ОТКРЫТИЕ БЕНЗОЛА
Одно из самых важных открытий Фарадея в области химии было связано с его братом, китами и прозрачной бесцветной жидкостью, имевшей запах миндаля.
В середине 1820-х годов старший брат Фарадея, Роберт, начал работать в компании по поставкам газа, использовавшей в качестве сырья китовое масло — вещество, дающее лучший свет в ту эпоху.
Масло получали из спермацета, содержащегося в голове кашалота. От одного кашалота можно было получить до трех тонн спермацета. Моряки назвали это вещество так, потому что при контакте с воздухом оно из жидкого и прозрачного превращалось в беловатый крем. Его природная функция до сих пор неизвестна, возможно, спермацет требуется кашалоту, чтобы избежать декомпрессии при плавании на глубинах более 500 метров. Продукт был очень ценным: он использовался для освещения, в качестве эмолента при производстве мыла и красок, так что, по оценкам, с 1830 по 1870 год было истреблено около 300 тысяч китов. Спрос был настолько высок, что около 1850 года галлон китового масла продавался за 2,5 доллара — половину недельной зарплаты рабочего.
В процессе распределения газа по емкостям образовывались отходы в виде легкого масла. Фарадей сделал его анализ в 1825 году. После длительной и трудоемкой процедуры дистилляции, в течение которой нужно было отделить сотни составляющих, ученый получил вещество, распространяющее аромат, похожий на миндальный. Это был очищенный углеводород, который Фарадей назвал бикарбидом водорода, так как он состоял из водорода и углерода. Позднее, в 1834 году, немецкий химик Эйльхард Митчерлих (1794–1863) дал этому углеводороду название бензол.
В начале развития органической химии органические соединения разделялись на ароматические (душистые) и алифатические (жирные). Первые соединения имели различные запахи, например толуол пах ванилью и корицей. В основном все запахи были приятными, отсюда и название «ароматические».
Когда позднее была изучена необыкновенная стабильность связи водород — углерод в других соединениях, термин «ароматические» распространился на все соединения, обладавшие такой стабильностью независимо от запаха.
В 1865 году немецкий химик Фридрих Кекуле увидел сон, в котором змея кусала себя за хвост, и открыл кольцевую структуру молекулы бензола за два года до смерти Фарадея. В ту эпоху уже было известно, что бензол состоит из шести атомов углерода и шести атомов водорода (C6H6), но структура его молекулы была неясна.
Кекуле уверял, что идея, приведшая его к открытию структуры молекулы ароматического углеводорода бензола, возникла у него после увиденного сна, в котором появлялась змея, кусавшая себя за хвост, — традиционный символ древнейших культур, известный как уроборос. Это и привело ученого к идее рассмотреть возможность кольцевой молекулы бензола.
В 1865 году Кекуле опубликовал статью, в которой высказал мнение, что атомы углерода составляют замкнутую структуру в виде шестиугольника, используя поочередно одну или две валентности для соединения между собой, а атомы водорода присоединяются к оставшимся валентностям (см. схему). Это новое понимание структуры бензола и всех ароматических соединений оказалось очень важным для дальнейшего развития науки.
Формула бензола.
Сегодня бензол — один из основных химических продуктов по мировым объемам производства, количество способов его применения бесконечно: он используется при изготовлении разных видов резин, смазок, красок, порошков, медикаментов, пестицидов, на его основе производятся другие химические продукты, используемые при изготовлении пластмасс, смол и синтетических волокон, в том числе кевлар. Хотя свойства бензола сегодня изучены наиболее хорошо по сравнению с другими органическими соединениями, точная химическая структура вещества не была определена до недавнего времени — 1931 года.
Продолжительное воздействие бензола может вызывать лейкемию — уменьшение количества красных кровяных телец и увеличение белых.
Фарадей объединил результаты всех исследований в области химии в работе «Химические манипуляции» (Chemical manipulation), в которую включил и открытие бензола — свое последнее важное открытие, относящееся исключительно к области химии. Книга понятна даже неспециалистам, так как адресована студентам, не имеющим предварительных знаний по предмету. Фарадей избегал в ней сложных теоретических описаний, характерных для учебников той эпохи, и акцентировал внимание на экспериментах, так что работу можно считать своеобразным практическим руководством по химическим процессам.
СЖИЖЕНИЕ ГАЗОВ
Вернемся на несколько лет назад, в 1823 год, когда, используя сжатие и охлаждение, Фарадей смог добиться сжижения различных газов — хлора, диоксида водорода, сульфгидрильной кислоты — и опубликовал первое серьезное исследование по сжижению газов, что было его важнейшим открытием в области химии. Ученый также стал пионером криогенеза и первым получил температуру ниже 100 градусов по Фаренгейту.
Процесс сжижения газов состоит в общем виде из нескольких этапов, включающих изменение температуры и давления для перевода вещества из газообразного состояния в жидкое. Уже в 1681 году Дени Папен установил, что вода в закрытой емкости остается в жидком состоянии даже при превышении температуры кипения 100 ºС. С тех пор велись исследования, чтобы выяснить роль давления и температуры в процессах сжижения газов. В 1783 году Джеймс Уатт, создатель первой паровой машины, открыл, что латентное тепло парообразования (или энергия, необходимая для перехода из жидкого состояния в газообразное) изменяется с увеличением давления.
При увеличении давления и повышении предела точки кипения Уатт наблюдал, что латентное тепло постепенно уменьшается до достижения предела, в котором практически пропадает.
* * *
Газовые законы
Основное отличие газа от твердых или жидких веществ состоит в том, что его молекулы находятся далеко друг от друга и перемещаются во всех направлениях. Ян Баптист ванн Гельмут ввел термин газ на основе греческого слова хаос («беспорядок»). Постепенно ученые пришли к выводу, что поведение газов можно изучить на основании отношений между их температурой, давлением и объемом. С XVII века начали устанавливаться первые газовые законы.
— Закон Бойля — Мариотта, сформулированный Робертом Бойлем и Эдмом Мариоттом в XVIII веке, утверждает, что для определенного количества газа при постоянной температуре объем газа обратно пропорционален давлению данного газа.
— Закон Шарля — Гей-Люссака, сформулированный французским химиком Жозефом Луи Гей-Люссаком в 1802 году, утверждает, что для определенного количества газа при постоянном давлении объем газа прямо пропорционален температуре данного газа и для определенного количества газа при постоянном объеме давление газа прямо пропорционально его температуре.
