на минеральную (к ней относили всякую мёртвую и неорганическую материи) и растительно-животную, изучающую вещества, встречающиеся в живых, органических существах. Между этими двумя ответвлениями лежала огромная пропасть.

И вот впервые Вёлеру удалось превратить неорганическое вещество (соли циановой кислоты) в вещество органическое (мочевину)! Опытным путём он показал и доказал, что в пробирке химика такое превращение возможно! Это сейчас мы на этикетке практически любого продукта можем прочитать: «Ароматизатор, идентичный натуральному», а тогда открытие Вёлера стало поистине революционным. И именно оно проложило первый мостик между неорганической и органической химией.

Лабораторный синтез мочевины

Да-да, тогда-то, собственно, и началась эра органической химии. Стало совершенно очевидно, что основанием для разделения веществ на органические и неорганические должно служить не их происхождение (минеральное или растительное), а исключительно их состав.

«Органическими» стали называться все вещества, содержавшие углерод, независимо от их происхождения. Соответственно, та ветвь химии, которая занималась изучением соединений углерода, получила название «органическая химия».

Что же в углероде такого особенного, если для него выделили целый раздел химии?! Вместо пространного ответа попробую привести несколько внушительных примеров. Во — первых, число известных на сегодняшний день органических соединений превышает 50 миллионов, и с каждым годом оно неуклонно растёт. Во — вторых, оглянись вокруг: суперклей — органика, резина для авто — органика, полиэтиленовый пакет из магазина — органика, пластиковая посуда — органика, бензин — органика, спирт — органика… Продолжать, я думаю, нет смысла — по количеству примеров органики ты меня за пояс сможешь заткнуть, не так ли? Все эти вещества представляют собой соединения одних и тех же двух элементов: углерода и водорода. А если в эти соединения добавить другие химические элементы, то число вариаций новых химических соединений увеличится до бесконечности. И все они будут иметь различное применение. Именно в этом и заключается особенность углерода. Именно поэтому его соединения выделяются в отдельный раздел.

Но! Но всё это великое множество соединений углерода ставит перед химиками очень сложную задачу: а как же их классифицировать, как систематизировать, как называть?!

Если в неорганической химии для характеристики какого — то вещества достаточно указать, из каких элементов оно состоит и каково их соотношение, то в органической химии этого недостаточно. Нет, не так. Скажу громче: НЕДОСТАТОЧНО! В органической химии встречаются вещества, содержащие одинаковое количество одних и тех же элементов, но при этом имеющие кардинально противоположные химические и физические свойства. Например, бутан и изобутан. Объединённые общей формулой C₄H₁₀, они имеют совершенно разную структуру.

Химикам издавна было известно, что при различных химических превращениях часть реагирующего соединения остаётся неизменной. Например, при взаимодействии серной кислоты H₂SO₄ и гидроксида натрия NaOH образуется соль Na₂SO₄. Как видим, группировка элементов SO₄ осталась неизменной. Эта группа элементов связана между собой сильнее, чем с другими элементами, и называется радикалом, или остатком. Кстати, «остаток» — тот самый термин, который мало кто понимает на уроках химии с первого раза. Надеюсь, теперь тебе стало чуточку понятнее.

Либих и Вёлер открыли и исследовали огромное множество таких радикалов. Прежде всего Либих задался целью найти неизменный остаток алкоголя, для чего изучал различные его превращения. При этом им были открыты хлороформ и хлораль — два очень важных наркотических средства, которые сыграли большую роль в развитии медицины, особенно хирургии. Напомню, что до открытия этих средств обезболивание пациентам проводилось «веселящим газом».

Вскоре был открыт радикал «бензоил» — основа ароматических соединений. Теория радикалов позволила учёным разобраться в доселе непроходимом лабиринте органических соединений. Дальнейшая работа в этой области могла теперь проводиться с большей скоростью. Но, представь, она уже не привлекала Либиха.

Тридцать лет профессорства в Гиссене завершились тем, что Юстуса Либиха пригласили в Мюнхен, где он, самоустранившись от работы в лаборатории, занялся исключительно чтением лекций. Справедливости ради надо сказать, что его публичные вечерние лекции пользовались неизменным успехом.

Попутно с лекторской деятельностью Либих обратил внимание на вопросы практической важности, например, на реформу в области земледелия. Уже в те времена было известно, что растения поглощают из почвы не только воду, но и различные минеральные вещества, те самые неорганические соли. Выяснили это легко: просто сожгли растение и в оставшейся от него золе обнаружили эти самые неорганические минеральные вещества.

Лаборатория Либиха

Также было известно, что уровень плодородия земель, предназначенных для выращивания сельскохозяйственных культур, со временем падает из-за уменьшения в почве количества минеральных солей. В целях противодействия этому Либих предложил искусственно удобрять земли не традиционным навозом, а солями фосфора, калия, селитрой. Но переубедить необразованных крестьян, отличавшихся консервативным мышлением и из поколения в поколение удобрявших землю навозом, было нелегко. Требовалось убедить их фактами.

Загоревшись этой идеей, Либих купил в окрестностях Гиссена песчаный холмик, на котором ничего не росло, и стал регулярно удобрять его искусственным навозом — азотнокислым калием и фосфорнокислым калием. Спустя несколько лет некогда пустынное место превратилось в цветущий сад. Таким образом, Либиха можно смело считать основоположником применения в земледелии искусственных удобрений.

Причём, как видишь, произошло это всего каких-то 200 лет назад, так что наши с тобой прапрапрадеды вполне могли застать те времена.

А дальше химия будет развиваться ещё быстрее и головокружительнее…