ФИЗИЧЕСКАЯ ХИМИЯ И АЛЮМИНОТЕРМИЯ БЕКЕТОВА

Химик, лектор, популяризатор, общественный деятель; профессор химии Харьковского университета и Высших женских курсов; ординарный академик Петербургской АН, член Парижского химического общества; основатель и глава научной физико-химической школы; председатель Русского физико-химического общества; инициатор и член ряда научных и просветительных обществ; заведующий химической лабораторией Петербургской АН, основатель нескольких термохимических лабораторий; лауреат Ломоносовской премии Петербургской АН; тайный советник, Николай Николаевич Бекетов (1827–1911) является одним из основоположников физической химии и химической динамики, создателем алюминотермии.

На Западе основоположником физической химии в ее современном виде считается немецкий ученый В. Оствальд, возглавивший первую кафедру физической химии Лейпцигского университета в 1888 г., а родоначальником алюминотермии – немецкий химик Г. Гольдшмидт, получивший свои первые результаты в 1894–1898 гг.

Правда, Н.Н. Бекетов занимался этим несколько ранее. В 1865 г. русский ученый защитил докторскую диссертацию «Исследования над явлениями вытеснения одних элементов другими», представляющую собой обширное физико-химическое экспериментальное исследование, и тогда же начал читать первый курс лекций по современной физической химии в Харьковском университете. (До этого в течение 5 лет Бекетов вел «Специальный курс органической химии и отношение физических и химических явлений между собой».) Кстати, тогда В. Оствальду было всего 12 лет.

Алюминотермию Бекетов открыл и вовсе в 1859 г., за два года до рождения Г. Гольдшмидта, а когда Гансу исполнилось 4 годика, русский химик уже разработал методы «химического» производства алюминия. Фабрики Германии и Франции, внедрившие этот метод, к 1890-м гг. давали четверть мирового производства алюминия. Гольдшмидт же осваивал т. н. внепечной процесс – одно из направлений алюминотермии.

Н.Н. Бекетов

Старая история Старого Света! Научные приоритеты на Западе дело тонкое. Займемся делом.

Первым физической химией как наукой занялся М.В. Ломоносов. Он даже читал курс «Введение в истинную физическую химию» в 1752–1754 гг. Затем сто лет наука развивалась своим естественным путем, пока Бекетов вновь не втиснул ее в русло университетской программы. Эта научная и учебная новация была как нельзя более кстати. Во-первых, потому, что и сам Бекетов на примере своих теоретических выкладок и процесса алюминотермии прекрасно продемонстрировал принципы физической химии как самостоятельной науки, имеющей практическое применение. И во-вторых, открытый Д.И. Менделеевым в 1869 г. периодический закон химических элементов и ряд работ европейских ученых обрели в этой науке свое надежное основание.

Историки науки, отмечавшие неординарность общего бекетовского подхода к химии, любят говорить об ученом как о химике-философе. В то время как европейские химики занимались исключительно открыванием новых тел и новых соединений, Бекетов, не соблазняясь жаждой открытия новых фактов, «медленно шел по трудному пути теоретической химии и стремился к решению вопроса о том, где источник, где причина того, что в химии определяется термином “химическое сродство”».

На этот путь химик ступил во время 15-месячной командировки в научные учреждения Европы. Начал Бекетов с того, что в парижской Сорбонне у академика Ж.Б. Дюма стал изучать зависимость направления химических реакций от состояния реагентов и внешних условий. В 1858 г. ученый приступил к исследованию действия водорода на водные растворы солей серебра, цинка на хлориды бария и кремния, магния на фторид алюминия. В этих весьма опасных опытах, проводимых в запаянных стеклянных трубках, когда давление доходило до 100 атм, химик обнаружил, что водород, магний и цинк вытесняют металлы из их солей, то есть восстанавливают их.

Посвятив несколько лет исследованиям этих реакций восстановления металлов, химик убедился, что наибольшей устойчивостью (прочностью) обладают соединения противоположных по характеру элементов с наиболее близкими атомными весами (паями). Помимо этого Бекетов указал также на то, что количество тепла, выделяемое при соединении простых тел, представляет собою «разность между сродствами однородных и сродствами разнородных атомов» и что при реакции «менее плотное тело вытесняет более плотное». Определяя теплоты образования оксидов и хлоридов щелочных металлов, Бекетов впервые в мире получил безводные оксиды щелочных металлов.

Изучая вытеснение одних элементов другими и впервые наблюдая протекание реакции в двух направлениях, Бекетов установил, что на направление химической реакции влияет концентрация реагентов и давление, дал формулировку состояния равновесия. Предположив также, что химические явления связаны с относительными массами и расстояниями между центрами действующих частиц, ученый вплотную подошел к одному из главных химических законов – закону действующих масс, устанавливающему соотношение между массами реагирующих веществ в химических реакциях при равновесии, а также зависимость скорости химической реакции от концентрации исходных веществ. Этот закон в его классическом виде был сформулирован в 1867 г. норвежскими учеными К. Гульдбергом и П. Вааге.

Установив «вытеснительный ряд металлов», повторенный позднее электрохимическим рядом активности (напряжений), Бекетов в качестве наиболее сильных восстанавливающих агентов в этом ряду увидел глиний (алюминий) и магний. С их помощью ученый получил металлический барий, рубидий, цезий, хром, ванадий, марганец, вольфрам, освоил промышленное производство алюминия.

Описание опыта можно найти у самого Бекетова: «Я взял безводную окись бария и, прибавив к ней некоторое количество хлористого бария, как плавня, положил эту смесь вместе с кусками глиния в угленой тигель и накаливал его несколько часов. По охлаждении тигля я нашел в нем металлический сплав уже совсем другого вида и физических свойств, нежели глиний. Этот сплав имеет крупнокристаллическое строение, очень хрупок, свежий излом имеет слабый желтоватый отблеск; анализ показал, что он состоит на 100 частей из 33,3 бария и 66,7 глиния, или, иначе, на одну часть бария содержал две части глиния».

Типичная реакция с выделением огромного количества тепла Q (температура достигает 2000–3000 °C) имеет вид:

2Al + Cr2О3 = Al2О3 + 2Cr + Q.

Созданные Бекетовым основы методов алюминотермии и магниетермии позволили по аналогии создать позднее калиетермию и кальциетермию. Обобщает все эти методы металлотермия, с помощью которой удается получать титан, ниобий, цирконий, бор, уран, стронций, гафний, редкоземельные элементы, огнеупорный термиткорунд, магниды и другие металлы и сплавы.

Алюминотермия незаменима при сварке стальных трамвайных рельсов, проводов, труб, металлических конструкций. В место стыка засыпается термит (смесь порошка алюминия с железной окалиной), поджигается и буквально за минуту рельсы свариваются.

Говорят, химия – скучная вещь. Отнюдь. Однажды в кабинет Бекетова вбежал взволнованный слуга:

– Николай Николаевич! В вашей библиотеке воры!

Ученый с трудом оторвался от расчетов:

– И что же они, интересно, читают?..