Текст книги "100 великих научных открытий"

Гальванопластика

Чеканенные картины, золоченые рамы, пластмассовые безделушки, искусно замаскированные под серебряные или бронзовые украшения, гипсовые копии старинных скульптур, для красоты и солидности покрытые бронзой… Все эти вещи имеют кое-что общее: их делают с помощью гальванопластики.

Что это за техника такая? Если в двух словах – это такой процесс, в ходе которого электричество пропускается через соли металлов, и они распадаются, покрывая своими частичками другие предметы. Ну а если подробнее, все происходит примерно так. Сначала вещица, которую нужно одеть в металлические доспехи, опускается в раствор соли – поскольку такие растворы хорошо проводят ток – и подсоединяется к минусовому полюсу источника, превращаясь в катод. Затем в ту самую жидкость погружаются металлические пластинки, которые подводятся уже к плюсовому полюсу и берут на себя роль анода. Электрическая цепь замыкается, атомы анода и катода заряжаются – первые превращаются в положительные ионы, а вторые в отрицательные, – и тогда положительные ионы металла отрываются от пластинок и мчатся к катоду, у которого имеются лишние электроны. Цепляясь за эти отрицательные частицы, атомы металла снова становятся нейтральными и оседают на поверхности катода (покрываемой вещи).

Данная технология, по мнению историков, была открыта еще до нашей эры. Древнегреческие писатели рассказывали о том, что мастера, служившие при дворе царицы Клеопатры, знали секрет изготовления драгоценных металлов. Возможно, подразумевалось искусство покрывать разнообразные предметы (в частности, те, что использовались в религиозных ритуалах) серебром или золотом. А это и есть гальваника.

Знали о ней и римляне, только применяли не для создания предметов искусства, а с несколько иной целью. Для того чтобы соленая морская вода не растворяла медную обшивку кораблей, предохранявшую суда от ракушечных наростов и жуков-вредителей, в нее заколачивались гвозди – снова-таки из меди. И это удивительно, ведь древние люди понятия не имели о химических взаимодействиях между солевыми растворами и металлами.

В 30-х годах ХХ в. в столице Ирака, городе Багдад, было найдено интересное устройство, происхождение которого можно было отнести к III—II вв. до н. э. Внешне это была просто глиняная ваза высотой 13 см, но внутри нее скрывался цилиндрический сосуд из меди, откуда торчал ржавый железный прут. Ученые высказали догадку, что древние мастера заполняли сосуд раствором щелочи и использовали его в качестве источника тока (позже подобные батареи получили название гальванических элементов – в честь итальянского медика Луиджи Гальвани, открывшего свойство металлов проводить ток). Дабы подтвердить свою гипотезу, исследователи налили в сосуд сначала винный уксус, а потом морскую воду – и в обоих случаях ваза генерировала слабенькое электричество.

Узнав об этих экспериментах, Арне Эггербрехт – специалист по истории Древнего Египта – решил выяснить, не пользовались ли египтяне такими батареями, чтобы золотить разные предметы? Вылепив из гипса копию позолоченного изваяния одного из египетских богов, ученый погрузил фигурку в раствор сульфида золота, после чего с помощью проволоки соединил между собой десяток гальванических элементов, аналогичных багдадскому, и всю цепочку подвел к емкости с раствором. За пару часов фигурка равномерно покрылась тонким слоем золота, и Эггербрехт заключил: за несколько тысяч лет до нашей эры египтяне уже работали с техникой гальваники.

Впрочем, официально эта техника родилась в начале позапрошлого века, после того как российский физик Василий Петров представил самую большую и мощную гальваническую батарею в мире. Устройство включало в себя более 4000 медных и цинковых дисков, размещенных рядами в деревянном ящике и переложенных бумагой с пропиткой из нашатырного спирта. Используя этот прибор, ученый провел множество экспериментов, получая разные металлы из их соединений с кислородом, а также раскладывая на элементы воду, растительное масло, алкоголь и пр. Из этих опытов Петров сделал немало ценных выводов о температуре и напряжении, необходимых для электролиза (распада под воздействием тока) того или иного вещества. Пять лет спустя наработки российского ученого помогли его британскому коллеге Гемфри Дэви выделить пять новых, неизвестных ранее металлов, в том числе калий, кальций и натрий.

Труды Петрова и Дэви вдохновили российского физика Бориса Якоби (1801—1874) делать металлические дубликаты разных предметов, а также покрывать металлом слепки с известных статуй и барельефов методом гальваники – по сути тем же электролизом, выполненным посредством гальванической батареи. В конце 1830-х Якоби отправил на рассмотрение Петербургской академии наук письмо, где во всех подробностях рассказал о своем методе, а год спустя представил несколько медных копий печатных форм, которые использовались для украшения книг орнаментами. После ученый попытался оформить исключительное право применения гальванопластики на последующие десять лет, однако ведавший этими вопросами Мануфактурный совет посоветовал ему прежде опубликовать материал с описанием метода.

Якоби ничего не оставалось, как последовать этому совету, и в 1840 г. вышло его руководство по гальванопластике, где популярно были изложены основные принципы технологии и возможности ее применения на практике. Основная мысль сводилась к тому, что гальваника базируется на разложении сложных веществ под воздействием тока, который способен выделять атомы металлов из соединений и переносить их на различные объекты.

Пока Якоби занимался книгой, британец Джон Райт экспериментально нашел лучший электролит для покрытия предметов серебром и золотом – этим веществом оказался цианистый калий. Собственно, тестированием электролита занимались коллеги Райта, Джордж и Генри Элкингтоны, и патент они оформили безо всяких проволочек.

Но как бы то ни было, руководство по гальванике, написанное российским ученым, быстро завоевало признание не только на родине, но и за рубежом. В Санкт-Петербурге открыли предприятие, на котором производили монументальную скульптуру по методу Якоби. Именно на этом заводе был создан богатый декор для Эрмитажа, Зимнего дворца, Исаакиевского собора и московского Большого театра. Кроме того, русские мастера часто возили свои работы, выполненные в технике гальваники, на европейские выставки и неизменно пользовались большим успехом. Самому Якоби французы вручили Большую золотую медаль, в Голландии ему предложили должность корреспондента Общества наук, а в Бельгии и Италии назначили иностранным членом Академий наук.

Впоследствии гальванику активно использовали в создании шаблонов для печатания государственных документов и монет, и даже сейчас полиграфические стереотипы, произведенные посредством гальванопластики, обеспечивают очень качественную продукцию. Помимо клише, художественных изделий и гравюр, методом гальваники делают запчасти автомобилей, детали станков и высокоточные приборы.

Каучук

История каучука началась в XVI в., в период Великих географических открытий. Вернувшись из Америки в Испанию, путешественник и первооткрыватель Христофор Колумб привез множество диковин, одной из которых был эластичный мяч из «древесной смолы». Снаряд, которым туземцы играли в нечто наподобие баскетбола, легко подпрыгивал, отскакивая от земли, сжимался и быстро восстанавливал свою первоначальную форму. Материал мяча был странным на ощупь – индейцы называли его «каучук», что переводится как «слезы млечного дерева». Чтобы изготовить каучук, коренные американцы сцеживали в чашечки белый, словно молоко, сок бразильской гевеи (латекс), затем сливали в большой сосуд и нагревали. Сок быстро сворачивался, превращаясь в темный смолоподобный эластичный материал. Помимо мячей, индейцы делали из него непромокаемые ткани, обувь, сосуды, детские игрушки.

Все эти вещи частенько завозились в Европу последователями Колумба, но европейцы почему-то не оценили материал по достоинству, хотя самим испанцам очень нравилось играть с экзотическим мячом – на основе индейских правил они даже придумали свою игру, похожую на современный футбол.

Со временем о южноамериканской диковинке забыли, и только в XVIII в. члены французской экспедиции обнаружили в Южной Америке дерево, выделяющее удивительную, затвердевающую на воздухе смолу, которая была названа резиной (от лат. resina ― смола). В 1738 г. французский исследователь Ш. Кондамин представил в Парижской академии наук образцы каучука, изделия из него и описание процесса его добычи, после чего начались поиски всевозможных способов применения этого вещества. В Испании каучук додумались использовать в качестве ластика. Во Франции были изобретены подтяжки и подвязки из сплетенных с хлопком резиновых ниток. А в 1823 г. шотландец Чарльз Макинтош догадался прокладывать тонкий слой резины между двумя кусками ткани и шить из этого материала непромокаемые плащи – макинтоши, которые сразу же полюбились всем британцам. Примерно в то же время в Америке вошло в моду надевать в дождливую погоду поверх башмаков неуклюжую индейскую резиновую обувь – галоши.

Затем англичанин Чаффи изобрел прорезиненную ткань, растворяя сырую резину в скипидаре, смешивая с сажей и нанося тонким слоем на обычную ткань с помощью специально сконструированной машины. Из такого материала можно было делать не только одежду, обувь и головные уборы, но также крыши домов и фургонов. Однако у изделий из прорезиненной ткани обнаружился большой недостаток: в жару они становились липкими и зловонными, а в мороз растрескивались. Постепенно фирмы по производству резины разорялись, и все бы позабыли про макинтоши и галоши, если бы не американец Чарльз Гудьир, который верил, что из каучука можно создать хороший материал. Современники смеялись над ним: «Если вы увидите человека в резиновом пальто, резиновых ботинках, резиновом цилиндре и с резиновым кошельком, а в кошельке ни единого цента, то можете не сомневаться – это Гудьир». Но Чарльз упорно смешивал каучук со всем подряд: солью, перцем, песком, маслом и даже супом – и в конце концов добился успеха. В 1839 г. он обнаружил, что каучук при нагревании с серой становится менее чувствительным к изменениям температуры, более упругим и гибким.

Новый вулканизированный каучук, незатейливо названный резиной, быстро завоевал популярность. Резина оказалась идеальным материалом для изготовления покрышек для автомобилей, амортизаторов, приводных ремней, рукавов, транспортных средств, гибкой изоляции, различных прокладок и многого другого. С середины XIX в. начался массовый выпуск резиновых изделий, и спрос на каучук возрос в несколько раз. Дикая гевея уже не могла удовлетворять потребности промышленности, и ее начали выращивать в тропиках Суматры, Явы, Малайского архипелага, только и этого было мало.

Почти сто лет ученые усиленно искали способ получать каучук искусственным путем, и в результате многочисленных исследований было установлено, что натуральный каучук на ⁹⁄₁₀ состоит из углеводорода полиизопрена с формулой (C₅H₈) × n, где n ― больше тысячи. Кроме полиизопрена, каучук содержит минеральные и смолоподобные белковые вещества, а если его очистить от белков и смол, он станет довольно неустойчивым и быстро будет терять на воздухе эластичность и прочность. Это означало, что для получения искусственного каучука необходимо решить следующие задачи: научиться выделять изопрен из других веществ; выполнить полимеризацию изопрена; найти нужные вещества для обработки полученного каучука, чтобы избежать его разложения.

В 1860 г. англичанин Ч. Уильямс путем сухой перегонки сумел выделить из каучука изопрен – легкую бесцветную жидкость, обладающую своеобразным запахом. В 1879 г. французский ученый Г. Бушарда получил каучукоподобный продукт, воздействуя на нагретый изопрен соляной кислотой. В 1884 г. английский ученый У. Тилден добыл изопрен из скипидара путем высокотемпературного разложения. И все же для промышленного производства эти способы не годились из-за дороговизны сырья, малого выхода изопрена и сложности технических процессов.

В 1901 г. русский ученый-химик Иван Кондаков доказал, что каучук можно получать не только из изопрена, но также из диметилбутадиена, если в течение года держать его на рассеянном свету или в темноте. Правда, изделия из синтетического каучука, изготовленного из диметилбутадиена, были дорогими и не особо качественными. В 1914 г. англичане Стрендж и Мэттьюс получили каучук из дивинила, а вот как получать сам дивинил, ученые придумать не смогли.

Промышленный способ изготовления синтетического каучука был разработан через 15 лет академиком Сергеем Лебедевым. В середине 1927 г. он получил дивинил из спирта, а в качестве катализатора использовал глину из Коктебеля. Полимеризация дивинила совершалась методом Мэттьюса и Стренджа – с помощью металлического натрия, после чего выделенный каучук смешивался с усилителями, каолином, сажей, магнезией и прочими компонентами, призванными предохранять его от разложения. К концу 1929 г. Лебедев представил технологию заводского процесса, а в феврале следующего года приступил к строительству опытного завода в Ленинграде. Год спустя впервые в мире были получены 250 кг дешевого синтетического каучука, а резина из изопрена появилась лишь через 35 лет.

С открытием технологии производства синтетической резины промышленность перестала зависеть от природного каучука, однако искусственная резина не вытеснила натуральную. Благодаря своим уникальным свойствам натуральный каучук незаменим при изготовлении крупногабаритных шин, способных выдерживать нагрузки до 75 т. Кроме того, натуральный каучук используется в производстве конвейерных лент высокой мощности, антикоррозийных покрытий котлов и труб, клея, тонкостенных высокопрочных мелких изделий и прочего.

Нефть и крекинг

По мнению историков, нефть была обнаружена на берегу Каспийского моря более 500 000 лет назад, а на берегу Евфрата ее стали добывать в VI―IV-м тысячелетиях до н. э. Древние люди использовали «черное золото» для различных целей, в том числе в качестве лекарства. Египтяне добывали «асфальт» (битум, или окисленную нефть) у берегов Мертвого моря и использовали для бальзамирования и приготовления строительных растворов. У жителей южных берегов Каспийского моря нефть издавна применялась для освещения жилищ, а также являлась частью зажигательного средства, вошедшего в историю под названием «греческий огонь».

В Средние века нефтью освещали улицы в городах Ближнего Востока и Южной Италии. В XIX в. россияне и американцы научились изготовлять из «черного золота» осветительное масло – керосин. В 1853 г. львовяне Иван Зег и Игнатий Лукасевич изобрели лампы, где использовался керосин, и в том же году впервые в Украине керосиновая лампа осветила операционный стол во львовском госпитале, во время срочной ночной операции.

До середины XIX в. нефть добывалась в небольших количествах, в основном из неглубоких колодцев вблизи ее естественных выходов на поверхность земли. Но в конце столетия спрос на нефть стал возрастать в связи с широким использованием паровых машин и развитием промышленности, которая требовала больших количеств смазочных веществ и мощных источников света. Внедрение в конце 1860-х бурения нефтяных скважин считается началом зарождения нефтегазовой промышленности.

На рубеже XIX―XX вв. были изобретены дизельный и бензиновый двигатели внутреннего сгорания, что привело к бурному развитию нефтедобывающей промышленности. В связи с этим перед учеными встала задача – определить, откуда берется нефть и где ее лучше искать.

Происхождение нефти издавна являлось одним из «таинств природы», волновавших умы исследователей. Так, известный польский натуралист XVIII в. К. Клюк считал, будто нефть является остатком той благодатной жирной почвы, на которой цвели райские сады. Якобы после грехопадения человека часть жира из почвы по воле Бога испарилась под влиянием солнца, а часть опустилась вглубь Земли, где и образовала скопления нефти.

В дальнейшем сформировались две научные концепции происхождения нефти. Представители одной из них – органики – полагают, будто нефть и газ возникли в осадочном чехле земной коры в результате преобразования останков животных и растений, населявших древние моря и озера. Адепты другой теории – неорганики – доказывают, что нефть и газы образовались в мантии Земли неорганическим путем.

Основы гипотезы органического происхождения нефти заложил М. Ломоносов, объясняя ее образование воздействием «подземного огня» на «окаменелые уголья», в результате чего возникли «асфальты», нефти и «каменные масла». В 1763 г. в труде «О слоях земных» Ломоносов писал: «Между тем выгоняется подземным жаром из приуготовляющихся каменных углей оная бурая и черная масляная материя и выступает в разные расселины и полости сухие и влажные, водами наполненные…» Поскольку считалось, что угли произошли из растительных остатков, то и нефти приписывалось растительное происхождение. Ломоносов обосновывал это, в частности, небольшой плотностью нефти – мол, «все минералы в воде потопают, а нефть по ней плавает».

Уже в ХХ в. геологи обратили внимание на то, что скопления нефти и природного газа распространены в земной коре неравномерно и приурочены к определенным комплексам осадочных пород. При этом нередко одни комплексы отделены от других толщами глины, соли и т. д., что почти исключает попадание нефти и газа из одних комплексов в другие. Это привело ученых к важному выводу: нефть является продуктом процесса осадконакопления, а поскольку осадочные породы содержат в себе органическое вещество, то и «черное золото» имеет органическое происхождение.

Более ста лет назад немецкий химик К. Энглер произвел перегонку рыбьего жира при давлении 1 МПа и температуре 420 °С. В итоге из 492 кг жира было получено 299 кг (61 %) масла, а также горючие газы и вода. После дробной разгонки масла, которое на 90 % состояло из углеводородов коричневого цвета, в его низших фракциях оказались метановые углеводороды. Из фракций с температурой кипения выше 300 °С был выделен парафин, а также смазочные масла, в состав которых входили незначительные количества олефинов, нафтенов и ароматических углеводородов. Этому продукту перегонки жиров, отличающемуся по составу от природной нефти, Энглер дал название «протопетролеум» (греч. «протос» – первый, англ. «петролеум» – нефть) и сделал вывод, что нефть образовалась из животных жиров. Впрочем, чуть позже он получил углеводороды и из растительных масел (репейного, оливкового и др.), а кроме того, высказал предположение о том, что в процессах образования нефти не последнюю роль играют природные алюмосиликаты (глины).

В начале XX в. Г. Потонье выдвинул гипотезу о происхождении нефти из сапропеля – илистого отложения перегнивших останков растений и животных. В 1919 г. академик Н. Зелинский произвел перегонку сапропеля озера Балхаш и выделил сырую смолу, кокс и газ. Газ состоял из метана, окиси углерода, водорода и сероводорода. После вторичной перегонки безводной смолы были получены керосин, тяжелые масла и бензин, куда входили метановые, нафтеновые и ароматические углеводороды.

В 1921 г. японский ученый Кобаяси получил искусственную нефть при перегонке жира рыб без давления, но в присутствии катализатора – гидросиликата алюминия. Подобные опыты были проведены и другими исследователями, и это натолкнуло их на мысль, что такими катализаторами в природных условиях могут быть глинистые толщи, содержащие первичное рассеянное органическое вещество.

Что касается идеи минерального происхождения нефти, то впервые ее высказал немецкий естествоиспытатель А. Гумбольдт в 1805 г., основываясь на присутствии углеводородов в продуктах деятельности вулканов. Д. Менделеев, который до 1867 г. придерживался теории органического происхождения нефти, в 1877 г. сформулировал гипотезу ее минерального происхождения, согласно которой нефть образуется на больших глубинах при высокой температуре вследствие взаимодействия воды с карбидами металлов. В настоящее время сторонники неорганической концепции отмечают, в частности, что в мире известно около 30 промышленных или полупромышленных залежей нефти, связанных с изверженными и метаморфическими породами.

Впрочем, в вопросе о происхождении нефти есть приверженцы и комплексного подхода: они считают, что могли существовать оба механизма (органический и неорганический), некоторым образом дополняя друг друга или действуя на разных стадиях процесса.

В середине XIX в., с развитием автомобильной промышленности, был открыт химический метод переработки нефти – крекинг, состоящий в расщеплении углеводородов под действием высокой температуры, в результате чего образуются молекулы с меньшим количеством атомов углерода. Главной целью крекинга было получение большого количества бензина. Дело в том, что в процессе физической переработки (перегонки, предполагающей простое разделение продукта на фракции) при нагревании нефти первыми испаряются углеводороды с самым легким удельным весом – из их смеси и получается бензин. При дальнейшем нагревании испаряются более тяжелые углеводороды, образующие керосин, смазочные масла, солярку. В итоге доля бензина составляет лишь пятую часть от общего выхода, а это ничтожно мало.

Потому решено было тяжелые фракции, образующиеся после первичной перегонки, подвергать еще и крекингу. Перегретый водяной пар пропускали через подогреваемую нефть, и он присоединял к себе более легкие углеводороды. Эту смесь бензина, керосина и воды отстаивали в холодильнике и сливали, в результате чего сверху оказывался слой бензина, дальше шел более тяжелый слой керосина, а еще более тяжелая вода оставалась внизу. Керосин подвергался очистке, а нефть тем временем сильно нагревалась, чтобы большие молекулы тяжелого углеводорода распались на несколько более мелких молекул с разным удельным весом и температурой кипения.

Первая в мире промышленная установка непрерывного термического крекинга была создана и запатентована инженером В. Шуховым и его помощником С. Гавриловым в 1891 г. Но самые оптимальные условия для этого процесса нашел английский химик Д. Бартон и в 1913 г. запатентовал способ выделения бензина из тяжелых фракций. В промышленных условиях крекинг-процесс, предложенный Бартоном, впервые осуществили в 1916 г. Этот метод положил начало новому этапу в развитии нефтеперерабатывающей промышленности, ведь с применением крекинг-процесса выход бензиновых фракций возрос до 50―60 %.