225 лет назад английский химик Смитсон Теннант дотла сжег алмаз и получил один углекислый газ

Опыт Теннанта стал первым экспериментальным подтверждением того, что алмаз — это углерод практически в чистом виде. Остальное было делом техники: как только появились соответствующие технологии, химики начали делать из углерода искусственные алмазы, полностью идентичные природным.
Кроме того, Теннант открыл два новых металла платиновой группы — осмий и иридий. Из последнего тоже, как только появилась технология бесшовной отливки иридия, компания American Elements наладила выпуск «вечных» иридиевых обручальных колец, поступивших в продажу в 2016 году под торговой маркой Smithson Tennant.

Алмазная сгущенка

Вопрос о природе горючести веществ был одним из главных в химии XVIII века, так как на него замыкались и энергетика, и металлургия. Самым простым объяснением того, чем принципиально отличаются горючие вещества от негорючих, могла быть некая огненная субстанция, которая пронизывает все горючие вещества и высвобождается при горении вместе большим количеством тепловой энергии. Назвали эту субстанцию, как теперь знает каждый школьник, флогистоном.

Теория флогистона была простая, стройная и многое объясняла. Например, почему в опытах Ньютона рефракция (преломление света) сравнительно мало меняется у неорганических (негорючих) веществ в зависимости от их плотности и резко повышается при переходе к «маслянистым» органическим веществам, причем коэффициент преломления у последних весьма сильно коррелирует с их плотностью. С позиции науки того времени преломлял лучи света флогистон.

Загвоздка была только в алмазе: судя по рефракции, он должен был гореть ярче и жарче, чем камфора, скипидарное масло, оливковое масло, не говоря уже о янтаре. Ньютон был не тем ученым, который теряется, когда результаты эксперимента противоречат его теории. Раз у алмаза большая рефракция, то он «вероятно, также есть маслянистое сгустившееся вещество», написал Ньютон в своей «Оптике». И ведь оказался прав на все сто! Поджечь алмаз было трудно, требовались высокие температуры, но алмаз тоже горел и сгорал дотла.

Сейчас трудно сказать, сколько карат алмазов и бриллиантов превратили в дым химики в течение XVIII века, но точно много.

Отказа от состоятельных владельцев расходных материалов для таких опытов, как правило, не было. Слишком заманчивой выглядела перспектива таких исследований: обратный процесс — сгущение бриллиантового флогистона и его кристаллизация — сулил баснословные прибыли.

Теория флогистона, как известно, не оправдалась: слишком много накопилось данных в пользу прямо противоположной теории окисления горючих веществ кислородом воздуха с образованием углекислого газа. Но даже самые светлые умы среди химиков еще долго продолжали сопротивляться очевидным фактам, и понять их можно. Только представьте, что сулило производство чистого флогистона — идеального горючего без цвета, запаха и даже с отрицательной массой, сгорающего вообще без следа, словно его и не было. Стоило только выделить флогистон в чистом виде, и не дымили бы трубы предприятий, никаких труб не было бы вообще. Ведь ядовитый дым, копоть и зола были в рамках этой теории остатками природной тары флогистона. Но ничего этого наука не позволила не только реализовать, но даже помечтать об этом. Окончательный смертный приговор флогистону подписали опыты Лавуазье в 1770–1780-х годах. За одно это его следовало бы отправить на гильотину.

Эксперимент Теннанта

Теннант всего лишь повторил один из опытов Лавуазье по сжиганию алмаза в такой же, как у Лавуазье, «зажигательной машине». Это был герметичный сосуд (у Лавуазье — довольно большой, из стекла и стали, у Теннанта — поменьше, но из золота), где образец поджигается с помощью линзы или системы линз, которые фокусируют солнечный свет на образце. Продукты горения отводятся через трубку, погруженную в раствор известковой воды (гидроксида кальция), и выпадают в осадок в виде мела (карбоната кальция).

Было бы проще напрямую померить объем выделяющегося при горении углекислого газа, но в те годы химики еще точно не знали, что является конечным продуктом горения. Это как раз и предстояло им выяснить. Белый осадок (мел) «растворялся с шипением в кислотах», то есть выделял углекислый газ, в чем Лавуазье, как писал Теннант, «почти не сомневался и мог бы, как мы сейчас это знаем, заключить, что алмаз содержит древесный уголь (практически чистый углерод.— “Ъ-Наука”); но отношение между этим веществом и фиксированным воздухом (углекислым газом.— “Ъ-Наука”) было тогда слишком несовершенно понято, чтобы оправдать это заключение. Хотя он (Лавуазье.— “Ъ-Наука”) и заметил сходство древесного угля с алмазом, но все же полагал, что из их аналогии нельзя вывести ничего более разумного, чем то, что каждое из этих веществ относится к классу воспламеняющихся тел».

Оригинал статьи Теннанта «О природе алмаза» (On the Nature of the Diamond. By Smithson Tennant, Esq. F. R. S., 1796) можно прочитать в интернете. Она того стоит хотя бы потому, что являет собой образцовую научную публикацию: краткую, но не оставляющую нерешенных вопросов. Для понимания ее научной сути достаточно знаний по химии ученика девятого класса. Правда, сейчас чтение затрудняет то, что тогда еще не писали формулы веществ и уравнения реакций, а описывали их словами, используя при этом тривиальные названия химикатов, причем старинные. Например, «морская кислота» (marine acid) вместо соляной кислоты, «фиксированный, или неподвижный (fixed air), воздух» вместо углекислого газа, а charcoal (древесный уголь) в зависимости от контекста означает у Теннанта либо буквально этот самый уголь, либо химический элемент углерод.

Если же коротко, то в своей статье Теннант доказывает, что:

1. при сжигании алмаза выделяется тот же углекислый газ, что при сжигании древесного угля;
2. его образуется ровно столько же, сколько выделяется при сжигании древесного угля равной массы.

Вывод Теннанта звучит так: «Едва ли можно было усомниться в том, что он (алмаз.— “Ъ-Наука”) состоит из одних и тех же ингредиентов… что древесный уголь. Таким образом, химики могли больше не тратить время на выяснение химического состава алмаза (это был углерод, и ничего больше), а сосредоточиться на “сгущении” углерода до такой степени, чтобы коэффициент его рефракции не отличался от измеренного Ньютоном.

Удалось это сделать только спустя полтора века, когда при очень больших температурах и давлениях ученые наконец получили очень маленькие искусственные алмазы, которые не отличались от природных ни химически, ни физически, ни оптически. Потом научились делать алмазы покрупнее при более умеренных температурах и давлениях, а сейчас существует несколько разных методик «сгущения» искусственных алмазов. Правда, полученные при них искусственные алмазы ювелирного размера и качества пока выходят дороже природных.

Алмазный блеск экономкласса

Намного дешевле изделие ученых из Физического института АН СССР (ФИАН), которое они научились делать в 1970 году, «сгущая» двуокись циркония. Рефракция у него мало отличается от таковой у алмаза, на глаз их невозможно различить. У нас такой «алмаз» называют по аббревиатуре института фианитом, за границей — цирконитом. А потом на прилавках ювелирных магазинов появился искусственный муассанит из карбида кремния.

Природный муассанит почти такой же твердый, как алмаз, и после огранки по игре отраженного света бесцветные муассаниты не отличаются от бриллиантов. Отличить их неспециалист не способен, да и не каждый ювелир это скажет сразу. Беда только в том, что муассанит чрезвычайно редок, а самые крупные его природные кристаллы — миллиметровые.

Химики его тоже синтезировали, причем еще в 1906 году, через два года после первой находки кристаллов муассанита геологами. Но достаточно крупные для ювелирных изделий и прозрачные искусственные муассаниты они научились «сгущать» из карбида кремния сравнительно недавно. Словом, ученые позаботились, чтобы народ не остался без алмазного блеска даже в тех случаях, когда нет денег на бриллианты.

Двойное открытие

Второе имевшее отдаленные последствия в ювелирном бизнесе открытие Теннанта касалось двух самых твердых и очень редких металлов, содержание которых в земной коре в 10 раз меньше, чем платины, и в 40 раз меньше, чем золота. Открыл их Теннант оба сразу, как говорится, за один присест, растворяя в царской водке (смеси концентрированных азотной и соляной кислот) платину, точнее, платиновую руду из Колумбии.

Платина растворилась, остался только черный осадок примеси в руде. Теннант сплавил этот нерастворимый остаток с щелочью и полученное вещество попробовал для начала растворить в воде. Вода пожелтела, а в осадок выпало еще одно черное твердое вещество. Желтый раствор был раствором тетроксида осмия. Оставалось его выпарить и получить соль какого-то пока неизвестного металла, потом прокалить и получить этот металл в чистом виде. Теннант назвал его осмием (в переводе с древнегреческого — «пахучий»; его соль сильно пахла, точнее, даже воняла как тухлая редька).

Потом черный осадок после удаления из него осмия Теннант попробовал растворить в соляной кислоте, а то, что после этого осталось, он сплавил с едким натром и снова попытался растворить в кислоте. На этот раз раствор покраснел, и в нем выпали мелкие кристаллы красного цвета. Это была соль еще какого-то металла. Теннант ее прокалил и получил белый металлический порошок. Новый металл он назвал иридием (по-древнегречески — «радужный»), вероятно, за разные цвета его солей.

Вторая жизнь в рекламе

Оба металла оказались чрезвычайно устойчивыми к коррозии, даже превосходили по этому показателю золото и платину. А с учетом их твердости казались весьма перспективными для использования в практических целях. Но в XIX веке единственное общеполезное, что могли из них сделать, был маленький нестираемый шарик из иридия на кончике золотого или платинового пера перьевой ручки, которую макали в чернила. Такая ручка стоила золотую гинею, то есть примерно полтора фунта стерлингов по курсу 1830-х годов, когда такие ручки появились в продаже.

В ХХ веке таким шариком из сплавов иридия снабжали перья дорогих авторучек, в том числе знаменитый Parker 51, которым в период с 1930-х по 1980-е годы было подписано, наверное, большинство международных договоров и которым, как известно, пользовался Джеймс Бонд. Правда, у «паркера» шарик на конце пера состоял из сплава иридия с рутением, в котором иридия было всего 3,8%. Так что для снобов, если бы они знали историю химии, по престижности, или «крутизне», как сейчас говорят, самый навороченный современный «паркер» против перьевой ручки позапрошлого века за гинею все равно что японские серийные часы Seiko против хронографа Patek Philippe.

В 1933 году из сплава иридия с рутением сделали термопару для измерения высоких температур вплоть до 2000 градусов по Цельсию. В 1957 году Рудольф Мессбауэр открыл резонансное поглощение гамма-излучения ядрами иридия (эффект Мессбауэра, одно из «эпохальных открытий в физике ХХ века», как его называют). Сейчас область практического использования иридия и осмия намного шире, но все их применения связаны с повышенной температурой плавления, твердостью и коррозийной устойчивостью. Например, в 2006 году компания American Elements разработала технологию отливки бесшовных иридиевых колец для их использования в космических аппаратах и спутниках.

В 2016 году American Elements учредила дочернюю компанию Smithson Tennant, которая по той же технологии начала производить ювелирные украшения из иридия, в первую очередь иридиевые обручальные кольца Smithson Tennant. Продвигая их на рынок, компания делает упор на то, что они вечные в буквальном смысле этого слова: их можно опустить в концентрированную кислоту, и ничего с ними не станет. Довольно странная реклама… Не хочется думать, что будет с безымянным пальцем невесты или жениха, если они его сунут в кислоту, но с кольцом действительно ничего не будет, оно даже не потускнеет. Что же касается торговой марки этих колец, то едва ли член Лондонского королевского общества Теннант мог ожидать, что спустя два века после своей кончины он станет рекламным лицом новомодных иридиевых украшений премиум-класса.

Научный аутизм

Смитсон Теннант относился к некогда довольно распространенному, а ныне практически вымершему классу «независимых ученых», то есть занимавшихся наукой на свои средства и потому не зависевших от требований и прихотей руководства официальных научных учреждений. Разумеется, в той или иной степени такие ученые были аффилированы с университетами, научными сообществами и прочими официальными учреждениями науки хотя бы для того, чтобы их исследования докладывались, рецензировались, публиковались и попадали в научный оборот.

Но и здесь Теннант несильно стремился влиться в научный мейнстрим. Он довольно рано, в 23 года, еще до того, как получил университетский диплом, был избран членом Лондонского королевского общества, а в 1804 году за открытие осмия и иридия был удостоен высшей награды общества — медали Копли. Но число его научных публикаций, в том числе в «Философических трудах Королевского общества», можно посчитать в буквальном смысле на пальцах — всего семь штук.

Лишь за год до своей смерти он согласился принять должность профессора в Кембридже и читать лекции студентам. До этого он жил здесь наездами в качестве члена ученого совета на общественных началах, занимаясь исследованиями по собственной программе. А если и читал лекции, то в своей университетской квартире избранному кругу симпатичных ему коллег-ученых. Большую часть времени он проводил в своем поместье, где вел химические и агрохимические опыты, или в Лондоне, где был завсегдатаем «Голландского дома» — модного в те времена светского салона барона Холланда. Там он был в большом авторитете и даже заслужил шуточное прозвище Папа (в смысле — римский). Также он много путешествовал с целью научного туризма, с визитами для обмена опытом в лаборатории ведущих химиков Европы.

Понятно, что такой карьерный аутизм в науке, которому сейчас позавидует любой ученый, в наше время невозможен. Наука стала иной, отторгающей всех, кто занимается ею без звериной серьезности, а исключительно в свое удовольствие. Не в последнюю очередь по этой причине Теннанта как ученого сейчас мало кто помнит даже на его малой родине, в Северном Йоркшире. Рядом с дверью его родительского дома в городе Селби только в 2005 году повесили мемориальную табличку. Читают ее главным образом любители пива, потому что теперь эта дверь ведет в довольно популярную среди местных жителей и туристов пивную под названием «Елизаветинский паб».

Семейное имение Теннанта, где он вел свои научные исследования, можно увидеть только в старом фильме «Казино “Рояль”» 1967 года из старой, уже позабытой бондианы с Дэвидом Нивеном в роли агента 007. Там же можно увидеть в эпизодической роли нового владельца этого имения, седьмого лорда Болтона, бонвивана и плейбоя, не в пример более известного в современной Англии, нежели Смитсон Теннант.

Надежда на то, что теперь имя Теннанта прославится благодаря иридиевым обручальным кольцам, слабая. Если мало кто сейчас возразит, что Diamonds Are Forever, то тускловатый платиновый блеск нерастворимых даже в царской водке обручальных колец едва ли составит серьезную конкуренцию золотому ширпотребу с его многовековой историей.

Ася Петухова