ПРО ЩО МОЖЕ РОЗПОВІСТИ ПОЛУМ`Я ГАЗОВОГО ПАЛЬНИКА
Світлана Білоус
У статті професора О.М. Горбаня, опублікованій на сторінці КПУ, розповідається про те, як вивчення друммондова світіння допомогло сформуватися новій галузі фізики й хімії, призвело до виникнення нових технологій.
Нам видається досить цікавим заглибитись у історію науки, щоб упевнитися в тому, що ліхтарі і газові пальники зробили досить значний внесок у її розвиток.
Отже, спочатку спробуємо вправитися за допомогою своєрідного діалогу самих із собою. Будемо ставити питання і самі шукатимемо на них відповіді. Зіграємо у відому гру під назвою
ПИТАЙМО – ВІДПОВІДАЙМО!
– Що таке горіння?
– Відповідь є в підручниках з фізики й хімії: горіння – це хімічна окислювально-відновна реакція з виділенням енергії у вигляді теплоти і світла. При цьому склад палива та насиченість окислювачем (киснем) середовища, в якому відбувається горіння, визначає інтенсивність виділення тепла і світла.
– Коли з’явилися перші газові світильники?
– Вважається, що першими почали застосовувати горіння газу вогнепоклонники зороастрійці на території сучасних Ірану та Азербайджану для ритуальних дій – вони й досі використовують природні факели в місцях виходу з-під землі природного газу. Існують також свідчення відомого мандрівника середньовіччя Марко Поло про китайців, які освітлювали і отоплювали приміщення природним газом.
– Коли з’явилися вуличні ліхтарі?
Де вперше?
– Штучне освітлення з’явилося на вулицях Лондона в 1417 році за наказом мера Генрі Бартона. Саме він розпорядився вивішувати ліхтарі зимовими темними вечорами. Десь через 100 років Людовик ХІV наказав подібним способом освітлювати і столицю Франції Париж – звідси, як кажуть, він і отримав почесний титул Короля-Сонця, а його володарювання назвали блискучим. Для горіння в ліхтарях використовувалися свічки, масло, гас.
– Коли з’явилися газові ліхтарі?
– Пройшло майже 300 років доти, коли на початку ХІХ століття був винайдений газовий вуличний ліхтар – винахідника їх, Вільяма Мердока, спочатку всі висміювали. Навіть Вальтер Скотт називав його «якимось божевільним, що хоче освітлювати Лондон димом». Проте невдовзі на зміну газовим ліхтарям прийшли електричні, винайдені Олександром Лодигиним, Петром Яблочковим та Томасом Едисоном. У 1910 році з 1082 міст Російської імперії газове світло використовувалося лише в 35 містах, а решта освітлювалися маслом, гасом, 74 – мали електричне освітлення.
– А як же внесок у науку?
– Ну, по-перше, був вагомий внесок у техніку й виробництво – для варки скла, загартування металів тощо. Та й для опалювання приміщень, як і зараз! А от про внесок у науку поговоримо детальніше.
ВИНАХІД РОБЕРТА БУНЗЕНА
Роберт Бунзен – випускник Гейдельберзького університету, а потім його професор, що очолював кафедру хімії протягом 37 років. Він прославився своїми дослідженнями в галузі органічної, фізичної, аналітичної і мінеральної хімії. До речі, саме він винайшов протиотруту миш’яку – водний оксид заліза.
Бунзен всюди вмів застосовувати нові, оригінальні методи; його професорська та педагогічна діяльність, яка нараховує понад половину століття, була дуже плідною: у знаменитого Бунзена в Гейдельберзі вчилася точних прийомів аналізу і мінеральної хімії значна більшість вчителів хімії: не тільки німці, але й англійці і росіяни. Серед тих, хто навчався і працював у Р. В. Бунзена, перебуваючи в кінці 1850-х і початку 1860-х років у Гейдельберзькій російській колонії, були Д. І. Менделєєв, К. А. Тімірязєв, Д. А. Лачінов, А. Г. Столетов, Ф. Ф. Бейльштейн та багато інших видатних природознавців того часу.
Але безсмертним ім’я видатного вченого зробив маленький газовий пальник – усім відомий пальник Бунзена. Його устрій представлено на рис.1, який ми запозичили у Вікіпедії. При роботі пальника струмінь газу із великою швидкістю виходить з сопла інжектора, створюючи розрідження в трубці. Завдяки цьому розрідженню при впорскуванні газу, навколишнє повітря засмоктується в пальник через отвори в трубці і після цього, при русі вгору вздовж трубки, повітря змішується з газом, утворюючи горючу суміш, яка підпалюється на виході з пальника.
На рис.2 зліва багата паливом суміш без попереднього змішування з киснем горить жовтим і коптить, бідна паливна суміш з додаванням кисню не створює кіптяви, при цьому колір полум’я визначається домішками, саме ж полум’я в цьому разі не зафарбовується певним кольором.
ТАЄМНИЦЯ ЧОРНИХ ЛІНІЙ
Йозеф Фраунгофер – одинадцятий син в родині скромного майстра-скляра, залишився в 12 років сиротою і пішов працювати в оптично-дзеркальну майстерню. Щасливий випадок допоміг Йозефу вижити під час обвалу будинку і навіть надав йому змогу отримати освіту – баварський король Максиміліан-Йосип фінансово підтримав хлопця.
За роки своєї наполегливої праці Фраунгофер не тільки удосконалив технології отримання скла, випустив значну кількість зорових труб і телескопів-рефракторів з ахроматичною оптикою, винайшов геліометр і окулярний мікрометр, а й залишив два наукових дослідження, які стали класикою експериментальної фізики. Він вперше описав явища в оптичній дифракційній ґратці і її застосування до визначення довжини світлових хвиль. У 1814 році Фраунгофер вперше згадує про постійні лінії сонячного спектра (згодом названі фраунгоферовими лініями), дає докладний малюнок сонячного спектру і вказує на використання цих ліній при визначенні показників заломлення оптичних середовищ. Незалежно від нього, такі самі лінії спостерігав і Вільям Волластон.
Йозеф Фраунгофер помер від сухот, не доживши й до 40 років. На його могилі написано латиною: «Approximavit sidera» – «Наблизив зорі».
Чорні фраунгоферові лінії чекали пояснення свого виникнення в сонячному спектрі. Але до чого тут ці лінії? Адже йшлося про газовий пальник. Та, як виявилося, саме пальник Бунзена допоміг розгадати таємницю ліній Фраунгофера!
ДРУЗІ РОБЛЯТЬ ВІДКРИТТЯ, АБО ПРО ЩО РОЗПОВІДАЄ КОЛІР ВОГНЮ
Густав Роберт Кірхгоф народився в Кенігсберзі, там жив і навчався. Закінчивши навчання у Кенігсберзькому університеті, де він вивчав математику і фізику, відразу почав наукові дослід- ження. Кірхгоф зробив значний внесок у теорію пружності, механіку, гідродинаміку тощо. Але найбільш відомі його роботи з електрики, де він обґрунтував і узагальнив закони постійного струму (закони Кірхгофа вивчає кожний школяр!), а також дослідження випромінювання світла, що, по суті, призвели до революції в хімічному аналізі і про які зараз піде мова.
А почалося все в 1854 році. Саме тоді, за запрошенням друга і колеги Бунзена, Кірхгоф перебрався до Гейдельберзького університету. Якщо порівняти життя Кірхгофа і життя Бунзена, то можна знайти багато схожого: обидва отримали ґрунтовну освіту, обидва звикли до спокійного і розміреного «професорського» життя: рано вранці – перевірка, аналіз досліджень та планування дослідів, потім до обіду – читання лекцій в університеті, після обіду – робота в лабораторії. Бунзен відразу відчув цю спорідненість. Потім він стверджував, що голов-ним відкриттям у його житті в був… Кірхгоф.
Але на перший погляд, друзі здавалися зовсім різними. Бунзен був кремезним, високим чоловіком, його циліндр на голові майже досягав другого поверху будинків, він нічого не хотів знати окрім своєї улюбленої хімії. Виманити його з холостяцької квартири на якусь вечірку було майже неможливим. Натомість Кірхгоф був маленьким, худеньким, рухливим і говірким, він був знавцем літератури і інших видів мистецтва. Та вони були нерозлучні і весь час проводили в спільних дослідженнях і обговоренні проблем хімії й фізики.
Саме в 1854 році і винайшов Бунзен свій знаменитий пальник. Після Фраунгофера багато хто з вчених намагався навчитися визначати хімічні речовини за допомогою їх спектрів. Та й до нього забарвлення вогню застосовувалося у феєрверках. Щоб розібратися в цьому, друзі самотужки спорудили спектроскоп за прикладом фраунгоферового.
Полум’я пальника Бунзена практично не давало спектру. При додаванні до вогню кристаликів повареної солі полум’я ставало жовтим (натрій є складовою молекул солі), а в спектроскоп спостерігалися дві яскраво жовті лінії. Всі інші сполуки, до яких входив натрій, давали такі самі лінії. І пішло далі: усі сполуки з літієм давали спектр з однієї червоної та слабкої оранжевої, зі стронцієм – з однієї блакитної та кількох темно-червоних ліній тощо.
Кірхгоф і Бунзен поздоровляли один одного і раділи, як діти. Так було відкрито спектральний аналіз.
Але найбільш захоплююче чекало їх попереду: у самий розпал дослідів відбулося дещо незвичайне. І в цій події головна роль належала… чорним лініям Фраунгофера.
…
