Коллектив авторов - 100 великих научных открытий

Как ни странно, даже после того, как Вёлер опубликовал результаты своих экспериментов, многие ученые не отказались от концепции витализма и «жизненной силы». Несколько лет синтез мочевины из неорганических веществ рассматривался скорее в качестве исключения из общего правила, несмотря на то, что в 1824 г. Вёлер выделил щавелевую кислоту — вещество растительного происхождения — из «неорганического» газа дициана.

Витализм как концепция ушел из химии лишь в 1860-х, когда французский химик М. Бертло синтезировал целый ряд органических соединений, от простейших углеводородов до жиров и спиртов, а русский ученый А. Бутлеров сформулировал основные положения теории строения органических веществ.

Водород — самый распространенный химический элемент во Вселенной. Он составляет примерно половину массы Солнца и других звезд, а также межзвездного пространства и газовых туманностей. На Земле водород находится в связанном состоянии — в виде соединений. Вместе с углеродом он входит в состав нефти, природных газов и всех живых организмов. Немного свободного водорода содержится и в воздухе, но там его совсем мало — 0,00005 %. В атмосферу он попадает из вулканов.

Еще средневековый ученый Парацельс заметил, что при действии кислот на железо выделяются пузырьки какого-то «воздуха», но что это такое — объяснить не смог. Теперь известно, что это был водород.

Латинское название элемента Hydrogenium состоит из двух греческих слов — «вода» и «рождаю», то есть «рождающий воду». Так в XVIII в. его назвал французский естествоиспытатель А. Лавуазье. Понятие «водород» было предложено в 1824 г. русским химиком М. Соловьевым по аналогии с «кислородом». А до XIX в. в химической литературе России можно было встретить названия «горючий газ», «загораемый воздух», «водотвор», «водородный газ», «водотворное существо».

Очень долго опыты по изучению и открытию газов оставались без внимания, поскольку ученые попросту не замечали этих невидимых веществ. Лишь со временем стало ясно, что газ — полноценная материя, без исследования которой невозможно полностью понять химическую основу мира.

Открытие водорода произошло еще на заре развития химии как науки. Горение этого газа наблюдали Парацельс, Р. Бойль и другие ученые, а М. Ломоносов в 1745 г. описал получение кислорода при действии кислот на металлы. Тем не менее большинство ученых в те годы были приверженцами теории флогистона — гипотетической «сверхтонкой огненной субстанции», якобы наполняющей все горючие вещества и высвобождающейся из них при горении.

Гипотезу о флогистоне высказывал даже химик Генри Кавендиш (1731–1810), который более или менее подробно исследовал свойства водорода и дал ему название «горючий воздух». В частности, Кавендиш обнаружил, что водород — необычайно легкий газ, в 14 раз легче воздуха, и наполненный им резиновый шарик непременно взлетит в небо. Первый воздушный шар, построенный братьями Монгольфье, был наполнен дымом от горения шерсти и соломы: видимо, братья не были знакомы с законами физики и наивно полагали, будто эта смесь образует «электрический дым», способный поднять их легкий шар. А вот физик Ж. А. Шарль наполнил шар водородом, и этот летательный аппарат (шарльер), в отличие от детища Монгольфье (монгольфьера), не только взлетел, но и одолел 20 км за 45 мин.

В декабре 1783 г. Шарль в сопровождении физика Ф. Робера в присутствии 400 000 зрителей предпринял первый полет на воздушном шаре, заполненном водородом. А в 1804 г. Ж. Л. Гей-Люссак (также не один, а вместе с физиком Ж.-Б. Био) поставил рекорд высоты, поднявшись на водородном шаре на 7 км.

Между тем к концу XVIII в., используя новые лабораторные приборы, Лавуазье впервые осуществил водный синтез, а затем пропустил водяные пары через раскаленную докрасна железную трубку с железными опилками. Кислород из воды прочно соединился с железом, а водород выделился в свободном виде. Благодаря этому опыту стало понятно, что водород присутствует в составе воды, более того, может быть выделен из нее. Сейчас водород тоже получают из воды, но другим способом — с помощью электролиза.

Примечательно, что при составлении таблицы простых веществ Лавуазье поместил водород в один ряд с кислородом, азотом, светом и теплородом — поскольку эти вещества представлены во всех трех царствах природы и являются неотъемлемой частью любых тел.

В конце XIX в. исследованием водорода занимался русский химик Д. Менделеев. И вот какой вывод сделал: «Водород представляет пример газа, на первый взгляд не отличающегося от воздуха… Парацельс, открывший, что при действии некоторых металлов на серную кислоту получается воздухообразное вещество, не определил его отличия от воздуха. Действительно, водород бесцветен и не имеет запаха, так же как воздух; но при ближайшем знакомстве с его свойствами этот газ оказывается совершенно отличным от воздуха».

Уже в ХХ в. ученые обнаружили изотопы этого элемента. В конце 1931 г. группа американских физиков — Г. Юри со своими учениками Ф. Брикведде и Дж. Мерфи — взяли 4 л жидкого водорода и подвергли его фракционной перегонке, получив в остатке всего 1 мл, то есть уменьшив объем в 4000 раз. Этот последний миллилитр жидкости, оставшийся после ее испарения, был исследован спектроскопическим методом, и на спектрограмме обогащенного водорода Юри заметил новые, очень слабые линии, отсутствующие у обычного элемента. При этом положение линий в спектре точно соответствовало квантово-механическому расчету предполагаемого атома 2H. Соотношение интенсивностей линий нового изотопа (Юри назвал его дейтерием по числу входящих в ядро элементарных частиц — 1 протона и 1 нейтрона) и обычного водорода показало, что в исследованном обогащенном образце количество нового изотопа в 800 раз меньше, чем обычного водорода.

После спектроскопического обнаружения дейтерия было предложено разделить изотопы водорода электролизом. Эксперименты показали, что при электролизе воды легкий водород действительно выделяется быстрее, чем тяжелый. Именно эти опыты стали ключевыми для получения тяжелого водорода. Статья, в которой сообщалось об открытии дейтерия, была напечатана весной 1932 г., а уже в июле появились результаты по электролитическому разделению изотопов. В 1934 г. за открытие тяжелого водорода Юри получил Нобелевскую премию по химии.

В том же году в английском журнале Nature была опубликована небольшая заметка, подписанная М. Л. Олифантом, П. Хартеком и Резерфордом (фамилия лорда Резерфорда не требовала при публикации инициалов). Несмотря на скромное название заметки «Эффект трансмутации, полученный с тяжелым водородом», она сообщала миру о выдающемся результате — искусственном выделении третьего изотопа водорода, трития.