Химия завтра

Без помощи машинной математики химия уже не сможет обойтись. Слишком сложными получаются уравнения даже для самых простых молекул, слишком велик объем вычислений даже для самых простых реакций.

Обычно приводится такой любопытный пример. Чтобы провести расчеты для атома урана, понадобилось бы такое количество бумаги, на изготовление которой не хватило бы сырья во всей Солнечной системе!

Поэтому, с одной стороны, пользуются приближенными методами. А с другой стороны, прогресс электронно-вычислительной техники и математики вселяет новые надежды. Совершенно очевидно, что в будущем такая связь химии и счетно-решающих устройств станет основой для движения вперед.

Математика сказала свое слово, она внесла в химию свежую струю, помогла привлечь новейшую физику для объяснения многих «каверз» органики. Теперь «приключения и опасности», а значит, и искусство органического синтеза неразрывно связаны с ультрамикроструктурой вещества. Пришлось заглянуть в самые глубочайшие недра микромира, куда раньше химики не заглядывали.

Это — уже настоящее. Машина получает сведения о свойствах атомов разных сортов. Всего несколько секунд — и она выдает ответ, предсказывая, какие вещества и с какими свойствами можно из заданных атомов создать!

Пока что машина-химик имеет дело лишь с несколькими видами атомного сырья, но и тут экономятся годы человеческого труда. Пока что она предсказывает вещества, но ведь она сможет и конструировать их по заданным ей, нужным нам свойствам, скажет, из каких атомов и как синтезировать.

Сюда надо добавить еще и физику: то, что происходит с атомами и молекулами, это и в ее ведении.

Ход реакции физика вместе с химией опишет математическим языком. Химические формулы будут выражены математически. А отсюда уже один шаг до электронной автоматики.

Математика моделирует великое множество самых различных явлений — от движения спутников до какого-либо заводского процесса.

Техника умеет создавать «электрическую картину» многих явлений, преобразуя изменения разных величин в разные электрические токи.

Она может создавать и «электрические модели» различных процессов. На языке математики многие не похожие друг на друга явления описываются совершенно одинаково.

Вместо «настоящего» явления, скажем, действия сил на летящую ракету, составляется электрическая цепь, где токи, напряжения и другие величины, с какими имеет дело электротехника, заменят определенные силы, скорости, нагрузки. То и другое явления описываются совершенно одинаковыми формулами.

А для математики безразлично, что именно мы решаем. Формулы-то ведь одни и те же. Поэтому по изменению электрических величин можно судить о других, их «заменителях», о том, что делается с ракетой, когда меняются условия полета.

Как, например, узнать, что сделать, чтобы точно выдержать заданный режим — температуру, давление, плотность? Меняются одни величины, какими же будут другие? Опять уравнение, и языком математики можно описать технологические процессы — хотя бы получения материала. И электромодель дает ответ с поразительной быстротой.

Перебрав все варианты, машина остановится на наилучшем. Она подскажет, как устроить химический реактор, как наладить его работу.

Какую же, в конце концов, ставит цель это вторжение математики и физики в химию?

Проверяя себя опытом, теория должна добыть как можно больше сведений о строении молекул. Она должна выяснить, какая существует связь между молекулярной архитектурой и свойствами самих молекул — физическими, химическими, биологическими. В далекой перспективе физика, химия, биология должны вместе нарисовать единую картину мира.

Однако молекул — и тех, что уже созданы, и тех, какие еще создадут, — фактически бесконечное множество. Если каждую из них изучать отдельно, работа окажется невыполнимой. Но для соединений удастся, вероятно, построить какую-то классификацию, установить какой-то порядок, систему. Тогда и появится возможность разобраться в безумной сложности органики и предсказать, какие новые ее детища могут появиться.

Уже сейчас раздвинулись рамки «синтетического» творчества. А потом они раздвинутся еще шире. Будут создаваться разнообразные материалы с наперед заданными свойствами, какие потребуются людям.

Творец новых веществ, химия прокладывает дорогу к неведомым сейчас тайникам превращений. Раскрываются секреты химических реакций, механизмов химических связей и всего того, что происходит с молекулами, атомами, группами атомов, ионами, электронами. И открытия, уже сделанные сегодня, прокладывают пути в будущее иной раз неожиданные и очень важные для химической практики завтрашнего дня.

Мы привыкли считать, что молекулы состоят из атомов. Но возможно ли, чтобы не атомы, а целые молекулы или ионы послужили стройматериалом тоже для молекулярного здания, только более сложной кладки?

Оказалось, что в природе существует множество таких сложных построек — комплексов. В центре — атом или ион, комплексообразователь. Это может быть и металл, и почти любой из элементов периодической системы. Вокруг него находятся связанные с ним группы атомов или ионы. Это — лиганды. Они могут располагаться в вершинах невидимых многоугольников или многогранников — квадрата или тетраэдра, куба или октаэдра и других. Связи от центрального атома могут расходиться как клешни краба или щупальца осьминога.

К комплексам неприменимы обычные представления о химических связях. Поэтому говорят, что они — настоящее чудо химического мира. И в чем тут дело, какие силы удерживают лиганды вокруг комплексообразователи, до конца не выяснено.

«Комплексное соединение — очень сложное «содружество», в нем каждый из «союзников» испытывает влияние своего соседа… Все составные части комплекса перестраиваются, приспосабливаясь к совместному существованию… Комбинируя атомы металлов с разными атомами, нонами, молекулами, способными выступать в роли лигандов, можно получать необычные, иногда очень денные вещества, и число таких комбинаций может быть как угодно большим», — пишет член-корреспондент Академии наук УССР К. Яцимирский.

Комплексы мы найдем в солях морской воды и минералах, в крови и хлорофилле — в природе живой и неживой. Более того, усложненные молекулы — комплексы — неизбежный спутник множества реакций. Можно сказать, что и мы построены из комплексов и с комплексами имеем дело на каждом шагу.

Стоит заменить какую-либо из частей, его образующих, и резко меняются свойства. Нерастворимое становится растворимым, появляется другая окраска, меняются электрические и магнитные свойства. Потому-то, имея дело с комплексами, легко получать совершенно необычные вещества.

Связывая в комплекс ионы, можно удалить соли и из жесткой воды сделать мягкую. Комплексные соединения — иониты — легко притягивают и задерживают и золото из морской воды, и любой другой драгоценный металл, где бы он ни находился. Чистый уран стали извлекать из руд именно с помощью комплексов. Мы не познакомились бы ни с редкоземельными, ни с трансурановыми элементами, не приди нам на подмогу комплексы.

Теперь — мостик в будущее. Где химия комплексов найдет себе место? Всюду, где будут добывать рассеянные, редкие элементы. Полем деятельности для нее станут океан и земные недра.

Но это далеко не все. Она уже сейчас дает самые разные и притом необыкновенно полезные вещества — от антистарителей для полимеров до катализаторов, от присадок к бензину против детонации до консервантов, сохраняющих масло, фрукты, мясо и даже кровь. Среди комплексов — наилучшие красители, яркие и стойкие. И, конечно, комплексы найдут широкое применение в малой, бытовой химии и в медицине. Они способны, например, удалять из организма сильнейшие яды. Комплексы станут орудием тонкого химического анализа.

Из газа этилена, не прибегая к сильному нагреву и давлениям — этим обычным орудиям химиков, заставляющим молекулы вступать в реакции, можно получить твердый полиэтилен. Такое удивительное превращение происходит в присутствии катализатора-комплекса. Кто знает, быть может, среди комплексов найдутся ускорители и для других реакций полимеризации?

Оказалось, что в многообразном мире всевозможных искусственных соединений существуют удивительные молекулярные постройки без химических связей.

Впервые, впрочем, о них узнали полтора века назад, но как-то даже не поверили, что такое может быть. А факты накапливались. Наконец, уже специально синтезировали соединение, которого в природе никогда еще не встречали и которое построено иначе, чем все другие.

Оно образовалось не под действием обычных химических сил. Молекулы в нем соединены, как звенья цепочки. Можно все сооружение сделать из колец, причем сцеплять их по-разному, например закручивая и переплетая цепи в узлы.

Химия до сих пор такого строительного принципа не знала. Катенанами (от слова «катена» — цепь) назвали эти удивившие химиков соединения.

Здесь химия неожиданно нашла союзника в математике, в той ее области, которая казалась до сих пор весьма и весьма отвлеченной, далекой от практики, — в топологии.

Топологию интересует, каковы формы различных фигур, как они могут взаимно располагаться, как преобразовать их, не разрывая. Это похоже даже на фокус. И действительно, среди тех хитроумных геометрических построений, которыми занимается топология, часто встречаются математические головоломки. Из ленты, перекрутив ее и склеив концы, получают необыкновенное кольцо (кольцо Мебиуса). Если ленту теперь разрезать пополам вдоль, она не распадется на два кольца, а превратится в более узкое перекрученное кольцо. Если же разрезать ленту по трети ширины, получится два сцепленных кольца, подобно катенану. Кольца могут быть соединены и более сложно.

Катенаны — одно из самых молодых детищ химического синтеза. Их нужно искать в природе — они там должны быть. Их свойства нужно изучать, потому что необычное строение этих цепочек может очень многое дать и химии, и физике, и биологии.

Современная химия открывает новое даже там, где все хорошо известно, где ничего интересного, казалось бы, уже найти нельзя.

Элементы, для которых в таблице Д. И. Менделеева не было предусмотрено места и для них пришлось пристраивать к ней особую, нулевую группу. Элементы, которые не вступали ни в какие реакции. Элементы, которые за свое химическое упрямство получили прозвище инертных, или благородных. Кроме того, они на Земле еще и редкие.

Да и как могли они иметь иные свойства? Ведь внешние электронные оболочки и гелия, и аргона, и неона, и криптона, и ксенона, и радона — всех шести членов семейства инертных — полностью «укомплектованы» электронами. Поэтому они не могут ни отдавать свои электроны, ни забирать чужие.

Внешние оболочки их атомов устойчивы, и укоренилось мнение, что устойчивость эту ничем поколебать нельзя. На самом же деле она оказалась мифом.

Открыты были и гидраты аргона, криптона и ксенона — любопытные соединения. В них молекулы газов включены в кристаллическую решетку воды. Обошлось здесь без обычной химической связи.

Как-то, еще давно, вспомнили о фторе — самом агрессивном из элементов, — фторе, который соединяется решительно со всеми элементами и не может оставаться в одиночестве, повсюду выискивает себе компаньонов. Не сможет ли он расшевелить инертные атомы?

Изучая соединения фтора с платиной, химики случайно получили новое вещество. В его молекулы, кроме фтора и платины, вошел ксенон. Впервые инертность инертного была поколеблена. Произошло это несколько лет назад. Затем попытались соединить ксенон с одним фтором. И снова удача! А теперь появились окислы, фториды и другие соединения более тяжелых, инертных газов — не только ксенона, но и криптона, и радона.

Среди них — взрывчатка, она успешно может соперничать с любой другой, хотя сейчас еще слишком дорога. Среди них — будущие медицинские препараты. Наконец, новые соединения оказались очень удобны, чтобы в них сохранять и неустойчивый фтор, и устойчивый ксенон. Из такой «кладовой» легко добыть оба газа.

Легкие же газы — гелий и неон — остались пока непокоренными, и справиться с ними будет гораздо труднее. Труднее — не обязательно невозможно. Важно, что химия инертных родилась и сделала первый и, можно сказать, блестящий шаг.

Своим рождением она загадала и новые загадки.

С одной стороны, надо выяснить до конца, почему же столь странно повела себя нулевая группа, откуда взялись у нее скрытые резервы химических связей. С другой стороны, надо разобраться и в свойствах ее соседей — благородных платиновых металлов из восьмой группы. У них тоже малая химическая активность, и они тоже не зря называются благородными. А окиси галогенов (это уже седьмая группа) и кислородные соединения инертных газов оказались по свойствам похожими.

Нет ли здесь какой-либо закономерности, не понадобится ли в будущем перестроить частично периодическую систему? Пока говорят одно: инертным надо подыскать иное название, старое определенно не годится.

Сегодняшняя химия выясняет сложность того, что представлялось простым.

Реакция редко идет в одну стадию, мы же наблюдаем лишь ее начало и конец. Начало — исходные вещества, сырье. Конец — продукты, то, что намечалось получить, А все остальное, фактически все превращения, весь ход процесса, остается, говоря языком кинематографа, за кадром. Ибо от написанного на бумаге до реальности — дистанция огромного размера.

На самом деле в химическом реакторе разыгрывается «пьеса» из многих актов. Участники ее появляются и исчезают, они не доживают до финала. Но именно от них и зависит конечный результат. Если подобрать ключик, который повлияет па этих участников «спектакля» — на свободные радикалы, ионы, комплексы, — то мы получим еще одно могучее средство вмешательства в химический процесс.

Химия будущего заставит посмотреть и на сами химические процессы совершенно по-другому. Речь пойдет на этот раз не о том, что делается с молекулами, а об ином, не менее важном.

Прежде чем встретиться, молекулы должны пройти какой-то путь. Встреча порой происходит не один на один, а в присутствии третьего. Этот третий — катализатор. После встречи, после всех превращений, новые, уже преображенные молекулы должны уйти, покинуть «арену».

Главное — средняя часть «пьесы», в ней и заключен весь химизм, вся сущность происходящего. Чтобы реакция шла быстрее, чтобы обеспечить встречу молекул, которые не стоят на месте, а хаотически двигаются в потоке, и применяют нагрев, давление, используют катализаторы.

Но эта часть целиком зависит от первой и третьей. И выходит, что не только химические превращения, а и транспортировка молекул определяет успех не меньше, чем сам ход молекулярной встречи.

От явлений, разыгрывающихся в микромире, приходится поэтому переходить к событиям макроскопическим. Надо знать, что происходит с жидкостями, газами, твердыми частичками, когда они движутся с большими скоростями и смешиваются между собой.

Надо еще иметь в виду, что здесь участвует и тепло, которое выделяется либо поглощается. Особенно это трудно узнать и учесть, когда арена, где разыгрываются события, не колба и не пробирка, а огромный химический реактор.

В нем одновременно и непрерывно идут все три действия. Они поэтому переплетены между собой и влияют друг на друга. И финал будет намного успешнее, когда химики узнают все тонкости происходящего за стенками реактора.

Здесь скрыт ключ к поискам наилучшей технологии и, более того, к тому, как сами эти поиски ускорить.

Обычный путь от лаборатории до завода может занять десять-пятнадцать лет. Почему? Да потому, что, проводя испытания, мы постепенно переходим ко все более крупным масштабам — от крохотной пробирки до огромного заводского реактора.

Всякий раз нужно было бы создавать новый, увеличенный реактор, и всякий раз начинать сначала. Мы поэтому вынуждены менять всякий раз обстановку «спектакля». Движения, обмены массами и теплом, скорости, количества продуктов получаются иными.

Химия будущего сможет отказаться от этой постепенности, от дорогостоящих и затяжных опытных работ. Она проверит себя на малом — на модели, а математический расчет проделает все остальное.

Уже теперь получается выигрыш во времени, по крайней мере, раз в пять.

Колба-завод, а промежуток между ними заполняет математика. Это и есть химическая индустрия завтрашнего дня.

Мало получить новое вещество, его еще нужно сделать материалом. Нужно добиться, чтобы он обладал всеми качествами, какие потребует от него технолог. Ведь не полимер сам по себе, а изделие из него — вот конечная цель. Скорейший и лучший переход от лаборатории к заводу — одна из самых важных проблем химии сегодня.

Именно математизация даст ответ на волнующие химика-технолога вопросы. Электронная машина скажет, как перейти от завода в колбе к заводу настоящему. Она сразу выберет наивыгоднейшее решение, учтет требования «большого» и «малого», примирит физику и химию в одном компактном и высокоскоростном химическом реакторе.

Нельзя, конечно, представлять себе, что все обстоит чрезвычайно просто. Математизация химии только еще начинается, и помощь математики пока не так велика, как хотелось бы. Стоит чуть измениться условиям в реакторе, и перевод на язык формул уже осложняется. Одно дело, например, если катализатор лежит неподвижным слоем, и совсем другое, если он вскипает в газовой струе. Но и здесь можно быть уверенными, что, в конце концов, даже сложнейшие процессы поддадутся описанию.

Математика позволяет рассчитать, как лучше всего провести реакцию, какую избрать аппаратуру. Отсюда путь к автоматике на химическом заводе.

Автоматика призвана поддерживать на производстве что-либо постоянным — давление или температуру, определенный химический состав. И оказывается, для успешного хода реакции не всегда бывает выгодно сохранять все время один и тот же режим. Его нужно менять, чтобы превращения шли в наивыгоднейших условиях. Химикам нужна не просто автоматика, а программное управление, не простые автоматы, а саморегулирующиеся кибернетические устройства.

Кибернетика даст возможность проводить реакции при столь больших давлениях и скоростях, которые граничат со взрывом, при температурах в тысячи и даже десятки тысяч градусов и, наоборот, при сверхнизких температурах и высоком вакууме.

Поиски катализаторов перестанут походить на блуждание в потемках, как нередко бывало до сих пор. Тысячи опытов или иногда счастливый случай — все это отойдет в прошлое. Перебрав в своей электронной памяти свойства всех известных ей веществ, машина порекомендует ускоритель для любой реакции.

Вот почему так нужна будет кибернетика химии. Химия имеет дело с великим множеством соединений. Сведения о них — это целая библиотека, и, чтобы можно было быстро пользоваться ею, выход один — призвать на помощь электронный информатор.

Новое вторгается в жизнь властно и незаметно. К нему довольно быстро привыкаешь, столь быстро, что кажется — всегда было так. Химия вместе с физикой сделали привычным много непривычного, а невозможное — возможным.

Химия овладеет и высокими, и низкими температурами, научится использовать невидимки-радикалы и реакции, идущие в особых условиях, о каких и не подозревали раньше. Она овладеет высокими скоростями, с быстротой молнии перестраивая молекулярные постройки.

Она научится помогать производству, все больше вытесняя металлорежущие станки, все шире применяя химические методы обработки металла. Наконец, в списке ее достижений — уже не лабораторных, а промышленных — появятся новейшие, по заказу инженеров созданные, искусственные материалы множества назначений.

Металл можно сделать еще прочнее. Можно получить тончайшую проволоку, которая будет сверхпрочной. И можно, наконец, рассчитывать, что в будущем металлурги добьются многократного увеличения прочности, использовав все резервы, скрытые в атомно-молекулярной структуре вещества.

Перспективы открываются самые радужные: легчайшие, почти невесомые мосты, облегченные до предела машины, изящные сооружения из металла немыслимых сейчас размеров… В технике фактически произойдет переворот. Будет достигнута наибольшая прочность при наименьшем весе, а ведь этого и добиваются сейчас инженеры.

До сих пор материалы «второй природы» большей частью заменяли металлический сплав. Они позволяли экономить дефицитный материал, давали возможность обходиться без дорогих редких металлов. В будущем же создадут такой материал, который будет обладать невероятным сочетанием свойств, какого от металла не получишь.

Такое под силу только химикам.

Невиданные нагрузки. «Равнодушие» к температуре — от сильнейшей жары до холода абсолютного нуля. Стойкость к износу. И, наконец, неизменность, сохранность всех этих качеств в течение многих лет.

Могут быть и другие претензии к материалам. В одних случаях от них потребуется упругость, в других — жесткость. Может оказаться необходимым, чтобы материал хорошо проводил электрический ток, а может понадобиться идеальная изоляция. О легкости я здесь даже не упомянул. Ясно, как важно для каждой машины избавиться от лишнего веса.

Пластмассы можно легко формовать, потому что они при нагреве размягчаются, при охлаждении же твердеют, сохраняя прочность. Из них легко выдуть пленку.

Если армировать пластмассу — укрепить ее каркасом, ввести наполнитель, — она станет еще прочнее, не потеряв эластичности. Если вспенить пластмассу, получится полимерная пена, которая тоже очень прочна и, кроме того, чрезвычайно легка. И, наконец, если сделать то и другое, получится армированный пенопласт — еще более совершенный материал.

Воздав должное полимерам, нельзя забывать и об оборотной стороне медали. Всякую вещь надо оценивать всесторонне. Есть у полимеров такой недостаток, о котором часто не упоминают.

Свет и кислород — враги полимеров. Из-за них желтеют, становятся хрупкими и, в конце концов, рассыпаются изделия из пластмасс. Поэтому нужны специальные добавки, мешающие такой порче, а сырье для пластмасс должно быть очень чистым. Тогда, например, пленка из полихлорвинила годами сможет выдержать жаркое солнце и не побоится кислорода.

То, что происходит со временем с полимерами, подобно старению или болезни. И с тем и с другим борются лекарствами. Пытаются «лечить» и полимеры, для них ищут и находят «лекарства». Полимеры будущего обретут еще одно качество — долговечность.

Мы успели привыкнуть к великому разнообразию синтетики — и технической, и бытовой. Химические новинки появляются чуть ли не каждый день — и мы воспринимаем это как должное.

Сотни их созданы, десятки прочно вошли в обиход. Произошло это как-то незаметно, и теперь даже странно представить себе, что не было когда-то капрона и нейлона, силона и поролона, и прочая, и прочая, и прочая…

И думается, когда пытаешься заглянуть в Завтра: вот так же неощутимо и неотвратимо химия еще глубже пронижет грядущую жизнь. Быть может, даже и не стоит придумывать названия потомкам всех этих орлонов и силиконов: названий не хватит, пусть просто будет синтетический материал, какой кому нужен.

Творец живого — природа создала больше миллиона разных веществ всего из нескольких элементов с углеродом во главе. Из всех остальных ею были сделаны только десятки тысяч соединений. Десятки тысяч и миллион! Неужели здесь так быстро исчерпались возможности природы?

Или, быть может, мы просто не знаем еще всего? И действительно, появились новые факты. Неорганика, оказывается, сумела кое-где вклиниться в органику. Это произошло буквально на самых жизненно важных участках.

Казалось, с химическим царем живой природы — углеродом — другим элементам соревноваться трудно. Казалось, ему одному, одним углеродистым соединениям обязано все разнообразие жизни на нашей планете.

Но попробовали заменить углерод его родственником из царства неорганики — кремнием. Возникала новая химия, перекинувшая мост между двумя старыми, — кремнийорганика.

Она дала массу нужнейших веществ, которых так много, что их невозможно даже перечислить.

Созданные кремнийорганикой полимеры обладают удивительными свойствами. Они устойчивы и к теплу, и к холоду, не пропускают воду, не проводят электроток, не боятся ни кислот, ни щелочей, они соперничают по прочности со сталью. Среди них — пластики и каучук, смазки и топлива, катализаторы, антидетонаторы и полупроводники, лекарства и ядохимикаты.

Здесь, на стыке органики и неорганики, рождаются вещества, вбирающие в себя качества обеих групп. Для синтеза здесь открываются поистине необозримые перспективы. Все элементы в той или иной степени становятся родоначальниками целых семейств соединений.

Будущее обещает совмещение, казалось бы, несовместимого. Материал теплостойкий и эластичный в то же время — это невозможно для химии «старой». А такой полимер будет создан, и он оставит далеко позади не только природные, но и современные искусственные материалы.

Открыто полимерное строение и многих неорганических веществ.

Природные полимеры — это и алмаз (вероятно, алмазный кристалл — одна гигантская молекула). Это — расплавленная и охлажденная сера, которая образует тогда длинные молекулярные цепи. Да и кое-какие другие природные элементы — вроде углерода в форме графита, селена, мышьяка и сурьмы — тоже полимеры. Если же перейти к соединениям, то придется затронуть, пожалуй, всю массу земного шара, ибо ее образуют полимерные соединения кремния, алюминия, магния, кислорода и многих других, чуть ли не всех элементов периодической системы.