Помоги проекту - поделись книгой:
Петр Образцов
Мир, созданный химиками
Предисловие
Как часто в рекламе самых разных товаров звучит фраза: «Здесь нет никакой химии!» Изо всех сил нас призывают покупать йогурты и шампуни, лапшу и мыло, стиральные порошки и сладкую газировку только «из натуральных компонентов», а также овощи и фрукты, выращенные «без химических удобрений и пестицидов», короче — без «химии»! Химией пугают детей, домохозяек и пенсионеров.
Должен всех разочаровать: «без химии» ничего не бывает просто потому, что все в мире — от воздуха до человеческого тела и от кефира до Гималайских гор — состоит из химических веществ. Некоторые, правда, считают, что есть вещества «искусственные», а есть природные, прежде всего органические вещества, из которых состоят живые организмы. Этих некоторых можно смело считать неявными поклонниками витализма — учения, согласно которому нельзя получить органическое вещество в колбе, в лаборатории. Якобы органическое вещество образуется только в результате жизнедеятельности живого существа, отсюда, отсюда, кстати, и сам термин. Латинское «vita» — это жизнь, и живому присуща некая «жизненная сила». Однако еще в 1828 году Фридрих Вёлер взял и синтезировал мочевину из неорганических веществ — из цианата калия RNCO и сульфата аммония (NH4)2SO4. Потом синтетические органические вещества посыпались, как из рога изобилия, который тоже, кстати, представляет собой в основном органическое вещество, а именно белок кератин.
Уже в XX веке были синтезированы действительно отсутствующие в природе органические вещества — прежде всего синтетические органические полимеры, хотя издавна были известны и природные, например кожа, хлопок, шерсть, да и целлюлоза древесины. Правда, до поры до времени об их полимерной структуре не знали. Сейчас представить себе жизнь без пластмасс и прочей синтетики просто невозможно. Читая эту книгу, вы сидите в комнате с окрашенными синтетическими красками обоями, приклеенными к стенам синтетическим клеем. Возможно, на полу у вас лежит пластиковый линолеум, а письменный стол изготовлен из древесно-стружечных плит, сформованных с помощью фенолформальдегидной смолы. На вас рубашка, наполовину сотканная из синтетических нитей, тапочки из пластика или с искусственным мехом. Кресло, скорее всего, тоже из ДСП и искусственной кожи. Еще сто лет назад обо всех этих веществах и материалах даже не подозревали.
Само слово «химия» произошло от арабского «аль-хем», а то, в свою очередь, — от древнеегипетского «кеми», что означало одновременно и «черная земля», и «Египет». Вероятно, там первые химики и появились. Это были жрецы, знавшие толк в бальзамировании фараонов и священных животных — кошек, а также в изготовлении стекла и получении меди путем восстановления медной руды древесным углем. Скорее всего, именно они, а не арабские алхимики первыми научились перегонять жидкости и получили этиловый спирт. Пиво и пальмовое вино у них было, нагревать напитки в керамических и даже стеклянных сосудах они умели, а догадаться об охлаждении выделяющихся паров уже ничего не стоило.
Впрочем, существует и другая теория происхождения слова «химия» — от китайского слова «цзинь», золото. Доказательством китайского происхождения и слова, и самой науки является близость звучания «цзинь» (или «кин» по-японски) и древнегреческого «химиа» — металлургия, а также использование ключевого иероглифа «золото» при записи всех китайских слов, обозначающих металлы. Однако многим ученым эта теория кажется не очень убедительной.
В этой книге речь идет о химии, о науке, имеющей богатую историю, в которую, кстати, большой вклад внесли и российские ученые.
Мы вспомним и про алхимию, и про иатрохимию, и про ужасные случаи применения химических открытий — боевые отравляющие вещества и «Циклон Б», и про драматические обстоятельства открытия радиоактивных элементов. А вот как все начиналось.
Глава 1
В поисках камня
Невозможно сказать, кто из одушевленных обитателей нашей планеты был первым химиком. А вот неодушевленным — можно, таким первым химиком была сама природа. Все процессы образования Земли из газопылевого облака, последующие реакции между различными компонентами раскаленного каменного шара, появление воды, а затем и органических форм жизни, сначала в виде растений, — это все химические процессы. Впрочем, радиоактивный распад, происходящий до сих пор в глубинах планеты и обусловливающий ее высокую по космическим масштабам температуру, все-таки скорее относится к физике. А первым живым химиком можно считать того неандертальца, который сознательно сохранил в пещере зажженную молнией щепку, а потом зажигал от нее так же сознательно подготовленные дровишки. Горение дерева представляет собой типичную химическую реакцию окисления кислородом, которую при желании можно даже записать в виде схемы:
СxHyOz (органические вещества дерева) + O2 → CO2 + H2O
Несколько позже уже настоящие хомо сапиенсы начали осуществлять довольно сложные реакции восстановления руд различных металлов. Появилась младшая дочь химии — металлургия. Например,
2CuO + C = 2Cu + CO2 (восстановление руды — оксида меди — углеродом)
Восстановление железа из его руды требует гораздо больших температур, которые были достигнуты путем вдувания в горн воздуха кузнечными мехами. Такой способ получения железа был открыт во втором тысячелетии до н. э., по-видимому, хеттами. В гробнице Тутанхамона XIV века до н. э. был обнаружен кинжал с железным лезвием, явно принесенный в дар юному фараону хеттскими послами. Окончательно железный век установился к 1000 году до н. э. Интересно, что железные изделия античных времен демонстрируют высокую устойчивость к коррозии, и лишь в Новейшее время было выяснено, что коррозии способствует сера, содержащаяся в каменном угле для выплавки железа из руды. А в древности использовали древесный уголь, в котором серы практически нет.
Fe3O4 + 2C = 3Fe + 2CO2 (получение железа из руды)
Процессы получения некоторых металлов были известны уже древнеегипетским жрецам, они же составили рецепты бальзамов для мумифицирования своих фараонов, высших чиновников, кошек и прочей живности, и они же, скорее всего, изобрели дистилляцию и соответственно крепкие алкогольные напитки — а не только пиво и слабое винцо, как обычно принято считать. В III веке в египетской Александрии уже сформировались основные положения предшественницы научной химии — алхимии. Числу семи известных тогда планет удачно соответствовали семь известных металлов, тут же было придумано и сопоставление. Серебру соответствовала Луна, золоту — Солнце, ртути — Меркурий, меди — Венера, железу — ясное дело, Марс, олову — Юпитер, свинцу — Сатурн. Причем вначале изучение этих металлов и их соединений даже не следовало бы относить к алхимии, лишь через некоторое время целью исследований стал поиск философского камня и возможности трансмутации, то есть превращения свинца в серебро, а ртути в золото. Уникальная способность ртути образовывать твердые сплавы с золотом и серебром навела химиков прошлого на мысль, что этот металл является первоосновой, первичным металлом.
Со временем утвердились основные положения алхимии, а именно:
Существует material prima — первичная материя, заполняющая все и вся, но загрязненная различными примесями. Удалив эти примеси, можно получить философский камень, превращающий, как уже было сказано, неблагородные металлы в благородные. К сожалению, о бессмысленности этого действия вследствие неминуемой катастрофической инфляции алхимики не подозревали. Кроме того, алхимики свято верили, что философский камень исцеляет все болезни и дарит бессмертие. Заметим, они уже тогда догадались, что желать надо не вечной жизни, а вечной молодости.
Алхимики признавали четыре первопричины Аристотеля: тепло, сухость, холод, влажность. Эти первопричины образуются при сочетании четырех стихий: огонь + воздух = тепло, огонь + земля = сухость, вода + земля = холод, воздух + вода = влажность. При переводе на русский язык названия знаменитого фильма Люка Бессона «Пятый элемент» переводчики не поняли, что в данном случае под словом element имеются в виду именно стихия и фильм про пятую стихию, то есть любовь, должен называться «Пятая стихия».
Алхимики, поразившись одинаковому количеству планет Солнечной системы и металлов, уверовали в мистическое влияние небесных тел на все процессы, протекающие на Земле, в том числе на зарождение металлов. О том, что Солнце вовсе не планета, вращающаяся вокруг Земли, а независимая звезда, они, разумеется, не знали. До Коперника было еще очень далеко.
Совпадение количества планет и металлов привело их к убеждению, что металлов и не может быть больше семи. Это отражено в занятном стихотворении народовольца Николая Морозова. Просидевший 25 лет в Петропавловской и Шлиссельбургской крепостях революционер не только призывал к оживлению мертвых и критиковал хронологию истории, став предшественником группы математика Фоменко, но и увлекался химией. Но все-таки революционер не сошел с ума, и этот стишок, надо надеяться, отражает не его точку зрения, а алхимиков:
Ну и, наконец, алхимики не сомневались в возможности превращений, трансмутаций, причем считали, что в золото можно превратить не только свинец и ртуть, но и все остальные металлы, прибавив к ним «качество» серебра или золота.
К VIII веку центр алхимии переместился на арабский Восток. Джабир ибн Хайян, называемый в Европе попросту Гебером, придумал ртутно-серную теорию происхождения металлов, впрочем, не сильно отличающуюся от классической. Через пару веков другой алхимик добавил к ртути и сере еще и «твердость», или философскую соль. Однако практичные арабы не слишком увлекались философией и значительно больше времени посвящали экспериментам. В результате именно им принадлежит честь изобретения большинства видов алхимической, да и просто химической, посуды — реторт, перегонных кубов, разного вида колб, водяных и песчаных бань. После завоевания Месопотамии и Багдада турками многие алхимики бежали в Европу, где передали свои знания европейским ученым. Самым заметным из них был Альберт Великий (XIII век), автор знаменитых «Правил». В этом объемистом труде впервые описаны все операции, которые использовали алхимики. К ним относятся перегонка, возгонка (сейчас называемая сублимацией), осаждение или преципитация, фильтрование, кристаллизация и кальцинация, или попросту обжиг. Эти операции химики применяют и сейчас, несмотря на появление большого числа чисто физических методов исследования и анализа типа спектроскопии или ядерного магнитного резонанса.
Золотая наша железка
Как и в любом другом виде деятельности человека, в алхимии было много жуликов. Примерно в XVI веке «имя им стало легион». Занимались эти махинаторы тем, что составляло смысл деятельности классического алхимика, а именно получали золото из неблагородных веществ. В принципе такая трансмутация возможна. Например, из ртути действительно можно получить золото, бомбардируя этот «первичный металл» потоком быстрых нейтронов, что и было сделано американцами в 1940 году. Правда, стоимость такого золота будет раз в сто больше котировок этого металла на Лондонской бирже. Но это не так и важно, поскольку ядерные реакции алхимикам по понятным причинам были неизвестны и недоступны. Соответственно алхимическим махинаторам приходилось изготавливать золото для своих коронованных покровителей из… золота. Точнее, из его соединений.
Простейшим вариантом обмана каких-нибудь Карла или Августа под соответствующими номерами было разложение амальгамы золота — твердого сплава золота со ртутью, по внешнему виду на золото совсем непохожего. А при большом содержании ртути амальгама к тому же может оставаться жидкой, тут уж совсем не уличишь ученого негодяя в обмане. При нагревании амальгамы, хоть твердой, хоть жидкой, ртуть отгоняется и в тигле появляется золото, столь необходимое коронованным особам для выдачи зарплаты своим ландскнехтам и для ублажения очередной любовницы. В различных музеях Европы хранится несколько десятков монет, отчеканенных из такого алхимического золота. Однако в большинстве случаев алхимических фальшивомонетчиков разоблачали и, как правило, казнили. Причем в Германии был даже изобретен особый ритуал казни алхимиков — их вешали на позолоченной виселице, одев в парчовый кафтан.
В XVI веке, во времена Реформации и ослабления католицизма, акции алхимиков сильно пошатнулись. В этой древней науке произошли существенные изменения. Кстати, алхимию не стоит считать какой-то чепухой и набором заблуждений вроде астрологии. Алхимия — настоящая наука, со своими методами исследований, специфическим языком, часто воспроизводимыми результатами и набором пусть невнятных, но теорий. Алхимия нисколько не противоречит химии, а лишь является ее предшественницей. Так вот, реформировал алхимию великий Теофраст Бомбаст фон Гогенгейм (1493–1541), публиковавший свои работы под псевдонимом Парацельс. Греческая приставка
Однако именно Парацельсу алхимия обязана поворотом к более материалистическому пониманию веществ и природы и появлением иатрохимии[1]. Парацельс считал, что нужно уже бросить искать философский камень — пора заняться составлением лекарственных препаратов. Парацельс, подтверждая необходимость введения Соли как третьего «принципа» в дополнение к Ртути и Сере, полагал, что любая болезнь есть нарушение равновесия этих «принципов» в организме человека. Для восстановления же равновесия в качестве лекарств он предложил использовать разнообразные вещества неорганического происхождения — соединения мышьяка, свинца, ртути вместе с традиционными растительными препаратами. Соединения этих металлов, как известно, ядовиты в больших концентрациях, но безвредны и даже полезны в малых, поэтому Парацельса можно считать первым гомеопатом, а его иатрохимию — предшественницей этого направления в медицине, пусть и необъяснимого с позиций современной науки, а может, и просто неверного. Но о гомеопатии немного позже.
Чтобы закончить с иатрохимией, а вместе с ней и с классической алхимией, упомянем самого выдающегося представителя иатрохимии Ван Гельмонта (1578–1644). Он первым ввел понятие об истинных простых частях сложных тел, отвергая аристотелевские стихии и алхимические принципы, хотя и не сумел выделить из сложных тел эти самые простые части. Простыми же он считал те вещества, которые можно получить при разложении сложных тел, и поэтому посчитал простым веществом воду, всегда появляющуюся при распаде растений и животных. Ван Гельмонта можно также считать автором количественного анализа, поскольку он первым не просто растворил серебро в «крепкой водке» — азотной кислоте, но и выделил его обратно путем разложения нитрата серебра, причем в строго том же количестве. На алхимическом языке приведенная ниже реакция описывается так: «Крепкая водка пожирает Луну и выделяет лисий хвост, жидкость на песчаной бане сгусти, и получишь адский камень».
Ag + 2HNO3 = AgNO3 + NO2 + H2O
«Луна» — это, как уже было сказано, серебро, а «лисий хвост» — оксид азота NO2 рыжего цвета, «адский камень» — это нитрат серебра AgNO3, или ляпис, которым прижигают порезы. При этом выделяется бактерицидное серебро в виде мельчайших частиц черного цвета. Серебро восстанавливает из ляписа любая органика, в том числе верхний слой кожи, но Ван Гельмонт получал серебро, «прокаливая адский камень в печи с появлением Луны».
2AgNO3 t→ 2Ag + NO2 + O2
Однако Ван Гельмонт все-таки был алхимиком, а потому иногда проводил совершенно абсурдные опыты и выдвигал абсолютно фантастические теории. Именно ему принадлежит знаменитый способ изготовления живых организмов, а именно домашних мышей. Напомним, что способ несложен: нужно в корзину для грязного белья насыпать влажного зерна пшеницы и ждать 21 день. Мыши обязательно появятся. Кстати, если производить этот опыт не в городской квартире на пятом этаже, а, скажем, в деревне или на даче, то мыши действительно появятся!
Незадолго до смерти Ван Гельмонта в 1661 году англичанин Роберт Бойль опубликовал книгу «Скептический химик», в которой назвал эксперимент главным способом изучения природы и предложил методику поиска истинно простых элементов, число которых считал много большим четырех, намекая на стихии Аристотеля. Этот год можно считать концом алхимии и рождением химии, хотя алхимики продолжали заниматься своими поисками философского камня еще длительное время. Более того, как это ни странно, алхимия дожила и до нашего времени! Современная физика атомного ядра фигурирует понятиями кварков, из которых состоят все элементарные частицы — то есть уже не считающиеся элементарными. Этих кварков насчитывается три «поколения», и современные алхимики спрашивают, а не являются ли эти поколения Ртутью, Серой и Солью? Впрочем, все это не более чем «размышлизмы» — экспериментальной алхимии, разумеется, не существует. Единственно достойное внимания определение современной алхимии звучит следующим образом:
«Обычный художник нарисует очень похожий портрет итальянской тетки, а если бы этим занялся алхимик, то вышла бы Джоконда».
Гомеопатическое ничто
Очень тесно связана с алхимией, в частности с учением об иатрохимии, старинная медицинская практика гомеопатии, имеющая под собой некоторые теоретические обоснования. В 2010 году исполнилось ровно двести лет, как немецкий врач Самуэль Ганеман (1755–1843) выпустил книгу «Органон рационального врачевания», в которой описал придуманное им новое направление в медицине — гомеопатию. Основной принцип гомеопатии — лечение подобного подобным — предложил еще знаменитый античный врач и ученый Гален. Тех же убеждений придерживался и средневековый корифей алхимии и лекарственного врачевания Парацельс, однако современную гомеопатию связывают прежде всего с именем Ганемана.
Этот сын художника, расписывавшего мейсенский фарфор, попробовал сначала лечить лихорадку (малярию) корой хинного дерева, которая и сама по себе вызывает появление симптомов лихорадки у здорового человека. Исходно он применял довольно большие дозы хины, и больной действительно выздоровел, однако аналогичное использование рвотного камня для лечения неукротимой рвоты и кое-какие другие подобные процедуры привели к обратному эффекту. Но Ганеман свято поверил в основной принцип — лечить подобное подобным — и не прекратил эксперименты, а начал просто уменьшать дозу лекарства, разбавляя его поначалу в сто, а потом и в тысячи, и в миллионы (!) раз.
Таким образом, в гомеопатии лечат болезнь лекарством, которое в больших количествах вызывает у здорового те же симптомы, что проявляются у больного. Например, у наевшегося по неосторожности травки белладонны повышается температура, появляется жар и покраснение. Значит, если у вас повышенная температура, жар и покраснение кожи — например, из-за простуды, — гомеопат назначит вам препарат белладонны в отчаянно большом, совершенно неядовитом разбавлении.
Этот препарат делается так. Берем 1 кубик (миллилитр) крепкого, концентрированного экстракта белладонны в спирте, добавляем 99 кубиков дистиллированной воды и довольно интенсивно встряхиваем раствор. Гомеопаты называют это «потенцированием» и считают важнейшей операцией при изготовлении лекарства. Из полученного раствора отбираем 1 кубик, снова к нему добавляем 99 кубиков дистиллированной воды, встряхиваем и так далее.
После первого разбавления («разведения» на языке гомеопатов) мы уменьшили концентрацию белладонны в 100 раз, после второго — в 10 тысяч раз. Гомеопаты используют разведения под номерами 5–6, хотя не стесняются использовать и тридцатые, и сотенные разведения. При этом разведение № 6 означает, что исходный экстракт был разбавлен в триллион (!) раз. Тридцатое разведение означает, что экстракт разбавлен в 1060 раз!
Именно разведение исходного лекарства в немыслимое количество раз вызывает неприятие гомеопатии врачами-аллопатами (от греческого «аллос» — «другой»), да и самыми обычными гражданами, сохранившими кое-какие воспоминания о школьном курсе химии. В этом курсе упоминается о числе Авогадро, показывающем, например, сколько молекул воды находится в небольшой рюмке с водой. Это число немного меньше 1024, и для той же белладонны такое количество молекул (причем разных молекул, поскольку белладонна — это смесь веществ) будет содержаться как раз в стакане на 100 кубиков. Значит, если мы произведем двенадцатое разведение белладонны — это разбавление в 1024 раз, — то в нашем стакане останется ровно 1 (одна) молекула какого-то вещества из белладонны. При дальнейших разведениях в стакане, разумеется, ни одной молекулы лекарства больше нет. Сотое разведение (в 10200 раз) — просто издевательство над здравым смыслом.
Так говорят аллопаты и не собираются дальше дискутировать на тему гомеопатии. А все успехи гомеопатии объясняют эффектом плацебо (от латинского placeo — быть довольным). Известно, что если вместо настоящего лекарства седовласый профессор в роговых очках и белоснежном халате подсовывает больному щепотку толченого мела, то в 30 % случаев больные выздоравливают. На самом деле они просто и не были больны, хоть и не симулировали. Такие болезни называют психосоматическими, то есть вызываемыми у себя самим больным. Наиболее яркий пример: средневековые фанатики ухитрялись усилием воли вызывать у себя появления стигматов — ран на руках и ногах, совпадающих с ранами на конечностях Иисуса Христа, распятого на кресте. Они не расцарапывали мышцы, нет, раны вызывались именно усилием воли!
Нельзя сказать, что гомеопаты ничего не понимают и не слышат аргументов аллопатов. И, понимая, что против числа Авогадро действительно не попрешь, они пытаются зайти с другого конца. Так, еще в XIX веке использовалось понятие «жизненная сила», родственное витализму: при разведении и встряхивании гомеопат передает раствору некую мистическую энергию, действующую как исходное лекарство. Сейчас гомеопаты об этой теории не говорят, даже стесняются ее.
Самое современное объяснение — пресловутые «биоэнергоинформационные» свойства воды. В случае гомеопатии адепты теории говорят, что вода окружает молекулы препарата, «запоминает» его свойства и форму молекул, а после удаления этих молекул сама образовавшаяся дырка лечит, как исходный препарат. Давным-давно доказано, что ничего похожего не происходит, молекулы воды постоянно движутся, за мельчайшие доли секунды переходя с места на место. Пожалуй, самым приемлемым объяснением необъяснимого действия гомеопрепаратов является честное утверждение: да, мы пока не знаем, как работают эти калькарии, сульсии и арники. Однако двухвековой опыт гомеопатического лечения больных, в том числе и тех, с хворями которых не справились аллопаты, убеждает в эффективности метода. И с этим трудно не согласиться — все-таки уже (почти) точно известно, что эффект от лечения гомеопрепаратами выше, чем 30 % как при приеме плацебо. Выше, действительно выше. Есть и еще один очень забавный аргумент в пользу гомеопатии: при лечении гомеопрепаратами начисто отсутствуют побочные вредные эффекты. И действительно, как может быть вредной практически чистая вода?
Недавно появилась не подтвержденная пока экспериментально, вполне материалистическая теория, которая хоть как-то объясняет возможный лечебный эффект гомеопатических средств. Ее суть в том, что при многократном разбавлении и встряхивании в воде появляется растворенный диоксид кремния SiO2 и какие-то другие вещества из самого стекла пробирки. Причем становится ясно, почему нельзя для разведения в миллион раз просто капнуть одну каплю лекарства в бочку с водой, а требуется разбавлять постепенно — для увеличения времени контакта жидкости со стенками пробирки. И встряхивание требуется именно для этого. Расчеты показывают, что в стакане раствора лекарства, не содержащего ни единой молекулы действующего вещества, может содержаться до 2 миллиграммов диоксида кремния. Это раствор с концентрацией вещества, описываемой модным сейчас словечком «нано». А лечебный эффект препаратов кремния — причем аллопатических препаратов! — при некоторых заболеваниях давно известен. Не исключено, что нанотехнологи когда-нибудь подтвердят эту теорию.
Кстати, одним из самых серьезных критиков гомеопатии был Дмитрий Иванович Менделеев, создатель великой Таблицы химических элементов, которая во многом определила развитие не только химии, но и всего естествознания нашего времени.
Глава 2
Вселенная Менделеева
В 1834 году в семье директора Тобольской гимназии родился семнадцатый ребенок, которого назвали Дмитрием. Не удивляйтесь, если увидите разночтения. Во многих биографиях Менделеева указывается, что он был четырнадцатым ребенком, но это как считать. Трое детей умерли сразу после родов Марии Дмитриевны Менделеевой, владелицы небольшой стекольной фабрики. Будущий великий ученый сначала было пошел по стопам отца: после окончания Петербургского педагогического университета работал учителем в Крыму и в Одессе, а потом преподавал химию в Петербургском университете. Но преподавание — это мелочь в его биографии. А как мы знаем, русскому человеку несвойственно размениваться на мелочи. И Менделеев совершил великое открытие — придумал свою Периодическую таблицу.
Великая таблица
Об этом не принято говорить, но совершенно ясно, что построить ее на основании имевшихся данных тогда было просто невозможно, открытие Менделеева — гениальная догадка, пусть и пришедшая ему в голову после многолетних раздумий.
Вот перед нами нарисованная самим автором открытия рукописная табличка. К тому времени было известно всего чуть более 60 элементов с их атомными весами (сейчас элементов уже почти вдвое больше). Идея расположить элементы по порядку возрастания их атомных весов совершенно естественна и банальна. Несколько сложнее было заметить периодические закономерности в этом ряду, но и здесь немало было сделано и до Менделеева. Уже существовало «правило октетов» (химические свойства каждого восьмого элемента очень близки), «правило триад» (в каждой тройке близких по свойствам элементов средний элемент обладает и средним атомным весом). Однако никому из исследователей не удавалось, пусть даже с использованием этих закономерностей, построить систему для всех известных элементов. Объяснялось это тем, что и свойства многих элементов были неизвестны или определены неверно, да и атомные веса ряда элементов были измерены неправильно.
Несмотря на свое еще юношеское преклонение перед Ньютоном, автор Периодической системы был великим химиком, а не физиком. Поэтому за основу своей системы он взял химические свойства элементов, решив расположить химически похожие элементы друг под другом, но соблюдая принцип возрастания атомных весов. Ничего не выходит! Бериллий нарушал всю картину уже в первой строчке будущей таблицы — углерод оказался аналогом алюминия, а немного дальше таким аналогом оказывается и титан. И то и другое с точки зрения химических свойств элементов является совершеннейшим нонсенсом. Углерод — типичный неметалл, а что может быть «металличнее» алюминия или титана? Вот тут бы и прекратить поиски периодичности — и ряд крупнейших ученых того времени так и поступили.
Говорят, что Периодическая таблица приснилась Менделееву во сне. Может быть, и так. Хотя вряд ли, сам Менделеев опровергал эту типично журналистскую легенду. Но в любом случае способ преодоления получившейся несуразности вряд ли лежит в области логики, может быть, здесь не обошлось без интуиции. Менделеев просто взял и изменил атомный вес бериллия, а между кальцием и титаном поставил пустую карточку, предсказав таким образом элемент скандий.
Самое поразительное, что поступил он так не с двумя элементами, а чуть ли не с третьей частью всех тогда известных! Например, он присвоил урану атомный вес 240 вместо принятого 120 (увеличил аж в два раза!), переставил местами кобальт и никель, теллур и йод. Опубликовав в 1869 году первый вариант своей Таблицы, он предсказал сразу три элемента, изменил атомные веса у десятка элементов и при этом открыл, что «свойства элементов стоят в периодической зависимости от их атомного веса». Да ничего подобного! От
Как такое может быть, неизвестно. А как поэт Андрей Белый за 34 года до Хиросимы написал строки?
История науки знает не так много предсказаний уровня Периодического закона и Таблицы. Великий акт творения Менделеева стал подлинно научной теорией только когда были открыты и скандий, занявший ту пустую карточку, и экаалюминий (галлий), и экасилиций (германий), и благородные газы, и среди них — аргон, прекрасно вставший в Таблице до калия, хотя его атомный вес больше. И Таблица не рухнула! А несколько позже английский физик Генри Мозли объяснил, что номер в Таблице равен заряду ядра атома и что на самом деле «свойства элементов стоят в периодической зависимости от заряда ядра, равного номеру в Таблице». То есть точно по Менделееву.
Есть такая теория, что мир не только не познаваем, но и зависит от того, кто его познает, — исследователь неизбежно влияет на результат эксперимента. Градусник, помещенный в кипяток для измерения температуры, на тысячную долю градуса сам охлаждает воду. И потому есть множество одновременно существующих Вселенных с различающимися свойствами. Можно сказать, что наша Вселенная, состоящая сейчас из примерно 120 элементов, устроена Дмитрием Ивановичем Менделеевым.
Он прожил 73 года, написал около 500 статей по химии, физической химии, технике, физике, экономике, геодезии. Организовал и стал первым директором Палаты мер и весов, был профессором университета и действительным статским советником (то есть генералом), ушел из университета в знак протеста против сужения университетской автономии, был избран в 90 иностранных академий наук и забаллотирован при выборах в русскую. Российские академики сочли его труды недостаточно фундаментальными, слишком близкими к практическим нуждам.
В качестве хобби Дмитрий Иванович переплетал книги и сам себе шил одежду, считая ту, что продавалась в магазинах, неудобной. Для энциклопедии Брокгауза и Ефрона он написал статьи не только о винокурении, но и о варениках. Самым вредным человеческим качеством считал скромность и умело выбивал деньги из правительства для своей лаборатории, наблюдал солнечное затмение с воздушного шара. Придумал теорию неорганического происхождения нефти из карбидов металлов — после почти столетнего пренебрежения к ней сейчас возвращаются геологи и химики. Периодическую систему он создал в 35 лет.
На один из юбилеев Дмитрию Ивановичу подарили драгоценные, изготовленные из чистого
Но не водка
Но к светлому имени прилипли и дурацкие легенды. Прежде всего о том, что Д. И. Менделеев якобы придумал водку, точнее — назвал 40° лучшей концентрацией спирта в воде, при которой якобы водка самая «питкая». Хорошо хоть, что не назвали ее самой полезной!
И до сих пор бытует легенда, что «стандарт русской водки высшего качества был утвержден царской правительственной комиссией во главе с Д. И. Менделеевым в 1894 году». И вообще, история о том, что «водку изобрел Менделеев», стала так же распространена, как в гоголевские времена фраза «немец луну сделал». Поскольку хлебное вино у нас пьют уже лет триста-четыреста, с именем Менделеева стали связывать не само «зелено вино», а выбор для водки крепости именно в 40°. Однако в трудах великого химика отыскать обоснование этого выбора не удается. Диссертация Менделеева «О соединении спирта с водой», написанная в 1864 году и посвященная свойствам смесей спирта и воды, никак не выделяет эти 40°. Да, Менделеев действительно написал статьи «Водка» и «Винокурение» для словаря Брокгауза и Ефрона, но, собственно, и что из этого? Выше уже отмечалось, что он написал для энциклопедии и статью о варениках — так что жирность творога тоже придумал Менделеев?
И это еще не все. «Царская правительственная комиссия» никак не могла установить данный стандарт водки уже хотя бы потому, что эта организация — «Комиссия для изыскания способов к упорядочению производства и торгового обращения напитков, содержащих в себе алкоголь», — была образована по предложению С. Ю. Витте (а вовсе не царя) только в 1895 году! Причем Менделеев выступал на ее заседаниях в самом конце того же, 1895, года и по вопросу об акцизах.
Хочется, конечно, понять, почему именно 40°. Вот пара предположений. Во-первых, выбор для водки именно 40° — дело случая и удобства смешивания спирта с водой в соотношении «два к трем». Более простое соотношение «один к одному» крепковато, хотя и такая 50-градусная водка выпускается. Во-вторых, если строго пересчитать 40 объемных процентов на весовые, то мы получим, что водка имеет весовую концентрацию 33,3 %, то есть ровно треть! Это как раз очень важно. Изготавливать водку путем смешивания спирта и воды по объему удобно, но не очень хорошо, поскольку объемы жидкостей зависят от температуры. А при смешивании по массе этот эффект отсутствует. В случае спирта сие очень важно, ведь у нас в России чрезвычайно трудно удержаться, чтобы спирт не украсть.
Дмитрий Иванович может считаться последним энциклопедистом — и не только в российской, но и в общемировой науке. Конечно, главное дело и достижение его жизни — Периодическая система элементов, и, говоря о Менделееве, вспоминают всегда именно об этом, но ведь и Леонардо да Винчи не только написал «Джоконду». Он и много чего другого сделал. Хотя надо сказать, что Леонардо считают энциклопедистом и «универсальным человеком», мягко говоря, несколько незаслуженно: практически ни одно из его изобретений не было и не могло быть реализовано, за исключением разве что колесика для высекания искры и воспламенения пороха в пистолете (почти точная копия используется и сейчас в зажигалках). Знаменитый танк Леонардо к настоящим танкам отношение имеет крайне отдаленное, рисунок велосипеда скорее всего подделка, а робот Леонардо самостоятельно двигаться не мог и представлял собой карикатуру на рыцаря.
А вот многие работы Дмитрия Ивановича — по метрологии, воздухоплаванию, метеорологии, сельскому хозяйству, экономике и даже по установлению акцизов на водку — были использованы современниками. Некоторые же его открытия — например, формула Менделеева — Клапейрона для идеальных газов или теория растворов — навсегда останутся в науке. Несколько его изобретений реализованы в первом российском ледоколе «Ермак». Он разработал и первый отечественный бездымный порох.
Существует легенда, что в данном случае Менделеев не был особенно оригинален, зато он стал одним из первых в истории России промышленным шпионом. Во время командировки во Францию он ознакомился с бездымным порохом, рецепт изготовления которого французы ему не дали, вполне справедливо ссылаясь на секретность разработки, — это как раз правда. Но вот расчеты о поступавших на завод, где производился бездымный порох, целлюлозы, серной и азотной кислот Менделеев не производил, это совершеннейшая чепуха. К тому времени состав бездымного пороха (пироксилина), получающегося в реакции целлюлозы со смесью серной и азотной кислот, был отлично известен. Трудности составляли технические детали производства и физико-химические свойства продукта. Дело было в том, что патроны и снаряды, начиненные этим порохом, взрывались прямо в стволе орудия. Менделеев же сумел получить нитроклетчатку, которая полностью растворялась в смеси спирта и эфира.
Это вещество, названное им пироколлодием, показало прекрасные результаты. Однако из-за разного рода интриг производство менделеевского пироколлодия вскоре было прекращено, и, по российскому обыкновению, правительство предпочло покупать порох за границей, пусть и худшего качества.
Получение пироксилина:
(C6H10O5)n + 3nHNO3 = [C6H7O2(NO3)3]n + 3nH2O
Но самая экзотическая идея Дмитрия Ивановича — после Периодического закона, разумеется, — это неорганическая теория происхождения нефти: не из сгнивших лишайников и тушек динозавриков, а из глубоко под землей залегающих карбидов металлов. Эта теория, на которую еще недавно геологи посматривали с брезгливой усмешкой, вдруг в последнее время начала получать некоторое подтверждение. Нефть стали находить так глубоко и в таких слоях земли, где никогда никакой флоры-фауны не наблюдалось. Карбиды — это соединения тяжелых (и не очень тяжелых) металлов с углеродом, и если такой карбид поместить в воду, то происходит химическая реакция и выделяется углеводород. А углеводород — это и есть основа нефти. Простейший пример: карбид кальция CaC2, брошенный мальчишкой в воду, выделяет ацетилен, который можно поджечь спичкой.
Карбид кальция и его реакция с водой:
CaC2 + 2H2O = Ca(OH)2 + C2H2
Правда, до сих пор карбидов в глубинах земли не обнаружили и ученые несколько модифицировали теорию образования нефти из неорганических веществ, но все равно у ее истоков стоит Менделеев.
Или другая идея ученого — подземная газификация угля. Когда читаешь про страшные аварии, про гибель шахтеров в Сибири, на Украине или в Китае, и понимаешь, что в любом случае, при любой, самой совершенной системе безопасности, все равно люди будут гибнуть в шахтах, на страшной глубине, поневоле подумаешь, да не зарыть ли к черту все эти адские подземелья? И, вспомнив Дмитрия Ивановича, перейти на «современную» технологию, придуманную им сто лет назад.
Дмитрий Иванович Менделеев не получил Нобелевской премии, что больше говорит о премии, чем о великом ученом. Из российских ученых этой премии по химии удостоился (в 1956 году) только Николай Николаевич Семенов. Зато в 2010 году стали лауреатами Нобелевской премии, правда, не по химии, а по физике, два экс-российских ученых за открытие новой модификации углерода — графена. Кстати, именно углерод оказался одним из тех элементов, неестественное положение которого в предыдущих системах элементов привело Менделеева к мысли о смелом изменении атомных весов некоторых элементов. И вообще, углерод настолько важный элемент, что он вполне достоин отдельного рассказа.
Глава 3
Углеродная жизнь
Элемент углерод находится ровно посередине второго периода Таблицы Менделеева, образует неорганические и органические соединения и способен реагировать со множеством других веществ и элементов. Но главное свойство углерода — это возможность связывания самих атомов углерода друг с другом, то есть образование углеродных цепочек. Именно это свойство сделало углерод «элементом жизни» — из таких цепочек построены и наследственные молекулы ДНК (дезоксирибонуклеиновой кислоты) и РНК (рибонуклеиновой кислоты), и белки, из которых состоят наши мышцы, и все ферменты и углеводы, которые входят в состав множества наших органов, и жиры, из которых сделаны мембраны наших клеток (а также, увы, и наши животы). На углеродные цепочки нанизаны атомы и других элементов — азота, водорода, кислорода. Эти цепочки являются основным структурным элементом клеток растений, которыми мы питаемся, а также древесины, из которой мы изготавливаем стулья и обеденные столы, а также шкафы и кресла. То же самое относится, как это ни жутковато звучит, к клеткам съедобных и несъедобных животных, которые тоже состоят в основном из веществ с цепочками углерода.
Сажа и бриллианты
Но все это — об органических соединениях элемента углерод. А сам по себе элемент углерод образует неорганические модификации, иначе называемые аллотропическими. Еще не так давно признавали только три аллотропические модификации — алмаз, графит и аморфный углерод. Но в 60-е годы прошлого века был получен (кстати, советскими учеными) так называемый карбин, представляющий собой чистые цепочки из атомов углерода, без дополнительных атомов других элементов. Соединены атомы в карбине двойными или тройными плюс одинарными связями — так, чтобы каждый из атомов был четырехвалентным. Углерод практически во всех своих соединениях имеет валентность, равную четырем.
Алмаз построен совершенно по-другому. Каждый из атомов углерода находится в центре тетраэдра, в вершинах которого расположены четыре ближайших атома. Связь углерод-углерод очень прочная, именно поэтому алмаз обладает самой высокой из всех минералов твердостью и самым низким коэффициентом сжатия. Алмаз действительно почти невозможно сжать, но его легко разбить, алмаз довольно хрупок. Да, самое главное — не с точки зрения химии, конечно: специальным образом обработанный алмаз называется бриллиантом и очень ценится девушками. Любовь проходит, а бриллианты остаются.
Графит, тот самый, что в карандаше, в отличие от алмаза, легко истирается и превращается на бумаге в буквы — к примеру, в рукописи великих романов или письма с фронта. Говорят, что специалисты американского космического агентства НАСА якобы потратили несколько миллионов долларов на разработку ручки для письма в космической невесомости. Оканчивается история ударной фразой: «А русские космонавты пользовались карандашом». Свойство графита истираться и оставлять следы на бумаге связано с тем, что графит представляет собой стопку слоев из шестигранников, в вершинах которых находятся атомы углерода. Сами слои между собой связаны слабо, и графит легко расслаивается — это и есть следы на бумаге. Графит можно сравнить с тортом «Наполеон», где коржи не очень прочно склеены кремом.
Но графит, как и алмаз, состоит только из атомов углерода. Поэтому всегда было заманчивым как-то превратить графит в алмаз, что и было сделано. При огромном давлении и определенной температуре сейчас алмазы получают из графита тоннами. Правда, бриллианты из таких алмазов выходят не очень красивые, зато поверхности всяких буровых инструментов и обычных сверл, утыканные этими недорогими искусственными алмазами, работают просто великолепно.
А аморфный углерод — это просто мельчайшие частички графита, своей отдельной структуры у него нет. Строго говоря, аморфный углерод даже и не стоило выделять в отдельную аллотропическую модификацию. Из этого углерода состоит бурый и каменный уголь, сажа, а также активированный уголь — его приходится принимать некоторым гражданам после неумеренного употребления того самого напитка, авторство которого приписывают Дмитрию Ивановичу Менделееву.
Мячи и плоскости
В 1985 году химики сделали потрясающее открытие: была обнаружена принципиально новая модификация углерода — фуллерен. Исследователи изучали пары графита, испаренного лазерным лучом, и нашли в них молекулы, состоящие из 60 и 70 атомов углерода. После многочисленных экспериментов было установлено, что С60 представляет собой трехмерное тело икосаэдр, состоящий из 20 шестиугольников и 12 пятиугольников — точно как сшитый из разных кусков кожи футбольный мяч. В более крупном С70 в середину «мяча» врезан пояс из 10 атомов углерода — такая молекула напоминает удлиненный мяч для регби. Эти молекулы первооткрыватели назвали бакминстерфуллеренами в честь архитектора Бакминстера Фуллера, который строил здания именно из подобных структурных элементов — шести- и пятиугольников. Вскоре, впрочем, название сократили до фуллеренов. Через 11 лет после открытия ученые получили Нобелевскую премию по химии, и все эти годы обнаружились все новые и новые фуллерены.
Рекордным является фуллерен с 400 атомами углерода, таких конструкций даже Фуллер не делал.
Как мы уже говорили, простейший фуллерен С60 в точности похож на футбольный мяч, а следующий С70 — уже на мяч для регби. Если продолжить эту операцию и вставлять все новые углеродные пояса в фуллереновый «мяч», то мы в какой-то момент получим трубку. Оканчиваться трубки будут как бы половинками фуллерена. Можно и иначе описать мысленную операцию получения этих нанотрубок, или тубулен: представьте себе, что мы ухватились за два противоположных края фуллерена и начали его растягивать. Если откуда-то будут постоянно поступать атомы углерода, то мы создадим такую трубу, цилиндр с округлыми краями.
Не мысленно, а на практике нанотрубки были получены в 1990-е годы то ли японцем Иидзимой, то ли еще кем-то одновременно с ним. А то и раньше. Но самое главное, что теперь их научились получать килограммами, и это еще одна аллотропическая модификация нашего многоликого углерода. Из нанотрубок делают сверхпрочные нити, используемые для композиционных материалов, в электронике, в медицине. В качестве экзотического, но еще нереализованного варианта использования нанотрубок размышляют о космическом лифте. Это вот что такое: от Земли к космической станции протянут сверхпрочный трос, по которому будет ездить лифт с грузом или людьми. Все это гораздо дешевле использования ракет, и нанотрубки по своей теоретической прочности отлично подходят для плетения такого троса. Но пока, правда, длинных нанотрубок никто не получал.
И наконец, в 2004 году выпускники подмосковного Физико-технического института Андрей (Андре) Гейм и Константин Новосёлов получили последнюю на данный момент аллотропическую модификацию углерода — одномерные пленки под названием «графен». Этот графен не что иное, как один корж из того самого торта «Наполеон», один слой в графите. Есть такое выражение: в мире нет ничего более плоского, чем графен. За открытие этого поразительного по своим свойствам вещества Гейм и Новосёлов получили в 2010 году Нобелевскую премию. Графен прочнее стали в 200 раз, обладает необычными электрическими свойствами и в перспективе сможет заменить дорогой кремний при производстве электронных компонентов. Из графена уже научились делать прозрачные ленты, и революция в электронике не за горами.
Графен был теоретически предсказан еще в 1950-е годы, но получить его никак не удавалось. Удивительно, но Гейм и Новосёлов сделали это, используя обыкновенную клейкую ленту скотч. Они приклеивали скотч к куску графита, отдирали прилипшие кусочки и исследовали их под микроскопом. В массе кусочков попадались и двухслойные, и однослойные пленки, которые наши соотечественники и исследовали.
В этой книге рассказывается не просто об интересных химических веществах и реакциях, но и об открывших эти вещества ученых. Поэтому, рассказывая про Гейма, Новосёлова и графен, нельзя не вспомнить их коллегу физика Сергея Дубоноса. Он работал в группе Гейма, защитил кандидатскую диссертацию, но главное — лучше всех и даже первым сумел отшелушить графен от графита. А потом бросил физику и уехал в Заокский район Тульской области, начал выращивать коз и ныне совершенно счастлив. Лучший друг Гейм звал его в Стокгольм на церемонию вручения премии, но Сергей Дубонос хотел поехать с детьми — им это было бы интересно, а ему не очень. Но столько билетов на церемонию не было, вот он и остался у себя на ферме. И собирается выучиться на краснодеревщика.
А Гейм и Новосёлов уехали за границу, работают в одном из крупных научных центров Великобритании. Ну что ж, это нормально, ученый и должен жить там, где ему предоставляются наилучшие условия для работы. И это далеко не первый случай. Кстати, касающийся именно Великобритании. Речь идет о великом русском химике Владимире Николаевиче Ипатьеве и «битве за Англию». Об этом — в главе 11, а сейчас расскажем о химике, который первым сообразил, как именно образуются цепочки углерода, как устроены органические вещества и почему вещества с одним и тем же количеством атомов, и не только углерода, проявляют разные, часто даже абсолютно разные свойства.
Структура Бутлерова
Поделиться книгой: