Жизнь замечательных устройств

Вода везде — она греет реакционные смеси в водяных банях и охлаждает пары веществ, струясь в рубашке холодильников, она создает разрежение, шумя в водоструйном насосе, разрушает чувствительные к её действию химические связи и позволяет определять состав различных смесей с помощью титриметического анализа. Даже космохимики, объекты исследования которых расположены не там, где они могут их потрогать, а в далекой-далекой галактике, могут увидеть сигналы воды в спектре газопылевых туманностей. Может показаться, что столь общее для всех вещество будет самым простым (в смысле свойств) и самым хорошо изученным, но вода имеет много гитик — скорее всего это не самое простое вещество, а наоборот — самое сложное, свойства которого пытаются опровергнуть почти любое химическое правило.

Существует 15 форм твердой воды, до сих пор не ясно, каким количеством жидких фаз может похвастаться это «незамысловатое» вещество. Атомы водорода и кислорода в воде находятся в опасной близости друг к другу, однако эта близость не дестабилизирует воду, а её молекула очень устойчива. Вода везде, она попадает даже в те материалы, которые её боятся — гидрофобные. Для кондитера или повара, который готовит желе или суфле с водой, жирами и маслами, это даже хорошо, но, несмотря на все сходства кулинарии и химии и их очевидное различие — в химии сваренные продукты не принято дегустировать, — добавляется ещё одна трудность: если продукт реакции представляет собой эмульсию, в которой содержится вода, выделить продукт будет очень сложно. Чтобы избавить его от влажных объятий дигидрогенмоноксида, придётся потрудиться не на страх, а на совесть. Именно в битвах за чистый безводный продукт и появилось замечательное устройство, которое можно найти в каждой лаборатории.

Эрнст Вудворд Дин родился в 1888 году в Таунтоне, штат Массачусетс, изучал химию в Университете Кларка в Ворчестере. Закончив обучение с отличием в 1910 году, Дин занялся исследованиями кинетики гидролиза сложных эфиров карбоновых кислот в Йельском университете. Получив степень доктора философии в 1912 году, он начал преподавать химию в колледже. В колледже он начал встречаться с одной из студенток, Глэдис Мойер, на которой в 1915 году, как честный человек, женился. Непонятно — то ли по причине подмоченной репутации преподавателя, то ли опасаясь, что на жалованье преподавателя колледжа не сможет содержать семью и удовлетворить запросы молодой жены (возможно, тут было и то, и другое), Дин бросил преподавание и в 1915 году начал работать в Исследовательском департаменте отдела Горнорудного управления США в Питтсбурге. На новом месте работы Дин изучал способы перегонки нефти и изучения её состава. И именно там он встретился с эмульсиями, которые вызывают головную боль и у современных нефтяников.

Пытаясь определить содержание воды в сырой нефти, Дин начал сотрудничать с коллегой Дэвидом Дьюи Старком. После нескольких неудачных попыток разрушения эмульсии и также оказавшихся малоэффективными попыток разделить нефтяную и водную фазы, экстрагируя их различными растворителями, Дин и Старк остановились на процессе перегонки. К тому времени уже существовали методы определения влаги в специях, древесине и масле, основанные на процессе отгонки воды. Но полученные с помощью таких подходов результаты отличались крайне низкой точностью. Дин и Старк решили изменить подход и для повышения точности увеличили время отгонки воды с органическим растворителем, дающим азеотропную смесь (кипящую ниже температуры кипения каждого из компонентов смеси). В качестве растворителей было решено использовать бензол, толуол или ксилол, которые образуют с водой азеотропные смеси, которые при комнатной температуре быстро расслаиваются — водный слой остаётся внизу, а органический — сверху. С помощь стеклодува они разработали и соорудили устройство, в котором были объединены обратный холодильник, охлаждавший пары кипящей смеси, и небольшая градуированная пробирка. Конструкция была изогнута таким образом, что конденсат из холодильника попадал не в нагревавшуюся перегонную колбу, а в градуированную пробирку. И только когда она наполнялась до краёв колбы, верхний органический слой переливался в колбу, а вода оставалась на дне пробирки. Второй модификацией, которой обзавелась ловушка Дина-Старка, был кран на выходе у дна измерительной пробирки, позволявший периодически сливать нижний слой воды при большой обводнённости изучаемого образца.