Ещё одним дальтоником, оставившим своё имя в химии, стал профессор Фрайбергской горной академии Фердинанд Райх. Райх был дальтоником и, не различая спектральные линии, не мог воспользоваться всеми преимуществами спектрального анализа, поэтому выполнял работу совместно с помощником Теодором Рихтером. В 1863 учёные решили найти таллий в цинковой обманке, но вместо зелёной спектральной линии этого элемента Рихтер сообщил Райсу о наличии голубой линии. Наблюдение позволило предположить наличие в цинковой руде нового элемента, который вскоре был выделен в виде металла (
Долгое время все мировые запасы металлического индия были представлены тем самым слитком, подготовленным ко Всемирной выставке – индий не мог найти себе подходящее применение. В наши дни около 500 тонн индия ежегодно извлекают из руд и ещё 600–700 тонн получают в результате вторичной переработки отслуживших свой срок индиевых изделий. Благодаря чему же так выросла необходимость в этом металле и что он представляет?
Индий – блестящий, мягкий и ковкий металл. Температура плавления индия сравнительно невысока для металлов (+156 °С), при нагревании выше этой температуры на воздухе индий воспламеняется и горит фиолетовым пламенем. При сгибании чистого индия металл издаёт «крик» – скрип, вызванный перемещением кристаллитов индия друг относительно друга, примерно такой же звук можно услышать и при деформации олова.
Индий уникален тем, что он остается мягким и податливым при очень низких температурах, что позволяет использовать его в оборудовании, работающем около абсолютного нуля. Индий и его сплавы применяют для изготовления криогенных насосов и систем для глубокого вакуума. Индий и некоторые его сплавы могут повторять форму неправильных поверхностей, прочно прилипая к ним. Индий понижает температуру плавления припоев, делает более прочными и сами припои, и их крепление с местом припайки. Часто индий называют «металлическим витамином» – иногда даже деципроцентные примеси индия значительно изменяют свойства сплава: например, добавка небольшого количества индия к сплавам золота или палладия делает их более твёрдыми (такие сплавы применяются для изготовления коронок в стоматологии). Некоторые детали летательных аппаратов сделаны из сплава с индием, индий в их составе защищает детали от преждевременного износа и замедляет от окисления. Индий применяется в изготовлении электронных устройств и элементов питания.
Ещё одно интересное соединение, которое образует индий, – это его оксид. Это вещество прозрачное и электропроводное (на уровне полупроводника); высокой степенью прозрачности и полупроводниковыми свойствами отличается также и смешанный оксид индия-олова (
На производство оксида индия-олова расходуется около 45% всего добываемого индия, смешанный оксид идёт как на производство солнечных элементов, так и жидкокристаллических дисплеев. Кроме оксида индия-олова для изготовления солнечных батарей применяют ещё и арсенид индия-галлия, а также селенид индия-галлия-меди. Несмотря на большие ожидания от солнечной энергетики и высокой эффективности индийсодержащих полупроводников в фотогальванике, большая часть индия идет на производство экранов телевизоров и компьютерных дисплеев. В 1980–90-е годы цена на индий под влиянием растущего спроса быстро росла, однако сейчас, когда одним из источников стали продукты вторичной переработки, спрос и предложение на этот металл практически уравновесили друг друга.
50. Олово
Сказка Ганса Христиана Андерсена про стойкого оловянного солдатика могла бы быть еще печальнее: если бы солдатик, выпав из окна, не попал бы в желудок рыбы, то рано или поздно с наступлением холодов он бы заболел чумой и рассыпался в прах, не оставив после себя оплавленного сердечка.
Оловянные солдатики, оловянные припои, оловянные консервные банки, лужёное (то есть покрытое оловом) железо – можно придумать много ассоциаций на оловянную тему. В наше время многие области, в которых трудилось олово, можно считать устаревшими, но нужно помнить, что именно олово поменяло вектор развития нашей цивилизации. Бронзовый век сменил короткий (по эволюционным и цивилизационным меркам) медный вскоре после того, как стало ясно, что сплавление меди с оловом даёт более прочный материал, чем просто медь, – материал, который можно было не только просто обрабатывать ковкой или отливкой, но материал, который не так быстро, как медь, затуплялся при использовании.
Бронза – сплав меди с оловом, и во времена античных империй и демократий олово было стратегическим ресурсом. У древних греков ходила легенда об оловянных островах «Касситеридах», которые лежали на северо-западе от побережья известной им Европы. Возможно, этими оловянными островами были британские острова, где действительно находились залежи оловянных руд, хотя эллины и не ввозили олово оттуда – греческие города получали олово морем, но с территорий, расположенных чуть ближе, – шахт на севере Пиренейского полуострова. Когда во времена расцвета Римской империи границы Европы стали шире, стало известно и об оловянных залежах на территории современного Корнуолла, ради которых в том числе римляне вторглись в Британию.
Олово настолько необычный металл, что он «болеет» чумой. Оловянной чумой называют протекающий при низкой температуре (для чистого олова 13,2 °C, однако примеси в олове понижают её) процесс перехода одной аллотропной модификации олова в другую, которая выглядит как порошок. Появление порошкообразной аллотропной модификации ускоряет трансформацию металлического олова, «заражая» его, поэтому этот процесс и назвали чумой. Оловянная чума – одна из причин гибели экспедиции Скотта к Южному полюсу в 1912 году. Путешественники остались без горючего из-за того, что топливо просочилось из запаянных оловом баков, поражённых «оловянной чумой». В книге Пенни Лекутера и Джея Берресона «Семнадцать молекул, изменивших мир» оловянной чумой объясняется провал зимней кампании Наполеона в России в 1812 году – сильные морозы заставляли оловянные пуговицы на мундирах французских солдат рассыпаться в порошок (возможно, это и было, но вряд ли можно назвать это главной причиной бегства Наполеона из России). Какое-то время проблему оловянной чумы удавалось избежать, применяя вместо олова свинцово-оловянные сплавы, однако в наши дни вопрос вновь стал актуальным. В соответствии с современным законодательством Евросоюза свинец из сплавов было велено убрать, оставив только олово. Тем не менее законы природы еще никому не удавалось отменить, и переход на чистое олово опять привел к проблемам, главная из которых даже не в том, что при низких температурах металлическое олово рассыпается в серый, не проводящий электрический ток порошок, а в том, что этот порошок может попадать внутрь электронных приборов, а при повышении температуры снова образуется электропроводное олово, которое может стать причиной коротких замыканий. Волей-неволей, борясь с оловянной чумой, приходится возвращаться назад, в бронзовый век и заменять олово и свинцово-оловянные сплавы на бронзу.
Кстати, с наступлением железного века человечество не отказалось от бронзы, просто немного сузило области его применения. Сейчас бронза, содержащая кроме меди и олова ещё и свинец, применяется для литья колоколов и создания органных труб. Тональность колокола или трубы можно поменять, изменяя соотношение компонентов в сплаве.
51. Сурьма
За годы своего существования человечество знало много войн – за честь, за веру, за любовь, за ресурсы. В 1600-х годах разразилась одна из самых долгих и бессмысленных войн – «сурьмяная война». Эта не была война, в которой, гремя огнём и железом, сходились полки в битве за ценный ресурс (сурьма не относилась к стратегическим ресурсам семнадцатого, равно как и других веков). На сурьмяной войне орудием были перья, чернила и риторика – врачи того времени пытались прийти к консенсусу по поводу одного вопроса, который сейчас кажется нелепым: можно ли лечить сурьмой?
Первым осознанно применять соединения сурьмы для врачевания стал Парацельс, и это раскололо врачей на два лагеря – одни все же считали сурьму лекарством, а другие – просто ядом. Спор о сурьме был решен, когда король Людовик XIV заболел брюшным тифом. Король проболел две недели, после чего к нему пригласили какого-то врача, который обещал исцелить монарха. Королю дали дозу сурьмы, после чего Людовик выздоровел. Королевское выздоровление (которое, скорее всего, не имело отношения к сурьме) снова изменило отношение к сурьме, и ее продолжили применять в медицинской практике вплоть до XIX века. Поскольку один из симптомов отравления сурьмой – тошнота и рвота, многие доктора прописывали пациентам «для очищения организма» соли сурьмы. По одной из версий отравление Моцарта было вызвано именно передозировкой препаратов сурьмы при лечении. В XIX веке, к счастью, медицина отказалась от применения сурьмы, и на какое-то время этот элемент стал орудием отравителей.
Один из важных источников этого элемента-неметалла стибнит – токсичный сульфидный минерал сурьмы. Также стибнит – одно из самых древних косметических средств. Еще в Древнем Египте, в III тысячелетии до нашей эры, стибнитовую пасту применяли для нанесения рисунков около глаз – не столько для декоративных и ритуальных целей, а в первую очередь для защиты глаз от инфекций и насекомых. Латинское название этой пасты,
Открытие сурьмы приписывают жившему в XVI–XVII веках монаху-алхимику Василию Валентину (
Сурьма представляет собой твердое и хрупкое вещество с серебристо-белым блеском, которое можно растереть в порошок; она плохо проводит тепло и электрический ток. По распространенности в земной коре сурьма занимает 63-е место, ее содержание ниже, чем у олова, мышьяка и редкоземельных металлов, но больше, чем у висмута, ртути и серебра. Сурьма обычно концентрируется с сульфидными рудами вместе с медью, свинцом и оловом, очень редко встречается в виде простого вещества, но не в самородном виде, а обычно совместно с мышьяком, висмутом или серебром. Второй по важности после стибнита минерал для получения сурьмы – джемсонит. Кроме сурьмы он содержит железо и свинец.
Из стибнита в результате обычного обжига при температуре выше 300 °C получают триоксид сурьмы, до 90% которого применяется для изготовления огнезащитных материалов. Композитные антипирены, содержащие Sb2O3, могут существенно замедлять скорость движения фронта пламени и даже препятствовать его распространению. Их добавляют в клеевые композиции, краски, полимерные, строительные и текстильные материалы.
52. Теллур
Если верить «Путеводителю для автостопщиков по галактике», на языке других цивилизаций, населяющих наш сектор галактики, название нашей планеты звучит как «Грязь». В этом смысле даже не удивительно, что элемент, названный в честь Земли, добывают из грязи, а если точнее, из «анодной слизи» – отходов производства, образующихся на аноде во время электролитической очистки сырой меди.
Чистый теллур в основном применяется для вулканизации каучука и получения специальных сортов резины. Введение 0,05 % теллура в свинец снижает потери этого металла в результате растворения в серной кислоте в 10 раз – и это используется при производстве известных каждому автолюбителю свинцово-сернокислотных аккумуляторов. Теллуриды элементов главных, побочных подгрупп и даже лантаноидов представляют собой либо квантовые точки, либо материалы для изготовления солнечных батарей.
Теллур не так ядовит,как селен, но все же его лучше не принимать вовнутрь – половина микрограмма теллура (это количество теллура не так просто разглядеть невооружённым глазом), съеденная человеком случайно или преднамеренно, не отразится на здоровье любителя уникальных диет, но снабдит его зловонным дыханием, отчасти напоминающим запах чеснока, на целых тридцать часов (да, дорогой читатель, мне самому тоже очень интересно выяснить, как был установлен этот факт – специально или случайно, кто хронометрировал продолжительность несвежего дыхания, чистил ли поедатель теллура при этом зубы, но деталей я не мог найти).
С чесночным запахом, которым теллур одаривает того, кто его хочет съесть, хорошо гармонирует тот факт, что этот элемент впервые был найден в самом вампирском уголке Европы – в Трансильвании. В 1782 году главный горный инспектор золотоносных шахт Франц Йозеф Мюллер понял, что что-то пошло не так с анализом одного из образцов, содержащих золото. Мюллеру удалось выделить из образца то, что он посчитал металлом, и он назвал выделенный продукт
Древнегреческие астрономы, глядя ночью в небеса, заметили, что траектории движения пяти «звёзд» (Меркурия, Венеры, Марса, Юпитера и Сатурна) отличаются от траекторий движения остальных звёзд, и назвали эту пятерку «странниками» – «планис», потом это название превратилось в знакомое слово «планета». Прибавление к пяти планетам двух небесных тел – Луны и Солнца – давало высшее магическое число семь. В тот же исторический период людям было знакомо семь металлов – золото, серебро, медь, железо, олово, свинец и ртуть. «Совпадение?» – подумали любители нумерологии и сами же ответили, что в таком деле никаких совпадений быть не может.
Наверное, многие читатели знают стих про то, как семь металлов создал свет по числу семи планет, но менее известно то, что алхимики предполагали, что невидимые лучи каждой из планет позволяют рудам металлов расти в недрах Земли таким же образом, как лучи Солнца помогают расти цветам и деревьям. Считалось, скажем, что связь Марса и железа не просто символична, а Марс помогает железным рудам, ну и т.д.
К сожалению сторонников такого нумерологического подхода к естествознанию и горному делу, число металлов через некоторое время перевалило за семь – были обнаружены сурьма, висмут, цинк и кобальт. Приверженцы старой нумерологической школы вывернулись, сказав, что обнаруженные элементы нельзя считать металлами, однако открытие платины сделало ее на какое-то время восьмым фундаментальным металлом. Открытие металлов продолжалось, а в 1781 году стройная система 7 на 7 пострадала и с другой стороны – английский астроном Уильям Гершель обнаружил новую планету, которую назвал Ураном. В честь этого открытия в 1789 году Клапрот назвал открытый им новый металл ураном. Ну а в 1798 году, когда Клапроту выпал очередной шанс дать название новому элементу, он назвал его в честь единственной планеты Солнечной системы, которая доселе не была связана «именными узами» – в честь Земли. По древней мифологии Теллус (или Теллура, или Терра, или Гея) была матерью-богиней Земли (и женой Урана – бога небес). Так появилось название «теллур».
53. Йод
В 1811 году молодой французских химик, работая в своей парижской лаборатории, открыл новый элемент. Отцовское предприятие Бернара Куртуа занималось производством селитры, которая во времена Наполеоновских войн (как, впрочем, и несколькими веками ранее и до конца XIX века) применялась в производстве дымного пороха.
Семейные традиции предписывали получать селитру из древесной золы, однако войны привели к нехватке древесины, и было решено сжигать морские водоросли, которых на северном побережье Франции всегда было в избытке. Когда Куртуа добавил к золе водорослей концентрированную серную кислоту, он наблюдал выделение фиолетовых паров, которые, конденсируясь на внутренней стороне контейнера, образовывали чёрно-фиолетовые кристаллы. В некоторых интернет-источниках написано, что серную кислоту на золу опрокинул кот, но сдается мне, что эта подробность добавлена сторонниками реставрации культа древнеегипетской кошкобогини Баст, которых немало в интернете в последнее время.
Изумлённый наблюдениями Куртуа отправил образцы кристаллов наиболее именитому французскому химику того времени – Жозефу Гей-Люссаку. Гей-Люссак подтвердил открытие нового элемента и назвал его йодом (от греческого «фиолетовый»). Куртуа продолжил эксперименты с йодом и вскоре обнаружил интересную деталь – обработка кристаллов йода концентрированным аммиаком давала вещество коричневого цвета, которое после сушки взрывалось от любого прикосновения. Куртуа не пострадал от действия обнаруженного им йодистого азота, однако его современник Пьер Дюлон, работая с этими кристаллами, потерял глаз и несколько пальцев, став первой жертвой этого капризного материала.
Вскоре было обнаружено, что йод токсичен, а его раствор в спирте может останавливать воспаление, и йодную настойку начали применять для дезинфекции ран и царапин. И в наши дни, несмотря на появление новых дезинфицирующих агентов, йодная настойка продается в аптеках, и, увы, многие считают, что это и есть йод (на самом деле йод – черно-фиолетовые кристаллы, а в аптеках продается 2%-ный раствор йода в спирте). Нелишне напомнить, что при обработке ран и порезов йодной настойкой не стоит мазать ей сами поврежденные ткани, нужно обработать только края раны – йод, хотя и является самым инертным из галогенов, всё же достаточно активный неметалл, и его попадание в рану может вызвать химический ожог и замедлить заживление.
Уже через пару лет после открытия йода женевский врач Жан-Франсуа Кванде предположил, что появление эндемического зоба, связанное, как мы знаем сейчас, с неправильной работой щитовидной железы, обусловлено недостатком йода в пище. Кванде тут же решил проверит свою догадку (ставить медицинские эксперименты в том время было просто – комитетов по этике еще не придумали, да и письменное согласие у участника эксперимента брать не требовалось). Он начал заставлять своих испытуемых принимать йодную настойку внутрь чайными ложками (вообще у участников таких экспериментов должны были бы наблюдаться химические ожоги слизистой оболочки рта и пищевода, но история об этом умалчивает). Через 6–10 недель перорального приема спиртового раствора йода зоб у пациентов действительно уменьшался в размере, а иногда и исчезал, однако, заметив этот прогресс в лечении, коллеги Кванде обвинили его в том, что он лечит не конвенционными пиявками и нюхательными солями, и вообще – не лечит, а травит пациентов. Возможно, осложнения после лечения у пациентов Кванде были, поскольку коллективное обвинение коллег Кванде подействовало, и вскоре врач-экспериментатор боялся выйти на улицу.
Однако жизнь показала, что Кванде был на правильном пути. Уже в XIX веке эффективность работы щитовидной железы была соотнесена с йодом, вот только оказалось, что лечить образование зоба нужно менее опасным для здоровья, чем элементарный йод, йодидом калия (йодид калия входил в состав антиструмина, который в школе нам каждую неделю давали бесплатно, он же входит в состав совершенно не бесплатного йодомарина). В начале 1920-х некоторые кантоны Швейцарии первыми в Европе начали использовать йодированную соль для профилактики заболеваний щитовидной железы (в йодированную соль добавляют йодат калия, который в организме превращается в йодид), это успешный опыт переняла Европа, и скоро слово «кретинизм» (гормональное заболевание, вызываемое нарушениями работы щитовидной железы, выраженным снижением функции щитовидной железы, отличающееся задержкой физического и умственного развития) стало из медицинского термина простым ругательством.
54. Ксенон
Как уже упоминалось выше, Уильям Рамзай и его ассистент Моррис Уильям Траверс открыли три инертных газа в ходе одного эксперимента в 1898 году.
Первоначально Траверс предложил дать новому элементу название, опираясь на голубую окраску его спектральной линии, однако к тому времени был открыт цезий, название которого уже было дано по голубой спектральной линии (к тому же в Периодической системе новый инертный газ и цезий оказывались соседями). В конечном итоге Рамзай и Траверс сошлись на названии «ксенон» от греческого «ксенос» – чужой или странный. Вряд ли, давая это название, они предвидели, каким странным станет этот элемент – первый благородный газ, «потерявший благородство», благородный газ, который будет интенсивно работать в грузоперевозках – освещать дорогу автомобилям и помогать запуску космических кораблей.
Траверсу и Рамзаю потребовалось несколько месяцев, чтобы получить чистый ксенон и измерить его плотность и атомную массу. Это неудивительно – ксенон наименее распространён в атмосфере. Так, окружающий нас воздух содержит 1% аргона по объему, 18 миллионных долей неона, 5 миллионных долей гелия, одну миллионную долю криптона и только 0,09 миллионных долей ксенона – в 100 м3 воздуха содержится около 9 см3 ксенона. Естественно, что это делает ксенон самым дорогим из инертных газов (имеется в виду, обладающих стабильными изотопами), и в России ежегодно из воздуха получают всего лишь 1500 м3 чистого ксенона.
Хотя ксенон и образует химические соединения, применяется он все же как простое вещество. Несмотря на высокую стоимость, ксенон незаменим в ряде случаев. Ксенон используют для наполнения ламп накаливания (высокая атомная масса газа в колбах ламп препятствует испарению вольфрама с поверхности нити накаливания) и мощных газоразрядных источников света. Ксенон как в чистом виде, так и с небольшой добавкой паров цезия, является рабочим телом для электрореактивных (главным образом – ионных и плазменных) двигателей космических аппаратов. Принцип работы двигателей заключается в том, что при ионизации атомы ксенона разгоняются до скорости около 30 километров в секунду и, вылетая из сопла двигателя, двигают космический аппарат в противоположном направлении.
Ксенон стал первым инертным газом, который показал, что не такой уж он и инертный. В марте 1962 года химик Нил Барлетт, родившийся в Ньюкасле (Великобритания) и успевший за свою жизнь поработать и в Британии, и в Канаде, и в США, получил первое соединение инертного газа. Первоначально Барлетт обнаружил, что смесь газообразных кислорода и гексафторида платины реагировала с образованием твердого красного вещества – гексафторплатината дикислорода, O2+[PtF6]−. Сопоставив энергии ионизации молекулярного кислорода (1175 кДж/моль) и ксенона Xe (1170 кДж/моль), он попросил у коллег-физиков ксенон для эксперимента и, смешав газообразные ксенон и гексафторид платины, получил первое производное ксенона – гексафторплатинат ксенона – Xe+[PtF6]−. Сейчас список производных ксенона и криптона довольно широк, и термин «химия благородных газов» уже не звучит как оксюморон.
Нерадиоактивный нуклид 129Хе, на который приходится почти четверть природного ксенона, является идеальным контрастом для МРТ. Обычно аппараты магнитно-резонансной томографии позволяют определять ядра водорода, что достаточно для большинства биологических тканей, но бесполезны для того, чтобы узнать, что происходит в лёгких. Ксенон-129 может быть не только легко обнаружен в лёгких, но и при его растворении в крови, что позволяет следить за работой лёгких в режиме реального времени.
С 1 сентября 2014 года Всемирное антидопинговое агентство добавило ксенон и аргон в Список запрещенных веществ и методов подготовки спортсменов, причисляя их к допингам. Трудно представить, что химически инертные благородные газы могут улучшить спортивный результат, но тем не менее ксенон проявляет определенную биологическую активность – известно, что он повышает способность крови переносить кислород. Аргон, как полагается, работает таким же образом.
Ксенон может оказывать влияние на белковые рецепторы и ионные каналы, действуя как гипоксия-индуцируемый фактор; аналогичное действие оказывает закись азота (веселящий газ). В течение уже многих десятилетий ксенон, как и закись азота, используется в качестве полного анестетика, в том числе и в России.
Если речь идет об улучшении спортивных результатов, спортсмены начали вдыхать ксенон, заменяя этим газом тренировки на большой высоте, где концентрация кислорода понижена. Ксенон и аргон покинут организм в течение нескольких часов, но эффект от вдыхания инертных газов, улучшающих производительность спортсменов, эффект может длиться несколько дней. Правда, в процессе подготовки этой книги я так и не нашел, как Агентство планирует проверять атлетов на предмет ксеноново/аргонового допинга.
55. Цезий
Моя учёба в университете пришлась на расформирование в нём военной кафедры (я один из последних её выпускников). Временами вместо занятий по тактике мы выезжали на базу, где помогали готовить «военку» к закрытию – сортировали имущество, идущее на возврат в армию и на списание (списанный общевойсковой защитный комплект, например, долго мне служил во время походов по лесу, а сорбенты из списанных противогазных фильтров я применял для очистки растворителей во время своей аспирантуры, пришедшейся на глобальное падение финансирования научных исследований).