Начав в лаборатории доктора Кларка с исследования соединений фосфора, Грэм перешел затем к исследованию солей мышьяковой кислоты, которые, как было известно из работ Митчерлиха, обладали свойствами, аналогичными фосфатам.
В сущности Грэм повторил опыты Митчерлиха, Берцелиуса, Кларка и получил все известные в ту пору фосфаты и арсенаты. Он не нашел ошибок в выводах ни одного из ученых: это были действительно различные по свойствам и составу соли. Варьируя условия их получения, Грэм выделил несколько новых фосфатов. Он обратил особое внимание на бесцветное кристаллическое вещество, которое содержало большое количество фосфора. Обрабатывая его концентрированней серной кислотой, Грэм получил фосфорную кислоту нового типа. Она образовывала бесцветные кристаллы и легко вызывала коагуляцию растворов альбуминов. Грэм назвал эту кислоту метафосфорной, а ее соли — метафосфатами. В конце концов он подытожил результаты продолжительных и сложных опытов, которые показывали, что при образовании солей фосфорной кислоты один «атом» окиси фосфора способен связаться с одним, двумя или тремя «атомами» окиси натрия или калия[439]. Это утверждение было справедливо лишь при условии, если кислоты содержат несколько атомов водорода, замещаемого металлами.
Грэм был убежден, что при растворении в воде окись фосфора способна связываться с одной, двумя или тремя молекулами воды (по воззрениям того времени — атомами воды). Результатом этого взаимодействия являются три различные по свойствам фосфорные кислоты — метафосфорная, пирофосфорная и ортофосфорная. Это допущение противоречило не только учению Берцелиуса об одноосновности кислот, но шло вразрез со взглядами всех ученых. Однако его подтверждали факты, которыми нельзя было пренебречь. Статья Грэма, опубликованная в 1833 году, положила начало современной теории многоосновности кислот. Несколько позже идея о многоосновности кислот вешла и в органическую химию. Впервые об этом писал Юстус Либих[440], а о многоосновных спиртах (правильнее многовалентных) — Адольф Вюрц[441].
Вклад Грэма в науку имел большое значение. Его высоко оценила научная общественность. В 1834 году в Эдинбурге состоялась торжественная церемония, на которой Грэма удостоили почетной награды.
На торжество приехали самые выдающиеся ученые Шотландии, чтобы выразить свое уважение этому скромному исследователю.
Грэм был популярен не только в Шотландии, он пользовался известностью и среди ученых Лондона. Когда в 1837 году умер профессор химии Университетского колледжа в Лондоне Эдуард Тэнер[442], академический совет единодушно избрал на его место Томаса Грэма.
В то время Лондон был центром науки. Здесь работали самые выдающиеся ученые по всем отраслям знаний. Именно в Лондоне существовала возможность непосредственного контакта с различными специалистами. Грэма радушно приняли в свой круг его лондонские коллеги. В 1837 году он стал членом Лондонского королевского общества, во время заседаний которого он встречался и беседовал со многими видными учеными. Через доктора Уильяма Уэвелла Грэм познакомился с Майклом Фарадеем.
— Конечно, у каждого человека свои, определенные интересы, — сказал как-то Грэм Фарадею.
— Так-то оно так, но часто эти интересы меняются… — Фарадей смолк, а потом продолжил: — Вот, например, я постепенно удаляюсь от химии, меня больше интересует теперь физика. Главный вопрос сейчас для меня — электричество и связанные с ним явления.
— А я наоборот. Начал почти с чисто физических исследований, а теперь все больше перехожу к химии. Исследование фосфатов привело меня к проблеме кристаллизационной воды. Кристаллы почти всех солей фосфорных кислот содержат некоторое количество воды. В разных солях количество кристаллизационной воды различно. Я уже получил некоторые результаты в этой области и опубликовал их еще в Глазго[443].
Фарадей оживился:
— Да, я знаю их. Ваши взгляды на кристаллизационную воду весьма оригинальны. Вода действительно обладает исключительным свойством связываться с другими веществами?
— Я убежден в этом. При растворении в воде атомы[444] солей гидратируются. Как следует из опытов, они связываются так прочно, что входят в состав соли даже в кристаллическом состоянии. Анализы десятков веществ подтверждают это.
— Вы будете продолжать работу в данной области?
— Надеюсь. Но обязанности, возложенные на меня в университете, в известной степени мешают осуществлению моих планов. Я должен написать учебник химии.
— У вас незаурядные ораторские способности, и это сильно поможет вам.
Работа над учебником увлекла Грэма, и он на некоторое время прекратил экспериментальные исследования. Дружба с Фарадеем отразилась на его научных интересах. В результате появилась новая статья Грэма «Теория цикла Вольта», которую он доложил в 1839 году на заседании Британской ассоциации.
Авторитет Грэма рос с каждым днем. Глубокие познания и оригинальные исследования выдвинули его в число первых среди выдающихся английский ученых. Когда в 1842 году было основано английское Химическое общество, Грэма избрали его президентом. Это общество и сегодня играет важную роль в развитии химической науки в Англии. После смерти Джона Дальтона в 1844 году французские ученые избрали на его место Томаса Грэма — одного из одиннадцати выдающихся иностранных ученых — почетных членов Парижской академии.
Многочисленные обязанности мешали, однако, научной работе Грэма. Ему без конца приходилось заседать в разнообразных комиссиях: в 1846 году его назначили в состав комиссии по изучению вентиляции нового здания парламента; в следующем году уже другая комиссия подробно изучала вопрос об улучшении методов литья ружей, винтовок и пушек. В 1851 году Грэм совместно с профессором Миллером и профессором Гофманом проводил работу по определению чистоты и пригодности для питья воды некоторых городов Англии. В том же году Грэм был назначен членом жюри выставки химикатов и фармацевтических препаратов в Лондоне.
И тем не менее ученый не прерывал научно-исследовательской работы. Он продолжал изучать явления, связанные с движением молекул газов, интересовался причинами, вызывающими это движение, условиями, от которых оно зависит. Методы исследования газов Грэм применил и к жидкостям. Оказалось, что жидкости, будучи отделенными друг от друга полупроницаемой перегородкой, могут переходить через нее. Таким же образом ведут себя растворы, если их отделить от растворителя пористой перегородкой. Грэм назвал это явление «осмосом» и подробно описал его в статье «Об осмотической силе» (1854 г.).
Открытие осмотических явлений было объявлено самым значительным открытием года. По традициям Королевского химического общества автор статьи должен был выступить перед научной общественностью с лекцией, в которой необходимо было подробно изложить сущность исследований и полученные результаты. Лекция состоялась в конце декабря 1854 года. Это была вторая Бейкерианская лекция, с которой Грэм имел честь выступить перед учеными Лондона (первую лекцию он прочитал в конце 1850 года в связи с исследованиями диффузии жидкостей):
«… Явление это аналогично диффузии газов, но оно таит в себе еще много неясного. Газы диффундируют в двух направлениях, а жидкости только в одном. Сущность эксперимента в следующем. Широкую часть воронки накрываем животным пузырем, пергаментом или какой-либо другой полупроницаемой перегородкой, потом воронку заполняем раствором определенного вещества и погружаем ее в воду так, что трубка воронки остается над водой. Через некоторое время можно заметить, что жидкость по ней начинает медленно подниматься. Это показывает, что вода проникает через перегородку в раствор. Что переходит из раствора в воду, установить не удалось. Продолжительные исследования показали, что высота, до которой поднимается жидкость в трубке, сильно зависит от природы растворенных веществ. Например, однопроцентные растворы хлоридов натрия, кальция, ртути и меди дают соответственно 2, 20, 121 и 351 мм высоты. Объяснение этому наблюдению еще больше усложняется тем фактом, что оно не связано с капиллярными явлениями, как склонны думать многие исследователи. Один и тот же раствор дает всегда одинаковое повышение уровня в трубке, несмотря на вид полупроницаемой мембраны и толщину трубки, в которой находится раствор…»
439
В то время ученые изображали «атом» окиси фосфора в виде PO5 (современной формулы остатка фосфорной кислоты PO43— пока еще не было), «атомы» окислов калия и натрия — в виде NaO и КО, воду — в виде НО. Кислота состояла, таким образом, из «атомов» окиси фосфора и воды.
441
Речь идет о работах Вюрца по синтезу двухатомных спиртов — гликолей [Ann. chim. phys., 55, 409 (1856)]. Теория многоосновных кислот Грэма получила свое развитие также в работах Жерара и в литературе фигурирует как теория Грэма — Либиха — Жерара (Краткая химическая энциклопедия: В 5-ти томах./Гл. ред. И. Л. Кнунянц. — М.: Сов. энцикл., 1961–1967. — Т. 2: Ж — Малоновый эфир, с. 581–587).
442
Эдуард Тэнер (1796–1837) — с 1827 г. профессор открывшегося в 1828 г. Лондонского университета, где возглавил курс практической химии. Тэнеру принадлежит исследование атомных весов, минералов, процессов каталитического горения.
443
Первая статья «О воде как об основной части солей» (1835 г.) была представлена Королевскому обществу в Эдинбурге, вторая — «Вопросы, связанные со строением солей» (1836 г.) — в Лондонское королевское общество.