НА ВЕРШИНЕ ХИМИЧЕСКОЙ НАУКИ СВОЕГО ВРЕМЕНИ

Гей-Люссак (Joseph Louis Gay-Lussac) принадлежит к числу тех химиков, которые в начале 19-го века заложили основы классической химии. Главной заслугой Гей-Люссака в установлении химических закономерностей, особенно в создании атомно-молекулярного учения, было открытие закона простых объёмных отношений реагирующих газообразных веществ.

      Жозеф Луи Гей-Люссак родился 6 декабря 1778 г. в местечке Сен-Леонар-де-Нобла во Франции. Его дед был медиком, а отец — королевским прокурором и судьёй. Когда Гей-Люссаку было 11 лет, произошла революция 1789 года, которая резко изменила жизнь семьи.

        В 1793 году отец Гей-Люссака по «закону о подозрительных» был арестован и переведён в Париж. Туда же отправился Жозеф с намерением хлопотать за отца. Здесь его пытались направить в армию, воевавшую в Вандее, однако Гей-Люссаку, благодаря его юридическим знаниям, удалось избежать призыва.

         После государственного переворота 27 июля 1794 год, который сверг якобинскую диктатуру, отец Гей-Люссака был освобождён. В 1795 году он отправил сына в пансион Савуре в Париже, который вскоре был закрыт по причине голода, и Гей-Люссак был переведён в пансион Сансье в окрестностях Парижа.

     26 декабря 1798 года, блестяще сдав экзамены, Гей-Люссак стал воспитанником Политехнической школы в Париже с жалованием 30 франков. В 1800 году как один из лучших учеников он получил место в лаборатории известного химика Бертолле. Тогда же он стал репетитором (ассистентом) известного химика Фуркруа и, читая лекции, получил известность как один из лучших преподавателей Политехнической школы. Возникшая между ним и Бертолле дружба оказала очень большое влияние на становление Гей-Люссака.

      Закончив учёбу, он работает на химических предприятиях, ассистентом в Политехнической школе. Бертолле недавно возвратился из поездки по Египту и проводил много исследований, связанных с научным спором с Прустом о законе постоянных отношений. Гей-Люссак помогал ему. Бертолле так оценил результаты его работы: "Человек такого таланта, как вы, не имеет права работать помощником пусть даже у самого вели¬кого учёного. Буду рад, если когда-нибудь смогу назвать себя учите¬лем такого исследователя, как вы''.

        В 1804 году Гей-Люссак предпринял подъём на воздушном шаре с целью определить зависимость магнитного поля Земли и температуры атмосферы от высоты подъём. Утром 16 сентября 1804 года Гей-Люссак достиг высоты 7016 метров, установив мировой рекорд высоты подъёма на воздушном шаре. Здесь он произвёл замеры температуры воздуха, которая оказалась равной −9,5 °C по сравнению с +27,75 °C на поверхности земли. Тем самым Гей-Люссак доказал, что снега, покрывающие высочайшие вершины, не являются результатом действия гор на окружающий воздух. В то же время, из-за слишком большой скорости подъёма шара Гей-Люссаку не удалось измерить точную зависимость температуры от высоты. В 1804 году было уже известно, что содержание кислорода и азота в воздухе одинаково на разных широтах и вблизи поверхности земли не зависит от высоты подъёма. Гей-Люссак получил образец атмосферного воздуха на высоте 6636 метров, исследования которого подтвердили эти данные и не обнаружили в воздухе примесей водорода. Эти опыты опровергли бытовавшие в то время представления, что метеоры и другие сходные явления вызваны горением водорода в верхних слоях атмосферы. На основании полученных результатов Гей-Люссак и Био сделали вывод о неизменности магнитного поля с высотой, что с учётом невысокой точности измерительных приборов того времени было практически верно.

   12 марта 1805 года Гей Люссак, получив по содействию Бертолле годичный отпуск, в сопровождении Гумбольдта отправился в путешествие по Италии и Германии. Основной целью путешествия было исследование состава воздуха и геомагнитного поля на различных географических широтах. 

      15 июля 1805 года Гей-Люссак и Гумбольдт вместе с известным геологом Леопольдом Бухом отправились в Неаполь, где наблюдали извержение вулкана Везувий и последовавшее за этим сильное землетрясение.

       Гей-Люссак шесть раз поднимался на Везувий, исследовал следы прежних вулканических извержений, а также останки раковин морских моллюсков, сохранившихся в отложениях на склонах гор. Путешествуя морем в окрестностях Неаполя, Гей-Люссак установил, что содержание кислорода в воздухе, растворённом в морской воде, составляет 30 % по сравнению с 21 % в атмосферном воздухе.

  17 сентября 1805 года Гей-Люссак отправился во Флоренцию, где исследовал минеральные воды в Ноцере. Согласно представлениям того времени, целительные свойства минеральных вод объяснялись повышенным до 40 % содержанием кислорода в растворённом в них воздухе. Гей-Люссак опроверг это утверждение, установив, что содержание кислорода составляет 30 %, как и в воде любого другого природного источника. 

         28 сентября Гей-Люссак прибыл в Болонью, где встретился с известным воздухоплавателем графом Замбекари. В разговоре он предостерёг графа, который собирался увеличить подъёмную силу своего воздушного шара, нагревая водород газовой горелкой. Замбекари, который ранее потерял шесть пальцев во время пожара на воздушном шаре, не внял предостережениям и через некоторое время погиб при взрыве водорода.

    Посетив Болонский университет, Гей-Люссак нашёл, что его былая слава потускнела, а некоторые профессорские должности занимают шарлатаны. 

         1 октября Гей-Люссак прибыл в Милан, где встретился с Алессандро Вольта, 14—15 октября перешёл через перевал Сен-Готард, 15 октября посетил Люцерн, 4 ноября — Геттинген, 16 ноября приехал в Берлин, где провёл зиму в доме Гумбольдта. Весной 1806 года Гей-Люссак получил известие о смерти Бриссона и отправился в Париж, чтобы занять его место профессора Политехнической школы.

           В 1806 году Бертолле организовал частное научное общество, названное аркёйским по названию общины в окрестностях Парижа, где жил великий химик. Гей-Люссак стал одним из первых его членов. В первом томе сборника, изданного обществом, он опубликовал результаты исследований, проведённых во время путешествия по Европе а 1805—1806 годах.

      Во втором томе аркёйского сборника Гей-Люссак опубликовал небольшую заметку «О взаимном соединении газообразных веществ». Выводы, сделанные в этой статье, оказались настолько важными, что впоследствии получили название «закон Гей-Люссака». В русскоязычной литературе этот закон обычно называется законом объёмных отношений.

       В 1807 году Берцелиус, Хизингер и Дэви, используя вольтов столб в качестве источника электричества, получили из расплавов поташа и соды металлы (калий и натрий), обладавшие удивительными свойствами: были мягкими как воск, плавали в воде, самовозгорались и сгорали ярким пламенем. Император Наполеон, заинтересованный этим открытием, выделил Политехнической школе большую сумму денег на изготовление огромного вольтова столба. Проведя эксперименты, Гей-Люссак и Тенар обнаружили, что калий и натрий можно получать химическим путём в количествах, достаточных для весьма несовершенного в то время химического анализа. Результаты опытов были опубликованы 7 марта 1808 года.

В 1809 г. Гей-Люссак становится профессором химии Политехнической школы и профессором физики Парижского университета. С 1832 г. он - профессор химии также и Парижского ботанического сада.

          Работы Гей-Люссака по исследованию берлинской лазури содержали два значительных для того времени открытия. Он доказал, что циан, являясь веществом сложным, в химических взаимодействиях с водородом, хлором и металлами ведёт себя как простое вещество. Кроме того, он опроверг широко распространённый предрассудок того времени, что углерод не может соединяться с азотом.

   Ещё более удивительным было то обстоятельство, что синильная кислота оказалась сильнейшим ядом, несмотря на то, что составляющие его простые вещества считались совершенно безвредными (например, азот входит в состав воздуха, водород — в состав воды, а углерод — в состав угля). 

        Отцом его жены Жозефины был преподаватель музыкального училища в Оксерре, вдовец, воспитывавший трёх дочерей. Когда в 1791 году училище было закрыто, семья терпела страшную нужду, и Жозефина, старшая из дочерей, поступила на работу в магазин белья, где случайно познакомилась с Гей-Люссаком. Как утверждают люди, близко знавшие Гей-Люссака, в момент знакомства Жозефина, девушка образованная и умная, читала трактат по химии, что и послужило поводом для знакомства.

      Через некоторое время Гей-Люссак получил согласие на брак и поместил невесту в пансион для окончания образования.

          После женитьбы Гей-Люссак прожил с Жозефиной 40 лет, был чрезвычайно счастлив в семейной жизни и умер у неё на руках в 1850 году.

           Большинство современников отмечают чрезвычайную честность Гей-Люссака как человека и как учёного. Он был суров и требователен и к себе самому, и к своим сослуживцам, и к научным оппонентам, невзирая на заслуги и регалии последних. Он всегда считал своей обязанностью признавать и публиковать собственные ошибки и заблуждения, если таковые обнаруживались.

           Другой характерной чертой Гей-Люссака было личное бесстрашие, которое проявлялось как при проведении опасных научных экспериментов, так и в защите своих близких и коллег от политических репрессий и цензуры.

         Всегда серьезный и сдержанный, Гей-Люссак был способен к порывам искренней веселости. Ученики видели его не раз в лаборатории пляшущим в калошах (лаборатория помещалась в подвале) после удачного опыта. Гей-Люссак был чужд политических партий; в палате депутатов и в палате пэров он выступал только тогда, когда затрагивались вопросы, связанные с научными исследованиями.

         Гей-Люссак был прекрасным преподавателем, который мог излагать свои мысли просто и доходчиво, без принятых в то время напыщенных фраз. Простота и понятность были отличительной чертой всех его научных трудов. В своих лекциях и статьях он широко применял математику, хорошие знания которой получил в юности в Политехнической школе.

          Кроме французского языка Гей-Люссак хорошо знал итальянский, английский и немецкий. Хорошая память позволяла ему, вопреки тогдашней традиции, читать лекции своими словами, без написанного на бумаге текста.

Экспериментальная работа отнимает у него не только много сил

и времени, но нередко бывает просто опасной, так как опыты иногда сопровождаются взрывами. Гей-Люссак обладал прекрасным здоровьем, однако страдал от последствий травм, полученных при проведении химических опытов. 3 июня 1808 года он получил ожоги обоих глаз в результате взрыва во время опытов с калием. В течение года Гей-Люссак не мог переносить яркого света, и до конца жизни, по выражению его жены, «его глаза оставались слабыми и красными».

      В последние годы жизни Гей-Люссак получил серьёзную травму руки в результате взрыва стеклянного сосуда с газообразными углеводородами. Некоторые врачи считали эту травму причиной его смерти, которая последовала через несколько лет.

       В результате тяжелой работы здоровье Гей-Люссака было сильно подорвано. Работа в сырых лабораториях не могла пройти бесследно. И хотя Гей-Люссак всегда надевал толстые шерстяные носки и сапоги, чтобы уберечься от сырости, он всё чаще ощущал боли в ногах и руках. Стали опухать суставы. Гей-Люссак старался не обращать на это внимание и продолжал работу. Он ни разу не подал виду, что болен, боролся с болезнью и пытался победить её.

      В последние годы жизни учёный уединился в своём имении Люссак и посвятил себя написанию так и не оконченного труда под названием «Химическая философия». После длительной и тяжелой болезни он скончался 9 мая 1850 г. в Париже.

Главной заслугой Гей-Люссака в установлении химических закономерностей и особенно в создании атомно-молекулярных представлений было открытие законов простых объёмных отношений при взаимодействии газов. При этом он исходил из качественных наблюдений и принимал во внимание количественные исследования. Так в химии появилась зависи¬мость между количеством и качеством.

Открытый Гей-Люссаком закон оказал сильное влияние на развитие теоретической химии. Этот закон вместе с открытым Дальтоном законом кратных отношений лёг в основу теории химических соединений.

В 1805 г. Гей-Люссак и А. Гумбольдт, изучая отношения объёмов реагирующих газов, установили, что один объём кислорода соединяется с двумя объёмами водорода. Эта работа тесно связана с дальнейшими исследованиями газовых реакций Гей-Люссаком.

Уже Лавуазье пытался определить объёмные отношения при реакции между кислородом и водородом, так как измерять газы по объёму гораздо проще, чем по массе. Объёмными отношениями между водородом и азотом при разложении аммиака занимался Бертолле. Гей-Люссак продолжил эти работы. Результаты исследований он опубликовал в 1808 г. в статье "О соединении газообразных тел друг с другом", где хотел "доказать, что газообразные тела соединяются друг с другом в очень простых отношениях и что уменьшение объёма, наблюдаемое при реакциях, подчиняется определённому закону”. реакции, а ограничился лишь небольшим их числом. Сопоставив найденную формулировку закона с результатами, полученными другим путём, он убедился, что его закон подтверждается.

Гей-Люссак показал, что на основании открытого закона можно рассчитать ещё неизвестные плотности газообразных веществ. Он отличался ясностью и последовательностью изложения своих результатов и мыслей.

А.Авогадро (1811) принадлежит заслуга объяснения объёмных законов Гей-Люссака посредством гипотезы, согласно которой одинаковые объёмы всех газов содержат одно и то же число молекул. При этом Авогадро впервые удалось строго разграничить понятия о молекулах - мельчайших частичках соединений, которые нельзя разделить на более мелкие части без потери их химических свойств,- и об атомах - мельчайших частицах элементов.

Окончательно объединил закон простых объёмов Гей-Люссака с гипотезой Авогадро С.Канниццаро - реформатор атомно-молекулярного учения. Только на основании этого учения стало возможным по плотностям пара определять относительные молекулярные массы соединений, переходящих в газообразное состояние без разложения.

Берцелиус с большим успехом применил закон Гей-Люссака для определения состава и количественных характеристик многих элементов и соединений.

Работы Гей-Люссака существенно помогли укреплению открытого Прустом закона постоянства состава, который оказался применимым не только для твёрдых, но и для газообразных веществ.

    Гей-Люссак нередко проводил исследования совместно с другими учёным.  Так с А.Гумбольдтом он изучал отношения объёмов газов при реакциях, с Био поднялся в 1804г. на воздушном шаре, чтобы определить температуру и влажность верхних слоев атмосферы, с Вальтером он открыл дитионовую   кислоту, с Л.Тенаром он значительно усовершенствовал метод элементного анализа органических веществ.

        Одним из сотрудников Гей-Люссака был молодой Ю.Либих, с которым он в 1824 году исследовал соли гремучей кислоты. Эта работа имела большое значение для развития методов анализа органических соединений.

Среди работ Гей-Люссака нельзя не упомянуть его монографию

о йоде (1814), которая долгие десятилетия служила образцом описания отдельного элемента и его реакций.

Гей-Люссак был человек небольшого роста, с тонкими, правильными чертами лица и большим лбом, в очках.

При удачном выполнении какого - либо трудного анализа или опыта Гей-Люссак - маститый сорокапятилетний физик и химик - хватал за руки своего юного сотрудника и плясал с ним вокруг лабораторных столов, отбивая такт очень распространённым тогда среди химиков деревянными башмаками. Танец получался настолько выразительным, что иногда и все присутствующие в лаборатории пускались в пляс.

Гей-Люссак многое сделал для внедрения научных достижений в промышленность. Например, его метод определения содержания этилового спирта был положен в основу практических способов определения крепости алкогольных напитков. Гей-Люссак сконструировал ареометр для определения содержания спирта в спиртоводных растворах по их плотности и в 1824 г. написал инструкцию по его применению. Использование созданной им конструкции башни для поглощения газообразных оксидов азота способствовало развитию производства серной кислоты. А дело было так. К Гей-Люссаку обратились с просьбой несколько фабрикантов, производивших серную кислоту. Огромные клубы бурого газа выходили из дымовых труб завода, отравляя не только всё живое вокруг, но и людей, которые работали на заводе. Вся растительность рядом с сернокислотными заводами погибала. Необходимо было найти решение проблемы. Несколько лет исследований предшествовали появлению башни, которая и поныне называется "башней Гей-Люссака".

Обладая превосходными способностями экспериментатора, Гей-Люссак смог в скромно оборудованной лаборатории открыть многие явления и законы, важные для дальнейшего развития химии.

        В 1806 г. Гей-Люссак был избран членом Французской академии наук и её президентом в 1822 и 1834 гг.; состоял членом Аркёйского научного общества (Societe d'Archueil), основанного Бертолле. В 1839 г. он получил титул пэра Франции. Гей-Люссак – иностранный почётный член Петербургской Академии наук (1826).

          Благодаря Гей-Люссаку в химии освободились от неправильного взгляда на металлы: при взаимодействии металлов с кислотой водород выделяется из кислоты, а не из металла. Гей-Люссак доказал элементарный характер хлора. Его исследования цианистоводородной кислоты (её называли прусской) доказали, что она содержит - углерод и азот, а не какой-то новый элемент. Исследования Гей-Люссака положили начало теории радикалов, давшей толчок развитию органической химии. Гей-Люссак создал много методов анализа, усовершенствовал технологические процессы, установил важные закономерности для газов. Его лекторский талант и огромные знания привлекали слушателей со всей Европы.

Гей-Люссак очень сожалел перед смертью, что придётся покинуть этот мир в то время, когда наука и техника стали быстро развиваться, когда был изобретён телеграф, когда в повседневной жизни стало применяться электричество. Он сказал: "Жалко покидать этот мир, когда в нём становится интересно".

        Награды Жозефа Гей-Люссака: Орден Почетного легиона, Орден Pour le Mérite (гражданский класс), Гальваническая премия.

        Его имя внесено в список величайших учёных Франции, помещённый на первом этаже Эйфелевой башни. В 1935 г. Международный астрономический союз присвоил имя Гей-Люссака кратеру на видимой стороне Луны.

Рассказывают, что ...

• Знаменитому химику Бертолле, имя которого носит взрывчатое вещество - бертолетова соль, однажды понадобился для работы лаборант. В его распоряжение Политехническая школа предоставила молодого Гей-Люссака. Бертолле поручил ему провести ряд экспериментов. Результаты экспериментов оказались в корне противоположны тем, которые ожидал Бертолле. Вероятно, он в глубине души и огорчился, но сказал Гей-Люссаку:

• Молодой человек, вы рождены для открытий; с этого момента вы мой товарищ, я хочу быть вашим отцом в науке. Уверен, что буду гордиться этим званием.

      Впоследствии великий химик и учитель Гей-Люссака, Клод Луи Бертолле, умерший в 1822 году, завещал Гей-Люссаку свою шпагу пэра Франции, так как не сомневался, что со временем Гей-Люссак войдёт в палату пэров. Тем не менее избрание Гей-Люссака затянулось на долгие годы, поскольку по тогдашним представлениям пэру Франции не подобало заниматься ручным трудом.

• У Ж. Гей-Люссака во время одного из опытов пострадал глаз. Как - то раз его встретил епископ Сиезский, попавший в члены академии по протекции. «Не понимаю, - сказал он, - как можно быть учёным, имея всего один глаз! Что можно увидеть одним глазом?» «Да побольше вашего, - не растерялся Гей-Люссак. - Вот, например, я вижу у вас два глаза, а вы у меня - только один!»

• Открытие Гей-Люссаком газовых законов послужило импульсом для Амадео Авогадро к проведению активных экспериментов, что в конечном счёте привело к открытию числа Авогадро.