Александр Помогайбо - Тайны великих открытий
Мы привыкли, что анализ и синтез — это философские понятия. Однако у немцев они были настоящим оружием.
Хотя оружием они были и у кое-кого в России.
В 1884 году французскому инженеру Полю Вьелю удалось найти способ получения бездымного пороха. Это не демаскировало позицию стрелка и устраняло нагар на стволах, следовательно — уменьшало износ. Естественно, Франция своим секретом ни с кем не делилась. Однако русскому химику Д.И. Менделееву удалось этот секрет разгадать, а при помощи хорошо проведенного анализа даже создать лучший порох. Существует легенда, что Менделеев якобы раскрыл секрет пороха, изучив статистические сведения о грузах, перевозимых к одному из французских пороховых заводов. Однако на самом деле в подобных ухищрениях не было нужды, поскольку в связи с политическим сближением России и Франции знаменитый русский профессор был принят во Франции с большими почестями и ему даже был предоставлен небольшой образец пороха, весом всего в два грамма. Этого ничтожного количества Д.И. Менделееву оказалось достаточно, чтобы выяснить точный состав пороха Вьеля. Любопытно, что немцам, раздобывшим "косвенным путем" несколько килограммов пороха, успеха добиться не удалось.
Но на разгадке тайны пороха великий химик не остановился. Его удивляло, что по взрывчатым веществам не было сделано теоретических обобщений, которые позволили бы найти оптимальный состав пороха. Существовал целый ряд взрывчатых веществ, созданных Абелем, Дьюаром, Бертло, Собреро, Мунро и Шимозой, выпускались порох Максима, порох Вьеля, баллистит Нобеля, кордит Абеля и Дьюара; каждый изобретатель рекламировал свое творение, но никто из них не мог научно доказать, что его взрывчатое вещество действительно является самым лучшим.
И потому Менделеев решил сделать обобщение сам. Но для этого обобщения (то есть синтеза) требовалось предварительно провести детальный анализ.
Подробности его работы для нас очень важны, поскольку позволяют понять научный метод ученого.
Прежде всего Менделеев поставил своей целью создание идеального взрывчатого вещества. Этот этап можно назвать ЭТАПОМ ТОЧНОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЦЕЛИ. Научный анализ должен начинаться именно с этого.
Вторым этапом был АНАЛИЗ ИСХОДНЫХ МАТЕРИАЛОВ. Исходным материалом являлось взрывчатое вещество, способное при воздействии внешней причины быстро превращаться в газ. Взрывчатое вещество тем мощнее, чем больше отношение объема вещества к объему газов, образующихся при таком превращении. Чтобы оценить силу взрывчатых веществ, Менделеев предложил характеристику "V 1000", за которую принимался объем газов, образующихся при превращении тысячи весовых частей взрывчатого вещества (этап ЧИСЛЕННОЙ ОЦЕНКИ; тоже важное условие научного анализа).
Далее Менделеев определил граничные условия для взрывчатых веществ: при их превращении должны выделяться только газы, не разрушающие материала орудия (ЭТАП ОПРЕДЕЛЕНИЯ ГРАНИЧНЫХ УСЛОВИЙ). А это сводит количество элементов, пригодных для порохов, до четырех: водород, азот, кислород и углерод (ЭТАП ХИМИЧЕСКОГО АНАЛИЗА).
Далее снова последовал ЭТАП ОПРЕДЕЛЕНИЯ ГРАНИЧНЫХ УСЛОВИЙ. Менделеев определил верхний теоретический предел для химических взрывчатых веществ. Самым сильным из них был бы полимер водорода — если бы он мог существовать. Для него "V 1000" было бы равно рекордно большой величине — 1000. Для азота же такой полимер был бы гораздо слабее — его "V 1000" составляет всего 71,4.
Далее Менделеев приступил к изучению различных смесей из выбранных четырех элементов — ХИМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ. Самым простым из соединений является соединение азота с водородом; азотистоводородная кислота является сильной взрывчаткой, ее "V 1000" равно 93, а ее аммиачная соль еще сильнее: "V 1000" = 133,3. Однако они разлагаются не постепенно, а всей массой, детонируют, что приводит к появлению дыма. Свойством же гореть более-менее медленно обладают лишь смеси, содержащие одновременно "горящие" (водород, углерод) и "сжигающие" (кислород) элементы.
Далее русский химик обратился к ЧИСЛЕННОЙ ОЦЕНКЕ. Он определил, что в каких бы сочетаниях ни комбинировались эти элементы, "V 1000" их соединений должен лежать в диапазоне от 71,4 до 111,1. Последовательно рассматривая затем каждое из соединений, Менделеев рассчитал характеристики каждого из них, выделив из них целое семейство материалов, которые впоследствии и в самом деле оказались хорошими взрывчатками.
Произведя это весьма подробное исследование, Менделеев стал изучать порох Вьеля. Надо заметить, Вьель лишь усовершенствовал материал, полученный в 1846 году германским химиком К. Шенбейном, который обработал обычную вату смесью серной и азотной кислот. При сильном ударе это вещество — его назвали пироксилином — производило взрыв, однако попытки изготовить из него порох окончились неудачей. Пироксилин оказался бризантным — дробящим — взрывчатым веществом; он сгорал с детонацией и дымом.
Многочисленные исследования выявили причину негодности пироксилина в качестве пороха. Выяснилось, что при нитрировании клетчатки — ваты или других растительных волокон — получается неоднородный продукт. В разных местах нитроклетчатка содержит разное количество азота — а только большое его содержание и дает собственно пироксилин.
Французский инженер Вьель поместил бризантный пироксилин в спиртоэфирную смесь. В ней нитроклетчатка с малым содержанием азота превращалась в коллодий (являющийся хорошим клеем) — на собственно пироксилин смесь не действовала. Высушив такую массу, можно было получить материал, в которой пироксилин был равномерно смешан с коллодием. Такое вещество горело по поверхности, без детонации, выделяя прозрачные газы.
Открытие Вьеля было сделано методом проб и ошибок. Что касается Шенбейна, то он открыл пироксилин совсем случайно, пролив на стол азотную кислоту и вытерев ее фартуком своей жены. Менделеев же подошел к вопросу с научной точки зрения. Свое исследование он начал с определения конечной цели: как вместо механической смеси коллодия и пироксилина получить химически однородную клетчатку? За этим последовал химический анализ процесса нитрирования. Когда состоящая из углерода, кислорода и водорода клетчатка присоединяет нитрогруппы азотной кислоты, образуя нитроклетчатку, выделяется вода. Постепенно разбавляя азотную кислоту, она приводит к неполному нитрированию клетчатки. Как нейтрализовать эту "вредную функцию" воды? Следует как-то поглотить эту воду еще в момент образования. Химический анализ привел к выводу — необходима серная кислота, которая поглощает воду и образует гидрат — химическое соединение серной кислоты и воды.
После этого уже наступил этап количественной оценки.
"Секрет мой. Суть дела при получении пироколлодия: количество разбавляющей воды должно быть равно количеству воды гидратной", — написал Д.И. Менделеев.
Так был создан "пироколлодийный порох" — совершенно однородный порох. Однако на этом Менделеев не прекратил исследования. До него считалось, что взрывная сила пороха растет со степенью нитрирования клетчатки. Ученый провел количественную оценку и определил, что существует некая оптимальная степень нитрации, при которой углерод, содержащийся в порохе, окисляется не в углекислый, а в угарный газ, дающий на единицу веса больший объем. В ходе исследования своего пороха Менделеев обнаружил, что тот имеет именно необходимую степень нитрации.
Однако и на этом анализ не был завершен. Ученый провел технологический анализ. Поскольку пироколлодий совершенно не растворялся в чистом спирте, Менделеев предложил отказаться от традиционной сушки рыхлой влажной массы пироколлодия с помощью теплого воздуха, что не раз приводило к страшным взрывам в сушильнях. По его методу влажную массу стали вымачивать в спирте, который жадно вбирал в себя воду.
Только после этого ученый мог считать, что вопрос с порохом решен. Д.И. Менделеев писал:
"…Один идет по темному лабиринту ощупью; может быть, на что-нибудь полезное наткнется, а может быть, лоб разобьет. Другой возьмет хоть маленький фонарик и светит себе в темноте. И по мере того, как он идет, его фонарь разгорается все ярче и ярче, превращается в электрическое солнце, которое ему все кругом освещает, все разъясняет".
"Фонарем" Менделеева был научный анализ, который позволял делать обобщения и создавать теории, а они, в свою очередь, позволяли давать практические рекомендации. Разгорался же фонарь благодаря все новым и новым принципам, которые ученый открывал по мере своих исследований в самых разных областях науки.
Часто синтез — создание теории — затрудняется появлением фактов, которые упорно не вписываются в теорию. Тщательное исследование этих фактов, как правило, рождает новое открытие, противоречащее старой теории и требующее новой. Это открытие не было бы сделано, если бы не проводилось анализа и синтеза и не существовало бы теории, которой данный факт бы противоречил.
