Жизнь замечательных устройств

Однако не стоит забывать, что когда-то не так давно исследователь, получив новое соединение, мог определить лишь его элементный состав и молекулярную массу, а вот о строении приходилось судить по результатам химических реакций, в которые это вещество вступало (именно благодаря такому подходу к определению строения вещества концепция А. М. Бутлерова получила название «Теория химического строения»). С момента изобретения Юстасом Либихом аппарата для сжигания образцов определение состава органических веществ для людей аккуратных было делом несложным. Молекулярную массу можно было определять по методу Мейера, но только в тех случаях, когда вещество могло кипеть, не разлагаясь при кипении. Как же можно было определять молекулярную массу неорганических солей, которые невозможно было испарить, или веществ, разлагавшихся до начала кипения?

Один из способов определения молекулярных масс основан на определении изменения температур плавления и кипения веществ по сравнению с плавлением и кипением чистых растворителей — следствие закона Рауля. Изучающий общую химию первокурсник или изучающий физическую химию студент старших курсов, по крайней мере, во время сессии помнит, что растворенное вещество понижает значение давления паров жидкости, а это, в свою очередь, понижает температуру плавления раствора и повышает температуру кипения раствора по сравнению с чистым растворителем, причем по значению этих изменений можно определить молекулярную массу вещества. Теоретически все звучит просто, однако, на практике изменения температур плавления и кипения столь малы, что в ряде случаев (особенно если раствор разбавленный) просто не позволяет отследить эти различия, пользуясь обычным термометром, и даже если это различие можно отследить, значение молекулярной массы, полученное с помощью термометра с ценой деления 0.5°, будет очень грубым и позволит разве что отличить мономер от олигомера.

Эрнст Отто Бекман (1853–1923) родился в известном своими стальными лезвиями немецком городе Золингене в семье производителя красок. Семейное дело требовало изучения химии, и Бекман с энтузиазмом принялся постигать науку о веществах и материалах. Его учителями были сначала химик-аналитик Карл Ремигий Фрезениус из Висбадена и органик Адольф Вильгельм Герман Кольбе из Лейпцига. Выучившись химии, Бекман не стал возвращаться к семейному предприятию, а занялся преподаванием и научной работой — первоначально в Брауншвейгском техническом университете, а затем, с 1883 года — в Лейпцигском университете. Работая в Лейпцигском университете с оксимами — производными кетонов, — Бекман обнаружил интересный процесс. В присутствии хлорида алюминия оксимы перегруппировывались в амиды: это был хороший способ получения лактамов, ставших впоследствии полезным сырьём для получения полиамидов — капрона и нейлона, из циклических кетонов. В настоящее время обнаруженная реакция носит его имя — перегруппировка Бекмана. Химические процессы, обнаруженные Бекманом, были достаточно сложными, и Бекман стал подозревать, что он выделяет то, что мы сейчас называем «полимерами» (термин «полимеры» был введен только в 1922 году Германом Штаудингером, но с веществами, обладающими большой молекулярной массой, химики сталкивались и до введения определения). Предположение нужно было проверить, а для этого нужно было разработать метод определения молекулярной массы. Бекман решил измерять массу своих веществ по изменению температуры плавления или кипения их растворов, но для того, чтобы обеспечить высокую точность измерения, разработал термометр собственной конструкции, отличавшийся исключительно высокой точностью.

Термометр Бекмана — это не просто исключительно длинный термометр с длинной шкалой, которую можно было разбить на отрезки с хорошо разрешенной ценой деления. Длина термометра Бекмана не превышает 40 см. Шкала термометра имеет длину 25–30 см, градуирована всего на 5 °C (иногда на 2 или 6 °C). Термометр имеет два резервуара ртути: нижний (основной) и верхний (запасной). Особенность устройства состоит в том, что можно изменять количество ртути в нижнем резервуаре в соответствии с областью измерений. Для измерений при высоких температурах можно переводить часть ртути из основного резервуара в запасной. Для измерений при низких температурах наоборот переводят ртуть в основной резервуар. Переводя некоторое количество ртути из верхнего резервуара в нижний или добавляя из нижнего в верхний, всегда можно настроить термометр так, чтобы столбик ртути находился в нужной части шкалы. Обычно столбик ртути между нижним и верхним резервуаром разорван, что временами заставляло думать неопытных химиков и материальных ответственных о том, что термометр сломан, и инициировать процедуру списания. Конструкция термометра позволяет измерять разность температур с точностью до 2×10^–3 градуса.