ТОМАС ГРЭМ
1805 – 1869
Семья торговца Грэма жила на одной из самых многолюдных и шумных улиц Глазго, ведущей прямо на пристань. Маленький сын Грэма, Томас, любил смотреть из окна на прохожих. Эти незнакомые ему люди, казалось, пришли сюда из другого мира, совсем не похожего на мир, в котором жил Томас. Он никого не допускал в этот свой мир: ни отца, ни сестер, а их у него было четыре. Только мать догадывалась о том, что сын ее живет в воображаемом мире, замкнувшись в комнате наверху и предаваясь грезам, далеким от более понятных ей мечтаний о богатстве, славе и власти.
Его волновало совсем другое – неразгаданные тайны природы. Что представляет собой Вселенная? Где начало бытия и где его граница с потусторонним миром? Тринадцатилетний Томас искал ответ на эти вопросы в книгах, но тщетно: он путался в философских воззрениях авторов и не мог понять, где реальность, а где начинался вымысел.
Склонность Томаса к размышлениям порой раздражала его отца: сын был полная ему противоположность. Практичный Грэм старший умел заключать выгодные сделки, и это выдвинуло его в первый ряд среди деловых людей Глазго. Он делал все, чтобы приобщить и сына к торговле, помочь ему познать все ее тонкости. Ведь Томас был прямым его наследником. К своему великому огорчению, однако, он понял, что торговля отнюдь не для Томаса.
Облокотившись на подоконник, мальчик часами смотрел на улицу... У каждого своя дорога, удачная или неудачная, но своя. А у него? Как завоевать право на собственную дорогу в жизни? Сможет ли он этого добиться? В его глазах нередко появлялось выражение недетской неуемной грусти.
Свое четырнадцатилетие Томас отпраздновал в университете Глазго. Отец не отступил от принятого им решения, и Томас вынужден был поступить на богословское отделение.
Студент Томас Грэм испытывал на себе влияние идей профессора Мейклиама, преподававшего в университете натурфилософию. Его лекции помогли Томасу найти ответы на десятки мучавших его вопросов. От профессора он узнал много нового, познакомился с основами физики и химии. Профессор Мейклиам дружил с читавшим курс химии доктором Томасом Томсоном, сам интересовался этой наукой и посоветовал молодому студенту Грэму посещать лекции Томсона.
Томас регулярно посещал эти лекции. Постепенно он пришел к выводу, что химия – самая интересная наука, которой стоит посвятить жизнь. Уметь работать с веществами, изучать их взаимодействие, получать новые, никому не известные соединения, открывать закономерности, которым подчиняются химические реакции, – вот его истинная дорога в жизни. Он слишком долго стоял на распутье, однако теперь для него ясна цель в жизни. Он нашел свое признание и, несмотря на непреклонное желание отца видеть сына пастором, посвятит свою жизнь науке.
Грэм усердно работал, много читал и, в конце концов, получил степень магистра искусств. Лишь студенты, обладавшие глубокими познаниями в области философии и некоторых других специальных дисциплин, могли добиться подобного.
Первоначальные знания по химии Грэм, получил в лаборатории доктора Томсона, но этого было недостаточно для исследовательской работы. По совету профессора Мейклиама он переехал в Эдинбург.
Эдинбургский университет славился хорошими специалистами-медиками. Обучение молодых врачей, однако, требовало знакомства с основами ряда важных наук, среди которых в первую очередь была химия. Кафедру химии в то время занимал доктор Хоуп. Согласно традиции, установившейся еще со времен профессора Джозефа Блэка, который открыл и подробно исследовал двуокись углерода, в лаборатории доктора Хоупа занимались изучением газов.
С этого начал и Грэм. Ему были известны исследования Уильяма Генри из Манчестера. Он знал открытый Генри закон о растворении газов в жидкостях, но явления, которые сопутствуют этому процессу, нуждались в дополнительных исследованиях. Грэму было известно, что одни газы, например аммиак и хлористый водород, хорошо растворяются в воде, другие – азот, водород, кислород – значительно хуже. Он задавал себе вопрос: есть ли какая-нибудь в этом закономерность или все зависит от индивидуальных свойств газа?
Увлеченный сложными проблемами, Грэм подолгу задерживался в лаборатории. Он возвращался домой только к полуночи, а ранним утром его вновь можно было видеть в лаборатории.
В то время Грэм был стройным красивым юношей; его изяществу могла позавидовать любая красавица Эдинбурга. Приятная внешность и обходительные манеры молодого человека располагали к себе. У него было много друзей среди работавших с ним в лаборатории. Начинающие ученые нередко подолгу беседовали о волнующих их научных проблемах. Среди друзей Грэма был и профессор Лесли – философ, литератор и языковед. Их встречи и интересные беседы помогли Грэму более широко познать и увидеть мир.
Часто, оставаясь наедине с собой, Грэм думал о матери. Он любил ее всем сердцем, тревожился за нее, мечтал о встрече. В минуты отдыха он писал ей длинные нежные письма. В них он рассказывал матери о своей работе; своей жизни...
Вот уже два года Томас находился рядом с доктором Хоуком. Он узнал много интересного, но главное – научился самостоятельно вести исследовательскую работу. Он закончил исследование абсорбции газов, жидкостями, и в конце 1826 года в «Философских летописях» появилась его первая статья, за которую Грэм получил свой первый гонорар – 6 фунтов. С этими деньгами Грэм отправился покупать подарок матери, чтобы порадовать ее и хоть чем-то отплатить за ее беспредельную любовь, заботу, нежность. Не забыл он и сестер. С покупками он возвратился домой, счастливый, что доставит немало радости и близким.
Радости? Нет, это не то. Матери любят своих детей преданно и бескорыстно. Теплое слово для них дороже, чем самый ценный подарок. Грэм растрогал всегда сдержанную мать до слез. Она плакала от радости и гордости, что, сын, наконец, нашел свою дорогу в жизни. Путь, которым осмеливаются идти не многие, потому что он тернист и редко усыпан розами. Но это путь, который приносит радость и удовлетворение, не сравнимые, ни с чем, это путь творческого труда.
Грэм оставался в лаборатории доктора Хоупа еще два года. В 1828 году он вернулся в родной Глазго.
Тот же двухэтажный дом отца, та же комната с окнами на улицу, немая свидетельница его мечтаний о будущем. Теперь, однако, эти мечты были более реальными, более определенными. Романтические фантазии юношеских лет уступили место серьезной и глубокой мысли молодого ученого. Его волновали большие проблемы, привлекали интересные явления.
Уроки математики и химии, которые он вел в лаборатории, находившейся на Портланд-стрит, давали средства к жизни, но Грэм нуждался в собственной лаборатории, а денег для этого не было. Хорошо, пусть своя лаборатория дело будущего... А работу начинать надо немедленно. На первых порах можно воспользоваться и скромной лабораторией на Портланд-стрит. Явления, которые его интересовали, не требовали сложной аппаратуры: не покрытый глазурью глиняный сосудик, имеющий форму склянки с узким горлышком, изогнутая стеклянная трубка и небольшое количество ртути – вот все, что пока было нужно.
Глиняные сосуды он заказал гончару Тэйтону, а ртуть получил у доктора Кларка, который преподавал химию в Механическом институте. Кларк был намного старше Томаса, но это не помешало им стать друзьями. Он часто посещал своего молодого друга. Исследования Грэма представлялись ему интересными, и он хотел не только увидеть все в мельчайших подробностях, но и помочь молодому ученому своими советами.
Друзья подошли к столу, на котором стоял стакан и глиняный сосуд с укрепленной в горлышке стеклянной U-образной трубкой. Грэм принялся объяснять:
Глиняный сосуд пористый. Конечно, в нем воздух. Ртуть в трубке выполняет роль пробки: она задерживает газ в глиняном сосуде и одновременно регистрирует изменения объема. Смотрите, уровни ртути в обоих коленах трубки одинаковы. Теперь я наполняю стакан водородом и помещаю в него глиняный сосуд. Оба газа разделены пористой перегородкой, и они начинают диффундировать. Водород будет просачиваться в сосуд, воздух в обратном направлении. Но смотрите, что происходит?!
Грэм получил водород и накрыл глиняный сосуд стаканом, опрокинутым вверх дном, поскольку водород легче воздуха. Постепенно ртуть в колене изогнутой трубки, связанном с сосудом, начала опускаться вниз. Казалось, что газ, в глиняном сосуде расширялся и выталкивал ртуть.
— Как интересно! — воскликнул доктор Кларк.
— Но это не все. Смотрите, теперь обратный эффект! Грэм снял стакан с глиняного сосуда. Через несколько секунд ртуть начала подниматься к первоначальному уровню. К удивлению доктора Кларка, ртуть не остановилась на прежнем уровне, а продолжала подниматься в том колене трубки, который был связан с глиняным сосудом. Казалось, газ в нем сжимался и всасывал ртуть в сосуд.
А с другими газами вы проводили опыты?
Да. Пробовал хлористый водород, углекислый газ.
И во всех случаях наблюдается подобное явление?
В том-то и трудность. С углекислым, газом все наоборот. Если ввести сосуд с воздухом в атмосферу углекислого газа, ртуть начинает заполнять колено со стороны сосуда, а потом, если удалить стакан с углекислым газом, ртуть переходит в другое колено. Можно предположить, что газ сжимается, а затем расширяется. Через некоторое время состояние газа в глиняном сосуде нормализуется и уровень ртути в обоих коленах выравнивается.
Ну, и какие из всего этого выводы?
Пока что приблизительные. Видимо причиной является диффузия. Все газы способны расширяться, заполняя весь предоставленный им объем. Вот почему, если соединить два сосуда, заполненные разными газами, через некоторое время в них образуется совершенно однородная смесь. Протекает свободная диффузия. В моих опытах, однако, диффузия осуществляется через пористую перегородку – стенки глиняного сосуда. Мы могли бы назвать процесс вынужденной диффузией. Оказывается, разные газы проходят через пористую перегородку с различной скоростью. Например, в опыте, который вы видели, и водород через стенки сосуда проходит быстрее, поэтому количество газа в сосуде увеличивается и выталкивает ртуть. Конечно, воздух тоже выходит наружу, но медленнее.
Понимаю. По-моему, вам надо, не откладывая, подробно описать свои опыты и опубликовать результаты.
Статья была напечатана в «Квартальном журнале науки» в 1829 году. В том же году Грэму было предложено место умершего доктора Кларка в Механическом институте.
Дружба с Кларком направила интересы двадцатичетырехлетнего Грэма и к другой области химии. Последние годы своей жизни доктор Кларк посвятил солям фосфорной кислоты. Подобное исследование этих соединений давало все больше фактов, которые не удавалось объяснить с помощью теории Берцелиуса. По мнению шведского ученого, каждая кислота образуется в результате присоединения одного атома воды к одному атому кислородного окисла. Согласно этой теории, каждый кислотный окисел образовывает только одну одноосновную кислоту. Доктору Кларку, однако, удалось получить новую натриевую соль фосфорной кислоты, значительно отличавшуюся по свойствам от обыкновенного фосфата натрия. Фосфат натрия образует с нитратом серебра желтый осадок, и раствор над осадком имеет, кислую реакцию. Фосфат, полученный доктором Кларком, при взаимодействии с нитратом серебра давал белый осадок, раствор над которым был нейтральным. Эту соль он получил из обыкновенного фосфата натрия, нагревая его докрасна. Так как новый фосфат образовался под действием огня (огонь по-гречески «пирос»), Кларк назвал его пирофосфатом.
Продолжительные исследования доктора Кларка не внесли ясность в вопрос о фосфорной кислоте и ее солях; более того, они значительно усложнили его. Теперь в хорошо оборудованной лаборатории доктора Кларка Грэм получил возможность расширить и углубить свои исследования. Основное внимание он уделил газам и фосфатам. Вопрос о диффузии все еще оставался открытым. Чтобы определить скорость диффузии, Грэму пришлось измерять количество перешедшего через пористую перегородку газа за единицу времени. Для получения количественной зависимости он видоизменил и сам опыт. Вместо глиняного сосуда, поверхность которого измерить трудно, он использовал широкую стеклянную трубку, конец которой закрыл специальной пористой перегородкой. Грэм производил многократные анализы газов внутри и снаружи стеклянной трубки для определения их процентного содержания в газовой смеси. Наряду с этим он решил определить и некоторые физические параметры газов. Эта продолжительная и в какой-то степени однообразная работа вовсе не надоедала ему. Грэм проводил сотый анализ с таким же удовольствием, с каким когда-то провел первый.
Упорная работа завершилась открытием закона, лежавшего в основе явления диффузии газов. Грэм установил, что чем тяжелее газ, тем медленнее он проходит через пористую перегородку. Но это только качественная взаимосвязь. Он хотел найти строгую математическую зависимость, и его попытки увенчались успехом. Вычисления показывали, что скорость диффузии газа обратно пропорциональна квадратному корню из его плотности.
Параллельно с этой работой Грэм окончил исследования по окислению фосфора и установил, что в присутствии ничтожно малых количеств некоторых газов окисление фосфора значительно замедляется. Этот факт имел большое значение для науки, так как давал первый пример отрицательного катализа – явления, у которого даже не было названия, потому что не существовало самой теории каталитических процессов. Даже понятие «катализ» Иенс Якоб Берцелиус ввел лишь через пять лет после этого открытия.
Вторая статья Грэма о диффузий газов вышла из печати в 1831 году, когда он был уже профессором химии в Андерсеновском университете в Глазго. Здесь в большой и отлично оборудованной лаборатории он сделал очень важное открытие, в результате которого полностью изменился взгляд на природу кислот. К это