— Я думаю съездить за границу; я в прошлом году уже совсем было собралась.
— В Париж, разумеется? — спросил Базаров.
— В Париж и в Гейдельберг.
— Зачем в Гейдельберг?
— Помилуйте, там Бунзен!
И. С. Тургенев, Отцы и дети
Вся жизнь Роберта Вильгельма Бунзена (1811 - 1899) прошла в 19-м веке. Это столетие начиналось неторопливо и тряско, словно поездка в карете, а заканчивалось стремительным бегом поезда по стальным рельсам, опоясывавшим весь мир. Век, в котором жил Бунзен, был веком научно-технической революции, и немецкий учёный оказался одним из «революционеров», хотя, наверняка, революций он не любил.
Начало пути: от юного исследователя до преподавателя университета
Роберт Бунзен родился 31 марта 1811 года в городе Гёттингене в семье профессора университета. Его отец, Кристиан Бунзен, был филологом и руководителем библиотек Гёттингенского университета, и это оказало значительное влияние на образование и научное развитие юного Роберта. В 1828 году он поступил в Гёттингенский университет, где изучал широкий спектр естественных наук: химию, физику, ботанику, минералогию, геологию, математику и даже анатомию. Всё это развило его научный кругозор и пригодилось впоследствии.
Уже в 20 лет Бунзен получил степень доктора философии, защитив диссертацию, которую он посвятил разработке нового прибора для измерения влажности, гигрометра. В дальнейшем существенная часть его работы будет посвящена созданию новых приборов для физических и химических исследований.
Но Роберт Бунзен не считал своё образование полным. Поэтому в 1832 – 1833 годах он отправился путешествовать по университетам европейских стран. Первый год он провел в Париже, прослушав курс по химии и физике в Политехнической школе. Здесь он познакомился с ведущими химиками своего времени. Потом были стажировки в Вене и Берлине, работа на разных промышленных предприятиях, благодаря чему расширил свои знания и углубил понимание основ химического производства.
В 1833 году Бунзен стал приват-доцентом в Гёттингенском университете, а затем преподавателем химии в Высшей промышленной школе в Касселе.
Исследования в области органической химии
Первые самостоятельные исследования Бунзена были посвящены исследованию арсинов, органических соединений мышьяка. Одной из его ключевых работ стало изучение тетраметилдиарсина, который подтвердил существование сложных радикалов, образующих структуру органических соединений.
Однако арсины, как большинство соединений мышьяка, чрезвычайно ядовиты, а многие из них к тому же и взрывоопасны. Во время одного из опытов в лаборатории произошёл взрыв. Бунзен остался жив, но был отравлен и потерял зрение на один глаз. Это не остановило смелого экспериментатора. Он стал осторожнее, но не ушёл из химии.
Работы Бунзена обогатили только зарождавшийся раздел химии, теорию радикалов. Кроме этого, он смог найти противоядие против отравления мышьяком. Им оказался ферроцианид железа (известный в быту и среди художников как берлинская лазурь). Это вещество связывало токсичные соединения мышьяка, образуя с ними нерастворимые комплексы, которые впоследствии выводились из организма.
Приблизительно в это время в соседней Франции происходит действие романа Г. Флобера «Мадам Бовари». Как известно, героиня этого романа кончает с собой, приняв мышьяк. Что и говорить, такая смерть была не быстрая и неопрятная. Может быть, знай местные врачи о последних достижениях в токсикологии, происшедших благодаря Бунзену, они могли бы спасти Эмму Бовари. Впрочем, о том, что отравившегося надо напоить свежим молоком, они знали. Молоко действует аналогично противоядию Бунзена, сворачивается под действием мышьяка, связывает его и выводит из организма.
Изобретения в электрохимии и создание «элемента Бунзена»
В 1839 году Бунзен получил приглашение на должность профессора химии в Марбургский университет. Здесь он приступил к исследованиям в области электрохимии. Этот новый раздел науки вырастал на базе давних открытий Луиджи Гальвани, Ганса Кристиана Эрстеда и Алессандро Вольта, а также более близких по времени экспериментов Майкла Фарадея.
В то время основными источниками электрического напряжения (или, если угодно, электродвижущей силы) были гальванические элементы, в которых энергия химической реакции превращалась в электрическую энергию. Интересно, что, хотя слово «гальванический» происходит от фамилии Луиджи Гальвани, но первый гальванический элемент придумал в 1800 году Алессандро Вольта. Поэтому в начале 19-го века гальванические элементы называли также вольтовыми столбами. Это, действительно, были довольно громоздкие устройства, и к тому же небезопасные: соляная кислота удобства пользования не добавляла.
В 1841 году Бунзен создал замену вольтовым столбам: простой и дешёвый угольно-цинковый гальванический элемент. Это устройство было более компактным и к тому же обладало самой высокой и самой стабильной электродвижущей силой среди существовавших на тот момент химических источников тока. Благодаря изобретённому им гальваническому элементу Бунзен смог впервые проводить электролиз растворов и расплавов солей. В ходе этого электрохимического процесса он выделил чистые хром, магний, алюминий, натрий и кальций. Так фактически им был основан новый металлургический процесс. Электролиз лежит в основе современного промышленного производства легких металлов.
Исследование гейзеров в Исландии
Роберт Бунзен, как уже говорилось, не был узким специалистом, а наоборот, получил широкое естественно-научное образование. Лишних знаний, как известно, не бывает. В 1848 году Роберт Бунзен отправился в Исландию в составе международной научной экспедиции.
Что изучать в Исландии? Конечно, такое удивительное явление, как гейзеры. Исландские гейзеры были известны с давних времён по рассказам местных жителей. Первое научное описание гейзеров дал в своей книге о природе Исландии в 1740 году исландский ученый Эггерт Оулавссон.
Путешествие в Исландию и исследование тамошней геотермической активности стало одним из самых значительных этапов научной карьеры Бунзена. За несколько месяцев пребывания в районе Большого Гейзера учёный произвёл научные измерения состояния воды и распределения температуры по высоте гейзера, на основании чего предложил теоретическую модель функционирования гейзеров, которая работает и поныне. Кстати, место работы экспедиции называлось по-исландски Geysir. От этого слова все природные объекты, фонтанирующие горячей водой, стали называть гейзерами. А тот гейзер, который породил этот термин сейчас известен как Большой Гейзер.
С помощью специально созданного оборудования, погружая термометры в глубину гейзера, Роберт Бунзен установил, что температура воды с глубиной увеличивается. Однако из-за давления столба воды точка кипения в нижних слоях повышается. Анализ химического состава воды позволил определить в ней содержание солей (главным образом, карбонатов), а также углекислого газа и сероводорода.
Модель извержения гейзера по Бунзену такова. Температура воды, которая находится на глубине, у дна канала гейзера, значительно превышает нормальную температуру кипения, 100 градусов Цельсия. Причина этого в том, что вода на глубине находится под давлением столба воды, высота которого достигает нескольких десятков, а то и сотен метров. По этой причине кипения не происходит, вода при нагревании не превращается в пар. Будь канал гейзера достаточно широким, в нём развилась бы конвекция (перемешивание), за счёт которой температура воды выровнялась бы по всей длине водяного столба. Но канал узкий и не идеально ровный. Поэтому перемешивание затруднено, внизу температура воды достигает 126 — 127°, а у самой поверхности – 75 — 80°.
Но не слишком глубоко находится горячий подземный слой, который нагревает вулканическая лава. Поэтому приток тепла к гейзеру не ослабевает. Мало-помалу температура всего водяного столба повышается. В результате где-то у верхнего конца канала начинается парообразование. Пар собирается в большие пузыри, и верхняя часть столба воды нагревается до точки кипения.
Это – критический момент. Верхняя часть канала гейзера становится похожей на кипящую кастрюлю. Часть воды испаряется, часть выплёскивается. В результате давление столба воды уменьшается. Что происходит при этом с перегретой водой у дна канала? Она мгновенно испаряется, образовавшийся пар стремится вверх, захватывая с собой и горячую воду. Гейзер извергается.
Когда вся горячая вода выплеснется наружу, гейзер приходит в состояние покоя. Но процессы, происходящие внутри столба горячей воды, продолжаются и повторяются. А значит, повторится через некоторое время и извержение гейзера. Частота этого извержения зависит от многих факторов, но определяющей является ширина канала.
Работа Бунзена в Исландии дала первое научное объяснение работы гейзеров, подтвердила значение термодинамических процессов в геологических явлениях и сформировала основу для современных исследований геотермальных систем. На основе того, что физики узнали о гейзерах, стала возможной работа геотермальных электрических станций.
Экспедиция в Исландию продемонстрировала, как химия, физика и геология могут сочетаться для объяснения сложных природных явлений. Бунзен, благодаря своему подходу, стал не только пионером в изучении гейзеров, но и вдохновил дальнейшие исследования в этой области.
Спектр мой, зеркальце, скажи…
В 1852 году Бунзен стал заведовать кафедрой химии в Гейдельбергском университете. В том же 1852 году он начал сотрудничество с физиком и математиком Густавом Кирхгофом. В 1860 году они разработали первый спектрограф и доказали, что спектры пламени, окрашенного парами металлических солей, могут использоваться для обнаружения неизвестных химических элементов. Эти исследования привели к открытию двух новых элементов: цезия в 1860 году и рубидия в 1861 году. Оба элемента были найдены в минеральных водах из курортного источника в немецком городе Дюркхайме. Это открытие продемонстрировало возможности спектрального анализа как метода изучения состава вещества.
При этом Бунзен и Кирхгоф использовали результаты исследований Йозефа фон Фраунгофера (1787–1826), построившего первый спектрограф и заложившего фундамент спектрального анализа. Фраунгофер использовал свой спектрограф для исследования солнечного спектра и впервые открыл в этом спектре серию чёрных линий, которые были названы фраунгоферовыми.
Метод спектрального анализа стал революцией в химии и в физике. Вклад Роберта Бунзена в развитие спектроскопии и химического анализа стал основой для множества открытий, включая изучение состава звезд и химической структуры веществ.
Другие достижения: фотохимия, лабораторные приборы и педагогика
С 1855 по 1863 годы Роберт Бунзен занимался фотохимией, работая совместно с английским химиком и физиком Генри Энфилдом Роско. В результате их исследований был сформулирован закон Бунзена – Роско, который гласит, что количество фотохимического продукта прямо пропорционально произведению интенсивности света на время его воздействия на вещество.
Фотохимические исследования Бунзена и Роско начались значительно позже изобретения дагеротипии. Однако их работа заложила фундаментальные научные принципы, которые помогли понять природу светочувствительности и развить технологии, связанные с фотографией и фотохимическими реакциями.
Изобретательский гений Бунзена проявился в создании множества лабораторных приборов.
В 1857 году он изобрёл горелку, которая точно позволяет регулировать размер и температуру пламени. Горелка Бунзена позволяет производить точные химические эксперименты, связанные с нагреванием и обеспечивает безопасность работы в лаборатории.
Ещё одно изобретение Роберта Бунзена, которым химики пользуются и сегодня – это колба с боковым тубусом, предназначенная для фильтрации под вакуумом. Иногда этот сосуд называют колбой Бюхнера по имени промышленного химика Эрнста Бюхнера, а иногда колбой Китасато в честь японского врача и бактериолога Китасато Сибасабуро, популяризировавшего её использование в микробиологических исследованиях
Изобретения Бунзена стали основой для создания современных химических лабораторий. Его горелка и колба по-прежнему используются в учебных заведениях и научных институтах по всему миру. Точность и удобство этих инструментов сделали их незаменимыми для химиков, физиков и биологов.
Следует также заметить, что Бунзен был выдающимся педагогом. Он руководил лабораторией, которая стала научной школой для целого поколения химиков, включая таких великих учёных, как Дмитрий Менделеев, Людвиг Мейер и Адольф Байер, Джон Тиндаль.
Последние годы
Роберт Вильгельм Бунзен ушёл из активной научной деятельности в 1889 году, посвятив последние годы жизни геологии. Он скончался 16 августа 1899 года в родном Гейдельберге.
Его вклад в науку трудно переоценить. Он был не только широко образованным естествоиспытателем, но и блестящим экспериментатором, а также выдающимся учителем, вдохновлявшим своих учеников на новые открытия. Изобретения и открытия Бунзена продолжают влиять на химическую науку и технологии, а его имя навсегда останется в истории мировой науки.
