Опасный эксперимент Гемфри Дэви

Дэви стремился удалить воздух из легких перед вдыханием газа X, чтобы это вещество не образовало там кислоту.

Тем не менее вещество X прореагировало с водой — влагой из воздуха и на слизистых оболочках Дэви, что привело к образованию кислоты во рту и гортани.

X и Y — вещества с похожими формулами, оксиды одного и того же элемента. Тем не менее их химические свойства и биологические эффекты очень сильно различаются.

X — это NO, оксид азота (II) (рис. 2, слева). В те времена его получали при взаимодействии раствора азотной кислоты с железными опилками согласно уравнению реакции:

8HNO₃ + 3Fe → 2NO↑ + 3Fe(NO₃)₂ + 4H₂O.

Рис. 2. Слева — оксид азота (II), справа — оксид азота (I). Рисунки с сайта ru.wikipedia.org

NO — это кислотообразующий оксид, поэтому во рту Дэви он прореагировал с водой и образовал азотистую кислоту согласно уравнению:

2NO + H₂O + ½O₂ → 2HNO₂.

Y — это N₂O, оксид азота (I), известный также как закись азота или веселящий газ (рис. 2, справа). Его можно получать по-разному, но Гемфри Дэви использовал метод, который предложил французский химик Клод Луи Бертолле, — разложение нитрата аммония при нагревании до 340–440°C:

NH₄NO₃ → N₂O↑ + 2H₂O.

Соединение нашло применение в медицине при анестезии, чему мы обязаны именно Гемфри Дэви. Открытие «веселящего» и обезболивающего действия N₂O произошло незадолго до описанного выше эксперимента.

Итак, Дэви имел дело с оксидами азота — NO и N₂O. Оксид азота (II) — тот самый, которым тяжело отравился Дэви, — очень легко вступает в химические реакции, поскольку представляет собой свободный радикал. При нормальных условиях NO — это бесцветный газ, который ядовит и очень вреден для человека. В руководствах по безопасности указано, что соединение вызывает тяжелые химические ожоги, повреждает глаза и пищеварительный тракт, а при вдыхании может даже привести к смерти. Выходит, Гемфри Дэви действительно подвергал себя фатальному риску.

В то же время в низких концентрациях NO необходим всякому животному организму. Он действует как короткоживущая сигнальная молекула, так называемый вторичный мессенджер — передатчик различных сигналов в клетке. Как тут не вспомнить Парацельса с его «все есть яд и все есть лекарство»...

Совсем другое дело — казалось бы похожая на NO закись азота N₂O. Этот газ действительно веселит, а точнее вызывает эйфорию и неадекватный смех. Но гораздо важнее, что он работает как анестетик — «выключает» у человека болевые ощущения. Мир узнал об этом благодаря рискованным опытам Дэви. Газ стал одним из первых средств для наркоза при операциях — до того пациентам хирургов приходилось просто терпеть боль. Закись азота по-прежнему применяется в медицинской практике. Очевидно, что N₂O не так токсичен, как NO, но в больших дозах тоже может нанести вред.

Стоит сказать, что на N₂O и NO список оксидов азота не кончается. Есть также диоксид азота NO₂, легко сжижающийся газ бурого цвета. Он легко переходит в форму димера, который при нормальных условиях представляет собой жидкость с едким запахом. Пентаоксид диазота N₂O₅ — это бесцветное кристаллическое вещество, которые легко разлагается на NO₂ и кислород O₂. Существует и несколько других соединений азота с кислородом, однако они менее стабильны и встречаются реже.

Однако вернемся к Гемфри Дэви, который на рубеже XVIII и XIX веков был занят опасными как тогда говорили «пневматическими» исследованиями. Будущий великий химик имел самое простое происхождение. Дэви родился 17 декабря 1778 года в семье резчика по дереву из Пензанса, небольшого портового города в Корнуолле, Великобритания. Гемфри стал старшим ребенком в семье, где родилось пятеро. По воспоминаниям его брата Джона, который тоже стал химиком, жителям Пензанса была присуща «практически безбрежная готовность верить в сверхъестественное и чудовищ... Представители среднего и высшего классов мало интересовались книгами, наукой — и того меньше... Их занимали главным образом охота, стрельба, драки, петушиные бои, и все это обычно увенчивалось пьянством».

Дэви впервые взялся за смелые и даже опасные эксперименты (в том числе на самом себе) очень рано, всего 20 с небольшим лет от роду. К 1799 году он начал работать в Пневматическом институте, который основал в Бристоле вместе со своими единомышленниками старший коллега Дэви — Томас Беддо (или Беддоуз, Thomas Beddoes). Это частное учреждение должно было сочетать в себе стационар на 10 коек, поликлинику, а также научный лекторий.

Доктор Беддо был одновременно врачом и химиком, который стремился соединить две области знаний. А именно научиться лечить болезни (такие как туберкулез), давая пациентам дышать «искусственными газами» (artitious airs). То есть такими, которые получают в лаборатории за счет химических реакций.

Дэви привлек внимание доктора Беддо своими первыми научными трудами и умными речами. Пневматическому институту нужен был человек, который следил бы за работой лаборатории. Должность получил Дэви, который в октябре 1798 года для этого перебрался в Бристоль.

Работая в Пневматическом институте, Дэви помимо двух упомянутых оксидов азота перепробовал целый ряд других газов, включая опасные. Начал с водорода H₂, спустя минуту вдыхания которого Дэви прекратил эксперимент из-за чувства удушья (ведь кислорода O₂ в его легких стало слишком мало). Щеки химика покраснели, а сердцебиение участилось. Та же реакция возникла у него после 20 секунд ингаляции азота N₂. Далее в ход пошли менее «безобидные» вещества — начиная с синтез-газа, смеси из водорода и угарного газа (H₂ + CO). Дэви решился на этот опыт, хотя знал об опасности смеси, — на нее указали эксперименты с животными и изолированными живыми тканями, которые также использовали для «пневматических исследований». Спустя минуту вдыхания синтез-газа Дэви почувствовал головокружение и дезориентацию, а также сильную головную боль.

Химик довольно быстро оправился и, видимо, решил, что использовал слишком маленькую дозу газов в недостаточно чистом виде. В следующий раз он вдохнул намного больше, из-за чего получил очень серьезное отравление. Позднее Дэви запишет, что ему «ужасно сдавило грудь» и он почувствовал себя «погружающимся в небытие». Дэви также экспериментировал с углекислым газом CO₂. Он отметил его кислый вкус, связанный с образованием во рту нестабильной и слабой угольной кислоты H₂CO₃, и был вынужден остановить опыт из-за спазма гортани.

Такое пренебрежение опасностью и даже жестокость к себе Гемфри Дэви можно оценивать по-разному. Едва ли для описания биологических свойств газов была необходимость подвергать себя смертельному риску. Однако именно смелость Дэви способствовала растущей славе и признанию, которые сделали возможной его блистательную карьеру и новые крупные открытия. Кстати, химик активно популяризовал полученные знания с помощью увлекательных лекций и даже проводил сеансы вдыхания газов при широкой аудитории (рис. 3).

Рис. 3. «Жизнь становится легче». Граф Румфорд и Г. Дэви демонстрируют действие «веселящего газа» (карикатура начала XIX века). Рисунок с сайта ru.wikipedia.org

В марте 1801 года Дэви покинул Бристоль и перешел работать в Королевский институт Великобритании, только что созданный в Лондоне. Дэви как ученый двигался к зениту своих достижений: начал использовать созданный незадолго до того вольтов столб, генерирующий электрический ток. По сути он создал новую отрасль науки — электрохимию, и начал разлагать с помощью электролизаразличные вещества, чтобы узнать их химический состав. Как из рога изобилия посыпались новые химические элементы — калий, натрий, кальций, магний, барий, стронций и бор. Все они были впервые получены Дэви за счет выделения в чистом виде из солей и других соединений.

С помощью того же электролиза Дэви показал, что хлор — это простое вещество, то есть состоит из атомов всего одного элемента. Хлор впервые получили ранее, но ошибочно приписали ему более сложный состав.

Рис. 4. Лампа Дэви — безопасный источник света для работы в шахтах. По сути, это керосиновая или масляная лампа, но благодаря тому, что пламя окружено очень мелкой металлической решеткой, оно не распространяется за пределы лампы. Рисунок с сайта ru.wikipedia.org

Гемфри Дэви также имел самые передовые и оказавшиеся верными представления о природе тепла, о том, что есть кислота и так далее. Он не ограничивался химией, работая также в области физики, геологии и агрохимии. Дэви был еще и изобретателем — создал безопасную лампу Дэви, с которой можно работать в шахтах, где скапливаются горючие газы вроде метана (рис. 4), а также первую дуговую лампу, которая светилась за счет электрического разряда.

Химик не отказался от новых опасных экспериментов. В результате при взрыве из-за попадания калия в воду он потерял правый глаз. Зрение Дэви также пострадало при опытах с взрывоопасным трихлоридом азота.

Исследования Дэви получили самую высокую оценку уже при его жизни — он был многократно награжден почетным правом прочитать Бейкеровскую лекцию и другими знаками отличия. Имея самое простое происхождение и незавидное социальное положение ученика аптекаря в молодости, химик в 1812 году был произведен в рыцари, а в 1819 году получил титул баронета. Более того, сэр Гемфри Дэви был президентом Лондонского королевского общества с 1820 по 1827 год.

Отдельным важным открытием Дэви можно назвать Майкла Фарадея (он и сам так выражался), знаменитого физика и химика, основоположника учения об электромагнитном поле. Во многом Фарадей повторил судьбу Дэви, пройдя путь от переплетчика книг до ученого с мировым именем. Поначалу он помогал Дэви в лаборатории и даже был его слугой.

К сожалению, пренебрежение собой, жесткий ритм работы и эксперименты подорвали здоровье Гемфри Дэви — он пережил два инсульта (или, как тогда говорили, «апоплексических удара») и умер от последствий второго в 1829 году в возрасте 50 лет.