Для исследования «вязкости жидких материй» Ломоносов изобретает особый прибор — вискозиметр, названный им также «инструментом для получения одинаковых капель и их сосчитывания».
Прибор состоял из воронки с помещенным внутри ее на специальном стержне стеклянным шариком. Поднятием и опусканием шарика можно было регулировать скорость истечения жидкости через узкое отверстие воронки.
Этот оригинальный прибор, поражающий своей изящной простотой, обеспечивал точность и надежность опытов характеризующих вязкость и поверхностное натяжение жидкостей Простота и остроумие конструкции позволяли с помощью этого прибора производить измерения консистенции самых различных жидкостей, что делало его поистине универсальным. В частности, Ломоносов ставил перед собой задачу изучения «вязкости» не только однородных жидкостей, но и растворов в кислотах, щелочах, средних (нейтральных) жидкостях, масле, спирте и т. д. Интересно, что уже в наше время советскими учеными при изучении поверхностного натяжения расплавленных стекол был применен платиновый прибор, основанный в главных своих чертах на принципе, указанном Ломоносовым.
Для одновременного получения высоких давлений и высоких температур Ломоносов решил воспользоваться «Папиновым котлом», названным так по имени французского изобретателя его Дени Папина (1647–1712). Папинов котел нашел некоторое применение в технике, но еще не стал принадлежностью химической лаборатории. Ломоносов первый вводит его в лабораторную практику, усовершенствовав применительно к этой цели его конструкцию и создав, таким образом, первый автоклав. По чертежу Ломоносова «Папинова махина, в лучшее состояние приведенная», была изготовлена на Сестрорецком заводе. 30 января 1753 года Ломоносов лично отправился в Сестрорецк принимать сделанную «по его инвенции» (изобретению) стальную «Папинову махину». В программу работ по физической химии он включает «кристаллизацию» в «Папиновой махине», плавление солей и различные наблюдения над состоянием растворов.[206]
Для измерений температуры Ломоносов сконструировал собственный термометр, наиболее рациональный из всех существовавших. Он принял для градуирования две основные точки: температуру плавления льда, которую он обозначил через 0°, и температуру кипения воды, обозначенную им через 150°, тогда как в большинстве других термометров отсчет велся от одной какой-либо точки и притом температура кипения воды принималась за 0° с отсчетом вниз (в термометре Делиля плавление льда обозначалось как 150°). Термометр Ломоносова облегчал точные измерения и связанные с ними расчеты. Он устранял путаницу при отсчете градусов при повышение температуры выше точки кипения воды. При создании своего термометра Ломоносов исходил из ясных представлений о природе теплоты, которых были лишены его современники. Ломоносов указывал, что повышение температуры может быть теоретически безгранично, тогда как понижение ее имеет свой предел, соответствующий абсолютной неподвижности частиц. Ломоносов уже в мае 1752 года заказал десять изобретенных им термометров, которыми стал пользоваться с начала 1753 года.
Во времена Ломоносова микроскоп применялся главным образом в биологии, где с его помощью были произведены значительные открытия. Во всех остальных областях производились лишь бессистемные наблюдения над всевозможными предметами, которые только удавалось поместить под микроскоп, нередко без всякого разбора. Песчинки, мушиные крылья, мельчайшие насекомые и инфузории, кристаллы, мыльная пена, обрезки бумаги и различных тканей изучались под микроскопом, описывались и зарисовывались, наполняя обширные «микрографии», издававшиеся во многих странах Западной Европы.
Ломоносов первый ввел микроскоп в практику химических исследований. Уже в проекте химической лаборатории, составленном в 1745 году, Ломоносов отмечает как одну из задач «смотреть сквозь прибыльные (т. е. увеличительные. —
Честь введения микроскопа в химию несправедливо приписывалась немецкому химику Маркграфу, наблюдавшему в 1749 году в подсушенных корнях свеклы выкристаллизовавшиеся частицы сахара. Но, не говоря уже о том, что это были, по сути дела, всё те же биологические работы с микроскопом и не являлись ничем принципиально новым, сейчас можно считать вполне установленным, что Ломоносов наблюдал под микроскопом еще в 1744 году подлинную химическую реакцию взаимодействия железной проволоки с азотной кислотой. Кроме того. Маркграф применял микроскоп «к случаю», эпизодически, а Ломоносов выдвигал проблему систематического применения микроскопа как особого нового метода физико- химического исследования. Потребности этого исследования подсказали ему новые особенности в конструкции самого микроскопа. Для микроскопического изучения бурно протекающих химических реакций Ломоносов стремился найти возможность быстрого перехода от одного увеличения к другому, не прерывая наблюдения. И Ломоносов пришел к новой идее конструкции микроскопа в виде медной пластинки с серией объективов, вставляющейся в специальную щель в нижнем конце трубки. [207]
Сконструировав еще в 1741 году «катоптрико-диоптрический зажигательный инструмент», представлявший собой остроумную комбинацию плоских зеркал и двояковыпуклых линз, Ломоносов нашел ему применение и в своей химической лаборатории, используя солнечные лучи для получения весьма высоких температур. Своим «зажигательным инструментом» Ломоносов пользовался для плавления кристаллов. После открытия лаборатории Ломоносов занялся изучением химических соединений методами физики. Для этой цели Ломоносов с 1752 по 1756 год работал над изобретением особого оптического прибора, или, как он выражался, «машины, чрез которую узнать можно рефракцию светлых лучей, проходящих сквозь жидкие материи», т. е. рефрактометра для жидкостей.
Прибор этот был предложен Ломоносовым вниманию академической Конференции 17 февраля 1752 года, и академики, одобрив идею и чертеж машины, «за полезно рассудили» изготовить ее в инструментальной палате Академии «для чинения опытов в сей материи». Но только в сентябре 1756 года механик Клейн представил, наконец, прибор, сделанный им под «надзором» Ломоносова.
С помощью своего рефрактометра Ломоносов разрабатывал метод анализа прозрачных твердых тел и растворов по их коэффициенту светопреломления, прокладывая тем самым, по его собственным словам, «дорогу к сочинению физической химии». Вопросом этим Ломоносов не переставал интересоваться до конца своей жизни. Еще в 1760 году им был предложен «новый способ наблюдения преломления лучей во всякого рода прозрачных телах».
Ломоносов первый занимается изучением кинетики физико-химических процессов. Он вводит в химию не только весы, но и часы для определения скорости протекания реакций. В первой главе «Опыта физической химии» он считает необходимым рассмотреть такие вопросы, как: «продолжительность сохранения теплоты растворами по сравнению с водой», «какие растворы быстрее замерзают при охлаждении» и т. д. А в своей «Программе физико-химических опытов» он ставит перед собой задачу выяснить, «скорее или тише» происходит кристаллизация в электризованных растворах. Он предполагает последовательно изучить скорость процессов «ожижения, кипения, замерзания, кристаллизации, растворения, извлечения, амальгамирования, возгонки, дистилляция, горения».
Разрабатывая проблемы физической химии, Ломоносов изучал влияние на вещество высоких и низких температур и давления, производил опыты в пустоте, изучал явления вязкости, капиллярности, кристаллизации, форму и удельный вес кристаллов, образование растворов и растворимость в разных условиях, сопровождающие тепловые явления, преломление света и действие электричества в растворах, — словом, всё то, что составило главное содержание этой науки лишь через полтора века. Он ставил опыты последовательными сериями и сводил результаты многочисленных измерений в особые таблицы. В своем отчете о трудах в 1753 году Ломоносов писал: «Делал новые физико-химические опыты, дабы привести химию сколько можно к философскому познанию и сделать частью основательной физики; из оных многочисленных опытов, где мера, вес и пропорция показаны, сочинены многие цифирные таблицы на 24 полулистовых страницах, где каждая строка опыт содержит».
Ломоносов не только разрабатывает теоретические положения физической химии и ведет экспериментальную работу в этой области, но в 1752–1754 гг. читает первый в мире курс этой науки. Ломоносов долго и тщательно готовится к занятиям, указывая, что он решил поместить в своем курсе «только то, что приводит к научному объяснению смешения тел», а потому исключает из изложения все, что
