Основатель электрохимии

К 240–летию со дня рождения Гемфри Дэви

Гемфри Дэви – основатель новой науки – электрохимии, автор открытий многих новых веществ и химических элементов, а также как учитель другого крупнейшего английского ученого – Майкла Фарадея.

Гемфри (Хемфри) Дэви (Humphry Davy) родился 17 декабря 1778г. в небольшом городке Пензансе, на юго-западе Англии (графство Корнуолл). Об этой местности есть старинная поговорка: "Южный ветер приносит туда ливни, а северный - возвращает их".

Отец был резчиком по дереву, "не умеющим считать деньги", и поэтому семья с трудом сводила концы с концами, а мать - приемной дочерью местного врача Тонкина. Отец унаследовал ферму, и семья перебралась на неё.

Он родился в зелёном провинциальном городке; сбегал с уроков на рыбалку; в двенадцать лет пристрастился к чтению исторических романов и рассказывал их ватаге босоногих друзей во весь голос с телеги на базарной площади, изображая дерущихся на шпагах и умирающих героев Вальтер Скотта.

Отец мог дать ему лишь весьма скромное образование в низшей школе. Уже в детстве Дэви удивлял всех своими необычайными способностями. Школьный учитель, обнаружив способности мальчика в учебе, посоветовал родителям отправить Гемфри учиться в город Пензанс. Но внезапная смерть отца в 1794 году нарушила планы. По окончании школы в 1795 году Дэви был отдан в ученики аптекарю и хирургу местечка. Занятия в аптеке пробудили природную любознательность мальчика; он стал самостоятельно изучать иностранные языки и естественные науки, особенно интересуясь химией. Денег, которые присылала мать, не хватало даже на еду. Устроенную им в большом сундуке лабораторию пришлось запереть на замок.

Прокормить пятерых детей на ферме мать Гемфри не могла, поэтому она продаёт ферму, переезжает в Пензанс и открывает ателье дамских шляпок. Гемфри отдают учеником в аптеку, чему он очень обрадовался, так как теперь он мог заниматься своими любимыми опытами.

Уже в 17 лет Дэви сделал своё первое открытие, обнаружив, что трение двух кусков льда друг о друга в вакууме вызывает их плавление, на основании чего предположил, что теплота — это особый вид движения. Этот опыт опровергал существование тепловой материи, к признанию которой склонялись тогда многие ученые.

В библиотеке Дэви наткнулся па учебник химии Лавуазье и понял, что химия - его призвание. Помог случай: физик Томас Беддо из Пневматического института в Клифтоне, под Бристолем, решил провести эксперименты с газами и искал себе помощника. Ему посоветовали обратиться к Дэви. Тот согласился. Приехав в Клифтон, Дэви получил максимум того, о чём мог мечтать: замечательную лабораторию, прекрасные условия жизни и работы, и прекрасного руководителя, увлечённого мечтами об исследованиях газов и их действии на организм человека при вдыхании.

       С 1798 года Дэви изучал действие закиси азота, водорода, двуокиси углерода, метана на человеческий организм.

Будучи совсем юным, Дэви решил доказать, что закись азота N O не является опасным ядом (как считали американские врачи того времени). Опробовать же действие закиси азота он отважился на самом себе. Когда газ был получен, Дэви начал свои героические опыты. Вдыхание закиси азота произвело на него столь необыкновенное действие, вызывая чрезвычайно приятные ощущения и весёлое настроение, что он стал повторять их почти ежедневно, всё более и более убеждаясь не только в отсутствии отравляющего действия, но и в неизменном опьяняющем эффекте закиси азота и вызываемых им весёлых галлюцинациях. Находясь под впечатлением от действия «веселящего газа» (как позднее назвал Дэви закись азота), он даже описывал в стихах все свои ощущения при действии закиси азота.

В его книге, вышедшей в 1800 г., когда он уже был сотрудником «Медицинского пневматического института», имеется первое в мире прямое указание на обезболивающее действие ингаляции закиси азота: «При прорезывании одного злосчастного зуба, называемого dentes sapientiae, я испытывал острое воспаление десны, сопровождающееся большой болью, которая одинаково мешала как отдыху, так и сознательной работе. Однажды, когда воспаление было чрезвычайно чувствительно, я вдохнул три большие дозы закиси азота. Боль совершенно исчезла после первых четырёх или пяти вдохов и неприятные ощущения на несколько минут сменились чувством удовольствия. Когда прежнее состояние сознания возвратилось, вместе с ним вернулось и состояние в органе, и мне даже показалось, что боль была сильнее после опыта, чем раньше».

      Однажды, когда ученый вдохнул пять больших доз газа, он тут же потерял сознание и находился в таком состоянии около трех часов. Но все равно продолжал проводить эксперименты на самом себе, которые и стали причиной его серьезной болезни и смерти в возрасте пятидесяти лет. Сам он утверждал, что занимался этим исключительно в научных интересах.

Авторитет и слава Гемфри Дэви быстро росли. В это время усилиями Бенджамина Томпсона (графа Румфорда), британского натуралиста Джозефа Бэнкса, английского химика и физика Генри Кавендиша было организовано общество натуралистов, названное Королевским институтом. Королевский институт сразу же установил традицию приглашать для публичных лекций о своих исследованиях известных химиков и физиков. В 1801 г. Дэви был приглашён в Королевский институт прочитать доклад о закиси азота. Успех был полный. Последовавшие за лекцией опыты ингаляции вызвали большой интерес у публики. Многие члены общества пожелали испытать газ на себе. Все неудержимо смеялись: одни под действием закиси азота, другие, глядя на них.

      Увлекательные опыты с закисью азота и сопровождающее их состояние наркозного опьянения испортили взаимоотношения Дэви с его шефом, который вначале не мог понять причины небывалых раньше приступов безудержного смеха и возбуждения своего ученика. Случалось, что приезжавшие пациенты, встретившись с невменяемым, по их мнению, лекарским помощником, уезжали с недовольством и практика врача стала падать. Когда хозяин выяснил в конец причину частой одержимости Дэви, то, усмотрев в опытах с закисью азота причину своего врачебного неблагополучия, он запретил Дэви продолжать исследования в его доме.

Дэви переселился к своему приёмному отцу, доктору Тонкину. Здесь он вновь собрал кое-какую стеклянную посуду и оборудование, наладил производство газов и возобновил свои опыты. Именно тут, у Тонкина, он дал закиси азота название «веселящий газ».

     Но однажды ночью семейство Тонкинов было разбужено сильным взрывом. Вбежав в комнату Дэви, они застали его растерянного, с виноватым видом, среди разбросанного взрывом оборудования. Последовало категорическое запрещение продолжать эти затеи, угрожающие взорвать весь дом. Поискам Дэви наступил конец.

После долгих часов работы в лаборатории, Дэви в качестве отдыха занимался сочинением поэм и сонетов.

В 1799 году, прочитав работу Николсона и Карлайла «Разложение воды электрическим током гальванического элемента», он одним из первых провёл электрохимическое разложение воды при помощи вольтова столба и подтвердил гипотезу Лавуазье, что вода состоит из кислорода и водорода.

    Как всегда, при изучении газообразных веществ Дэви испытал действие водорода и метана на себе. При вдыхании метана он потерял сознание и, наверное, умер бы, если бы лаборант, заметив неладное, вовремя не перекрыл поступление газа. Ученый медленно пришел в сознание, но затем долго и тяжело болел. Дэви писал: «Выздоравливаю после девятинедельной горячки, весьма опасной и с желчными припадками».

В 1800 году Дэви выдвинул электрохимическую теорию сродства, позднее развитую Й. Берцелиусом, согласно которой при образовании химических соединений происходит взаимная нейтрализация зарядов, присущих простым телам; при этом чем больше разность зарядов, тем прочнее соединение.

Заинтересовавшись действием электрического тока на различные вещества, Дэви изготовил специальные сосуды, куда помещал вещества, и пропускал через них электрический ток. Об этих опытах узнаёт один из основателей механической теории теплоты граф Румфорд и приглашает Дэви на должность ассистента по химии в институт в Лондоне. Приглашение последовало после того, как граф убедился в том, что хотя Дэви и не очень-то разбирается в изысканных манерах, но человек он незаурядного таланта и исключительного красноречия.

В 1801г. Дэви переехал в Лондон и приступил к работе ассистентом. А через год он стал уже профессором. Лекции снискали ему славу блестящего оратора, он стал одним из популярнейших людей в Лондоне. Королевский институт, где он работал, превратился в место паломничества не только студентов и учёных. Послушать известного лектора съезжались самые красивые женщины Лондона, хотя и не понимали ни слова из того, о чём он говорил. Успех не вскружил Дэви голову. Он читал лекции по прикладной химии и агрохимии, вёл исследования по минералогии, металлургии, кожевенному делу. Отсутствие хорошей школы, заложенной в детстве, несомненно, мешало ему. По этой причине он вынужден был сузить круг интересующих его проблем. Больших успехов он достиг в агрохимии.

В 1806г. Дэви систематизировал наблюдения, связанные с химическим действием электричества. Работа принесла ему новый успех. О нём заговорили как об авторе великого открытия.

В молодости Дэви записал в одной из своих записных книжек:„Я не могу сослаться для своей характеристики ни на богатство, ни на власть, ни на знатное происхождение; и, однако же, если я останусь в живых, то надеюсь быть не менее полезным для человечества и для моих друзей, чем в том случае, если бы я был наделён всеми этими преимуществами”. Своей жизнью он доказал, что для пользы человечества вовсе не обязательно иметь все эти преимущества.

Дэви считался одним из самых красивых мужчин Лондона. В 23 года он стал профессором. Сотни проводимых им опытов заканчивались неудачами, которые он стойко переносил, что не вязалось с его бурным характером. Его брат писал о нём: „Успех его радовал, но неудачи он сносил с большим терпением. Вообще всякие неудачи и несчастные случаи во время экспериментов, даже происшедшие по вине учеников, он сносил с большим спокойствием, чем можно было бы ожидать от человека его темперамента”.

К созданию электрохимической теории ученого привели опыты с разложением воды и соляных растворов при помощи гальванического тока. Ход этого разложения Дэви описал следующим образом: "....отталкивающая и притягательная энергия сообщается от одной частички к другой таким образом, что они образуют непрерывную проводящую цепь в жидкости и что вследствие этого происходит перемещение их или движение в пространстве". Рисуя такую картину электролиза, вполне подобную той, которую принимают теперь сторонники атомистической теории, Деви тем не менее оставался противником своего знаменитого современника Джона Дальтона и считал веса атомов Дальтона просто числами, выражающими постоянную пропорцию, в которой соединяются между собою элементы. При помощи усовершенствованного им Вольтова столба Гемфри удалось сделать открытие, навсегда прославившее его имя.

В 1805 году Французская академия наук присудила ему премию в 3000 франков. Наполеон, несмотря на поражение в Трафальгарском сражении, поддержал решение академии присудить английскому химику и именную медаль за исследования в области электрохимии. Несмотря на негодование английского общества, Дэви принял награду «врага», так как видел науку вне политики. Однако получить её он смог только спустя 5 лет.

В 1807 году Дэви и десять других любителей геологии основали первое в мире геологическое общество — Геологическое общество Лондона.

В этом же году Дэви получил электролизом едких кали и натра два новых металла - калий и натрий. В 1808г. он получил электролизом барий, кальций, стронций и магний, независимо от Гей-Люссака и Тенара выделил бор из борной кислоты.

    С этих пор главным «действующим лицом» в исследованиях Дэви становится электрический ток. Точнее, его действие на различные вещества. Так учёный вошёл в число основателей электрохимии.

Дэви высказал мнение: действие электричества на растворы заключается в том, что частицы веществ в растворах, заряженные положительно или отрицательно, отталкиваются от одноимённых полюсов и притягиваются к полюсам противоположного заряда.

Дэви пытался разложить электролизом многие природные соединения, в том числе и глинозем. Он был уверен, что и в этом веществе содержится неведомый металл. Ученый писал: "Если бы мне посчастливилось получить металлическое вещество, которое я ищу, я бы предложил для него название - алюминий". Ему удалось получить сплав алюминия с железом, а чистый алюминий был выделен лишь в 1825 году, когда Дэви уже прекратил свои эксперименты, датским физиком Х.К. Эрстедом.

В 1808–1809 гг. Дэви, используя мощную электрическую батарею из 2тыс. гальванических элементов, получил электрическую дугу между двумя угольными стержнями, соединенными с полюсами батареи (позже эту дугу назвали вольтовой).

Дэви придавал огромное значение исследовательской и экспериментальной работе в области химии и физики. В своих записках он пишет: «Гораздо труднее собирать факты, чем заниматься спекулятивными умозрениями по их поводу: хороший эксперимент имеет больше ценности, чем глубокомыслие такого гения, как Ньютон».

Во время одного из экспериментов в лаборатории произошёл взрыв. Неосторожность обернулась для него потерей правого глаза и глубокими шрамами на лице.

В 1808г., занимаясь изучением хлора, Дэви доказал его элементарную природу. Исследуя природу галогенов, он отверг теорию Лавуазье, согласно которой каждая кислота должна содержать кислород, и разработал свою теорию кислот.

Опыты с хлором и открытие щелочных и щелочноземельных металлов привело Дэви к столкновению с виднейшими химиками того времени. Дэви отрицал, что хлор является сложным веществом. Это вносило настолько резкие изменения в таблицу элементов, предложенную Лавуазье, что Гей-Люссак и Тенар во Франции, а Берцелиус в Швеции категорически восстали против утверждения Дэви. Однако Гей-Люссак вскоре присоединился к нему, проверив правильность его утверждения.

В 1803—1813 годах он читал курс агрохимии. Дэви указывал на необходимость полевых опытов для разрешения вопросов земледелия; он считал, что главнейшей заботой земледельцев должна была состоять «в доставлении земле растворимых материй, то есть скоро тлеющих остатков растений и животных»; он предлагал различные средства для удержания в навозах питательных жидкостей и газов. Прочитанные им лекции были изданы отдельной книгой, служившей общепринятым учебником по агрохимии более полувека.

    Первой кислотой, с которой познакомился человек, была уксусная кислота, получаемая из перебродившего вина еще в начале нашей ары. Слово уксус происходит от греческого оксос — кислый. Только в 1815 г. Гэмфри Дэви и почти одновременно с ним французский химик Пьер Дюлонг высказали мысль, что носителем кислотных свойств вещества является атом водорода, входящий в состав молекулы кислоты.

Шведский ученый Сванте Аррениус, автор теории электролитической диссоциации, в 1887 г. определил кислоты как вещества, которые в водном растворе распадаются с образованием катиона водорода. Полвека спустя всеобщее признание получила протонная теория кислот и оснований, разработанная датским химиком Йоханнесом Брёнстедом и его английским коллегой Томасом Лоури, согласно которой частицы кислот, попадая в водный раствор, отщепляют и передают молекулам воды  протон (подвергаются протолизу и служат донорами протонов).

В 1812 году он был посвящён в дворянское звание. Членом Лондонского королевского общества Дэви стал в 1803 году, в 1807-1812г.г. он был секретарём общества, а в 1820-1827гг. его президентом. Дэви был награждён медалями Коплея (1805), Румфорда (1816) и Королевской медалью (1828). В 1819 году Дэви был удостоен титула баронета.

В это же время у него обнаружился и поэтический талант; он вошел в кружок английских поэтов-романтиков так называемой «озерной школы».

Через два дня после посвящения в лорды Дэви женился на молодой вдове Джейн Эйприс — дочери богатого купца Чарльза Кэрра, дальнего родственника Вальтера Скотта. Через несколько месяцев они отправились в путешествие в Европу, которое длилось 18 месяцев. При этом он отказался от профессуры и от службы в Королевском обществе, как несоответствующей его новому общественному положению. Дэви захватил с собой в путешествие переносную лабораторию и помощника - Майкла Фарадея.

Фарадей посетил лаборатории Франции и Италии (причём Фарадей выполнял обязанности не только ассистента, но также секретаря и слуги). Дэви как знаменитость мирового масштаба приветствовали многие выдающиеся учёные того времени, в том числе А. Ампер, М. Шеврель, Ж. Л. Гей-Люссак и А. Вольта. Во время пребывания во Флоренции в серии экспериментов, проведенных при содействии Фарадея, Дэви удалось при помощи солнечных лучей сжечь алмаз, доказав, что он состоит из чистого углерода. После возвращения в Англию научная деятельность Фарадея протекала в стенах Королевского института, где он сначала помогал Дэви в химических экспериментах, а затем начал самостоятельные исследования, в конце концов став известным и влиятельным ученым, что позволило Дэви назвать Фарадея «своим величайшим открытием».

Брак с Джейн не был счастливым. Она была «львицей» эдинбургского светского общества, близкой подругой писательницы Анны-Луизы де Сталь, отличалась чрезвычайным честолюбием и любовью к титулам, была горда и заносчива. Её характер Дэви узнал через два-три года, когда наступил семейный разлад, связанный с обострением его болезни.

Возвратившись в Англию, Дэви больше не занимается серьезной теоретической работой, а обращается исключительно к практическим вопросам промышленности.

Катастрофы в каменноугольных копях Англии унесли в эти месяцы жизни тысяч шахтёров. Была объявлена специальная награда за изобретение безопасной лампы для работы на рудниках. Дэви и Фарадей занялись изучением "рудничного" газа. Исследования заняли почти целым год. Дэви заменил ламповое стекло шахтёрского фонаря мелкой металлической сеткой. Газы свободно проходил через отверстия сетки, но пламя не могло выйти наружу и воспламенить опасный газ. Если в шахте скапливалась взрывоопасная газовая смесь, взрыв происходил лишь внутри сетки. Лампа моментально гасла, предупреждая об опасности. Изобретение Дэви применялось долго — пока в шахтах не ввели электрическое освещение.

Дэви отказался патентовать лампу, тем самым сделав своё изобретение общедоступным. За это изобретение он был награждён медалью Румфорда, удостоился звания баронета, а в довесок к этому богатые шахтовладельцы Англии подарили ему серебряный сервиз стоимостью 2 500 фунтов стерлингов.

Чем бы ни занимался Дэви, он сохранял постоянный интерес к электричеству. Он имел специальную лабораторию для изучения электрических явлений.

Дэви работал самоотверженно. Переутомление и старая болезнь давали себя чувствовать всё чаще. Чувствуя близкую развязку, Дэви уходит с поста президента Лондонского королевского общества.

В 1821 году он установил зависимость электрического сопротивления проводника от его длины и сечения и отметил зависимость электропроводности от температуры.

В феврале 1826 года Дэви сделал свой последний опыт в лаборатории Королевского института. В том же году его поразил первый апоплексический удар (кровоизлияние в мозг и частичный паралич тела), который надолго приковал его к постели. Ситуация осложнилась тем, что жена ученого подолгу не бывала дома, предпочитая развлекаться в окружении толпы поклонников. Несмотря ни на что, Дэви оченьлюбил жену и всячески ей потакал, прощая многие грубые выходки.

В начале 1827 года он уезжает из Лондона в Европу, чтобы поправить здоровье, вместе с братом: леди Джейн не сочла нужным сопровождать больного мужа. Он направился в любимую им Италию, где он жил и раньше в 1818—1820 годах. Во время этого первого пребывания в Италии он занимался химическим исследованием красок, употреблявшихся в древней живописи, в Неаполе он исследовал геркуланумские рукописи, свитки и предложил средство развернуть их, не разрушая.

М. Фарадей впоследствии писал: «С самого начала союз Дэви и леди Джейн не был счастливым браком. У Дэви самой привлекательной чертой характера была его поразительная привязанность к матери, сестрам и брату... он использовал каждую малейшую возможность посетить их. Дэви очень любил детей... но в браке с леди Джейн детей не было... она абсолютно не была приспособлена к семейной жизни».

Джейн, воспитанная в пренебрежении к труду, полная аристократических предрассудков, мало помогала «прозаической» работе своего великого мужа: она просто её не понимала. Эта высокомерная женщина принесла Дэви много горя.

В 1828 году болезни с еще большей силой напомнили о себе. Дэви в это время жил на загородной вилле недалеко от Женевы. Жена никогда не сопровождала своего мужа в поездках.

29 мая 1829 года на пути в Англию Деви поразил второй удар, от которого он и умер на пятьдесят первом году жизни в Женеве, одинокий, вдали от родины, на руках у чужих людей. За несколько часов до смерти он получил письмо от жены, в котором она писала, что любит его. Похоронен он в Вестминстерском аббатстве в Лондоне, на месте захоронения выдающихся людей Англии. В его честь Лондонское Королевское общество учредило награду для учёных — медаль Дэви.

Гемфри писал весёлые стихи, вызубрил в совершенстве латынь; стал учеником аптекаря; склонялся как алхимик, над колбами и ретортами, производя диковинные опыты. Сконструировал ряд термометров (со ртутью, спиртом, водой).

В двенадцать лет он написал серьёзную научную работу; открыл «веселящий газ» - закись азота; перевернул вверх дном многие представления о химических элементах; в 29 лет получил премию французской Академии наук; в 34 года стал самой блестящей фигурой английской науки, учёным, которого знал весь мир. Дэви – член (с 1820 года — президент) Лондонского королевского общества и множества других научных организаций, в том числе иностранный почётный член Петербургской АН (1826 год).

    Гемфри Дэви вошел в историю как основатель новой науки электрохимии и автор открытия многих новых веществ и химических элементов. Полное собрание сочинений Дэви и его переписка были изданы его братом Джоном.

     Именем Гемфри Дэви названы: медаль Лондонского королевского общества, присуждаемая «за чрезвычайно важные открытия в любой области химии»(медаль сделана из бронзы и вместе с ней награжденный получает 10 000 фунтов стерлингов); кратер на Луне (диаметр 34 км, координаты 11,85S, 8,15W); здание университетского колледжа в г. Плимут (Англия); улица Хэмфри Дэви есть в немецком городе Куксхавен (Humphry); минерал давин был открыт в 1825 г. в Италии.

*На вопрос, какое из своих открытий он считает самым большим, X. Дэви ответил:

• Самым большим моим открытием было то, что я открыл Фарадея.

Таков был сэр Дэви, великий учёный, баловень судьбы.

• В 1812 году на публичные лекции Дэви попал 22-летний ученик переплётчика Майкл Фарадей, который подробно записал и переплёл четыре лекции Дэви. Дэви получил их вместе с письмом с просьбой взять его на работу в Королевский институт. Профессор вслух прочитал письмо, задумался, а потом спросил своего ассистента: "Как вы полагаете, что мне ответить этому студенту?" Ассистент сказал: "Возьмите его и поручите ему для начала мыть колбы, пробирки и прочую посуду. Если он согласится, то в будущем из него выйдет толк".

Этот, как выразился сам Фарадей, «смелый и наивный шаг» оказал на его судьбу решающее влияние. Дэви, сам начинавший жизненный путь учеником аптекаря, был восхищён обширными знаниями юноши, но в тот момент в институте не было вакантных мест. Просьба Майкла была удовлетворена лишь через несколько месяцев: в начале 1813 года Дэви из-за проблем со зрением пригласил юношу на освободившееся место лаборанта.

В обязанности Фарадея входили в основном помощь профессорам и другим лекторам Института при подготовке лекций, учёт материальных ценностей и уход за ними. Но сам он старался использовать любую возможность для пополнения своего образования, и в первую очередь — внимательно слушал все подготовленные им лекции. Одновременно Фарадей, при благожелательном содействии Дэви, проводил собственные химические эксперименты. Свои служебные обязанности Фарадей исполнял настолько тщательно и умело, что вскоре стал незаменимым помощником Дэви.

• В 1824 году, несмотря на противодействие Дэви, претендовавшего на открытия своего ассистента, Фарадей был избран членом Королевского общества, а в 1825 году стал директором лаборатории в Королевском институте. Успехи ученика вызвали ревность Дэви и обвинения Фарадея в плагиате, в результате чего тот был вынужден прекратить все исследования электромагнетизма до смерти своего наставника.

• Медалью Г. Дэви Лондонское королевское общество наградило в 1882 году Д. И. Менделеева и Л. Мейера «За открытие периодических соотношений атомных весов».