Гротгус, Теодор

Барон Кристиан Иоганн Дитрих фон Гротгус или Теодор фон Гротгус (нем. Christian Johann Dietrich Theodor von Grotthuß) (20 января 1785, Лейпциг, Германия — 26 марта 1822, Гядучяй (совр. Литва)) — немецкий химик, сформулировавший первую теорию электролиза (1806 год) и первый закон фотохимии (1817 год) . Его теория электролиза считается первым описанием так называемого механизма Гротгуса .

Биография

Теодор фон Гротгус родился в Лейпциге 20 января 1785 года в то время, когда его семья находилась в продолжительном путешествии по Западной Европе. Родители Теодора, Эвальд Дитрих фон Гротгус (нем. Dietrich Ewald von Grotthuß) и Елизабет Элеонор (нем. Elisabeth Eleonore), принадлежали к старому и известному семейству курляндской чиновничьей знати. Вскоре после рождения он был крещен и получил имя Христиан Иоганн Дитрих (нем. Christian Johann Dietrich). Будучи взрослым, Гротгус решил использовать в качестве своего имени имя Теодор. Кроме того, он отказался от использования в своем полном имени приставки «фон» .

Теодор вырос в имении своей матери в поместье Гедучяй (лит. Gedučiai), которое на современной карте находится в северной части Литвы, на границе с Латвией. Он был замкнутым ребенком и имел довольно ограниченный контакт с другими детьми в поместье. Учителя обучали его в домашних условиях навыкам языков, математики, искусства и литературы. Таким образом, Гротгус получил базовое образование, которое позволяло ему продолжать свое обучение в различных университетах. Будучи подростком, Гротгус обучался сначала в Лейпцигском университете, а затем в Политехнической школе в Париже (фр. École Polytechnique), где посещал лекции таких известных ученых, как Антуана Франсуа де Фуркруа, Клода Луи Бертолле, Луи-Николя Воклена и других.

В связи с возрастанием напряженности в геополитических взаимоотношениях между Россией и Францией, Гротгус был вынужден уехать в Италию, где опубликовал свою первую фундаментальную работу (1806 год), посвященную теоретическому объяснению явлений, происходящих при электролизе воды. В 1808 году за свой вклад в теорию электролиза Гротгус был избран почетным членом Гальванического общества Парижа. В том же году он был назначен членом-корреспондентом Туринской академии наук, а в 1814 году избран в качестве члена-корреспондента Баварской академии наук в Мюнхене. За время своей жизни Гротгус опубликовал 76 статей по оригинальным исследованиям, наблюдениям и доказательствам, большинство из которых были опубликованы в западноевропейских научных журналах .

Теодор Гротгус умер 26 марта 1822 года в возрасте тридцати семи лет, совершив самоубийство на почве продолжительной депрессии, вызванной проблемами со здоровьем. Был похоронен в имении своей матери в Гедучяе.

Научные исследования

Исследования в области электролиза

Изобретение в 1800 году итальянским ученым Алессандро Вольта электрической батареи дало другим исследователям источник электричества, который стал широко использоваться в научных лабораториях по всей Европе. Вскоре появились первые сообщения об успешном проведении электролиза воды, водных растворов кислот и солей. Тем не менее, отсутствовало сколь-нибудь удовлетворительное теоретическое объяснение происходящих при этом процессов.

Осенью 1805 года, в возрасте 20 лет, Гротгус написал свою первую фундаментальную статью, посвященную изучению процесса электролиза воды. Эта статья, которая называлась «Mémoire sur la Décomposition a’l’Aide de l’Electricite Galvanique», была опубликована в Риме в 1806 году. Она отчетливо представила собой новый подход к объяснению роли электрического тока в процессе электролиза. Много лет спустя Оствальд перевел эту статью на немецкий язык и сделал следующий комментарий :

К моменту публикации этой работы имя Гротгуса станет очень известным; и эта статья оказала очень, очень большое влияние на теоретическое объяснение процесса электролиза

Оригинальный текст (нем.)[показатьскрыть] Es ist die Schrift, durch die der Name Grotthuss vor allem berümt wurde, und die den grössten Einfluss auf die theoretischen Vorstellung über Elektrolyse ausgeübt hat

В этой работе Гротгус объяснил, почему во время процесса электролиза воды водород и кислород выделяются только на электродах (и при том на разных), а не во всем объеме раствора, как это ожидалось. Это явление, которое наблюдали А. Карлайл и Дж. Николсон вскоре после открытия Вольтова столба, стало известным под названием «Парадокс Николсона». Гротгус экспериментально подтвердил данные о том, что некоторые металлы выделялись на отрицательном полюсе источника тока, связанном с медным диском, и начинали процесс роста кристаллов в направлении гальванического тока, в то время как кислород выделялся на положительном полюсе, связанном с цинковым диском. Некоторые металлы не выделялись на отрицательном полюсе источника тока, и в этом случае на нём наблюдалось выделение водорода, а на положительном полюсе при этом образовывался осадок оксида. Он отметил, что разные металлы по-разному проявляют себя в подобном процессе, что позднее экспериментально наблюдали Гемфри Дэви и Йёнс Якоб Берцелиус.

В статье Гротгуса представлено оригинальное объяснение процесса электролиза воды, впоследствии названное механизмом Гротгуса. Это объяснение заключается в том, что в процессе электролиза молекулы воды и соль поляризуются и образуют полярные цепи в единой системе. Таким образом, поляризованные молекулы становятся продолжением медно-цинковых пар, составляющих столб Вольта. В дальнейшем Гротгус пояснил, что под воздействием полюсов электродов в растворе образовывались параллельные линии (поляризованные молекулярные цепи), элементы которых на каждом конце разряжались на противоположных полюсах. Молекулы воды, соприкасающиеся с электродами, распадались на свои составные части. Именно поэтому водород выделялся на отрицательно заряженном электроде, в то время как кислород выделялся на положительно заряженном электроде. Молекулы воды непрерывно обменивались своими составными частями c ближайшими соседями, а также с окружающими членами цепи. Этот обмен осуществлялся с помощью последовательного продвижения скачкообразного взаимодействия по молекулярным цепям, которое возникло в результате процесса переноса в электролизе вдоль параллельных линий . Дальнейшее развитие этой мысли привело к концепции, напоминающей ионизацию. Кроме того, концепция скачкообразных взаимодействий привела к развитию принципа атомизма, дискретности материальных объектов, делимости и перехода от статической структуры к динамическому представлению материи.

Большая часть научного сообщества приняла механизм электропроводимости, предложенный Гротгусом. Тем не менее, некоторые ученые так и не признали заслуг Гротгуса в области электролиза. Так, например, сэр Гемфри Дэви при разработке химической теории сродства широко использовал первоначальные идеи Гротгуса без какого-либо упоминания об их авторе .

Исследования в области взаимодействия света с веществом

В конце 1810-х годов Теодор фон Гротгрус сформулировал некоторые оригинальные идеи, связанные с поглощением света, которые затрагивали фосфоресценцию, флуоресценцию и фотохимические реакции. Он интересовался физиологическими аспектами химического взаимодействия света с поляризованными молекулярными частицами. После изучения кристаллов, обладающих фосфоресценцией, Гротгус в 1812 году отметил, что фосфоресцентный свет отличался от поглощенного света, что находилось в противоречии с механистической теорией Ньютона. Он пришел к выводу, что явление фосфоресценции связано с движением света и структурой облучаемого вещества. Гротгус предположил, что свет на поверхности флуоресцентного кристалла расщепляется на две компоненты, которые при взаимодействии с поляризованными молекулами в кристалле разделялись и вызвали излучение света, цвет которого отличался от используемого для облучения. Гротгус пришел к выводу, что взаимодействие света с веществом вызывает специфические колебания и, таким образом, может ослабить или усилить различные цвета . При этом он заложил теоретические основы люминесценции, которые были разработаны во второй половине XIX века Беккерелем, Брюстером и Стоксом.

При исследовании спиртовых растворов тиоцианатных комплексных соединений железа(III) и кобальта(II) Гротгус обратил свое внимание на то, что раствор становился более бледным, когда находился под воздействием света. Скорость обесцвечивания при этом была прямо пропорциональна интенсивности света и времени его воздействия на вещество. Таким образом, Гротгус открыл основные законы фотохимии: фотохимическая реакция может быть инициирована только светом, поглощенным веществом, и её скорость пропорциональна времени воздействия и интенсивности света. Эти экспериментальные наблюдения Гротгуса были подтверждены около 20 лет спустя Джоном Гершелем и Джоном Дрейпером. В конечном счете, эти выводы стали известны как первый и второй законы фотохимии Гротгуса-Дрейпера.

Исследования в других областях

Теодор фон Гротгус проводил научные исследования не только в области электролиза и взаимодействия света с веществом . Он синтезировал тиоцианатные соли железа, ртути, серебра и золота при помощи сплавления серы с соответствующими цианидными солями. Гротгрус отделил хлорид железа(III) от хлорида марганца(II), воспользовавшись различной растворимостью этих солей в спирте. Также он по просьбе академика Шерера, который собирал данные по минеральным источникам в Российской империи, проанализировал близлежащие минеральные источники. Он использовал аммиачный раствор оксида серебра для определения сульфидов, а не хлорид меди(II), как это было принято в то время. Кроме того, в период с 1816 года по 1818 год Гротгус изучал свойства тиоцианатов и тиоциановой кислоты и разработал аналитические методы определения ионов железа(III) и кобальта(II). В это же время Швейггер опубликовал сборник пропорциональных весов Гротгуса и таблицы материалов, которые стали широко использоваться химиками и фармацевтами.

В своих обширных исследованиях он экспериментально наблюдал явление электростеноза, которое проявлялось в том, что серебряные дендриты формировались в очень узких трещинах стекла на аноде из-за электрокапиллярного эффекта. Этот эффект был вновь открыт спустя 70 лет и подробно разрабатывался Ф. Брауном (1891 год) и Э. Дж. Коэном (1898 год), который и назвал его электростенозом.

Кроме того, Гротгус занимался исследованием пламен газовых смесей и сделал фундаментальное наблюдение, которое заключалось в том, что смесь газов в узких трубках не воспламеняется . Это обстоятельство позволило позднее создать безопасную лампу шахтера. Несмотря на то, что в настоящее время шахтные лампы, использующие открытое пламя, полностью вытеснены электрическими фонарями, значение этого изобретения, сохранившего множество жизней шахтёров, до сих пор сложно переоценить.

Основные труды

• C. J. T. Grotthuss Mémoire sur la décomposition de l’eau et des corps qu’elle tient en dissolution à l‘aide de l‘électricité galvanique // Ann. Chim. Phys. 1806. V. 58. P. 54-74.
• C. J. T. Grotthuss Memoire upon the decomposition of water, and of the bodies which it holds in solution by means of galvanic current // Tillochs Philos. Mag. 1806. V. 25. P. 330-339.
• C. J. T. Grotthuss Über die chemische Wirksamkeit des Lichtes und der Elektricität // Jahres Verhandlungen der Kurländischen Gesellschaft für Literatur und Kunst. 1819. V. 1. P. 119-184.
• C. J. T. Grotthuss Physisch-chemische Forschungen // Erster Band Nürnberg: Schrag. 1820.
• C. J. T. Grotthuss Abhandlungen über Elektrizität und Licht // Ostwald’s Klassiker der exakten Wissenschaften. 1906. № 152.