100 великих научных открытий - [39]

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 H. 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.

В 1946 г. известный авторитет в области ядерной физики, лауреат Нобелевской премии У. Ф. Либби предположил, что тритий непрерывно образуется в ходе атмосферных ядерных реакций. Однако в природе трития так мало (1 атом Н на 10 атомов Н), что обнаружить его удалось только по слабой радиоактивности.

Открытие водорода оказалось очень важным не только для науки, но и для других сфер человеческой деятельности. Сейчас этот элемент используют для получения аммиака, необходимого в производстве удобрений и многих других веществ. Из жидких растительных масел с помощью водорода получают твердые жиры, похожие на сливочное масло и применяемые в пищевой промышленности. При производстве изделий из кварцевого стекла требуется очень высокая температура, и здесь водород тоже находит применение: горелка с водородно-кислородным пламенем дает температуру выше 2000 °C, при которой кварц легко плавится. Также водород часто используют в лабораторных экспериментах, а хранят под давлением в стальных баллонах, для безопасности прикрепленных к стене с помощью специальных хомутов.

Кислород и теория горения

На открытие кислорода претендуют сразу трое ученых: шведский химик Карл Вильгельм Шееле, английский священник Джозеф Пристли и французский химик Антуан Лавуазье.

Первым, кто получил относительно чистую пробу кислорода, был Карл Шееле (1742–1786). Работы Шееле охватывают всю химию того времени: учение о газах, химический анализ, химию минералов, начала органической химии. В 1769 г. он выделил из соли — «винного камня» (гидротартрата калия) — винную кислоту. В 1774 г., исследуя пиролюзит («черную магнезию»), показал, что это вещество является соединением неизвестного металла, впоследствии названного марганцем, а также выделил «тяжелую землю» — оксид бария. Кроме того, воздействуя на «черную магнезию» соляной кислотой, Шееле открыл зеленоватый удушливый газ, названный им «дефлогистированной соляной кислотой». Позже этому газу было присвоено название «хлор».