Газовые» законы Гей‑Люссака

Жозеф‑Луи Гей‑Люссак (1778–1850) появился на свет в городке Сен‑Леонар в графстве Лимузен. Его отец был медиком, дед – королевским прокурором. Юношеские годы Гей‑Люссака, совпавшие со временем Великой французской революции, прошли при крайне стесненных обстоятельствах. Отец его, внесенный в список «подозрительных» и заключенный в тюрьму, преждевременно скончался, а пансион, в котором воспитывался юный Жозеф‑Луи, дошел до полной нищеты. Под конец в пансионе остался один Гей‑Люссак, за которого семья платила небольшим количеством муки. Сопровождая свою воспитательницу в Париж для продажи молока, будущий великий ученый, на обратном пути лежа в телеге, изучал геометрию и алгебру, готовясь к поступлению в Политехническую школу.

Жозеф‑Луи Гей‑Люссак

Выдающиеся способности, необыкновенная усидчивость и крепкий организм победили все препятствия, и Гей‑Люссак 26 декабря 1797 года блестяще выдержал вступительный экзамен. Учился Гей‑Люссак в Политехнической школе до конца 1800 года (он вышел из нее дипломированным инженером мостов и дорог). Напомним, что Политехническая школа была создана при самом активном содействии Наполеона, который очень высоко ценил ее и мало в чем ей отказывал. И именно при императоре, считавшем себя «научным руководителем человечества», в начале XIX века на сцену вышло новое поколение ученых, включавшее такие имена, как Ампер, Гей‑Люссак, Араго, Коши, Френель, Малюс. И это лишь наиболее известные. Кстати, почти все они были выпускниками Политехнической школы.

Химию в этом престижном учебном заведении преподавал знаменитый химик Клод‑Луи Бертолле. Между Гей‑Люссаком и Бертолле возникла дружба, оказавшая большое влияние на становление молодого ученого.

...

Бертолле взял Гей‑Люссака к себе помощником для проведения лабораторных работ. Неожиданно результаты экспериментов получились в корне противоположными тем, которые ожидал Бертолле. Может быть, 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 я еще буду гордиться этим званием».

Впоследствии Бертолле завещал Гей‑Люссаку свою шпагу. Это означало, что он выбрал себе достойного преемника.

С того времени жизнь Гей‑Люссака представляла собой непрерывное движение по пути к высшей славе ученого и к высшему общественному положению.

1802 год стал счастливым для молодого ученого. Сначала он выступил на заседании Академии наук со своим первым научным сообщением: «Об осаждении оксидов металлов». Потом, независимо от английского естествоиспытателя Джона Дальтона (1766–1844), открыл закон теплового расширения газов.

Джон Дальтон

Этот закон теперь называется первым законом Гей‑Люссака и формулируется так: при постоянном давлении объем постоянной массы газа пропорционален абсолютной температуре (или изменение объема данной массы газа при постоянном давлении прямо пропорционально изменению температуры). В отличие от Дальтона, сделавшего аналогичное открытие в 1801 году, Гей‑Люссак первым продемонстрировал, что этот закон применим ко всем газам, а также к парам летучих жидкостей при температуре выше точки кипения.

24 августа 1804 года Гей‑Люссак вместе с известным ученым Жаном‑Батистом Био поднялся на воздушном шаре, чтобы определить температуру и содержание влаги в верхних слоях атмосферы. Подняться удалось на головокружительную высоту в 4 000 метров. Потом ученый решил повторить эксперимент, и парижане на все лады стали обсуждать этот план. Одни выражали недоумение, сможет ли ученый вернуться на землю, если его шар поднимется до Луны; другие были уверены, что шар в клочья раздерут орлы; третьи считали, что он «возгорится от звезд». Утром 16 сентября на площади, откуда должен был взлететь воздушный шар, собралась громадная толпа. В девять часов веревки перерезали, и шар взмыл в небо. Раздались восторженные крики, Гей‑Люссак помахал толпе своей треуголкой, и минут через двадцать «летающая лаборатория» скрылась в облаках.

После этого Гей‑Люссака понесло юго‑западным ветром к Нормандии. Обнаружив, что шар, как и во время первого полета, не поднимается выше 4000 метров, молодой ученый выбросил все свое снаряжение и поднялся на 5500 метров. Охваченный желанием побить и этот рекорд, он сбросил вниз еще и стул, на котором сидел, и шар взлетел до 7016 метров. По тем временам это был абсолютный рекорд, в который и сейчас весьма трудно поверить.

Полет Гей‑Люссака и Био на воздушном шаре на высоту 4000 метров

Обезумевший от радости Гей‑Люссак начал поспешно записывать свои наблюдения: как оказалось, на высоте семь километров интенсивность земного магнетизма заметно не изменяется, а еще он установил, что воздух там имеет тот же состав, что и у поверхности Земли.

Вообще, научная деятельность Гей‑Люссака поражает своей обширностью и разносторонностью. Как в физике, так и в химии он оставил после себя множество капитальнейших исследований. И что характерно, он умел находить простые соотношения и точные результаты там, где другим это не удавалось. А еще он показал, что очень хорошо умеет работать «в команде». Уже в 1805 году Гей‑Люссак и известный немецкий ученый и путешественник Александр фон Гумбольдт (1769–1859), изучая отношения объемов реагирующих газов, установили, что один объем кислорода, соединяясь с двумя объемами водорода, образует воду.

Александр фон Гумбольдт

В том же 1805 году Гей‑Люссак, получив годичный отпуск, в сопровождении все того же Александра фон Гумбольдта отправился в путешествие по Италии и Германии. Основной целью путешествия было исследование состава воздуха и геомагнитного поля на различных географических широтах. В этом путешествии они наблюдали извержение вулкана Везувий и последовавшее за этим сильное землетрясение. Помимо этого, Гей‑Люссак установил, что содержание кислорода в воздухе, растворенном в морской воде, составляет 30 % по сравнению с 21 % в атмосферном воздухе. В Милане Гей‑Люссак встретился со знаменитым Алессандро Вольта, известным создателем гальванической батареи, которая позволила получать электричество с помощью химических реакций. После этого он вернулся в Париж, чтобы занять место профессора Политехнической школы.

В 1808 году Гей‑Люссак опубликовал небольшую заметку «О взаимном соединении газообразных тел». Выводы, сделанные в этой работе, оказались настолько важными, что впоследствии получили название второго закона Гей‑Люссака (в русскоязычной литературе этот закон обычно называется законом простых объемных отношений). Он гласит: объемы газов, вступающих в химическую реакцию, находятся в простых отношениях друг к другу и к объемам газообразных продуктов реакции. Другими словами, отношение объемов, в которых газы участвуют в реакции, соответствует отношению небольших целых чисел (например, 1: 1 или 1:2).

Измеряя при одинаковых условиях объемы водорода, хлора и хлористого водорода, Гей‑Люссак нашел, что один объем водорода и один объем хлора, соединяясь, дают два объема хлористого водорода.

Сходная картина имеет место и при других реакциях с участием газов.

Этот закон, открытый Гей‑Люссаком чисто опытным путем, оказал сильное влияние на развитие теоретической химии. Очень важно отметить, что Гей‑Люссаку удалось показать, как на основании открытого им закона можно рассчитать еще не известные плотности газообразных веществ. В связи с этим он писал:

...

«Наблюдение, что разные виды горючих газов соединяются с кислородом в простых отношениях 1: 1 или 1: 2, дает нам в руки средство определять плотность паров горючих веществ или, по крайней мере, найти ее приближенно. Если мысленно попытаться перевести все применяемые вещества в газообразное состояние, определенный объем каждого из них будет соединяться либо с равным, либо с двойным, либо с половинным объемом кислорода. Теперь, если мы знаем отношения, в которых кислород может соединяться с горючими веществами, находящимися в твердом или жидком состоянии, мы можем вычислять объем кислорода и объем паров горючего вещества, который соединяется с таким же, либо с двойным, либо с половинным объемом газообразного кислорода».

* * *

В 1807 году швед Йенс‑Якоб Берцелиус (1779–1848) и англичанин Гемфри Дэви (1778–1829), используя Вольтов столб в качестве источника электричества, получили из расплавов поташа (карбоната калия – К2СO3) и соды (карбонат натрия – Na2CO3) металлы – калий и натрий. Эти металлы обладали удивительными свойствами: они были мягкими, как воск, плавали в воде, самовозгорались и горели ярким пламенем.

Наполеон тогда очень заинтересовался этим открытием и выделил Политехнической школе большую сумму денег на дальнейшие эксперименты. Проведя их, Гей‑Люссак и его друг профессор химии Луи‑Жак Тенар (1777–1857) обнаружили, что калий и натрий можно получать химическим путем в количествах, достаточных для химического анализа.

Гей‑Люссак и Тенар исследовали химические свойства полученных металлов, проверив их взаимодействие со всеми известными в то время веществами. В результате им удалось химически разложить борную кислоту (В2O3) и получить новый элемент, названный впоследствии бором.

В это же время они попытались разложить на простые элементы вещество, которое тогда называлось «окисленной соляной кислотой». Потерпев неудачу, ученые предположили, что это вещество само является простым элементом. Статья, опубликованная в феврале 1809 года, противоречила мнению большинства тогдашних ученых, однако выдающийся химик Гемфри Дэви согласи лея с этим предположением, а знаменитый физик Андре‑Мари Ампер предложил назвать новый элемент хлором.

Классическим образчиком химического исследования в области минеральной химии и поныне является исследование йода и его соединений, впервые произведенное Гей‑Люссаком. В середине 1811 года парижский химик Бернар Куртуа (1777–1838) обнаружил в золе морских водорослей новое вещество, быстро разъедавшее котлы, в которых готовился азотнокислый кальций (он широко использовался в качестве удобрения и делался из золы морских водорослей). По причине необычного фиолетового цвета его паров Гей‑Люссак предложил назвать его йодом (от греческого iodes – «фиалкоподобный»).

Получив в свое распоряжение небольшое количество йода, Гей‑Люссак подробно исследовал его химические свойства и установил, что йод является простым веществом и взаимодействует с водородом и кислородом, образуя две кислоты. Доклад об этом был помещен в трудах Французской академии в 1814 году. В этой же статье Гей‑Люссак особо отметил сходство химических свойств хлора и йода.

В 1815 году Гей‑Люссак предпринял исследование берлинской лазури (или прусской сини) – синего пигмента, широко применявшегося в живописи и текстильной промышленности. До Гей‑Люссака это вещество привлекало внимание многих исследователей, в том числе Клода‑Луи Бертолле, Луи‑Бернара Гитона де Морво и Жозефа‑Луи Пруста. Доклад о химических свойствах берлинской лазури был сделан Гей‑Люссаком в сентябре 1815 года. В нем же он остановился также на кислоте, которая была выделена из берлинской лазури и названа Гитоном де Морво синильной.

Синильная (или цианистая) кислота представляет собой бесцветную легкоподвижную жидкость с запахом горького миндаля. Гей‑Люссаку удалось выделить из нее газ, который был назван синеродом, или цианом. Он доказал, что циан является соединением азота и углерода, а синильная кислота – это соединение циана с водородом.

Работы Гей‑Люссака по исследованию берлинской лазури показали удивительную вещь: синильная кислота была сильнейшим ядом, а составляющие ее простые вещества оказались совершенно безвредными.

Начиная с 20‑х годов XIX века, Гей‑Люссак значительную часть своего времени посвящал работе по заказам промышленности и правительства. В 1822 году он ввел в употребление ареометр (прибор для измерения плотности жидкости), принцип действия которого остался неизменным до настоящего времени. Одно лишь создание таблиц градуировки ареометра для различных веществ потребовало от него шесть месяцев напряженного труда.

Ведя свои исследования, Гей‑Люссак изобрел и построил еще целый ряд очень полезных приборов: гидрометр (для быстрого определения температуры замерзания жидкостей), спиртометр, барометр, катетометр (для точного измерения вертикальных расстояний между двумя точками), термометры и насосы. Без этих приборов сейчас невозможно себе представить жизнь человека, а для Гей‑Люссака они были лишь вспомогательным оборудованием, необходимым для проведения опытов.

А еще Гей‑Люссак внес большой вклад в развитие химической промышленности, продолжив простой и безопасный способ производства серной кислоты. Благодаря введенной им колонне (башня Гей‑Люссака) производство серной кислоты сделалось гораздо экономичнее и заводы серной кислоты перестали отравлять воздух вредными газами.

Он также является изобретателем простого способа отделения золота от меди.

Работы Гей‑Люссака дали могучий толчок химии, и его открытия были по достоинству оценены в наполеоновской империи. В 1806 году он был избран в Институт Франции (так теперь называлась Парижская академия наук), в 1808 году – стал профессором физики в Сорбонне, а с 1809 года – еще и профессором химии в Политехнической школе. После падения Наполеона Гей‑Люссак продолжил свои научные изыскания, работал во многих правительственных комиссиях.

В 1818 году, например, он стал членом Совета по совершенствованию пороха, в 1820 году – членом Национальной академии медицины. При этом он стал и видным общественным деятелем: в 1831 году он был избран членом Палаты депутатов от города Лиможа, а с 7 марта 1839 года стал еще и пэром Франции.

Умер Жозеф‑Луи Гей‑Люссак 9 мая 1850 года, а через два дня его торжественно похоронили на парижском кладбище Пер‑Лашез. Сегодня его именем во Франции названо множество различных учебных заведений, улиц и площадей (в Париже, Нанте, Лиможе, Пуатье и т. д.), а открытые им законы упомянуты в любом учебнике физики и химии.