Илья Абрамович Леенсон

Занимательная химия для детей и взрослых

Предисловие

«Наука начинается с удивления», – сказал более двух тысяч лет назад древнегреческий философ Аристотель. Любопытство, способность удивляться непонятному, задавать множество вопросов свойственны детям. И задают они бесчисленные вопросы «что, как и почему» своим родителям. С возрастом эта способность удивляться обычно проходит. А может быть, подростки, а тем более взрослые, просто стесняются задавать разнообразные «глупые» вопросы. Да и кому их задавать, когда вокруг все заняты своими делами. Зачем задумываться над непонятным, когда кругом так много развлечений! Можно целый день смотреть телевизор и через час забыть о том, что показывали. Можно прочитать параграф в школьном (или вузовском) учебнике, ответить на уроке (или сдать зачет либо экзамен) и затем забыть о прочитанном – причем навсегда! К чему приводит такое отношение к окружающему нас миру? К распространению суеверий, например. Когда Нильса Бора спросили, неужели он верит тому, что прибитая над дверями его дома подкова приносит удачу, знаменитый физик ответил: «Конечно, не верю. Но, говорят, подкова приносит удачу даже тем, кто в это не верит». Бор, конечно, пошутил. Но сколько людей действительно верят знахарям и шаманам, верят бесчисленным рекламным объявлениям, обещающим излечение за пять минут от всех возможных и невозможных болезней, верят многим другим сказкам про инопланетян, «барабашек» и другую «современную» нечистую силу, которая пришла на смену лешему да Бабе-яге. А все потому, что с детства не выработан критический и «вопрошающий» взгляд на мир, не выработана привычка находить ответ (или хотя бы попытаться его найти) на возникающие вопросы, находить объяснение непонятному. Цель этой книжки – показать, что, даже не обладая специальными знаниями, можно правильно воспринимать явления, которые нас окружают, пытаться хотя бы в общих чертах узнать, как устроены различные машины и механизмы, почему происходят те или иные процессы, в том числе химические и физические. А главное – постараться самому понять, как устроен окружающий нас мир. Ведь это очень интересно!

Глава 1

Вещи и вещества

Нас окружает множество веществ – в основном это не чистые химические соединения (с таковыми мы встречаемся очень редко, примером могут служить поваренная соль и сахар), а смеси, сплавы, композиты. Еще чаще мы сталкиваемся с тысячами различных вещей – от детских игрушек до автомобилей. И при изготовлении всех этих вещей не обойтись без химии. В этой главе будет рассказано о некоторых малоизвестных применениях химических веществ, облегчающих нам жизнь или даже спасающих ее. Об этом – первый рассказ.

Азид в мешке

Известно, что скорость химической реакции пропорциональна концентрации реагентов: чем она выше, тем чаще сталкиваются молекулы и тем быстрее идет реакция. Аналогично частота дорожно-транспортных происшествий при прочих равных условиях пропорциональна концентрации автомобилей на дорогах, которая неуклонно увеличивается. Соответственно растет и число аварий. Самые опасные происходят при лобовом столкновении. Даже если скорость каждого автомобиля не превышает 60 км/ч, суммарная скорость получается такой, что почти не оставляет шансов для находящихся в автомобиле. Можно ли в таких случаях защитить водителя и пассажиров или хотя бы спасти их жизни (о судьбе автомобиля говорить в таких случаях не приходится)? Одно из самых простых и надежных изобретений – ремни безопасности, которые спасли множество жизней. Но если скорость машины при лобовом столкновении велика, не спасают и они – ремень задерживает туловище, а голова по инерции продолжает движение вперед, что приводит к повреждению, нередко смертельному, шейного отдела позвоночника. И тут на помощь автомобилистам пришла химия. В 80-х гг. ХХ века химики ведущих автомобильных корпораций разработали новый способ защиты автомобилистов – подушку безопасности.

Она изготовлена из прочного полиамидного волокна и в сложенном виде занимает так мало места, что ее можно упрятать в стойку рулевого колеса. В случае лобового столкновения мешок почти мгновенно надувается и мягко принимает на себя поступательное движение как корпуса, так и головы водителя, спасая тем самым ему жизнь. И если к концу 80-х годов лишь один из 15 выпускавшихся в США автомобилей снабжался подушкой безопасности, то к 1995 г. их доля превысила 70 %, а еще через несколько лет ими снабжались практически все автомобили, причем каждый имел по два таких устройства – для водителя и для пассажира. Появились также подушки, расположенные сбоку, причем и для пассажиров, сидящих на заднем сиденье. Как же работает такая подушка? Поскольку счет при аварии идет на тысячные доли секунды (при скорости 108 км/ч машина проходит 10 см всего за 3 миллисекунды), никакие механические компрессоры или баллоны с сжатым газом не успеют надуть мешок за нужное время. Остается лишь одна возможность – взрывное разложение химического соединения с выделением большого объема газа. Химикам нужно было найти такое соединение, а остальное было уже делом техники. Вариантов оказалось немного. Остановились на распаде азида натрия – соли очень взрывчатой и очень ядовитой азотистоводородной кислоты HN_3. Хотя эта кислота слабая (как уксусная), ее водные растворы обладают настолько сильным окислительным действием, что смесь HN_3 и HCl растворяет золото и даже платину. Азиды тяжелых металлов (меди, серебра, ртути, свинца и др.) – весьма неустойчивые кристаллические соединения, которые взрываются при трении, ударе, нагревании, действии света. Взрыв может произойти даже под слоем воды! Азид свинца Pb(N_3)2 используется как инициирующее взрывчатое вещество, с помощью которого подрывают основную массу взрывчатки. Для этого достаточно всего двух десятков миллиграммов этого вещества. Это соединение более взрывчато, чем нитроглицерин, а скорость распространения взрывной волны (детонации) при взрыве в 10 раз больше, чем у тротила, и достигает 45 км/с! Азид натрия, к счастью, не взрывается, хотя тоже сильно ядовит (его сильно разбавленные водные растворы иногда используют в качестве консерванта биохимических препаратов). При нагревании до 300 °С он очень быстро разлагается с выделением азота и мельчайших частиц натрия: 2NaN_3 → 2Na + 3N_2. Из 65 г (1 моль) NaN_3 получается при обычных условиях около 35 л азота. Чтобы увеличить выход газа, а также связать очень реакционноспособный и легко загорающийся натрий, в смесь добавляют нитрат калия, который реагирует со свободным натрием: 10Na + 2KNO_3 → K_2O + 5Na_2O + N_2. Кстати, реакция азида щелочного металла с его нитратом давно использовалась химиками для синтеза чистого оксида натрия или калия (которые невозможно получить окислением металлов в кислороде или на воздухе), например: 5NaN_3 + NaNO_3 → 3Na_2O + 8N_2. Оксиды натрия и калия – тоже не подарок; для их связывания в исходную смесь вводят еще один компонент – мелкораздробленный диоксид кремния. В условиях реакции он связывает оксиды натрия и калия с образованием негорючих и безопасных силикатов: Na_2O + SiO_2 → Na_2SiO_3. Работает вся система так. В случае столкновения чувствительные датчики, установленные в автомобиле, передают сигнал на микропроцессор, который мгновенно оценивает ситуацию; если скорость автомобиля при ударе превышает определенное значение (обычно 35 км/ч), микропроцессор включает электрический запал, который запускает реакцию разложения азида. В результате перед человеком примерно за 0,04 секунды надувается мешок, содержащий около 70 литров азота, который спасет ему жизнь даже в таких случаях, которые раньше считались безнадежными. В автомобилях последних моделей возможно даже регулирование скорости наполнения мешка азотом в зависимости от массы водителя и его точного расположения в автомобиле.

На этот раз подушка безопасности защитила манекен

Однако не все так просто. Подушки безопасности, хотя и доказали свою эффективность, создают новые экологические проблемы. Ведь большинство автомобилей заканчивает свой век, ни разу не испытав серьезного столкновения. Поэтому на свалках вместо сравнительно безопасных груд ржавеющего металла могут образоваться очаги отравляющих веществ. Один из способов борьбы с этим – использование в подушках безопасности вместо порошка таблеток, которые можно было бы при необходимости извлекать и утилизировать. Другой путь – поиск менее опасных химических соединений, которые могли бы заменить азид натрия. Говоря об азиде натрия, нельзя не вспомнить еще одну историю, связанную с этим веществом. Как отмечалось, его разбавленные водные растворы обладают бактерицидным действием и могут служить консервантом биохимических препаратов. И вот в начале 70-х годов ХХ в. в некоторых американских и английских клиниках наблюдались странные явления. Время от времени из сливной раковины раздавались звуки, напоминающие пистолетные выстрелы, а в одном случае неожиданно взорвалась сливная трубка. К счастью, никто при этом не пострадал. Расследование показало, что виновником всех взрывов был очень слабый (0,01 %) раствор азида натрия, который использовали в качестве консерванта физиологических растворов. Излишки раствора азида в течение многих месяцев, а то и лет сливали в раковину – иногда до двух литров в день. Оказалось, во всех упомянутых случаях сливные трубки под раковинами были изготовлены из меди или латуни (такие трубки очень прочные, легко гнутся, особенно после предварительного прокаливания, поэтому их удобно устанавливать в сливной системе). Выливаемый в раковину раствор азида натрия, протекая по таким трубкам, постепенно реагировал с их поверхностью, образуя азид меди, а это вещество уже способно взрываться. Пришлось менять медные трубки на пластмассовые. Когда в одной из клиник проводили такую замену, оказалось, что снятые медные трубки сильно забиты твердым веществом. Специалисты, которые проводили «разминирование» сливной системы, чтобы не рисковать, подорвали эти трубки на месте, поместив их в металлический бак массой 1 т. Взрыв был настолько силен, что сдвинул бак с места на несколько сантиметров! Медиков не очень интересовала сущность химических реакций, приводящих к образованию взрывчатки. Можно предположить, исходя из сильных окислительных свойств азотистоводородной кислоты, что имела место такая реакция: анион N_3–, окисляя медь, восстановился и образовал одну молекулу N_2 и атом азота, который вошёл в состав аммиака. Остальная часть азид-анионов соединилась с катионами меди. Это соответствует уравнению реакции 3NaN_3 + Cu + 3H_2O → Cu(N_3)2 + 3NaOH + N_2 + NH_3. С опасностью образования «бомбы в раковине» приходится считаться всем имеющим дело с растворимыми азидами металлов, в том числе и химикам, поскольку азиды используются для получения особо чистого азота, в органических синтезах, в качестве порообразователя – вспенивающего агента для получения газонаполненных материалов: пенопластов, пористой резины и т. п. Во всех подобных случаях надо проследить, чтобы растворы азида не соприкасались с тяжелыми металлами, а сливные трубки были пластмассовыми.

Пигменты и красители

По определению, пигменты (от лат. pigmentum – «краска») – это тонкоизмельченные порошкообразные красящие вещества, которые, в отличие от красителей, не растворяются ни в воде, ни в органических растворителях. Пигменты бывают природные (как правило, неорганические) и синтетические. Первым пигментом, который использовал человек, была сажа. Сажа в большем или меньшем количестве появляется везде, где горит огонь, поэтому неудивительно, что сажу начали использовать в декоративных целях примерно 20 тысяч лет назад, вскоре после изобретения способов добывать огонь. Сажу и теперь производят в огромных количествах и используют как наполнитель резины, пластмассы, для изготовления типографских красок. Сажа исключительно устойчива к внешним воздействиям; до сих пор сохранились рисунки человека каменного века, выполненные сажей на стенах пещер. Вероятно, самая знаменитая из них – пещера Ласко во Франции. Ее случайно обнаружили в 1940 г. мальчики под упавшим после бури деревом. На стенах пещеры с помощью сажи, а также красновато-коричневых природных пигментов изображено множество животных: быки, лошади, олени, бараны, медведи, зубры. Теперь в этой пещере – прекрасно оборудованный музей.

Рисунки древнего человека, выполненные природными пигментами

Самыми труднодоступными в течение многих тысячелетий были пигменты синего цвета. Вероятно, первое использование синей природной краски произошло примерно 5 тысяч лет назад. Во время раскопок шумерского города Ура Халдейского были найдены золотые и серебряные фигурки животных, украшенные ляпис-лазурью – полудрагоценным камнем, содержащим пигмент ультрамарин. Сравнительно недавно было показано, что синий цвет этого пигмента связан с присутствием в нем анион-радикала [·S_3]–, в котором имеется неспаренный электрон (он изображен точкой). В Европе синие пигменты были настолько дорогими (их продавали буквально на вес золота), что порой специальные комиссии решали, какие именно участки росписи должны быть синего цвета. В античные времена использовали пигмент египетский синий, это был алюмосиликат меди (медное стекло). С VI–VII веков художники начали использовать природный ультрамарин, который готовили из ляпис-лазури, привозимой из Афганистана. По составу ляпис-лазурь – сложная смесь нескольких минералов, синий цвет которой придает гаюин – алюмосиликат, содержащий хлор и серу. Из килограмма лазури получали после длительной обработки всего 30 г синего пигмента. И лишь в 1704 г. был получен первый искусственный синий пигмент. Это была берлинская лазурь – гексацианоферрат железа-калия, содержащий атомы железа в разных степенях окисления: KFe+3[Fe+2(CN)6]. Синий кобальтовый пигмент – Тенарову синь (алюминат кобальта CoAl_2O_4) впервые получили во Франции в 1802 г., и был он в те времена очень дорогим. Однако известные к началу XIX века искусственные синие пигменты по своим качествам не могли заменить природную лазурь. В 1824 г. во Франции была обещана огромная премия в 6000 франков за способ получения искусственной лазури. Уже через четыре года премию получил Ж. Гиме; почти одновременно и независимо от него то же открытие сделал известный немецкий химик Л. Гмелин. Для получения искусственного ультрамарина прокаливали белую глину (каолин) с сульфатом калия и с углем. С тех пор природный камень перестали переводить на краску. Органический синий пигмент – индиго начали добывать еще несколько тысячелетий назад в Индии. Индиго добывали из листьев различных растений. Наибольший выход получался из растения рода Indigofera, которое произрастает в странах с тропическим влажным климатом. В Европе до середины XVII века, когда голландцы начали ввозить индиго из южных колоний, этот краситель добывали из листьев местного растения – так называемой красильной вайды. Листья замачивали водой, при этом в раствор переходил бесцветный гликозид (соединение с глюкозой) индикан. Затем водный экстракт сбраживался под действием микроорганизмов. В результате ферментативного процесса образуется глюкоза и 3-гидроксииндол (индоксил) – бесцветное соединение, которое при окислении кислородом воздуха (быстрее на прямом солнечном свету) превращается в индиго, оседающее на дно сосуда в виде синих хлопьев. Вся цепочка превращений показана на схеме.

В начале XIX века Наполеон обратился к французским ученым с предложением найти способ получения индиго из отечественного сырья и предложил за решение этой задачи баснословную по тем временам сумму – 1 млн франков. Но в те времена химики еще не были готовы взяться за эту проблему: органическая химия находилась в зачаточном состоянии. Химическое строение индиго было установлено в 1883 г. немецким химиком Адольфом фон Байером – через 18 лет после того, как он начал исследовать этот краситель и спустя 5000 лет после его открытия человеком. Как заявил Байер, он может доказать экспериментально место каждого атома в молекуле индиго! Байеру удалось также синтезировать индиго, исходя из фенилуксусной кислоты С_6Н_5СН_2СООН, однако этот синтез не нашел практического применения. Промышленный синтез индиго начался спустя несколько лет на баденской анилино-содовой фабрике (БАСФ), которая использовала метод, разработанный Карлом Хейманом. К началу ХХ века индиго синтезировали уже тысячами тонн, что соответствует сотням тысяч гектаров индиговых плантаций. Производству индиго сильно способствовало правительственное распоряжение, по которому синее сукно германской армии обязательно красилось синтетическим индиго. Выпуск индиго достиг максимума к концу 70-х гг. ХХ века – около 20 000 тонн в год. В конце XIX века БАСФ на разработку промышленного экономически выгодного синтеза индиго затратила 3 млн марок. А фирма «Людвигсхафен» ассигновала на исследования сумму, намного превосходившую стоимость самой фирмы! Этот рекорд, вероятно, никогда не будет превзойден. Потраченные деньги вернулись сторицей. Достаточно вспомнить гималаи джинсов, выпущенных за прошедшие годы и окрашенных синтетическим индиго.

А какой был первый синтетический краситель, для которого не существует природных аналогов? В книгах по истории химии пишут, что это был мовеин. В 1856 г. английский химик Уильям Генри Перкин, которому было тогда всего 18 лет, окисляя дихроматом калия неочищенный анилин (он содержал толуидины – метилпроизводные анилина), получил вещество красивого фиолетового цвета, пригодное для окрашивания тканей. Он назвал его мовеином (от англ. mauve – «мальва», травянистое растение с крупными яркими цветами). Перкин работал в домашней лаборатории, и его цель была совершенно иной – он надеялся получить из каменноугольного дегтя хинин – средство от малярии. Вместо лекарства он получил краситель, в результате чего бросил учебу и на деньги своей семьи построил фабрику, работа которой сделала ее хозяина очень богатым человеком.

Мовеин (смесь красителей)

Следует, однако, сказать, что честь открытия первого синтетического красителя из продуктов перегонки каменного угля принадлежит польскому химику Якубу Натансону. Работая в Тарту (в то время – Дерпт, а после 1893 г. – Юрьев) он почти одновременно с Перкином, но все же чуть раньше, получил нагреванием смеси анилина и дихлорэтана в запаянной трубке вещество кроваво-красного цвета, способное окрашивать ткани. Это был краситель фуксин. Последующие исследования показали, что Натансон получил, вероятно, смесь парарозанилина с его моно– и диметилзамещенными. Сейчас фуксин применяют в основном для окрашивания нетекстильных материалов – бумаги, кожи, дерева; для приготовления чернил, цветных карандашей, типографских красок.

Паранитрозанилин

В заключение – сведения о красителях, которые к концу ХХ века производились в наибольшем количестве. Первые два места делят индиго (его используют для окраски тканей) и так называемый дисперсный синий 79 (им красят полиэфирные волокна) – по 15 000 тонн в год. За ними следуют сернистый черный 1 (краситель для хлопка) – 10 000 т/год, активный черный 5 (краситель для хлопка) – 8000 т/год и кислотный черный 194 (краситель для полиамидных волокон, шерсти и кожи) – 7000 т/год.

Магнитом – по опилкам

Казалось бы, все, что касается игрушек для маленьких детей, уже изобретено и ничего принципиально нового создать невозможно. Однако это не так. Возьмем, например, игры, развивающие способность писать, а также создавать простые рисунки. Техническое задание таково: рисунок должен быть четким, легко стираться, а сама игрушка должна быть безопасной, причем – что немаловажно – безопасной именно для детей. В продаже можно встретить такую конструкцию. В герметичной коробке под пластмассовым прозрачным экраном помещен тонкий алюминиевый порошок (алюминиевая пудра). При встряхивании экран электризуется, и на него налипает слой порошка. С помощью помещенного в коробку штифта и двухкоординатного механизма, управляемого двумя ручками, можно нарисовать довольно сложные фигуры, «процарапывая» слой алюминия, то есть удаляя порошок острием штифта. Встряхивание коробки приводит игрушку в исходное состояние. К ее очевидным недостаткам относится невозможность оторвать штифт от экрана, то есть прервать линию (поэтому буквы и цифры нарисовать практически нельзя), а также сложность создания кривых: каждая ручка по отдельности позволяет проводить линию либо вправо-влево, либо вверх-вниз. Правда, последнее обстоятельство в какой-то мере может служить и достоинством игрушки, которая хорошо развивает координацию движения. Другой вариант подобной «рисовалки» еще проще. твердый темный лист покрыт гибкой матовой полимерной пленкой. Если с помощью заостренной палочки – стила – провести на пленке черту, то она прилипнет к подложке, и черта станет видна – останется темный след. Так можно нарисовать на пленке все, что угодно. Если же с помощью тонкого стержня, расположенного между пленкой и подложкой, отделить их друг от друга, все изображения исчезнут, и можно начинать с начала.

Игрушка

И вот новая остроумная игрушка (см. рисунок). Под прозрачным экраном – светло-серый порошок, сбоку в специальном углублении – «карандаш». Если его тонким металлическим кончиком провести по экрану, слегка его касаясь, под ним останется черный след. Передвинув расположенную снизу рукоятку из одного крайнего положения в Игрушка другое, можно стереть написанное или нарисованное и вернуть игрушку в исходное положение. Как же она устроена? Даже не ломая изделие, легко установить, что в его основе – магнитное действие: внутри – тонкий железный порошок, а наконечник «карандаша» – магнитик. В исходном положении более тяжелый железный порошок «тонет», и его не видно под слоем чего-то белого. Когда же магнитик подносят к экрану, он вытягивает железные опилки на поверхность, и они оставляют темный след. Длительное сохранение рисунка доказывает, что железному порошку непросто снова «утонуть» в вязкой массе. Нижняя ручка прикреплена к намагниченному стержню, расположенному за экраном. Проводя этим магнитом вдоль экрана, мы перемещаем все опилки к задней стенке, так что передняя светлеет. Это же можно сделать иначе, просто сильно встряхнув коробку, когда она находится в горизонтальном положении: более тяжелые железные опилки осядут вниз. (Если при этом коробку перевернуть, то опилки осядут на лицевую сторону, так что почернеет эта рабочая сторона.) Если вскрыть герметичный экран, обнаружится вот что. Верхняя и нижняя (она тоже прозрачная) поверхности разделены очень тонкими пластмассовыми перегородками, образующими сетку с ячейками около 1 мм (ее можно заметить на фотографии). Эта сетка разделяет рабочее поле на множество мелких ячеек, и в каждой ячейке перемещается своя небольшая порция магнитного порошка. Попасть из одной ячейки в другую он не может. Порошок смешан вовсе не с мелом или чем-то подобным, как могло показаться вначале; на самом деле он плавает в густой белой жидкости. Жидкость эта негорючая и испаряется очень медленно. Следовательно, это не органический растворитель, а скорее всего, вода. После ее испарения остается немного органического вещества, которое можно сжечь, и негорючий белый порошок, похожий на мел. Но мел можно исключить, потому что белый порошок не растворяется в соляной кислоте. Возможный вариант – диоксид титана, TiO_2 – белый пигмент, который широко используется для изготовления белил. Что же представляет собой эта густая жидкость? Вероятный ответ таков. Один из способов промышленного производства поливинилхлорида – эмульсионная полимеризация. По этому способу инициатор радикальной полимеризации (например, перекись водорода) растворен в водной фазе, а полимеризация органического мономера идет в мицеллах – крошечных капельках, образованных эмульгатором – каким-либо поверхностно-активным веществом наподобие мыла. В результате получается латекс с размерами частиц полимера 0,03–0,5 мкм. Латекс сушат в распыленном виде, получая мелкий порошок полимера. Добавляя к нему растворитель, изготавливают пасты, вязкие коллоидные растворы. Такие растворы, которые называются пластизолем, можно перерабатывать в самые разнообразные изделия. Методом макания из пластизоля можно получить перчатки, которыми пользуются электрики (поливинилхлорид – прекрасный изолятор), изоляционный слой на ручках инструментов, покрытия на стеклянных флаконах с аэрозольной упаковкой медикаментов (например, ингалипта). Заливкой пластизоля в формы изготовляют воздушные и масляные фильтры для автомобилей, обувь, уплотнительные прокладки для крышек банок и бутылок, используемых для пищевых продуктов. Напылением пластизоля можно получить защитное покрытие для днищ и сварных швов автомобилей. А искусственную кожу или моющиеся обои можно получить методом шпредирования. Что означает это странное слово? По-английски to spread – «распределять по поверхности», «промазывать», в том числе и резиной. Но написание термина показывает, что он пришел в русский язык из немецкого, в котором сочетание sp чаще всего читается как «шп» (кстати, по-немецки Spreadingmaschine – «машина для прорезинивания тканей»). Наконец, из пластизоля можно делать мячи, детские игрушки и т. п. В пластизоль часто вводят значительные количества (до 50 % по массе) минеральных наполнителей – мел, каолин, аэросил (мелкодисперсный диоксид кремния SiO_2), бентонит, диоксид титана и др. Значит, для изготовления нашей игрушки можно было использовать производимый промышленностью, а потому сравнительно недорогой поливинилхлоридный пластизоль. Остается восхититься изобретательностью тех, кто эту игрушку придумал.

Какого цвета чернила?

Странный вопрос: самого разного! Но ведь само слово «чернила» подразумевает, что они должны быть черными! Действительно, раньше, когда не было ни шариковых ручек, ни синтетических красителей, писали в основном черными чернилами. Как их делали? На нижних сторонах дубовых листьев обычно к концу лета часто встречаются мягкие круглые орешки-галлы. Иногда их бывает так много, что листья тяжело свисают вниз. Сначала галлы зеленые, потом краснеют и выглядят как маленькие яблочки, прилипшие к листу. Самому дубу галлы ни к чему – они образуются на листьях дуба от укуса крохотной мушки – орехотворки. Самка мушки, откладывая яйца, ранит дубовый лист, вызывая образование на нем патологических наростов. Развивающиеся личинки находят внутри этих наростов надежную защиту. Когда орешки-галлы созреют, из них выводятся маленькие крылатые насекомые с четырьмя прозрачными клетчатыми крылышками. Галлы интересны тем, что содержат дубящее вещество – танин. Танин есть и в чае, и дубовой коре, но там его в несколько раз меньше. Еще в древности галлы называли чернильными орешками, потому что их использовали для получения чернил.

Орешек-галл

К соку из галлов добавляли железный купорос или другие соли железа. На воздухе полученный раствор приобретал глубокий фиолетово-черный цвет. Реакция эта очень чувствительная: окраска появляется даже с очень малым количеством железа. Если воду, в которой много железа (такая вода имеет обычно специфический запах и оставляет на белой раковине ржавые потеки), налить в стакан и выжать в него сок из нескольких галлов, вода окрасится в темный фиолетово-сиреневый цвет. Еще в XVII веке английский ученый Роберт Бойль установил, что «одна крупинка купороса, растворенная в таком количестве воды, которое в шесть тысяч раз превышает ее вес, способна дать с дубильным орешком пурпурную настойку» (по-английски purple означает и пурпурный, и багровый, и фиолетовый цвет). Поэтому с помощью чернильных орешков можно проверить, есть ли в питьевой или минеральной воде железо. Если появится окраска, значит, железо есть. И чем его больше, тем окраска темнее. Когда железа много, раствор получается черным. К полученным чернилам добавляли камедь – густой сок некоторых деревьев, например, вишни. Камедь придавала чернилам из галлов красивый блеск. Вот один из старинных рецептов приготовления черных чернил: камеди – 3 части, железного купороса – 2 части, чернильных орешков – 3 части, воды – 30 частей. Чернила эти очень устойчивы: сохранились, например, написанные ими средневековые рукописи. В XIX веке химики научились изготовлять синтетические красители, из которых можно было делать чернила всех цветов радуги – красные, зеленые, синие, фиолетовые. Но название у них осталось старинное, напоминающее о том, что первые чернила действительно были черного цвета. Чтобы чернила не стекали с пера, как чистая вода, в их состав вводили (и сейчас вводят – для тех, кто любит писать перьевыми ручками) загустители, например, глицерин или сахар, а чтобы чернила не портились при хранении, к ним добавляют дезинфицирующее средство, например фенол. В конце 40-х гг. ХХ века появилось и вскоре получило широкое распространение новое изобретение – шариковая ручка. Она очень удобна: вместо вечно пачкающихся и медленно сохнущих жидких чернил – трубочка с густой пастой; вместо клякс и неровных линий – тонкий равномерный след, который оставляет маленький стальной шарик. Сначала чернильную пасту для шариковых ручек делали на основе касторового масла. Это было не очень удобно: буквы сохли медленно и легко стиралась. Сейчас пасту делают из синтетической смолы и стойких красителей; написанное такой пастой не смазывается, быстро высыхает и не боится воды. Претерпел изменения и наконечник шариковой ручки – пишущий узел: шарик теперь часто делают из очень твердого вещества – карбида вольфрама, а наконечник изготовляют не из латуни, а из нержавеющей стали. Такой ручкой можно писать целый год.

«Ракета» из баллона

Многие газы, используемые в лаборатории, медицине, промышленности, хранят в стальных баллонах. Чтобы в баллон вошло как можно больше вещества, газы закачивают в них под очень высоким давлением. Еще лучше, если газ удается сделать жидким – тогда его в баллон войдет намного больше. Известно, что вещества в жидком состоянии занимают значительно меньший объем, чем в газообразном (при равной массе). Например, 1 кг жидкого пропана С_3Н_8 (при комнатной температуре он сжижается уже при небольшом давлении) занимает объем около 2 л, тогда как объем 1 кг газообразного пропана (при той же температуре и атмосферном давлении) – более 500 л. Однако некоторые газы сжижаются только при очень низких температурах, а при комнатной температуре они не превращаются в жидкость даже при самых высоких давлениях. Когда-то такие газы называли постоянными. Этих газов не так уж много; к ним относятся водород, азот, аргон, водород, гелий, кислород, неон, фтор, оксид азота, оксид углерода (угарный газ), метан и некоторые другие. Температура, выше которой газ не может быть превращен в жидкость, называется критической. Существование такой температуры теоретически открыл Д. И. Менделеев в 1860 г. и экспериментально исследовал ирландский ученый Томас Эндрюс в 1869 г. Например, для метана критическая температура равна минус 82,6 °С, а для пропана – плюс 96,6 °С. Так что пропан при комнатной температуре легко сжижается (при 22 °С – при повышении давления до 9 атм), а метан сделать при такой температуре жидким невозможно. Поэтому в качестве бытового баллонного газа используют не метан, а более дорогой пропан. Пропан – хорошее горючее, а главное – его можно хранить в сжиженном виде при невысоком давлении в сравнительно легких баллонах, и помещается его там намного больше, чем метана под давлением. Такие же газы, как метан, кислород, азот, приходится закачивать в толстостенные тяжелые стальные баллоны при очень высоких давлениях – примерно 15 МПа, или 150 атм (при низких давлениях газа в баллон поместится очень мало). Чтобы различить газы, баллоны окрашивают в определенный цвет: с кислородом – в голубой, с ацетиленом – в белый, с азотом – в черный, с гелием – в коричневый, с водородом – в темно-зеленый и т. д. Окрашенные в голубой цвет баллоны со сжатым кислородом можно увидеть в больницах, во время строительных и ремонтных работ.

Баллоны с газами под высоким давлением представляют определенную опасность, поэтому их хранят в строгом соответствии с правилами техники безопасности. Их нарушение может обернуться крупными неприятностями. Например, для смазывания вентилей баллонов с кислородом ни в коем случае нельзя использовать смазки на основе углеводородов: их реакция с кислородом, находящимся под высоким давлением, может привести к взрыву. Опасность представляет и водород, который используют во многих химических лабораториях. Ведь если вентиль плохо закрыть или он испортится, в помещение может попасть много водорода, который с воздухом образует взрывчатую смесь. Баллоны со сжатым водородом для безопасности прикрепляют с помощью специальных хомутов к стене или даже выносят во двор; в последнем случае газ поступает в лабораторию по тонкой металлической трубке.

Стальные баллоны со сжатым водородом

Что может произойти, если не выполнять строго меры безопасности? Вот какой случай произошел в одной лаборатории в США. Там по халатности баллон с водородом не закрепили, а просто оставили на некоторое время стоять у стены. Проходящий мимо сотрудник случайно задел баллон, и он упал. При падении вентиль на краю тяжелого баллона задел за край стола и отвалился. Из широкого отверстия со свистом стал с огромной скоростью вырываться сжатый газ. К счастью, рядом не было открытого пламени, иначе взрыв был бы неминуем. Но и без этого баллон наделал немало бед. Высокая скорость истечения водорода привела к тому, что лежащий баллон превратился в настоящую ракету. Как тяжелая торпеда, он пробил внутреннюю перегородку лаборатории, затем вторую, с огромной силой ударил во внешнюю кирпичную стену здания, пробил ее и приземлился во дворе в сотне метров от места своего старта!

Засыплем в баки алюминий?

Ограниченность запасов нефти на планете, неоднократно разражавшиеся «бензиновые кризисы» уже давно поставили перед учеными задачу найти замену традиционному топливу для автомобилей. Первые электромобили появились чуть ли не одновременно с бензиновыми, однако до сих пор подавляющее число водителей заливают в баки своих машин бензин или солярку, намного реже можно встретить автомобили, работающие на газе, а вот электромобилей, вся энергия для которых запасена в аккумуляторах, на улицах до сих пор не видно. Почему так? Все решает экономика: бензин с необыкновенной легкостью побеждает аккумуляторы по количеству энергии, запасенной на единицу массы. Теплота сгорания бензина – около 40 000 кДж/кг (примерно такая же, как у природных горючих газов), т. е. в 1 кг жидкого топлива «содержится» более 10 киловатт-часов энергии, тогда как в аккумуляторах – обычно не более 0,2 кВт-ч на 1 кг их массы; 50-кратное превосходство бензина преодолеть исключительно трудно. Тем не менее появляются все новые, иногда довольно неожиданные предложения. Например, заменить бензин… алюминием! Алюминий – очень активный металл. Если его лишить защитной оксидной пленки (это можно сделать, смочив его поверхность небольшим количеством ртути или галлия), алюминий начнет прямо на глазах окисляться, рассыпаясь в белый порошок: 2Al + 3O_2 = = 2Al_2O_3. Если такой «активированный» алюминий внести в воду, он начнет энергично реагировать с ней, вытесняя водород: 2Al + 6H_2O = 2Al(OH)3 + 3H_2. В щелочной среде реакция идет с образованием растворимого алюмината NaAl(OH)4 и сопровождается выделением большого количества энергии. Если просто растворять алюминий в щелочи, энергия выделится в виде теплоты, и тогда ее трудно использовать. Но в так называемых топливных элементах можно заставить химическую реакцию вырабатывать электрический ток. Это свойство и решили использовать американские электрохимики Джон Купер и Эрвин Бэрин из Национальной лаборатории имени Лоуренса при Калифорнийском университете (США). Они создали прибор, в котором электрический ток вырабатывается в результате реакции алюминия с кислородом и водой в присутствии щелочи: 4Al + 6H_2O + 4NaOH + 3O_2 = 4NaAl(OH)4. Анод в топливном элементе, использующем эту реакцию, изготовлен из алюминиевой пластины с добавкой 0,05 % галлия, катод – из пористого графита с катализатором. Образующийся при работе топливного элемента алюминат натрия несложно регенерировать; при этом образуются NaOH и Al(OH)3. Гидроксид натрия возвращается в раствор, а осадок гидроксида алюминия отфильтровывается и через каждые 500–1000 км пробега извлекается из автомобиля и сдается на приемный пункт, откуда его направляют на завод для получения из него алюминия.

Результаты эксплуатации опытных батарей показали, что при движении электромобиля массой 1,3 тонны со скоростью 90 км/ч 1 кг алюминия будет израсходован через 20 км пробега (для сравнения: 1 кг бензина обычно хватает лишь на 15 км). Правда, батарея топливных элементов (их потребуется несколько десятков) займет значительно больше места, чем бензобак, зато в электромобиле не будет карбюратора, цилиндров, трансмиссии и прочих деталей, без которых не может обойтись автомобиль с двигателем внутреннего сгорания: их заменят небольшие электромоторы, расположенные прямо на ведущих колесах. Заменять алюминиевые пластины в батареях тоже придется намного реже, чем заливать в бак бензин. Вроде бы все хорошо, но есть в этом заманчивом предложении один недостаток, который не позволяет широко внедрить его в жизнь. Алюминий на заводах получают с помощью электричества. Процесс этот очень энергоемкий: на 1 кг алюминия расходуется примерно 15 кВт-ч электроэнергии. Число автомобилей в мире исчисляется сотнями миллионов, и простой расчет показывает, что для их исправного снабжения алюминием необходима 10-кратная мощность всех существующих электростанций! Значит, даже если бы новые автомобили работали со 100 %-ным КПД (чего не бывает) и человечество отказалось бы от всех других применений электричества (что также маловероятно), все равно лишь один из 10 «бензиновых» автомобилей удалось бы заменить на «алюминиевый». Вот почему во всем мире огромные количества нефти продолжают перерабатывать на бензин.

И все же алюминий нашел практическое применение в качестве топлива. Но не автомобильного, а ракетного. Ведь ракета, в отличие от автомобиля, должна нести в себе не только топливо, но и окислитель (жидкий кислород, жидкий тетраоксид азота N_2O_4 и т. п.). Для полного сжигания 1 кг алюминия требуется почти вчетверо меньше кислорода, чем для сжигания 1 кг керосина. Кроме того, алюминий может окисляться не только свободным кислородом, но и связанным, входящим в состав воды или углекислого газа. При «сжигании» алюминия в воде на 1 кг продуктов выделяется 8800 кДж; это в 1,8 раза меньше, чем при сгорании металла в чистом кислороде, но в 1,3 раза больше, чем при его сгорании на воздухе. Значит, в качестве окислителя такого топлива можно использовать вместо опасных и дорогостоящих соединений простую воду. Реакцию алюминия с водой можно осуществлять, например, в двигателях ракеты первой ступени. Расчеты показали, что при этом запас топлива, который требуется для предварительного разгона многоступенчатой ракеты, можно уменьшить в 1,5–2 раза по сравнению с традиционными видами топлива. А на Венере можно было бы вообще не брать на ракету запас окислителя. В атмосфере этой планеты 97 % углекислого газа, в котором алюминий сгорает с выделением 15 000 кДж на 1 кг металла: 2Al + 3CO_2 = Al_2O_3 + 3CO.

Идея использования алюминия в качестве горючего – не новость. Еще в 1924 г. отечественный ученый и изобретатель Ф. А. Цандер предложил использовать алюминиевые элементы космического корабля в качестве дополнительного горючего. Этот смелый проект пока практически не осуществлен, зато большинство известных в настоящее время видов твердого ракетного топлива содержат металлический алюминий в виде тонко измельченного порошка. Добавление 15 % алюминия к топливу может на тысячу градусов повысить температуру продуктов сгорания (с 2200 до 3200 К); заметно возрастает и скорость истечения этих продуктов из сопла двигателя – главный энергетический показатель, определяющий эффективность ракетного топлива. В этом плане конкуренцию алюминию могут составить только литий, бериллий и магний, но все они значительно дороже алюминия.

«Резиновая древесина»

Дерево в основном состоит из целлюлозы; длинные полимерные цепи молекул целлюлозы (каждая содержит от 2500 до 3100 элементарных звеньев) закручены в спираль, жесткость которой обеспечивают внутримолекулярные водородные связи между гидроксильными группами –ОН. Водородные связи (их еще называют водородными мостиками) скрепляют между собой также соседние цепи целлюлозных молекул. Одна водородная связь довольно слаба по сравнению с другими химическими связями. Но так как мономерных звеньев (глюкозных остатков) в молекуле целлюлозы несколько тысяч, то и водородные связи, образуемые одной длинной молекулой, также исчисляются тысячами. Именно поэтому древесина такая жесткая и прочная. Однако водородные связи, скрепляющие целлюлозные цепи, можно разрушить, например, паром при высокой температуре. Тогда древесина становится гибкой. Именно так загибают, например, концы у деревянных лыж. Особенно легко водородные связи рвутся в жидком аммиаке, который связывает атомы водорода гидроксильных групп в ионы NH_4+. В результате молекулы целлюлозы приобретают способность гнуться, а также скользить относительно друг друга. Такое свойство жидкого аммиака позволяет провести эффектный опыт по размягчению дерева. Для этого деревянную палочку, например от мороженого, нужно опустить на некоторое время в жидкий аммиак (он имеет температуру –33,4 °С и испаряется из обычного стакана довольно медленно; конечно, опыт можно проводить только в вытяжном шкафу). После того как палочка как следует пропитается жидким аммиаком, ее можно гнуть как угодно в любом направлении и даже свернуть в спираль – как будто она сделана не из дерева, а из мягкого свинца.

Эти спички и палочки от мороженого можно было согнуть не сломав, когда они были погружены в жидкий аммиак

Если теперь палочку вынуть из жидкости, то при комнатной температуре аммиак через несколько минут испарится, и водородные связи снова восстановятся – но уже в других местах. Палочка вновь станет жесткой, сохранив при этом ту форму, которую ей придали.

Экология по-американски и по-советски

Проблемы защиты окружающей среды от вредного воздействия промышленного производства волновали людей задолго до того, как появилась наука экология. Решались эти проблемы по-разному. Но то, что случилось в середине XIX века в США, видимо, не имеет аналогов. В 1859 г. профессор химии Гарвардского университета Эбен Хорсфорд и текстильный промышленник из города Провиденса (штат Род-Айленд) Джордж Уилсон организовали в Сиконке (штат Массачусетс) химическое предприятие. Среди его основных продуктов были удобрения и изобретенный Хорсфордом пекарский порошок, который взрыхлял тесто при выпечке. С самого начала у нового производства возникли проблемы с законодательством штата, регулировавшим допустимые пределы загрязнения воздуха. Местные жители предъявили владельцам судебный иск, мотивируя его значительными выбросами вредных веществ в атмосферу. В 1861 г. владельцы химического завода решили эту проблему самым необычным способом: им удалось добиться изменения границы между двумя соседними штатами – Массачусетсом и Род-Айлендом! При этом западная часть Сиконка, где располагался завод, отошла к Род-Айленду; в результате этот штат приобрел очень важное для своей экономики предприятие. В то же время законы Род-Айленда были не такими строгими, как в Массачусетсе, так что трубы завода могли теперь дымить на вполне законном основании…

Другая, не менее курьезная история произошла в США в городе Филадельфии, через который протекают реки Делавэр и Скулкилл. Последняя давала городу примерно пятую часть питьевой воды. На берегу этой реки находились различные промышленные предприятия, которые сливали в воду свои отходы. В результате запах и вкус питьевой воды, взятой из реки, даже после хлорирования были настолько отвратительными, что было решено попробовать, не поможет ли тут озонирование воды. Озон, который буквально «сжигает» большинство органических соединений, превращая их в безвредные углекислый газ и воду, сделал свое дело: вода стала пригодной для питья.

Но вот парадокс: уже после обработки озоном воду продолжали хлорировать! Делали это не по глупости и не для перестраховки, а лишь для того, чтобы не нарушать закон. По закону же питьевая вода должна была попадать к потребителю после обязательного хлорирования. Никакой замены хлору законом не предусматривалось. Ничего плохого, кстати, хлорирование не давало: озон уже разрушил органические примеси в воде, а добавленный хлор со временем бесследно улетучивался и не приводил к появлению какого-либо запаха или привкуса. Конец этой истории тоже был «антинаучным». Когда под нажимом властей владельцы различных предприятий вынуждены были прекратить сброс в Скулкилл неочищенных промышленных отходов, станция озонирования была закрыта. Хотя логичнее было бы закрыть станцию хлорирования: как показала практика, озон значительно лучше хлора очищает питьевую воду. В настоящее время озонирование водопроводной воды применяется во все более широких масштабах. Ограничивает применение озона лишь более высокая его стоимость по сравнению с хлором.

А вот какая история произошла в нашей стране. В конце ХХ века ученые забили тревогу: в земной атмосфере появились и начали расти «дыры» в озоновом слое. Причины этого явления полностью пока не известны. Предполагают, что помимо природных факторов, влияющих на озоновый слой, появились и искусственные. Хорошо известный пример – фреоны. Фреоны – это углеводороды, в которых атомы водорода (некоторые или все) замещены атомами фтора и хлора. Фреоны не ядовиты, многие из них – летучие жидкости или легко сжижающиеся газы. Потому фреоны широко использовали в холодильной технике и для заполнения аэрозольных баллончиков, которые во всем мире выпускаются в огромном количестве: в них заправляют дезодоранты, лаки для волос, освежители воздуха, средства для мытья окон, полировки мебели и т. д. и т. п. Понятно, что в конечном счете все эти фреоны попадают в воздух; так, только в 1973 г. в атмосферу было выпущено 230 тысяч тонн фреонов! Попавшие в воздух фреоны медленно, в течение многих лет и даже десятилетий, поднимаются с потоками воздуха все выше и выше, достигая наконец озонового слоя. Тут-то они и проявляют свое коварное действие: разлагаясь под действием солнечной радиации, фреоны высвобождают атомы хлора, которые начинают каталитически разлагать озон, что и приводит к снижению его концентрации. Пока не известно в точности, в какой степени именно фреоны повинны в «озоновых дырах», и тем не менее уже давно пытаются принимать меры, причем самые энергичные. Например, с 15 декабря 1978 г. в США было запрещено производство практически всех аэрозольных баллончиков, содержащих фреоны.

Казалось бы, надо делать все возможное, чтобы снизить выбросы фреонов в атмосферу. Но вот какая история произошла в конце 1980-х гг. в Особом конструкторском бюро одного московского института. Там в лаборатории использовали газообразный фреон. Его хранили в стальных баллонах под большим давлением. Регулярно, раз в два месяца, эти баллоны заменяли новыми. Как это было принято, для получения с завода шести новых, полностью заполненных баллонов с фреоном, необходимо было сдать шесть пустых. Однако случалось так, что к моменту замены (это могло случиться, например, после летних отпусков) был использован не весь фреон. Казалось бы, что за беда – сдай часть баллонов или перенеси обмен еще на два месяца. Но в условиях плановой социалистической экономики это грозило серьезными последствиями: раз весь фреон за два месяца не использовали, значит, он в таких количествах предприятию не нужен! Многим советским снабженцам эта ситуация была хорошо знакома: если к сроку не использовать выделенные фонды (деньги, реактивы, оборудование и т. п.), то в следующий раз можно их получить в сильно урезанном количестве или даже не получить вовсе! Так плановой экономике работать проще. Отсюда – огромные запасы сверхнормативного оборудования, материалов, реактивов на советских предприятиях: они появлялись по принципу «бери, когда дают» – на всякий случай, про запас, и чем больше, тем лучше.

Руководитель лаборатории, чтобы выйти из положения, отдал распоряжение рабочим выкатить баллоны во двор и открыть вентили. И целый день сотрудники слышали легкое шипение улетающего в атмосферу фреона. Что поделать – производственная необходимость! Успокаивали себя тем, что шесть баллонов сжатого фреона – не так много по сравнению с целой атмосферой. Как тут было не вспомнить чеховский рассказ «Злоумышленник», герой которого откручивал гайки с железнодорожного полотна.

Случались и значительно более печальные (и опасные) примеры вопиющей экологической безграмотности. Рабочий одного электролампового завода вынес с территории довольно много ртути; сделал он это в несколько приемов, так как ведро, заполненное до краев ртутью, весит около 150 кг! Причин для кражи было две. Во-первых, больше с завода вынести было нечего. Во-вторых, ртуть стоит дорого (в десятки раз дороже меди), так что была надежда выгодно ее продать. Однако охотников купить несколько десятков килограммов отравы не нашлось. И тогда какой-то «знаток» посоветовал рабочему использовать тяжелую жидкость на своем приусадебном участке – в то время он как раз устанавливал столбы для ограды. Ему сказали, что если выкопать в земле небольшую ямку, а потом залить в нее ртуть, то она своей тяжестью «продавит землю». Понятно, что земля никак не продавилась, но в результате вся округа была отравлена ртутью, вероятно на много веков вперед: ртуть в земле очень медленно превращается в растворимые соединения, а подземные воды разносят их на большие расстояния. Хуже того: металлическая ртуть может превращаться в земле в органические соединения, которые значительно более токсичны. Об этой опасности следует рассказать чуть подробнее. Чрезвычайно ядовитые производные ртути образуются в результате так называемого биологического метилирования. Этот процесс происходит под действием микроорганизмов и характерен не только для ртути, но и для мышьяка, селена, теллура. Ртуть и ее неорганические соединения, которые широко используются на многих производствах, со сточными водами могут попасть на дно водоемов. Обитающие там микроорганизмы превращают их в диметилртуть (CH_3)2Hg, которая относится к числу наиболее ядовитых веществ. Диметилртуть далее легко переходит в водорастворимый катион HgCH_3+. Оба вещества поглощаются водными организмами и попадают в пищевую цепочку: сначала они накапливаются в растениях и мельчайших организмах, затем – в рыбах. Метилированная ртуть очень медленно выводится из организма – месяцами у людей и годами у рыб. Поэтому концентрация ртути в биологической цепочке непрерывно увеличивается, так что в рыбах-хищниках, которые питаются другими рыбами, ртути может оказаться в тысячи раз больше, чем в воде, из которой она выловлена. Именно этим объясняется так называемая болезнь Минамата – по названию приморского города в Японии, в котором за несколько лет от отравления ртутью умерли 50 человек и многие родившиеся дети имели врожденные уродства. Опасность оказалась так велика, что в некоторых водоемах пришлось приостановить лов рыбы – настолько она оказалась «нашпигованной» ртутью. Страдают от поедания отравленной рыбы не только люди, но и рыбы, тюлени.

Химик находит выход

С еще одной, причем довольно неожиданной, экологической проблемой столкнулся сотрудник Центра научного образования Кейптаунского университета (ЮАР) П. Э. Спаро. Одна из задач Центра состоит в помощи местным школам, которым требуется избавиться от старых химикатов. Такая работа может быть связано с серьезной опасностью; например, в некоторых давно хранящихся реактивах (диэтиловом эфире и др.) могут накапливаться взрывчатые вещества. Непросто утилизовать также запасы калия и других очень активных щелочных металлов. В данном случае опасность была связана не со взрывом, а с отравлением, но Спаро нашел остроумный выход из положения. Что же произошло?

Сотрудники Центра были несколько ошеломлены, когда получили для утилизации наполовину заполненную алюминиевую канистру с жидким сернистым газом. Как следовало из этикетки, она и содержала первоначально 500 г вещества. Ее металлическая завинчивающаяся крышка сильно проржавела и «примерзла» к канистре намертво. Было такое ощущение, что им подсунули для обезвреживания настоящую бомбу! Действительно, при атмосферном давлении SO_2 кипит при температуре минус 10 °С. Но в Южной Африке жарко (Кейптаун находится примерно на широте Багдада, только в Южном полушарии), поэтому давление в канистре вполне могло превысить 5 атм (такое давление над жидким SO_2 достигается при 32 °С). Начали думать, что можно предпринять. Предложения были самые интересные. Например, поставить канистру посреди футбольного поля и метким выстрелом пробить в ней дыру. Но ЮАР – не американский Дикий Запад середины XIX века, да и пускать тяжелый ядовитый газ в городскую атмосферу тоже не годится. Предельно допустимая концентрация SO_2 в атмосферном воздухе составляет 0,5 мг/м^3, следовательно, содержимое канистры могло отравить около миллиона кубометров воздуха!

И тут Спаро вспомнил, что сернистый газ хорошо растворяется в воде (115 г в литре воды при 20 °С), образуя сернистую кислоту. В то же время воду в бассейнах (домашние бассейны в Кейптауне – не очень большая редкость) предписано обрабатывать для дезинфекции порошком гипохлорита кальция, который содержит так называемый активный хлор (гипохлорит кальция – один из компонентов хлорной извести). Чтобы вещество медленно выделяло хлор и было активным, необходимо, чтобы вода была чуть подкислена, то есть нужно поддерживать в ней достаточно низкий уровень рН. В кислой среде гипохлорит разлагается: Ca(OCl)2+ 2H+ = Ca2+ + Cl_2O + H_2O. Оксид Cl_2O, подобно хлору, обладает бактерицидным действием.

Итак, автор принес канистру домой, надел купальный костюм и маску и, держа в одной руке канистру, а в другой – тяжелый гаечный ключ, прыгнул в свой бассейн. Находясь под водой, он безуспешно пытался отвернуть пробку. При этом, как он вспоминает, за ним наблюдали двое: жена – очень волнуясь, а собака – с искренним интересом.

Отвернуть пробку так и не удалось. Но оказалось, что пустого места в канистре достаточно, чтобы она плавала на воде, и тут же возникла новая идея. Сернистый газ замерзает при температуре ниже –75,5 °С. Почему бы не заморозить канистру (для этого можно использовать жидкий азот, температура которого равна –196 °С), продырявить ее и бросить в воду – тогда жидкий сернистый газ, нагреваясь и испаряясь, будет постепенно растворяться в воде бассейна. Чтобы снизить расход жидкого азота, Спаро поставил канистру в домашний морозильник, температура в котором была около –20 °С. (При этом опасения жены несколько изменили свою направленность – она стала волноваться уже за сохранность холодильника и продуктов в нем.)

На следующий день автор принес из университета сосуд Дьюара с двумя литрами жидкого азота. Этого количества оказалось достаточно, чтобы за 5 минут канистра охладилась значительно ниже, чем в морозильнике, а ее содержимое затвердело. Попросив жену отойти подальше (собака на эту просьбу не отреагировала) и сделав глубокий вдох, отважный химик, вооружившись большой отверткой, погрузил канистру в воду и пробил в ней дыру. Его мысли при этом вертелись вокруг вопроса, насколько обоснованны законы физической химии; оказывается, даже профессиональные ученые в определенных ситуациях могут в этом сомневаться… К счастью, законы сработали отменно: из отверстия не вышло ни миллиграмма замороженного ядовитого газа. Действительно, уже при температуре плавления (–75,5 °С) давление паров SO_2 снижается в 80 раз по сравнению с атмосферным, а при –100 °С – в тысячу раз и составляет менее 1 мм рт. ст. Так что с понижением давления не ядовитый газ должен был выходить наружу, а наоборот – в пробитое отверстие должен был сразу зайти воздух (а в условиях «эксперимента» – вода). Удивительно другое: как канистра выдержала такое снижение давления в ней и не сплющилась в процессе охлаждения! Возможно, в ней, кроме жидкого SO_2 и его паров, был также воздух.

Некоторое время холодная канистра не представляла опасности. Так что можно было спокойно привязать к ней кирпич и бросить в бассейн. Кирпич лег на дно, а канистра висела между дном и поверхностью воды. Вскоре ее содержимое достаточно разогрелось, давление паров SO_2 превысило атмосферное (плюс небольшое давление столба воды), и из отверстия начали выделяться пузырьки газа. В чистой воде было видно, что, поднимаясь, они успевали растворяться, пройдя всего четверть метра, и потому не достигали поверхности. Через 10 минут весь сернистый газ оказался растворенным в воде; никаких следов его запаха в воздухе не чувствовалось, а на опущенном в воду рН-индикаторе надпись «Добавить кислоту» сменилась на «Нормально». Так химику удалось справиться с задачей, и при этом получить моральное удовлетворение от применения на практике своих знаний. Все это он описал в заметке «Грандиозный эксперимент с канистрой, или Как обезвредить бомбу и перестать беспокоиться» – очевидная ассоциация с книгой Дейла Карнеги. Статья была опубликована в «Журнале химического образования», издающемся Американским химическим обществом – в назидание другим химикам.

Интересно подсчитать концентрацию сернистой кислоты в воде. Домашние бассейны обычно невелики. Пусть его площадь составляет 25 м^2, а глубина 2 м, тогда объем воды равен 50 м^3. Если в канистре было 320 г SO_2 (5 моль), то концентрация его в воде составила бы всего 10–4 моль/л (6,4 мг/л). Сернистая кислота относится к кислотам средней силы. При таком разбавлении ее диссоциация по первой ступени H_2SO_3 = H+ + HSO–3 проходит практически полностью. Поэтому концентрация ионов водорода в растворе также будет составлять 10–4 моль/л, что дает слабокислую среду с рН = 4.

«Консервированные кристаллы»

В 1989 г. химик из Ленинграда (ныне Петербург) Н. А. Петрова, открыв консервы с дальневосточной треской, обнаружила на рыбьих костях странные комочки. Под сильной лупой эти комочки оказались твердыми прозрачными кристалликами. Испытания показали, что это минерал струвит – двойной фосфат магния и аммония, содержащий кристаллизационную воду: NH_4MgPO_4 · 6H_2O. Минерал был назван в честь русского дипломата Генриха Струве (1772–1851).

В природе струвит встречается редко, но вещество этого состава хорошо известно химикам-аналитикам. Осаждение двойного фосфата аммония – магния используют как качественную реакцию на фосфат-анионы или на катионы магния. Реакцию проводят в слабощелочной среде, при которой фосфаты находятся в растворе в виде гидрофосфата: MgCl_2 + Na_2HPO_4 + NH_4OH + 5H_2O = = NH_4MgPO_4 · 6H_2O + 2NaCl. Получается белый мелкокристаллический осадок, который практически нерастворим в воде, но растворяется в разбавленных кислотах. Образование осадка может происходить не сразу; чтобы ускорить кристаллизацию, стенку пробирки надо потереть стеклянной палочкой. Этот старинный прием создает на стенках центры кристаллизации, и дальше выпадение осадка идет легко. При сильном увеличении в осадке видны кристаллы характерной формы. С помощью этой простой реакции можно обнаружить фосфат-анионы в удобрениях и даже в напитках типа «Пепси» или «Фанта» (в небольших концентрациях в них добавляют свободную фосфорную кислоту). Фосфат магния – аммония имеет довольно редкую особенность: его растворимость в воде уменьшается при повышении температуры – от 0,52 г/л при 20 °С до 0,19 г/л при 80 °С. Как же появился струвит в консервах? То, что в рыбьих костях много фосфора, общеизвестно. Богатую фосфором рыбную муку используют как пищевую добавку к корму сельскохозяйственных животных и птиц. Ну а магний в небольших количествах мог попасть в консервы с морской водой. Вот при длительном хранении и выросли в банке мелкие кристаллики. Кстати, для человека они совершенно безвредны.

Кристаллы струвита под микроскопом

Не исключено, однако, что кристаллы фосфата выросли на костях еще при жизни рыбы. Ведь кристаллы струвита встречаются при мочекаменной болезни у собак и кошек, а также у людей – в почках и в мочевом пузыре. У рыб мочевого пузыря нет, так что если отложение струвита на костях произошло еще в живой рыбе, то это можно рассматривать как некий аналог подагры – болезни, которую в народе называют отложением солей.

В чем растворяется золото?

Самородное золото, вероятно, было первым металлом, с которым познакомился человек. С древнейших времен блеск золота сопоставлялся с блеском солнца, на латыни – sol; отсюда и русское название этого металла. Английское gold, немецкое Gold, голландское goud, шведское и датское guld (отсюда, кстати, гульдены) в европейских языках связаны с индоевропейским корнем ghel и даже с греческим богом солнца Гелиосом. Латинское название золота aurum означает «желтое» и родственно с Авророй (Aurora) – утренней зарей. Яркий желтый цвет ассоциируется с золотом и в поэтических произведениях: «В багрец и золото одетые леса…» (А. С. Пушкин). У алхимиков золото считалось царем металлов, его символом было лучезарное солнце, а символом серебра – луна (в этой связи интересно, что отношение цены золота и серебра в Древнем Египте соответствовало отношению солнечного года к лунному месяцу). Когда алхимики открыли царскую водку – смесь соляной и азотной кислот, они с удивлением обнаружили, что она растворяет золото! Так появился символический средневековый рисунок: лев (царская водка), пожирающий солнце (золото). В современных обозначениях процесс растворения золота в царской водке выглядит несколько иначе: Au + 4HCl + HNO_3 = HAuCl_4 + NO +2H_2O. После осторожного выпаривания такого раствора выделяются желтые кристаллы комплексной золотохлористоводородной кислоты HAuCl_4 · 3H_2O.

Но только ли царская водка способна воздействовать на золото? Оказывается, золото не может сопротивляться действию многих веществ и смесей. Из простых веществ на золото действует озон (образуется коричневый оксид Au_2O_3), а при нагревании оно реагирует с газообразными фтором, хлором, бромом и йодом с образованием тригалогенидов: оранжевого фторида AuF_3, красного хлорида AuCl_3, коричневого бромида AuBr_3 и темно-зеленого йодида AuI_3 (поэтому золотые кольца боятся йодной настойки; как показал эксперимент, йодная настойка довольно быстро растворяет золотое покрытие с позолоченных электрических контактов). Йодид AuI_3 при повышенной температуре отщепляет иод с образованием светло-желтых кристаллов AuI. С хлорной водой золото реагирует уже при комнатной температуре с образованием HАuCl_4. Растворяется золото и в жидком броме.

Помимо царской водки золото растворяется также в горячей концентрированной селеновой кислоте H_2SeO_4, которая при этом восстанавливается до селенистой: 2Au + 6H_2SeO_4 = Au_2(SeO_4)3 +3H_2SeO_3 + 3H_2O. Если к горячей серной кислоте добавить окислитель (нитрат, перманганат, хромовую кислоту, диоксид марганца и др.), такой раствор тоже будет действовать на золото. Намного легче золото растворяется уже при комнатной температуре (при доступе воздуха) в водных растворах цианидов щелочных и щелочноземельных металлов. Реакции способствует образование очень прочных комплексных цианидов: 4Au + 8КCN + 2H_2O + O_2 = 4К[Au(CN)2] + 4КOH. Этот процесс (цианирование), открытый в 1843 г. русским инженером П. Р. Багратионом, лежит в основе важного промышленного способа извлечения золота из руд. А при анодном растворении золота в растворе щелочи (КОН) образуется аурат калия K[AuO_2] и анодный осадок Au_2O_3. Как видим, золото далеко не так благородно, как это принято считать.

Алхимическая аллегория растворения золота в царской водке

Оно реагирует со многими химическими веществами. Правда, в быту с этим явлением, как правило, можно не считаться. Ведь трудно представить, чтобы кто-то опустил палец с золотым кольцом в горячий концентрированный раствор селеновой кислоты. Хотя лучше избегать контакта золотых изделий с йодной настойкой – водно-спиртовым раствором йода и йодида калия, который действует на золото: 2Au + I_2 + 2KI = 2K[AuI_2] (и тем более на медь или серебро, с которыми золото сплавлено). А вот работникам цианидных и других производств необходимо считаться с возможностью коррозии золотых изделий!

Загадочный элемент – полоний

Открытие полония

Мало кому известно, что существование этого элемента предсказал в 1870 г. Д. И. Менделеев, а в 1889 г. он уточнил свойства не известного тогда элемента с порядковым номером 84. Менделеев назвал его двителлуром (на санскрите – «второй теллур») и предположил, что атомная масса нового элемента будет близка к 212. Конечно, Менделеев не мог предвидеть, что этот элемент окажется неустойчивым: в те времена вера в возможность превращения элементов считалась алхимическим пережитком.

Полоний – первый радиоактивный элемент, открытый в 1898 г. супругами Кюри. Когда Мария Склодовская-Кюри обнаружила сильную радиоактивность некоторых минералов, она начала поиски элемента, ответственного за это свойство. Мария тестировала на радиацию одно вещество за другим – все, которые она только могла достать, одолжить в химических лабораториях, выпросить в минералогических музеях (она не только аккуратно возвратила образцы владельцам, но и выразила им благодарность в своей публикации). Из веществ, не содержащих уран, активность проявили только соединения тория. Когда оказалось, что сильную активность проявляет урановая смоляная руда (в основном это оксид U_3O_8), Мария Кюри, которая была прекрасным химиком, решила выделить из этого соединения источник радиации.

Начала она с традиционного качественного химического анализа минерала по стандартной схеме, которая была предложена немецким химиком-аналитиком Карлом Ремигиусом Фрезениусом еще в 1841 г. и по которой многие поколения студентов в течение почти полутора веков определяли катионы металлов так называемым сероводородным методом. Вначале у нее было около 100 г минерала; затем американские геологи подарили ее мужу Пьеру Кюри еще 500 г. Проводя систематический анализ, Мария каждый раз проверяла отдельные фракции (осадки и растворы) на радиоактивность с помощью чувствительного прибора – электрометра, изобретенного ее мужем. В ходе химического анализа неактивные фракции отбрасывались, активные анализировались дальше. Марии помогал один из руководителей химического практикума в Школе физики и промышленной химии в Париже Густав Бемон. Мария растворила минерал в азотной кислоте, выпарила раствор досуха, остаток вновь растворила в воде и пропустила через раствор ток сероводорода. Выпал черный осадок, который мог содержать нерастворимые сульфиды свинца, висмута, меди, мышьяка, сурьмы и ряда других металлов. Осадок был радиоактивным, хотя уран и торий остались в растворе. Это бы первый признак существования нового радиоактивного элемента. Мария обработала осадок сульфидом аммония, чтобы отделить мышьяк и сурьму – они в этих условиях образуют растворимые тиосоли, например (NH_4)3AsS_4 и (NH_4)3SbS_3. Раствор не обнаружил радиоактивности и был отброшен. В осадке остались сульфиды свинца, висмута и меди. Этот осадок Мария снова растворили в азотной кислоте, добавила к раствору серную кислоту и выпарила на пламени горелки до появления густых белых паров SO_3. В этих условиях летучая азотная кислота полностью удаляется, а нитраты металлов превращаются в сульфаты. После охлаждения смеси и добавления холодной воды в осадке оказался нерастворимый сульфат свинца PbSO_4 – активности в нем не было, и он был отброшен. К отфильтрованному раствору добавили крепкий раствор аммиака. При этом снова выпал осадок, на этот раз – белого цвета; он содержал смесь основного сульфата висмута (BiO)2SO_4 и гидроксида висмута Bi(OH)3. В растворе же остался комплексный аммиакат меди [Cu(NH_3)4]SO_4 ярко-синего цвета. Белый осадок, в отличие от раствора, оказался сильно радиоактивным. Поскольку свинец и медь были уже отделены, в белом осадке был висмут и примесь нового элемента.

Мария снова перевела белый осадок в темно-коричневый сульфид Bi_2S_3, высушила его и нагрела в вакуумированной ампуле. Сульфид висмута при этом не изменился (он устойчив к нагреву и лишь при 685 °С плавится), однако из осадка выделились какие-то пары, которые осели в виде черной пленки на холодной части ампулы. Пленка была сильно радиоактивной и, очевидно, содержала новый химический элемент – аналог висмута в периодической таблице. Это был полоний – в то время третий после урана и тория радиоактивный элемент (в том же 1898 г. был открыт также радий). Как потом выяснилось, сульфид полония при нагревании в вакууме легко разлагается и возгоняется – его летучесть примерно такая же, как у цинка. Этим свойством до сих пор пользуются для получения металлического полония.

Супруги Кюри не спешили дать имя новому элементу. Ведь черного налета на стекле было так мало, что его невозможно было даже взвесить, а одной радиоактивности для признания вещества новым элементом было недостаточно. Коллега и друг супругов Кюри французский химик Эжен Анатоль Демарсе, специалист в области спектрального анализа (в 1901 г. он открыл этим методом европий), исследовал спектр испускания черного налета и не обнаружил в нем новых линий, которые могли бы свидетельствовать о присутствии нового элемента. Спектральный анализ – один из самых чувствительных методов, значит, в налете это вещество содержалось в исключительно малых количествах. Поэтому в статье, опубликованной 18 июля 1898 г., супруги Кюри написали осторожно: «Мы думаем, что вещество, выделенное нами из урановой смолки, содержит не известный пока металл, являющийся по аналитическим свойствам аналогом висмута. Если существование нового металла будет подтверждено, мы предлагаем назвать его полонием, по родине одного из нас» (Polonia на латыни – Польша). Это единственный случай, когда еще не идентифицированный новый химический элемент уже имел название. Получить весомые количества полония долго не удавалось – его в урановой руде было слишком мало. Лишь в 1910 г. путем переработки больших количеств руды удалось получить образец, содержащий 0,1 мг полония. Но прославило супругов Кюри открытие не полония, а радия.

Изотопы полония и их излучение

Для полония известно 35 изотопов, включая 8 ядерных изомеров (эти изомеры отличаются строением ядра и имеют разные периоды полураспада) с массовыми числами от 192 до 218. Все они радиоактивны с периодами полураспада (t1/2) от 3×10–7 секунды для 212Ро до 102 лет для 209Ро. Семь изотопов полония с массовыми числами от 210 до 218 встречаются в природе в очень малых количествах как члены радиоактивных рядов тория, урана – радия, и урана – актиния. Эти изотопы имеют свои исторические названия, принятые еще в начале ХХ века, когда их получали в результате цепочки распадов из «родительского» элемента – радия, тория или актиния: RaA (современное обозначение 218Ро), RaC' (214Po), RaF (210Po), ThA (216Po), ThC' (212Po), AcA (215Po) и AcC' (211Po). Все остальные изотопы полония получены только искусственно. Наиболее долгоживущие из них – 209Ро, 208Ро и 210Ро с периодами полураспада соответственно 102 года, 2,9 года и 138,4 суток. Это значит, что полония-210 (главного нашего «героя») через 4,5 месяца останется лишь половина, через 14 месяцев – около 10 %, через 2 года – менее 3 %, через 3 года – 0,4 %, через 4 года – всего 0,1 %. Легкие изотопы полония – чистые альфа-излучатели: при их распаде из ядра вылетают с огромной скоростью α-частицы (ядра гелия) с энергией от 6 до 7 МэВ (мегаэлектрон-вольт; для сравнения: энергия самой прочной химической связи в миллион раз меньше). При α-распаде масса ядра уменьшается на 4 единицы, а заряд ядра – на 2 (смещение на две клетки периодической таблицы влево). Начиная с 198Ро к α-распаду добавляется электронный захват (иначе – К-захват), при котором электрон с самой внутренней электронной оболочки атома (К-оболочки) захватывается ядром. При этом один протон превращается в нейтрон, масса ядра не меняется, а заряд уменьшается на единицу (смещение на одну клетку в таблице влево). Распад более тяжелых изотопов начиная с 199Ро сопровождается гамма-излучением, энергия которого может составлять от 0,17 до 2,6 МэВ. Два самых тяжелых изотопа, 215Ро и 218Ро, в небольшой степени обладают также бета-активностью. При β-распаде нейтрон в ядре превращается в протон и электрон, последний и вылетает из ядра. При этом массовое число атома остается неизменным, а заряд увеличивается на единицу (смещение на одну клетку вправо). Так, распад самого тяжелого изотопа полония более чем на 99 % происходит путем α-распада и на 0,018 % – путем β-распада: 218Ро → 218At + е–. Поражающее действие проникающей радиации сильно зависит от ее интенсивности и типа (так, альфа-частицы намного опаснее бета-частиц при той же дозе). У 210Ро почти 100 % излучения приходится на α-частицы с энергией 5,3 МэВ. Такие частицы проходят в воздухе 3,8 см, но полностью задерживаются алюминиевой фольгой толщиной 0,03 мм и даже листком бумаги! В биологических тканях они проходят менее 0,05 мм, разрушая при этом соседние клетки. При распаде 210Ро возникает и γ-излучение с энергией 0,8 МэВ и большой проникающей способностью. Чтобы ослабить его в 10 раз, требуется уже 3 см слоя свинца, а для стократного ослабления понадобится свинцовая плита толщиной 5,5 см или полуметровый слой бетона. Однако γ-излучение 210Ро очень слабое, его интенсивность составляет всего лишь 0,0011 % от общей радиации, поэтому зарегистрировать его трудно. Малый пробег α-частиц в веществе и очень слабое γ-излучение делают обнаружение микроколичеств полония-210 сложной задачей. Даже если этот нуклид находится на поверхности какого-либо предмета, его сможет обнаружить не всякий счетчик Гейгера, потому что α-частицы задерживаются даже очень тонкой фольгой. Для обнаружения 210Ро можно провести анализ с помощью сцинтилляционного счетчика. Сцинтилляция (от лат. scintillatio – «сверкание») – слабая вспышка света, возникающая в некоторых веществах под действием частиц высокой энергии. Другой чувствительный метод обнаружения – масс-спектрометрия. Мы живем в мире радиации, однако важен ее уровень. Вот пример. Природный калий состоит из трех изотопов – двух стабильных (39К, его в природном калии 93,26 % – и 41К, его 6,73 %) и одного радиоактивного, 40К (0,012 %, период полураспада 1,3 млрд лет). Человек, весящий 70 кг, содержит 140 г калия, из которых около 17 мг приходится на калий-40. Каждую секунду в теле этого человека происходит 4000 актов распада 40К (и еще столько же – из-за распада содержащегося в теле «радиоуглерода» 14С) с выделением частиц высокой энергии. Жизнь на Земле всегда сопровождалась такой «внутренней» радиацией (а также внешней, в том числе от космических лучей), и нельзя исключить, что она играла важную роль в эволюции, вызывая мутации. Но если бы период полураспада 40К был не 1,3 млрд лет, а 1,3 года, то те же 17 мг в теле человека убили бы его в считаные часы.

Полоний в природе

Кларк полония (среднее содержание в земной коре) составляет ничтожную величину: 2 · 10–14 %. Образуется полоний в результате радиоактивного распада долгоживущих радиоактивных элементов – тория и урана, являясь промежуточным членом длинных цепочек распада (они называются также радиоактивными рядами).

В ряду, родоначальником которого является 232Th (t1/2 = 14 млрд. лет), а конечным продуктом – стабильный изотоп свинца 208Рb, появляются в качестве 6-го и 9-го звеньев изотопы полония: 216Ро (t1/2 = 0,15 с) и 212Ро (t1/2 = 3 · 10–7 с). Очень малое время жизни этих изотопов означает, что в природе они практически отсутствуют. В ряду урана – актиния родоначальником является 235U (t1/2 = 700 млн. лет), а конечным стабильным продуктом – 207Pb. В этом ряду изотопов полония тоже два, и они оба тоже короткоживущие: 215Ро (t1/2 = 1,8 · 10–3 с) и 211Ро (t1/2 = 0,5 с). Урана-235 в природном уране всего 0,72 %, время жизни 211Ро и 215Ро малы, так что и этих изотопов полония в природе тоже практически нет. Ощутимые количества полония могут накопиться только в ряду урана – радия, родоначальником которого является 238U, а конечным продуктом – 206Pb. Поэтому природный полоний представлен практически только нуклидом 210Ро. В этом ряду присутствуют также радий и радон. Приведем этот ряд (в несколько упрощенном виде) полностью; над стрелками показан период полураспада и его тип.

Если исключить наиболее короткоживущие члены, получим упрощенный ряд:

Прежде чем перейти к герою повествования – полонию-210, необходимо сказать об одном из его предшественников – радоне. Это благородный (раньше говорили – инертный) газ, поэтому он постепенно, не вступая в химические реакции, просачивается из глубин земного шара к поверхности (в разных географических районах – в разных количествах) и попадает в воздух. На него приходится значительная часть дозы облучения, которую получает средний человек (в некоторых регионах – до 50 %). Основная часть радона, попавшая при вдохе в трахею, бронхи и легкие, при выдохе выделяется обратно. Однако полоний-210, успевший образоваться при распаде радона, оседает в дыхательных путях, откуда разносится по организму. Радон хорошо растворяется в воде (в 22 раза лучше, чем азот), поэтому часть радона, попавшая в легкие при вдохе, может проникнуть через стенки легочных альвеол, раствориться в крови и затем распасться уже внутри организма с образованием полония.

Много ли полония может образоваться из радона (а в конечном счете из урана)? Уран-238 распадается очень медленно – в течение многих миллиардов лет, что сопоставимо с возрастом Земли. Если атомы урана будут находиться в земной коре в составе того или иного минерала достаточно долго – миллионы лет и газообразный радон не будет из минерала улетучиваться, то наступит стационарное состояние (радиохимики называют его равновесием). Это означает, что каждый член ряда образуется из своих предшественников с точно такой же скоростью, с которой распадается сам. При этом его количество в минерале в течение обозримого времени не меняется и зависит от периода полураспада этого нуклида. Очевидно, что чем меньше период полураспада члена ряда, тем меньше его будет в смеси. Нетрудно показать, что отношение числа атомов N материнского элемента (урана-238) и его дочерних атомов равно отношению их периодов полураспада, т. е., например N(238U) : N(226Ra) : N(210Po) = t1/2(U) : t1/2(Ra) : t1/2(Po) = 4,5 · 10^9 : 1,6 · 10^3 : 0,38. Сделав небольшую поправку на различие атомных масс этих нуклидов (238, 226 и 210), легко подсчитать, что при равновесии на 1 тонну чистого урана в его рудах приходится примерно 0,34 г радия и лишь около 0,07 мг 210Ро. И если весь полоний из тонны урана выделить (при условии, что радон не улетучивается), то получится шарик радиусом 0,1 мм. Но эта ничтожная крупинка ежесекундно излучает 12 млрд α-частиц! Неудивительно, что Мария Кюри не смогла получить ощутимые количества полония, но смогла его обнаружить по радиоактивности. С радием ей повезло больше: его в урановых рудах по массе почти в 5000 раз больше. Можно отметить в связи с этим, что дочь Марии Кюри Ирэн в 1925 г. защитила докторскую диссертацию, посвящённую α-излучению полония. Она и ее муж Фредерик (в будущем оба – лауреаты Нобелевской премии по химии) располагали мощным для того времени полониевым источником α-частиц. Зная период полураспада полония-210, нетрудно подсчитать, что каждые сутки распадается примерно 0,5 % имеющегося в наличии полония и образуется столько же свинца. Если с образцом полония не проводили никаких манипуляций, то, проанализировав его на содержание полония и свинца, можно определить, как давно этот образец был получен. Например, через 4,5 месяца количество атомов полония и свинца в образце сравняются, через 9 месяцев свинца будет уже втрое больше и т. д.

Полоний и человек

Полоний при попадании в организм считается одним из самых ядовитых веществ: для 210Ро предельно допустимая концентрация (ПДК) в воздухе составляет количество, при котором в 1 м^3 распадается не более одного его атома в секунду. Это соответствует содержанию полония 6 · 10–14 г на 1 м^3 воздуха. Полоний при вдыхании почти в 170 млн раз токсичнее синильной кислоты! То есть при гипотетическом распылении в воздухе 1 г полония ПДК будет превышена в 10 000 км^3 воздуха – в слое атмосферы высотой 100 м и площадью 100 тыс. км^2, что намного больше площади Московской области!

Но может ли природный полоний попасть в организм человека? Попробуем оценить возможность такого события. Причем речь идет о людях, не занятых на урановых рудниках и не работающих с радионуклидами. Среднее содержание урана в земной коре – 3 · 10–4 % по массе. В некоторых минералах уран встречается вместе с кальцием, а иногда частично замещает его в кристаллической решетке, так как их ионные радиусы близки. Таким образом, и в известняке, и в доломите, и в апатите могут в принципе содержаться весьма незначительные примеси урана. Все упомянутые минералы прямо или опосредованно применяются в сельском хозяйстве. Известняк и доломит – для раскисления почв, апатит – для получения минеральных удобрений (суперфосфатов). Таким образом, какие-то количества урана могут попасть на поля, а оттуда – в сельскохозяйственные растения. На 1 тонну урана в минералах приходится менее 0,1 мг полония или 1 атом полония на 12 млрд атомов урана. Это уже не иголка в стоге сена, а иголка в целом поле, заваленном сеном! Значит, в растение, выросшее на почве, куда с удобрениями попало немного урана, могут попасть лишь ничтожные количества полония, и пока они дойдут до потребителя, от них ничего не останется.

Можно сделать и такую оценку. В книге Дж. Эмсли «Элементы» сказано, что в организме среднего человека содержится 0,1 мг урана. Значит, даже если бы между ним и 210Ро сохранялось радиоактивное равновесие, в человеке полония было бы в 10^10 раз меньше, т. е. 10–11 мг. Но достижению равновесия препятствует, как следует из приведенного ряда, уран-234 (t1/2 = 2,45 · 10^5 лет). Кроме того, продукты превращения 238U и других членов ряда постоянно выводятся из организма. Так что неудивительно, что в справочнике Эмсли о полонии сказано: «Содержание в человеческом организме: нулевое».

Существует ли другой путь попадания полония в организм? Считается, например, что это возможно при курении. Как такое может случиться? Вот что говорит об этом преподаватель химии профессор Рэймонд Чанг из Уильямс-колледжа, штат Массачусетс. Как известно, при выращивании табака в почву вносят много фосфатных удобрений. Если в них попадет один из продуктов распада урана – радий, то он в почве будет медленно превращаться в радон, как видно из схемы превращений урана. Газообразный радон концентрируется в почве и в приповерхностном слое воздуха под воздушным «куполом», который образован табачными листьями (см. фото).

Табачная плантация

Дочерние твердые продукты распадающегося радона прочно приклеиваются к поверхности листьев и проникают внутрь них. Радон живёт недолго, продукт его распада, 218Ро, – считанные минуты, поэтому довольно быстро образуется радиоактивный свинец-210. Постепенно его количество в листьях растущего табака увеличивается. При курении человек вдыхает с дымом мельчайшие твердые частицы, содержащие 210Pb, которые оседают в дыхательных путях, а затем переносятся в печень, селезенку и в костный мозг. Медленно распадаясь, 210Pb превращается в 210Ро, и это происходит в течение всего периода, когда человек курит. Постоянное облучение упомянутых органов и костного мозга увеличивает вероятность возникновения рака у курильщика. Конечно, чтобы такой механизм сработал, в удобрение должен попасть не сам уран, а радий. Возможность такого события сильно зависит от того, какие именно ископаемые были использованы для получения фосфатных удобрений и какова была технология их переработки.

Получение полония

Полоний (речь идет только о его изотопе 210Ро) можно получить из природных источников или синтезировать. Первый способ малопродуктивен, но когда-то он был единственным. При переработке урановых руд 90 % полония остается в отвалах, из которых его очень трудно извлечь. Поэтому используют другой метод: выделяют из руды предыдущие члены радиоактивного ряда и ждут, пока в них в результате распада накопится достаточно полония. Так, если выделить 210Pb, то из него периодически можно «выдаивать» 210Ро путем отгонки (в англоязычной литературе в этом контексте используется глагол to milk, буквально – «доить»). Когда-то применяли такой способ: выделяющийся из радия газообразный радон запаивали в стеклянные ампулы, и после полного его распада (на это требовалось чуть больше месяца) в них появлялся тот же 210Pb. Сейчас 210Ро синтезируют путем облучения нейтронами природного висмута в ядерных реакторах (промежуточно образуется βактивный изотоп висмута-210):  . Чтобы получить полоний, нейтронный поток должен быть очень мощным. Так, если на 1 см^2 каждую секунду будут попадать даже 500 млрд нейтронов, то через месяц облучения в 100 г висмута образуется лишь 2 мкг (две миллионные доли грамма) полония. Увеличение плотности нейтронного потока до 100 трлн в секунду даст в 100 г висмута за месяц 0,4 мг 210Ро; такое количество почти не видно невооруженным глазом. Далее полоний нужно отделить от большой массы висмута; это можно сделать отгонкой в ваку уме при нагревании – как это делала Мария Кюри. Чистый полоний получают гальваническим методом, осаждая его из раствора в азотной кислоте на катоде. Можно представить, насколько трудно получить граммовые и даже миллиграммовые количества полония! Первый образец чистого полония-210 был получен только в марте 1944 г. в США. В СССР под научным руководством З. В. Ершовой было создано экологически чистое производство полония, который использовали в качестве источника энергии для луноходов. Для получения более долгоживущих изотопов 208Ро и 209Ро можно использовать ядерные реакции 207Pb + α → 208Po + 3n, 209Bi + + p → 208Po + 2n, 209Bi + d → 208Po + 3n, 209Bi + p → 209Po + n, 209Bi + d → 209Po + 2n, где d – ускоренные дейтроны (ядра дейтерия), облучение проводят в циклотроне. Все эти методы позволяют получить лишь ничтожные количества 208Ро и 209Ро, достаточные только для изучения их радиоактивных свойств.

Свойства полония

Полоний – один из самых опасных радиоэлементов. Эксперименты с ним требуют соблюдения строжайших мер безопасности. Исследователь должен быть надежно защищен от попадания даже малейших следов этого элемента в дыхательные пути, в пищеварительный тракт. Недопустим также контакт полония или его химических соединений с кожей. Несмотря на все эти трудности, были изучены как физические, так и химические свойства полония и его соединений. Полоний – мягкий серебристо-серый металл, похожий на свинец, с температурой плавления 254 °С. Это тяжелый металл, его плотность близка к 9,5 г/см^3 – почти как у серебра. Плотность полония подсчитана не непосредственным измерением, а путем рентгенографического определения параметров кристаллической решетки. Это – следствие высокой радиоактивности, которая не позволяет получать значительные количества компактного металла. Известно, что препараты радия (t1/2 = 1600 лет) у Марии Кюри светились в темноте. Что уж говорить о полонии-210! Он не только светится, но и очень сильно нагревается за счет поглощения собственных α-частиц, несущих огромную энергию. Ведь при равных массах полоний в тысячи раз активнее радия. Кусочек полония размером с наперсток выделяет около 2 кВт тепловой энергии.

Если получить весомые количества полония, от них необходимо непрерывно отводить теплоту. Если этого не делать, металлический полоний почти сразу расплавится, а затем испарится. Но даже если от образца эффективно отводить теплоту, с его поверхности будут выделяться микрочастицы металла. Поэтому металлический полоний способен легко образовывать в воздухе мельчайшие частицы аэрозоля, что резко увеличивает опасность работы с ним. Этот эффект типичен для сильно радиоактивных металлов и объясняется быстрым накоплением на них отрицательных зарядов при вылете в воздух положительно заряженных α-частиц. Кроме того, когда атомы полония оседают на мельчайших частицах пыли, то в результате механической отдачи при вылете α-частиц такие пылинки совершают «прыжки» и потому способны отрываться от поверхностей, на которые они осели.

Полоний кипит при сравнительно невысокой температуре – 949 °С, что определяет его летучесть (для сравнения: температура кипения свинца – 1710 °С, олова – 2360 °С). В парах полоний находится в виде молекул Ро_2. Летучесть полония облегчает его очистку, а также перемещение микроколичеств металла из одной части аппаратуры в другую путем их нагрева и охлаждения. В то же время летучесть затрудняет работу с ощутимыми количествами полония. По химическим свойствам полоний несколько похож на висмут, а также на свой ближайший аналог – неметалл теллур и проявляет типичные для элемента VI группы степени окисления: –2, +2, +4, +6. На воздухе полоний медленно окисляется (быстро при нагревании) с образованием красного диоксида РоО_2. Сероводород из растворов солей полония осаждает черный сульфид PoS – тот самый, который был в осадке у Марии Кюри.

В разбавленной соляной кислоте полоний медленно растворяется с образованием розовых растворов (цвет ионов Ро2+): Po + 2HCl = = PoCl_2 + H_2. Разбавленная азотная кислота пассивирует полоний, а концентрированная быстро его растворяет. С неметаллами VI группы полоний роднит реакция с водородом с образованием летучего гидрида РоН_2 (он кипит при +35 °С и легко разлагается) и реакция с металлами (при нагревании) с образованием твердых полонидов черного цвета, например Na_2Po. С галогенами полоний реагирует с образованием тетрагалогенидов. В растворах полоний существует в виде катионов Ро2+, Ро4+, анионов РоО_32–, РоО_42–, а также разнообразных комплексных ионов, например PoCl_6^2.

Сильная радиоактивность полония отражается на свойствах его соединений, которые почти все очень быстро разлагаются. Так, практически невозможно получить полониевые соли органических кислот: они обугливаются уже в момент синтеза. Из водных растворов соединений полония медленно выделяются пузырьки газа, а в растворе образуется перекись водорода. И даже в стеклянной посуде с сухим соединением полония из-за α-облучения уже через несколько дней появляются заметные трещины – в тех местах, где вещество соприкасалось со стеклом. Такие стеклянные сосуды становятся очень хрупкими. Если соединение полония содержало воду, она разлагается на кислород и водород, которые в герметичной ампуле повышают давление. Оно повышается также из-за непрерывно образующегося гелия. В результате маленькая ампулка с полонием уже через неделю может взорваться.

Применение полония

Применение находит только 210Ро, его более долгоживущие изотопы практически недоступны. Удобное время жизни 210Ро позволяет использовать его в качестве источника энергии в атомных батареях космических кораблей. В этом отношении он превосходит другие компактные атомные источники энергии. Такой источник энергии работал, например, на «Луноходе-2», обогревая аппаратуру во время долгой лунной ночи, когда за бортом было минус 130 °С. Полоний может давать не только тепло, но и электроэнергию. Для этого в контейнер с полонием (как правило, используют не чистый металл, а его сплав со свинцом) помещают горячие спаи термопар, тогда как холодные спаи находятся снаружи. Мощность полониевых источников энергии со временем убывает – вдвое каждые 4,5 месяца.

Полоний применяют для исследования воздействия α-излучения на различные вещества. Сплав полония с бериллием используют как удобный источник нейтронов: 9Be + α→ 12C + n. Такие компактные источники нейтронов используют для определения состава различных материалов методом нейтронно-активационного анализа (нейтроны наводят в веществе радиоактивность, по которой можно судить о составе вещества).

Неожиданное применение нашел полоний-210 в криминалистике для обнаружения мастерски сделанных подделок картин старинных мастеров. Такая датировка основана на измерении радиоактивности свинцовых белил. Для художников свинцовые белила в течение многих столетий были одним из наиболее важных пигментов (в настоящее время из-за ядовитости соединений свинца используют цинковые и титановые белила). Белила получали из свинцовых руд, которые всегда содержат радиоактивный уран. Один из промежуточных продуктов распада – 210Pb.

Идея метода проста. Пока свинец входит в состав руды, происходит как распад 210Pb, так и его непрерывное образование. Поэтому в течение многих тысячелетий его содержание в руде остается практически постоянным. Но при переработке руды происходит отделение свинца от других элементов. С этого момента образование 210Pb уже не поддерживается предшествующими радиоактивными элементами, поэтому его содержание, а следовательно и радиоактивность, с годами снижаются. Это позволяет датировать время изготовления белил, вернее, время выделения свинца из руды. В этом смысле анализ по свинцу напоминает известный метод радиоуглеродной датировки древних объектов по углероду-14. Дело, однако, осложняется тем, что неизвестно, сколько было 210Pb в конкретной руде в момент ее переработки. Поэтому простое определение остаточного количества 210Pb в белилах мало что дает, и используется другая методика. Суть ее в следующем. В ходе химической переработки руды с целью извлечения из нее свинца значительная часть других элементов удаляется. Значительная – но не вся; например, радий очень трудно отделить от свинца полностью (с этим сталкивалась и Мария Кюри), и в свинце всегда остаются очень малые его количества. В любом случае после извлечения свинца из руды радиоактивное равновесие нарушается: радия в образце остается очень мало, поэтому скорость распада 210Pb значительно превышает скорость распада радия. Но по прошествии многих десятилетий баланс радий/свинец постепенно восстанавливается, так что лет через 150–200 скорость их распада снова будет одинаковой (хотя и значительно меньшей, чем в исходной руде). Этим фактом и можно воспользоваться, чтобы определить, давно ли был добыт свинец. Сделать это можно только с помощью очень чувствительных детекторов излучения, регистрирующих не только интенсивность, но и энергию частиц и, следовательно, позволяющих отличить одни радионуклиды от других. Однако по чисто техническим причинам вместо измерения активности 210Pb измеряют равную ему активность 210Po. Поэтому на практике измеряют соотношение активностей 226Ra и 210Po.

Этот метод был применен в 1967 г. американским исследователем Бернардом Кейшем с сотрудниками. Измерения подтвердили, что в художественных свинцовых белилах, изготовленных в разных странах в ХХ веке, активность 210Ро (а следовательно, и 210Pb) была намного больше, чем радия. Когда удалось достать образцы белил, изготовленных в Англии, Франции и США в XIX веке, оказалось, что активность полония в них также превышает активность радия, хотя уже не так сильно. Наконец, для образцов из XVIII века активности обоих радионуклидов были примерно одинаковыми. Таким способом было доказано, что некоторые картины «старых мастеров», которые до этого считались подлинными, на самом деле – подделка.

Как их сосчитать?

В школьном учебнике по органической химии есть тема «Предельные (насыщенные) углеводороды», которые называются также алканами. В учебнике говорится, что начиная с бутана С_4Н_10 для каждого алкана существуют структурные изомеры с разветвленной цепью. Они имеют одинаковый состав, но разное строение. Примером могут служить бутан и изобутан (два изомера С_4Н_10), пентан, 2-метилбутан и 2,2-диметилпропан (три изомера С_5Н_12) и т. д. Написав структурные формулы всех изомеров, нетрудно выяснить, что у гексана С_6Н_14 пять изомеров, а у гептана С_7Н_16– девять. Дальше дело пойдет труднее: с увеличением числа атомов углерода число изомеров растет очень быстро, достигая астрономических величин. Например, у октана С_8Н_18 изомеров уже 18, у нонана С_9Н_20– 35, у декана С_10Н_22 – 75, у эйкозана С_20Н_42  – 366 319, у триаконтана С_30Н_62 – 4 111 846 763, у тетраконтана С_40Н_82 – 62 481 801 147 341… Эти числа значительно возрастут, если рассматривать также зеркально-симметричные молекулы – стереоизомеры: с 9 до 11 для гептана, с 75 до 136 для декана, с 366 319 до 3 396 844 для эйкозана, с 5,921 · 10^39 до 1,373 · 10^46 для гектана С_100 и т. д.

Понятно, что никто эти формулы на бумаге не выписывал и их число вручную не подсчитывал. Как же узнали, что у эйкозана 366 319 структурных изомеров, у триаконтана – 4 111 846 763 и т. д.? Интересно также, больше или меньше изомеров у алкенов – углеводородов с одной двойной связью?

Для начала рассмотрим названия алканов. Корни этих названий взяты из греческого языка. Разобраться со многими из них не очень сложно даже тем, кто не учил греческий язык в классической гимназии. Ведь в русском языке немало слов, ведущих происхождение от греческих числительных: Пентагон, пентаграмма (средневековый магический знак); гекзаметр (стихотворный размер – шестистопный дактиль), гектар (100 ар или 100 соток); гептахорд (звукоряд из 7 ступеней, а также семиструнная кифара у древних греков); октаэдр (многогранник с 8 вершинами), октант (старинный астрономический инструмент для измерения углов между небесными светилами), октаподы (отряд головоногих моллюсков с 8 щупальцами); декада (десятидневный промежуток времени), декан (в Древнем Риме – начальник 10 солдат, сейчас – руководитель факультета в вузе), декаподы (дословно «десятиногие») – моллюски с 10 щупальцами, к которым относятся каракатица, кальмары и др.; от латинского decem – десять происходят многие единицы измерения: дециметр, децибел, декалитр и др.); гектограф (печатный аппарат, позволявший получать до 100 копий с листа), гекатомба (жертвоприношение из 100 быков), гекатонхейры (мифические 100-рукие великаны), а также пентод, гексод и гептод (радиолампы с 5, 6 и 7 электродами)… Множество таких терминов в музыке: пентатоника (звуковая система из 5 нот в октаве, распространенная в Китае и ряде других стран), додекафония (метод музыкальной композиции, основанный на 12 тонах); октава, нона, децима и ундецима (музыкальные интервалы в 8, 9, 10 и 11 тонов), октет и нонет (ансамбли из 8 и 9 музыкантов) и др.

Мало кто задумывается о том, что похожие корни имеют и названия последних четырех месяцев года: сентябрь (в древнерусском «септябрь»), октябрь, ноябрь, декабрь (в соответствии с их латинскими и греческими корнями – седьмой, восьмой, девятый и десятый месяцы). Но ведь декабрь – не 10-й, а 12-й месяц года! А дело в том, что в Древнем Риме новый год начинался 1 марта, поэтому месяцы с сентября по декабрь имели номера с седьмого по десятый соответственно. На Руси так называемый церковный год тоже начинался когда-то 1 марта – в соответствии с указаниями Библии: у древних евреев первый месяц года (ниссан) был заповедан Моисею и первосвященнику Аарону: «Месяц сей да будет у вас началом месяцев; первым да будет он у вас между месяцами года» (Исх. 12 : 2). Гражданский год на Руси до XV века соответствовал церковному. Однако в 1492 г. Иван III своим указом перенес встречу Нового года на 1 сентября, что совпадало со сбором урожая. Петр I в 1699 г. в последний раз праздновал Новый год по древнему обычаю 1 сентября, а уже через 3,5 месяца, 20 декабря того же года, повелел перенести начало года на 1 января 1700 г. (7208 г. «от сотворения мира»).

Но вернемся к нашим алканам. Сложнее с названиями первых членов ряда: в них использованы не числительные, а другие греческие слова, причем иногда довольно хитро зашифрованные. Так, название метана происходит от метилового спирта, который раньше называли древесным: его получали сухой перегонкой древесины. Слово «метил» и происходит от греческих methy – «вино» и hile – «лес» (так сказать, «древесное вино»). Название этана, как это ни покажется на первый взгляд странным, этимологически родственно слову «эфир». Оба происходят от греческого aither – так древние греки называли некую небесную субстанцию, которая пронизывает космос. Когда алхимики в XIII веке из винного спирта и серной кислоты получили легко испаряющуюся («улетающую к небесам») жидкость, ее назвали сначала духом эфира, а потом просто эфиром. В XIX веке выяснили, что эфир (по-английски ether) содержит группировку из двух атомов углерода – такую же, как и этиловый спирт (этанол); ее назвали этилом (ethyl). Таким образом, «диэтиловый эфир» – по сути дела, тавтология, масло масляное… От «этила» произошло и название этана, а также этилового спирта – этанола. Кстати, другое название этанола – алкоголь – того же происхождения, что и слово «алкан». По-арабски «аль-кохль» – «порошок», «пудра», «пыль». От малейшего дуновения они поднимаются в воздух – как и винные пары при нагревании. Со временем термин «винные пары» («алкоголь вина») превратился просто в «алкоголь».

Одна из простейших жирных кислот была названа пропионовой – от греческих слово protos – «первый» и pion – «жир». Отсюда недалеко и до углеводорода пропана. Названия другой жирной кислоты – бутановой и соответствующего ей углеводорода бутана происходят от греческого butyron – «масло».

Перейдем, наконец, к числу изомеров алканов. Эта задача была решена математиками в XIX веке. Оказалось, что формулы, по которой можно сразу определить число изомеров для углеводорода С n H2n+2, не существует. Подсчет возможен лишь с помощью формул, позволяющих найти число изомеров углеводорода с n атомами углерода, если уже известно число изомеров всех его гомологов – углеводородов с числом атомов углерода от 1 до n – 1. Поэтому расчеты для алканов с большими значениями n были получены сравнительно недавно с помощью компьютеров. Они доведены до тетрактана С_400Н_802, для которого, с учетом стереоизомеров, получено значение, трудно поддающееся воображению: 4,776 · 10^199! Подсчитано, что начиная с С_167Н_336 число изомеров уже превышает число элементарных частиц в видимой части Вселенной, которое оценивается как 10^80; так, для С_200Н_402 оно равно примерно 9,430 · 10^83.

Для химиков подобные расчеты мало интересны, и вот почему. Даже для сравнительно простого алкана, содержащего всего полтора десятка атомов углерода, подавляющее число изомеров не получено и вряд ли будет когда-либо синтезировано. Так, в случае декана С_10Н_22 последние из 75 его изомеров были синтезированы лишь сравнительно недавно. И сделано это было лишь для того, чтобы иметь более полный набор стандартных соединений, по которым можно идентифицировать различные углеводороды, например те, что встречаются в нефти. Кстати, в нефти были обнаружены все 18 возможных изомеров октана.

Но самое интересное, что начиная с гептадекана С_17Н_36 сперва лишь некоторые изомеры, затем – многие из них, а потом практически все являются ярким примером «бумажной химии», т. е. не могут существовать в действительности! Дело в том, что по мере роста числа атомов углерода в молекулах разветвленных изомеров возникают серьезные проблемы пространственной упаковки при замене атомов водорода на метильные группы СН_3 в ряду симметричных сферических молекул СН_4 → C(CH_3)4 → C[C(CH_3)3]4 → C{C[C(CH_3)3]3}4 и т. д., а также близких по структуре изомеров. Причина в том, что математики рассматривали атомы углерода и водорода как точки, тогда как на самом деле они имеют конечный радиус. Так, метановый «шарик» имеет на «поверхности» 4 атома водорода, которые свободно на ней размещаются. Следующий пентановый «шарик» C(CH_3)4 имеет на «поверхности» уже 12 атомов водорода, расположенных значительно ближе друг к другу. Таким образом, при заполнении каждого следующего слоя число метильных групп СН_3 на «поверхности» молекул углеводородов увеличивается втрое. Поэтому уже у следующего, после пентанового, гептадеканового «шарика» С_17Н_36 на «поверхности» становится мало места для размещения всех 36 атомов водорода в 12 метильных группах (это легко проверить, попробовав нарисовать плоское изображение подобных изомеров, соблюдая постоянство длин связей С–С и С–Н и всех углов между ними). С ростом n проблемы возникают и для атомов углерода: для них тоже становится все меньше места. В результате, несмотря на то что число возможных изомеров с ростом n увеличивается очень быстро, число «бумажных» изомеров растет значительно быстрее. Проведенная с помощью компьютеров оценка показала, что с ростом n отношение числа возможных изомеров к числу «бумажных» быстро стремится к нулю. Именно поэтому расчет точного числа изомеров предельных углеводородов для больших n, которое когда-то вызывало значительный интерес, в настоящее время не имеет для химиков никакого практического значения.

То же можно сказать и о числе изомеров непредельных соединений с одной двойной связью – алкенов C n H2n. Для них можно конструировать изомеры не только изменяя углеродный скелет молекулы, но и путем перемещения двойной связи, а также различного расположения заместителей относительно двойной связи (так называемые цис-транс-изомеры); поэтому число изомеров алкенов N с увеличением числа атомов углерода n растет еще стремительнее, чем у алканов:

Понятно, что, как и в случае предельных углеводородов, такие расчеты представляют лишь теоретический интерес. Тем более что при больших n почти все эти изомеры окажутся «бумажными».

В заключение рассмотрим еще одну комбинаторную задачу, имеющую уже практическое значение. Сколько разных соединений получится, если в простейшем алкане – метане замещать атомы водорода на атомы галогенов? При этом получаются соединения, которые называются галогенметанами. Если начать считать методом перебора всех вариантов, легко сбиться. Как решить такую задачу? И все ли возможные метаны были синтезированы?

Будем рассматривать только четыре галогена – фтор, хлор, бром и йод (астат не учитываем: в природе этот элемент не встречается, а из искусственно полученных его изотопов самый долгоживущий, 211At, имеет период полураспада всего 7,2 часа).

В зависимости от того один, два, три или все четыре атома водорода замещены, различают моно-, ди-, три– и тетразамещенные метаны. Они могут быть газообразными (например, CH_3Cl), жидкими (CCl_4) или твердыми CBr_4). Многие из этих производных хорошо известны. Например, дихлорметан (метиленхлорид, хлористый метилен) – растворитель, используемый для производства изделий из ацетата целлюлозы; дийодметан – жидкость с высокой плотностью (3,33 г/см^3), ее применяют при исследовании горных пород для разделения минералов по их плотности; трихлорметан (хлороформ) раньше широко использовался для наркоза (а сейчас – только для наружного применения в растираниях); трийодметан (йодоформ) – сильный антисептик, хотя и с неприятным навязчивым запахом, который раньше использовали в хирургии при перевязке ран; тетрахлорметан (четыреххлористый углерод) – прекрасный растворитель жиров, смол, каучука, многих других органических соединений, но из-за ядовитости сейчас для этих целей почти не применяется; многие фторпроизводные (фреоны, они же хладоны) – низкокипящие жидкости или легко сжижающиеся газы, которые широко используются в качестве хладагентов в холодильных машинах.

Оказывается, различных галогензамещенных метанов теоретически существует намного больше, чем может показаться на первый взгляд, даже если не учитывать стереоизомеров – зеркально-симметричных форм (впрочем, стереоизомеры есть всего у пяти соединений, так как они возможны лишь в случае четырех разных заместителей у атома углерода; в этом легко убедиться, сделав модели молекул замещенных метанов из спичек и цветного пластилина). Попробуем подсчитать число различных замещенных метанов. Тетрагалогенметанов СХ_4 с четырьмя одинаковыми заместителями может быть 5 (считая и сам метан). Соединений типа CX_3Y (где X, Y – любой атом галогена или водород) может быть 20; соединений типа CX_2Y_2 существует 10; соединений CX_2YZ – 30, и еще 5 соединений типа CXYZW, когда все заместители разные. Всего получаем 70 соединений. Это же значение можно получить методами комбинаторики; оно равно числу сочетаний из n = 5 заместителей (H, F, Cl, Br, I), взятых по k = 4 с повторениями, а именно (n + k – 1)!/k!(n – 1)! = 8!/4!4! = 70.

Число различных галогенметанов намного увеличится, если учитывать также изотопные разновидности элементов – хотя бы те, что встречаются в природе. Это стабильные 12С, 13С, 1H, 2Н (D, дейтерий), 19F, 35Cl, 37Cl, 79Br, 81Br, 127I и радиоактивные 3Н (T, тритий, период полураспада 12,3 года) и 14С (период полураспада 5730 лет). Подставляя в приведенную формулу n = 9, k = 4 и умно-жая полученное значение на 3 (три изотопа углерода), получим 3 · 12!/4!8! = 1350. И еще к ним надо добавить 126 · 3 = 378 оптических изомеров (126 – это число сочетаний из 9 элементов по 4 без повторений, которое дается формулой n!/k!(n – k)!). Если же не брать в расчет радиоактивные соединения, то разных галогенметанов будет поменьше: при n = 7 и k = 4 получим 2 · 11!/4!7! = = 660 и еще 2 · 7!/4!3! = 70 стереоизомеров.

Сколько же из них уже синтезировано? В справочнике «Свойства органических соединений» (Л.: Химия, 1984), содержащем основные сведения о нескольких тысячах веществ, приводятся данные только о 47 соединениях. Это сам метан, а также CH_3Br, CHBrI_2, CHBrF_2, CHBrCl_2, CH_2BrI, CBrF_3, CBrCl_3, CH_2BrF, CHBrClF, CH_2BrCl, CH_2Br_2, CBr_2F_2, CBr_2Cl_2, CHBr_2I, CHBr_2F, CHBr_2Cl, CH_2I_2, CHFI_2, CHClI_2, CH_2F_2, CCl_2F_2, CHClF_2, CH_2Cl_2, CH_3I, CHF_2I, CHCl_2I, CCl_3I, CH_2FI, CH_2ClI, CBr_4, CI_4, CF_4, CCl_4, CHBr_3, CBr_3F, CBr_3Cl, CHI_3, CHF3, CClF_3, CHCl_3, CDCl_3, CH_3F, CHCl_2F, CCl_3F, CH_2ClF, CH_3Cl.

Отметим, что в этом справочнике, в соответствии с правилами номенклатуры, все вещества приведены в алфавитном порядке названий на русском языке, тогда как сами формулы расположены в алфавитном порядке латинских букв (кроме водорода); дейтерохлороформ CDCl_3 помещен в справочнике, так как это распространенный растворитель в спектроскопии протонного магнитного резонанса. Кстати, в англоязычном справочнике порядок расположения названий, в соответствии с теми же правилами, может быть несколько иным. Например, в русском языке буква «ф» в алфавите стоит перед «х», поэтому вещество CH_2ClF называется фторхлорметаном. В латинском же алфавите буква «с» предшествует букве «f», поэтому то же вещество, фторхлорметан, по-английски называется chloroflouromethane.

Итак, из основного списка 70 галогенпроизводных (включая и сам метан) в указанном справочнике есть данные лишь о 46. Интересно, что синтезированный в 1893 г. бельгийским химиком Фредериком Свартсом бромфторхлорметан CHBrClF попал также в книгу «Мировые рекорды в химии» как самая маленькая хиральная молекула, в которой у атома углерода находятся четыре разных заместителя. Правда, полученное Свартсом соединение было оптически неактивным, так как представляло собой рацемическую смесь «правых» и «левых» молекул. Эту смесь сумели разделить методом газовой хроматографии только в 1996 г.

В справочнике Бейльштейна (4-е дополнение к 1-му тому, в котором рассмотрена литература по химии за 1950–1959 гг.) можно найти сведения еще о 12 производных: это CHBrClI, CHBrFI, CHClFI, CBrClF_2, CBrCl_2F, CBrI_3, CBr_2ClF, CBr_3I, CClF_2I, CCl_2FI, CCl_2I_2 и CF_3I.

Наконец, в справочнике Гмелина (том 14, раздел D, часть 2, издан в 1974 г.) приведены сведения о CF_2I_2 и CBrF_2I. Первое соединение получено в 1963 г. при фотолизе смеси йода с дифтордиазирином – трехчленным циклом с двумя атомами азота. При облучении отщепляется молекула азота и образуется карбен CF_2, который реагирует с йодом. О втором веществе сказано лишь, что оно, вероятно, могло образоваться при гамма-радиолизе смеси CF_3Br и йода, и дана соответствующая ссылка на статью 1972 г. Как видим, многие галогенпроизводные метана синтезировать не так-то просто!

Для дальнейшего поиска были просмотрены формульные указатели издающегося в США реферативного журнала Chemical Abstracts. И хотя в этих указателях имеется несколько ссылок на все «недостающие» изомеры, знакомство с самими рефератами показало, что это, увы, – лишь теоретические расчеты физических, термодинамических и спектральных свойств соответствующих молекул. Дело в том, что спектральные характеристики галогенметанов (частоты колебаний и вращений в их молекулах) весьма интересны для теоретиков. Интересны и возможные применения подобных соединений в качестве хладагентов, что также отмечают авторы расчётов. Кстати, многие из подобных расчетов были выполнены отечественными химиками. В зарубежных же расчетных работах обращает на себя внимание звучная фамилия одного из авторов: С. К. Нг (химический факультет Национального университета Сингапура).

Из других казусов поиска можно отметить соединение CBrCl_2I, упомянутое в указателе за вторую половину 1999 г. Ссылка дана на работу, написанную семью исследователями из Лаверна (Калифорния, США), специалистами по… технологии водоочистки. В своей статье они уверяют, что появляющийся иногда «медицинский» запах водопроводной воды обусловлен «бромдихлориодметанами». Это весьма странное заявление: во-первых, бромдихлориодметан – один-единственный, а во-вторых, его до сих пор никто не синтезировал… Еще одна странность: поисковая система Google неожиданно выдала для CFI_3 более 3 тысяч ссылок. Оказалось, что большинство их – вовсе не на трийодфторметан, а на… аббревиатуру Chipped Finish Inspector, то есть на автоматическую систему отбраковки поврежденных контейнеров, из которых возможна утечка содержимого или его загрязнение. Некоторые другие формулы также оказались схожи сокращениями, не имеющими никакого отношения к галогензамещенным метанам…

И все же некоторые из «недостающих» веществ были с помощью Chemical Abstracts обнаружены. Уже упомянутый CBrF_2I был синтезирован в университете штата Айова (США) в 1977 г. Там же в 1982 г. были получены еще два бромйодфторметана: CBrFI_2 и CBr_2FI. И это пока все. Из 70 галогенметанов до сих пор не описаны CBrClFI – единственный содержащий одновременно все четыре галогена, а также CBrClI_2, CBrCl_2I, CBr_2ClI, CBr_2I_2, CClFI_2, CClI_3 и CFI_3. Примечательно, что все они содержат атомы йода, и это не случайно. Связь C–I довольно слабая, в 2,5 раза слабее связи C–F; может быть, это одна из причин трудности синтеза таких соединений, поскольку органические йодиды легко разлагаются. Но кроме 70 «классических» галогенметанов, оказывается, были получены десятки изотопных производных, содержащих как стабильные, так и радиоактивные нуклиды. Из последних можно отметить такие экзотические соединения, как CDT_3, CD_2T_2, CD_3T, 11CH_3I (а ведь период полураспада углерода-11 лишь немногим превышает 20 минут) и многие другие. Эти синтезы наглядно демонстрируют возможности, которыми обладают современные химики.

Глава 2

Химия и нумизматика

Нумизматика – историческая наука, изучающая монеты; на латыни numisma и есть «монета». Слово же Moneta у римлян служило эпитетом богини Юноны (как у греков эпитет Паллада для богини Афины). Рядом с храмом Юноны в Риме находился монетный двор, на изделия которого со временем и перешло одно из имен богини. От него произошли и «портмоне», и английское слово money. С тех пор как появились монеты (а произошло это 27 веков назад), их изготовление неразрывно связано с искусством очистки и переработки металлов и сплавов, то есть с химией. Конечно, когда-то не было ни химии, ни химиков. Но мастера методом проб и ошибок находили способы очистки монетных металлов, проверки их качества, придания свойств, способствующих качественной чеканке. Со временем чеканка монет как дело исключительной государственной важности была поставлена на строгую научную основу. Достаточно сказать, что в течение многих лет смотрителем, а затем и директором английского Монетного двора был великий физик Исаак Ньютон. На некоторых современных монетах (как и на почтовых марках) можно увидеть и портреты химиков. Химические знания помогают также восстанавливать редкие монеты, найденные в кладах и представляющие интерес для историков. А некоторые химические особенности монет помогают учителям химии. Так что у нумизматики и у химии много общего.

Монетные металлы

Учитель: Я опускаю золотую монету в азотную кислоту – растворится ли она?

Ученик: Конечно нет, господин учитель! Ведь если бы она растворилась, вы бы ее ни за что туда не опустили!

Старый анекдот

Сегодняшний учитель химии редко имеет возможность продемонстрировать устойчивость золотой монеты к азотной кислоте: в последний раз такие монеты («николаевские десятки») выпускались в нашей стране в массовое обращение в 1911 г. Правда, в 1923 г. были отчеканены золотые червонцы (на них изображен крестьянин-сеятель), но их использовали в основном для расчета с заграницей. Копии таких монет (так называемые новоделы) чеканились у нас также в 1975–1981 гг. Это так называемые инвестиционные монеты – их цена близка к стоимости содержащегося в них золота (7,74 г), и они используются как способ вложения денег. Из драгоценных металлов сейчас чеканят в основном памятные и юбилейные монеты; они выпускаются для коллекционеров и не предназначены для обращения. Очень красивы, например, полированные монеты из серебра, золота и платины, впервые выпущенные у нас в 1977–1980 гг. и посвященные Олимпийским играм в Москве. Замечательно выглядят и монеты из палладия 999-й пробы; впервые их отчеканили у нас в 1988 г. к 1000-летию Крещения Руси.

Какие же металлы используются для изготовления монет? С древних времен для чеканки использовали золото, серебро и медь, которые на много веков стали основными монетными металлами. Золото образует самородки, иногда довольно крупные, имеет привлекательный внешний вид, так что неудивительно, что золото было первым металлом, с которым познакомился человек. Серебро также встречается в виде самородков; кроме того, этот благородный металл несложно выплавить из его руд. В природе встречается сплав золота и серебра, который греки называли электроном, а римляне – электрумом. Этот сплав содержит до 30 % серебра и имеет белый или светло-желтый цвет. Считают, что из этого сплава в Лидийском царстве (VII в. до н. э.) были отчеканены первые в истории монеты. Затем появились монеты из золота и серебра. Относительно дешевая медь стала третьим основным монетным металлом.

Золото и серебро химически инертны, не подвержены коррозии и могут сохраняться очень долго. Но в чистом виде эти металлы слишком мягки, легко истираются и потому не годятся ни для каких изделий, в том числе и для монет. Однако уже небольшие добавки других металлов (их называют лигатурными) придают изделиям из золота и серебра достаточную твердость. Чаще всего золото сплавляют с серебром и медью, а серебро – с медью. Такой сплав намного тверже чистого металла.

Содержание драгоценного металла в сплаве называется пробой. Пробы на золотых изделиях появились очень давно. Во Франции, например, – с 1275 г. В России они были введены указом Петра I в 1700 г.: проба выражалась числом долей чистого серебра или золота в 1 золотнике сплава (1 фунт = 96 золотников, 1 золотник = = 96 долям = 4,266 г, 1 доля = 0,04443 г).

В 1926 г. в СССР была принята метрическая проба. Ее выражают в граммах драгметалла в 1 кг сплава; например, старой пробе 56 отвечает современная проба (56/96)1000 = 583. Кстати, на современных золотых изделиях обычно стоит проба не 583, а 585. Но это вовсе не значит, что золота в них стало больше. Разница в пробах 583 и 585 слишком незначительна и укладывается в допустимую погрешность в содержании драгметалла (ремедиум).

Дореволюционные золотые монеты достоинством 7,5, 10 и 15 рублей с профилем Николая II имели необычную для нас пробу 86 2/5. Перевод на современную пробу дает (86,4/96)1000 = 900. То есть эти монеты (как и советские червонцы) содержат ровно 90 % чистого золота. Такая же проба и у советских полтинников и рублей, чеканившихся в 1920-х гг. Более высокая проба встречается редко и только у золотых монет, которые меньше подвергаются истиранию, так как не являются ходовыми. Например, заработная плата рабочего московской мануфактуры в середине XVIII века составляла в зависимости от квалификации 10–20 рублей в год. Понятно, что золотые монеты ему были ни к чему. В качестве примера высокопробных золотых монет можно привести 10-рублевые монеты, чеканившиеся при Елизавете Петровне и Екатерине II (старая проба 88, современная 917) и при Александре I (старая проба 94 2/3, современная 986).

В некоторых странах до сих пор используют так называемую каратную пробу, изобретенную в Англии примерно в 1300 г. Чистое золото соответствует 24 каратам (24 К).

Чтобы узнать содержание золота в сплаве, ювелиры используют пробирный камень – черный камень с отшлифованной матовой поверхностью. Изделием проводят по камню, а оставшийся штрих обрабатывают специальными растворами. Например, концентрированная азотная кислота полностью растворяет след от золотого сплава, если его проба меньше 333. Если штрих окрасился в коричневый цвет, проба золота – от 333 до 500, а если изменений не было – больше 500. Коричневый след – это мелкораздробленное золото, оставшееся после растворения других металлов (меди, серебра) в сплаве. С помощью смесей азотной и соляной кислот можно быстро определить приблизительное содержание золота в сплавах с пробой от 160 до 1000.

Для более точного определения пробы используют сравнение цвета штрихов, оставленных испытуемым изделием и специальной пробирной иглой. Таких игл существует множество, и отличаются они содержанием не только золота, но также меди и серебра. Дело в том, что даже при постоянной пробе (например, 585-й) золотые изделия могут сильно отличаться по цвету. Это зависит от вида и содержания лигатурного металла. Так, серебро в зависимости от его содержания придает сплаву белый, желтый или даже зеленоватый оттенок. Медь делает золото красноватым, а если меди в изделии 14,6 %, то оно будет ярко-красным. Сплав, содержащий 9 % серебра и 32,5 % меди, имеет оранжевый цвет. Реже применяются другие лигатуры. Например, кадмий придает золоту зеленоватый оттенок, цинк – белый, а никель – бледно-желтый. Платина при содержании всего 8,4 % делает золотой сплав совершенно белым. Белое золото можно сделать также, сплавляя золото с серебром и палладием или с медью, никелем и цинком. А сплав золота с медью, серебром и цинком может практически не отличаться по цвету от чистого золота.

А что такое червонное золото? Химически чистое золото имеет желтый цвет. Червонный (т. е. красный) цвет придает золоту, например, медь при определенном ее содержании в сплаве. Так, в ХХ томе изданной в 1905 г. энциклопедии под редакцией Ю. Н. Южакова сказано: «Червонное золото – сплав золота с медью в отношении 9 : 1, употребляется для чеканки монет». О том же говорит и словарь В. И. Даля: «Красное золото – с медным сплавом; белое золото – с серебряным сплавом».

Другие металлы, кроме золота, серебра и меди, использовались для чеканки монет редко. Однако был в истории России период (с 1828 по 1845 гг.), когда были выпущены для обращения платиновые монеты достоинством 3, 6 и 12 рублей, причем большими тиражами – всего было отчеканено почти 1,5 миллиона монет, что является уникальным явлением в мировой практике. Объясняется это добычей на уральских рудниках большого количества платины, которая не находила в те годы промышленного применения и потому стоила относительно недорого (известны случаи подделок золотых монет тяжелой платиной). Владельцы же рудников – Демидовы извлекали большую выгоду от продажи своей платины правительству. В 1845 г. по настоянию нового министра финансов чеканка платиновых монет была прекращена, а все монеты были срочно изъяты из обращения. Причины этой панической меры называют разные. По одной версии, боялись подделки этих монет за границей (где платина была якобы дешевле) и их тайный ввоз в Россию. Однако ни одной поддельной монеты среди изъятых из обращения не обнаружили. По другой версии, более правдоподобной, спрос на платину и ее цена в Европе выросли настолько, что металл в монетах стал дороже их номинала. Но тогда уже следовало бояться другого: тайного вывоза монет из России, их переплавки и продажу слитков… Интересно, что Майкл Фарадей на своей популярной лекции о платине, прочитанной в Лондоне 22 февраля 1861 г., показывал русские платиновые монеты. Проанализировав их состав, он нашел, что в монетах содержится 97 % платины. Фарадей отдал должное российским мастерам, сумевшим отчеканить монеты из недостаточно очищенной и потому довольно хрупкой платины.

Одна из наиболее редких российских монет из платины; цена подобной монеты на аукционах может превысить 100 тысяч долларов

Необычный металл может оказаться в монетах по разным причинам. Например, в XVIII веке некоторые мелкие российские монеты были бронзовыми – из сплава меди и олова. Эти монеты чеканились из старых, отслуживших свое бронзовых пушек. Похожая история случилась и в США во время Второй мировой войны, когда одноцентовые монеты чеканили из гильз артиллерийских снарядов. Только они были не бронзовые, а латунные.

В древности известны немногочисленные попытки использования для выделки монет других металлов помимо трех основных – золота, серебра и меди. Так, в древней Византии, а также в средневековых Китае и Японии употребляли железные монеты. В последние годы Римской республики, а также в Китае IX–X вв. встречались монеты из свинца, а на островах Сицилии, Яве, Борнео и Суматре – из олова. В древней Бактрии делали монеты из почти современного медно-никелевого сплава, содержащего 20 % никеля. Этот состав был получен, конечно, не в результате целенаправленных исследований, он просто соответствовал естественным рудным залежам.

Никель в качестве четвертого монетного металла появился только в XIX веке в США и Западной Европе. Этот металл был открыт в 1751 г., и 200-летие этого события было отмечено в Канаде выпуском никелевой пятицентовой монеты. Монеты из никеля красивы, блестят как серебряные, устойчивы к истиранию и коррозии. В 1863 г. в Брюсселе были отчеканены для России образцы двухкопеечных никелевых монет. Однако заказ на массовую чеканку таких монет в Бельгию так и не поступил. Несмотря на достоинства, есть у этого металла и недостатки. Никель дорог – в несколько раз дороже меди, плавится лишь при 1466 °С (медь – почти на 400 °С ниже). Со временем обнаружилась еще одна неприятная особенность этого металла: у людей, имеющих дело с большим количеством никелевой монеты, в частности у кассирш, нередко обнаруживалась повышенная чувствительность – никелевая аллергия, которая может проявляться, например, в виде кожного заболевания экземы. Интересно, что подвержены такой аллергии чаще всего женщины. Поэтому обычно для чеканки монет используют медно-никелевый сплав. Но до сих пор американцы называют свои блестящие пятицентовые монетки «никелями» (nickels), хотя никеля в них только 25 %, остальное – медь.

Очень легки, дешевы и хорошо смотрятся монеты из алюминия – пока они новые. Мягкий алюминий быстро истирается, и монеты становятся довольно неприглядными. Монеты из алюминия чеканили (а кое-где и сейчас чеканятся) в ГДР, Польше, Чехословакии, Албании, Венгрии, Монголии, Австрии, ряде других стран.

Из цинка чеканили монеты в Австрии, Швейцарии, Албании, Румынии, Бельгии. В сухом воздухе цинк устойчив, но во влажном плохо сопротивляется коррозии. В этом отношении значительно лучше сталь – сплав железа с небольшим количеством углерода. Из стали чеканили (и продолжают чеканить) монеты во многих странах. Стальные монеты стойки к истиранию, часто они содержат легирующие добавки хрома и никеля (нержавеющая сталь).

Монеты из алюминия: справа – не бывшая в обращении (Куба, 5 сентаво, 1971), слева – подвергшаяся коррозии (Франция, 2 франка, 1943)

Так, итальянские монеты достоинством 50 и 100 лир содержали 18,25 % хрома. Столько же хрома было недавно в украинских копейках и пятачках. Хромом были покрыты одно время канадские пятицентовые монеты. Известно, что хромирование не только делает изделие привлекательным, но и предохраняет его от износа (технический хром – один из самых твердых металлов). Иногда чеканились монеты и из чистого железа, например в Люксембурге и Финляндии (в 1940–1953 гг.). В 1999 г. в Гибралтаре появилась первая в мире монета из титана.

Монета из железа. Финляндия, 1 марка, 1949

В 1982 г. в Италии придумали делать так называемые биметаллические монеты. Такие монеты в том же году начали чеканить в Ватикане и Сан-Марино. Прошло немного времени, и многие страны, в том числе и Россия, переняли это изобретение. А во Франции в 1992 г. выпустили триметаллическую монету! Внеш нее кольцо и центральный диск у нее были светлые, из медно-никелевого сплава, а внутреннее кольцо – бронзовое. Экзотический для монет металл ниобий был использован в Австрии для центральной части биметаллической монеты достоинством 25 евро. Если ниобий погрузить в раствор электролита и сделать анодом, то на нем образуется пленка оксида. В результате интерференции света эта пленка будет окрашена в разные цвета – в зависимости от ее толщины. Этот эффект и был использован для австрийской монеты. Широко используют для чеканки монет и сплавы меди с цинком (латунь и томпак), оловом или алюминием (бронзы), а также тройные сплавы Cu-Ni-Al, Cu-Ni-Zn (нейзильбер) и др.

Многие видели привезенные из стран Еврозоны новые монеты. Из чего они сделаны? Мелкие монеты достоинством 1, 2 и 5 центов отчеканены из стали, поэтому они притягиваются магнитом. Красный цвет им придает медь, которой плакированы монеты. Плакировка – способ покрытия одного металла тонким слоем другого путем прокатки двух– или трехслойного пакета, составленного из этих металлов. Массовая доля меди у них составляет примерно 5,5 %. Причин для выбора медного покрытия было несколько. Прежде всего, «медный» вид мелкой монеты привычен европейцам с античных времен, когда в Риме чеканилось множество медных монет разных номиналов. В США и Англии с давних пор наиболее популярные монетки – пенни – чеканились из меди. Медь – единственный металл (кроме золота), цвет которого отличается от обычного серого. Кроме того, медь – очень практичный для монет металл. Она достаточно тверда, легко прокатывается в тонкие листы, хорошо штампуется, что позволяет передавать на монетах самые тонкие детали, противостоит коррозии, имеет хороший внешний вид. Во время штамповки медные монеты приобретают дополнительную твердость, так что, по оценкам специалистов, они проживут лет тридцать. Так как медь не ржавеет, ее легко использовать вторично. Повторное использование меди и ее сплавов практиковалось еще в бронзовом веке. Полагают, что 80 % всей меди, выплавленной в течение многих веков, до сих пор находится в использовании. Так что в новых евромонетах, без сомнения, присутствует медь, побывавшая и в древнеримских монетах, и в монетах викингов, и в монетах германской и французской империй!

Электропроводность меди и некоторые другие ее свойства таковы, что этот металл оставляет свою уникальную «подпись» в торговых автоматах и машинах для подсчета и сортировки монет. Различные добавки в медных сплавах могут изменять электропроводность в широких пределах. Но для каждого сплава, используемого в монетах, эта электропроводность в точности известна, так что автомат легко на нее настроить.

Наконец, при выборе меди учли, что монеты, переходя тысячи раз из рук в руки, могут быть разносчиками болезнетворных бактерий. Медь же обладает антибактериальными свойствами; кроме того, она не вызывает аллергических реакций.

Для монет достоинством 10, 20 и 50 центов как альтернативу стандартному медно-никелевому было решено использовать сплав, названный скандинавским золотом (Nordic Gold). Новый сплав должен был удовлетворять нескольким требованиям: во-первых, быть похожим на золото и не темнеть со временем; во-вторых, быть ковким и пригодным для чеканки монет; в-третьих, быть устойчивым к истиранию при эксплуатации и, наконец, не вызывать аллергических реакций. Было перепробовано несколько различных сплавов; испытывали, насколько они устойчивы к разным материалам и веществам, включая пот. Наконец остановились на комбинации, которая удовлетворяла всем условиям. Действительно, монетки выглядят точь-в-точь как золотые и не теряют своего вида в течение долгого времени. И здесь меди отведена ведущая роль: ее в сплаве 89 %, остальное – алюминий и цинк (по 5 %) с добавкой олова (1 %).

Уже в первый год для выпуска в обращение 80 миллиардов евромонет потребовалось полторы тысячи тонн олова. А меди для них было заготовлено примерно 180 тысяч тонн – 2 % всего потребления этого металла в Европе. Неудивительно, что на ряде заводов была налажена переработка старых монет, изъятых из обращения.

Специалисты позаботились о том, чтобы евромонеты были не только красивыми, но и безопасными – как для здоровья, так и с точки зрения возможных подделок: ведь новые монеты должны ходить на очень обширной территории. До введения евро четверть всего монетного металла в Европе составлял никель, который может вызвать аллергию. Поэтому в новых монетах никеля сравнительно немного.

Технология производства монет в 1 и 2 евро должна была обезопасить их от подделки. Для этого их сделали биметаллическими, причем использовалась особая технология выплавки металлов и засекреченный способ соединения двух компонентов монет и их чеканки. У этих монет центральная часть никелевая: она слабо притягивается даже очень сильным магнитом. Но так как никель может вызвать на руках экзему, он плакирован сплавом, содержащим 75 % меди; остальное – никель (для монет в 1 евро) или 20 % цинка и 5 % никеля (для монет в 2 евро). Внешнее кольцо этих монет по составу «антисимметрично» внутреннему: 75 % меди, 20 % цинка, 5 % никеля для 1 евро, 75 % меди, 25 % никеля для 2 евро. Оба сплава немагнитные.

В заключение – несколько слов о современных российских монетах. Если советские новенькие «медяки» когда-то вполне заменяли химикам разновесы (1, 2, 3 и 5 копеек весили точно 1, 2, 3 и 5 г), то о современных монетах этого не скажешь. Впрочем, и они могут в определенных случаях принести пользу, если под рукой нет ничего кроме аптекарских весов. Так, 1 копейка (новая) весит 1,5 г, 5 копеек – 2,6 г, масса 10 и 50 копеек зависит от металла, 1 рубль – 3,25 г, 2 рубля – 5,1 г, 5 рублей – 6,45 г.

А из чего они сделаны? Копейки и пятачки притягиваются магнитом, т. е. они железные (вернее, из низкоуглеродистой стали). Но это – внутри. Снаружи же эти блестящие, как серебро, монетки покрыты (плакированы) медно-никелевым сплавом – мельхиором. Конечно, это дорого, зато хорошо предохраняет их от коррозии. Монеты достоинством 10 и 50 копеек – из медно-цинкового сплава (латуни), а с 2006 г. – стальные с покрытием медным сплавом. Рублевые и двухрублевые – из медно-никелевого сплава. А вот пятирублевики – медные, покрытые сверху мельхиором (это видно по красноватому цвету, «выглядывающему» на боковой части монеты – гурте). С 2009 г. и эти монеты станут стальными, с никелевым гальванопокрытием.

Сколько стоит монета?

Этот странный на первый взгляд вопрос когда-то не вызывал недоумения: монета стоила столько, сколько стоил металл, из которого она изготовлена. Так, если в золотой «царской» десятке с портретом Николая II, чеканившейся в 1898–1911 гг. и весившей 8,6 г, было 7,74 г чистого золота, то такое количество золота и стоило тогда 10 рублей. Соответственно серебряные монеты «вмещали» в себя меньше денег, медные – еще меньше. Поэтому из серебра 900-й пробы чеканили (с 1886 г.) только рубли, полтинники и полуполтинники (25 копеек), из низкопробного серебра 500-й пробы – монеты достоинством от 5 до 20 копеек (такие монеты из серебра 900-й пробы были бы слишком маленькими), а из меди – монеты достоинством 1/4, 1/2, 2, 3 и 5 копеек. И если положить рядом крошечный серебряный пятачок и огромный по сравнению с ней медный пятак (обе монеты чеканились с 1867 г.), сразу видна разница между стоимостью серебра и меди. Аналогично за небольшую золотую монету нужно было выложить 10 рублевых общей массой 200 г! Золото дороже серебра и потому, что его в земной коре намного меньше (в 16 раз), и потому, что добывать его, как правило, труднее. Интересно, что в Древней Месопотамии (VIII век до н. э.) золото ценилось дороже серебра в 13 раз. Примерно такое же соотношение было и в Древнем Египте и Греции. В Средние века это соотношение колебалось от 1 : 10 до 1 : 13, а в XVII веке увеличилось до 1 : 16 (после ввоза из Нового Света огромных количеств серебра оно относительно подешевело). Конечно, на это соотношение сильно влияли различные факторы, в основном – добыча этих металлов.

Чтобы медь стала полноценным монетным металлом, ее стоимость в монете когда-то тоже должна была соответствовать номиналу монеты. Так появились огромные медные пластины (их называют также платами); например, в Швеции при королеве Кристине (1632–1654) плата, соответствующая 10-далеровой серебряной монете, весила 19,5 кг! Российские платы были поменьше; так, медный рубль 1725–1726 гг. весил 1,64 кг (1/10 пуда), полтина – 0,82 кг, полуполтина – 0,41 кг и т. д. Это были специальные выпуски, отчеканенные в очень небольшом количестве экземпляров. Однако выпускавшиеся с 1758 по 1810 гг. огромными тиражами пятаки тоже весили немало – более 50 г! Большой вес медных денег приводил к значительным неудобствам. Вот яркий пример. В конце 1747 г. М. В. Ломоносов написал свою самую знаменитую оду, посвященную шестилетию восшествия на престол Елизаветы Петровны. Часто цитируют ее строки о том, что «может собственных Платонов и быстрых разумом Невтонов Российская земля рождать». Безудержные славословия Елизавете (впрочем, соответствующие жанру оды) настолько понравились императрице, что она повелела выдать автору 2000 рублей – огромную по тому времени сумму. Однако в казне в тот момент серебра не оказалось, а ассигнации появились только при Екатерине II; пришлось выдать царский дар медью: Ломоносову доставили две подводы медных денег. Нетрудно подсчитать их вес. По именному указу 1730 г. из 1 пуда меди чеканили монет (деньги и полушки) на 10 рублей. Значит, 2000 «медных» рублей весили 200 пудов, или 3,2 тонны! Если бы Ломоносов жил лет на 150 позже, его награда весила бы «всего» 640 кг, так как с 1867 г. из пуда меди медных монет чеканили уже на 50 рублей.

А вот еще один любопытный факт, касающийся медных монет и успехов химиков XVIII века. Чтобы не возить по российским просторам огромные массы денег, Екатерина II в 1763 г. приказала чеканить медные монеты для Сибири из местной меди, добываемой на Колывано-Воскресенском руднике. Там же располагался медеплавильный завод. Как показали химические анализы, медь из этого рудника содержала естественную примесь серебра (0,81 %) и золота (0,036 %). Их выделение из меди было в те времена малорентабельным, и правительство решило зачислить стоимость золота и серебра в стоимость сибирских медных денег.

Полуполтины 1726 г .

В результате из одного пуда колыванской меди чеканили «сибирских» монет на 25 рублей, тогда как общероссийские медные монеты чеканили в то время из расчета 16 рублей из пуда. Поэтому обычный российский пятак тех времен весит 51,19 г, а сибирский – «только» 32,76 г – разница существенная!

Поскольку у большинства правителей всегда были проблемы с деньгами, они нередко выпускали в обращение монеты, номинал которых был выше истинной стоимости металла в них. Примеры злоупотребления таким способом поправки государственных финансов можно найти уже в Древней Греции. Самый простой способ порчи монеты (кстати, это вполне официальный термин) – ее обрезание. Он особенно практиковался в древности, когда монеты были неправильной формы, а их вес мог существенно различаться. В Афинах достиг совершенства еще один метод: железные, медные или свинцовые кружки обтягивали тонким серебряным или золотым листком. Но чаще всего применяли наиболее простой способ: к драгоценному металлу подмешивали менее ценный. В Риме порча монеты достигла крайних масштабов в III в. н. э., когда «золотые» монеты содержали 82,7 % меди, 16 % серебра и лишь 1,3 % золота. Сильнейшие злоупотребления в монетном деле совершались во многих европейских странах в Средние века. Итог известен – полное расстройство монетной системы. В России попытка насильственно приравнять по стоимости медные деньги к серебряным вылилась в московский Медный бунт 1662 г.

Когда металл дороже денег

Сейчас номинал монеты (то, что на ней написано) не связан напрямую с ценой металла. Хотя если цена металла превышает номинал, становится невыгодной их чеканка. Понятно, что все страны стараются, чтобы металл, из которого чеканят монеты для обращения, был по возможности дешевле. Ведь монеты сейчас чеканят миллионами и даже миллиардами. Например, юбилейная американская 25-центовая монета, посвященная вхождению в США Виргинии (она отчеканена в 2000 году), имела тираж более полутора миллиардов! Конечно, стремление использовать для монет как можно более дешевые металлы не относится к юбилейным и памятным монетам, которые предназначены для коллекционеров, а не для хождения по магазинам. Так, рыночная цена современных серебряных монет номиналом 1, 2 и 3 рубля может превышать этот номинал во много сотен раз.

В старые времена цена металла (и в первую очередь – золота и серебра) в монете должна была соответствовать номиналу. Правители часто не выполняли этого требования, снижая содержание золота или серебра в монете, и таким образом поправляли (хотя и ненадолго) свои финансовые дела. Нередки в истории и прямо противоположные случаи, когда стоимость металла превышала номинал монеты. Как правило, это связано с инфляцией и неповоротливостью чиновников, не прекращающих своевременно чеканить монеты, как говорится, себе в убыток. Так, в Италии в 70-х гг. ХХ века началась паника – из обращения почти исчезли мелкие монеты из алюминиево-магниевого сплава достоинством 1, 2 и 5 лир. Расследование показало, что некоторые фирмы скупали эти дешевые монеты, металл которых стоил больше их номинала, и использовали их не по назначению – например, в качестве основы для пуговиц. Это было дешевле, чем штамповать пуговицы даже из недорогого алюминия. Диаметр этих монет тоже был подходящий: 17,2 мм (1 лира), 18,3 мм (2 лиры), 20,3 мм (5 лир), 23,3 мм (10 лир) – на любой вкус! В результате были приняты срочные меры по массовой чеканке монет. Так, если в 1970 г. пятилировых монет было отчеканено 3,1 млн, то в 1972 г. – 16,4 млн, а в 1973 г. – 28,8 млн! И хотя еще в 1976 г. лира соответствовала всего 0,0012 доллара США, т. е. на нее ничего нельзя было купить, массовая чеканка мелких монет продолжалась вплоть до 1993 г. – факт удивительный! Как бы в насмешку, на монете достоинством 1 лира был изображен рог изобилия.

Из таких алюминиевых монет делали пуговицы, потому что еще задолго до прекращения их чеканки в 1993 г. на них уже ничего нельзя было купить

В нашей стране выгодное добывание «изюма из булок» случалось по крайней мере трижды. После Отечественной войны 1812 года резко выросла цена серебра и меди: за рубль серебром давали четыре рубля ассигнациями, а за пуд меди можно было получить от 40 до 50 рублей. В то же время, согласно Манифесту от 29 августа 1810 г., из одного пуда меди вплоть до 1831 г. чеканили монеты всех номиналов (деньга, одна и две копейки) на сумму 24 рубля. Этот вопиющий дисбаланс приводил к ежегодной переплавке на металл нескольких тысяч тонн медных монет!

Второй раз такая «утечка капиталов» произошла в конце XIX в., когда основным источником меди для монет стали уральские руды, содержащие примесь золота и серебра. В результате предприниматели стали вывозить из России медную монету для переработки металла на чистую (рафинированную) медь с одновременным получением золота и серебра в количествах, окупающих все расходы. Последний подобный случай памятен многим. В результате гиперинфляции в начале 1990-х годов советские деньги очень быстро обесценились. Соответственно цена металлов, из которых были отчеканены монеты, стала существенно выше их номинала. Продавцы в магазинах собирали мелочь и продавали их дельцам на вес. А в рекордном экспорте цветных металлов Эстонией наряду с другими изделиями участвовала и советская монета. Да и сейчас себестоимость наших самых мелких монет заметно превышает их номинал.

С обесцениванием монет связаны и забавные случаи. В Абу-Даби, столице Объединенных Арабских Эмиратов, денежной единицей является дирхам (это арабское слово происходит от греческой монеты драхмы). Дирхам теоретически состоит из 100 филсов, но монета достоинством 1 филс последний раз была отчеканена в 1975 г. и давно вышла из употребления. На этом решило сыграть рекламное агентство, которое во время перерыва в футбольном матче на местном стадионе выкатило на поле новенький «мерседес» и пообещало отдать его каждому, кто немедленно выложит три монеты по одному филсу. Такого среди тысяч болельщиков, естественно, не нашлось. Любопытно, что точно такой же прием был использован и во время футбольного матча в Бразилии. Только вместо старых монеток за автомобиль попросили предъявить фотографию… тещи! И в этом случае рекламная фирма внакладе не осталась.

В периоды гиперинфляции монеты обычно не выпускались: никакой монетный двор не поспел бы за ростом цен, а число нулей просто не уместилось бы на небольшом металлическом кружке. Так было после Первой мировой войны в Германии, России, других странах. Рекорд по темпам инфляции был поставлен в Венгрии. В 1925–1946 гг. денежной единицей страны был пенгё (по-венгерски – «звонкая монета»). До 1939 г. монета в 1 пенгё чеканились из серебра 640-й пробы, затем – из алюминия. После войны в течение считанных месяцев пенгё обесценился в триллионы (!) раз. На бумажных венгерских купюрах того времени (они выставлены в витрине нумизматического магазина в Будапеште) проставлен не только год, но и месяц и день выпуска! Печатание таких банкнот, вероятно, стоило дороже, чем их номинал. С 1 августа 1946 г. в стране была введена новая денежная единица – форинт (от венгерского названия итальянского флорина), которая в ходу и в настоящее время – до введения евро.

Соотношение в стоимости этих венгерских монет (1 пенгё, 1941, и 1 форинт, 1949) после войны выражалось числом с 12 нулями

В нумизматике существует термин «военные деньги» – монеты военного времени, отличающиеся от соответствующих монет мирного времени более низкой пробой драгоценного металла или полной заменой одного металла другим. Вот типичный пример: во время Второй мировой войны в США резко увеличилась потребность в меди для производства ружейных патронов и артиллерийских снарядов. В результате одноцентовые монеты в 1943 г. чеканились не из меди, а из стали и покрывались тонким слоем цинка. Такие монеты притягиваются магнитом. Внешне они, конечно, сильно отличаются от монет других годов выпуска.

«Железный» цент США, отчеканенный в 1943 г.

Ещё один пример. Пятицентовые монетки («никели») до и после войны чеканились (и сейчас чеканятся) из медно-никелевого сплава. Но в декабре 1941 г. США вступили в войну, и американским военным потребовался также никель. Поэтому в 1942– 1945 гг. никель в этих монетах заменили (в это трудно поверить) на серебро! И состав у них необычный: 56 % меди, 35 % серебра и 9 % марганца.

Деньги из «военных» металлов чеканились во время мировых войн во многих странах – Австрии, Бельгии, Болгарии, Венгрии, Германии, Голландии, Дании, Канаде, Норвегии, Румынии, Швейцарии, Швеции… Сравнительно дорогие (и необходимые для военных нужд) медь, никель и их сплавы заменяли на более дешевые: железо, цинк, алюминий. Военные деньги, как правило, были плохого качества: железные монеты легко ржавели, цинковые были недостаточно твердыми и также корродировали.

Однако и в мирное время существует чёткая тенденция удешевлять монеты, по возможности не меняя их внешний облик. Причина одна: из-за инфляции стоимость металла начинает превышать номинал этих монет. В результате приходится отказываться от традиционных монетных металлов и искать им замену.

Происходит это даже в такой богатой стране, как США. Там с 1965 г. стали чеканить 10-центовые монеты – «даймы» с профилем Рузвельта не из высокопробного (90 %) серебра, а из медноникелевого сплава, очень похожего на серебро, так что внешний вид монеты практически не изменился. Прошло немного времени, и появилась необходимость экономии и на меди: чеканка самой мелкой медной монеты США (1 цент, или «пенни» с изображением Линкольна) стала нерентабельной. В результате с осени 1982 г. металл этих монет изменился. И на этот раз подмена была сделана так искусно, что простые люди это даже не заметили. Но заметили химики!

В 1983 г. американский химик Дж. М. Миллер из г. Мадисона (штат Нью-Джерси) развлекался тем, что с помощью рентгенофлуоресцентного спектрометра анализировал состав разных монет. Этот метод позволяет проводить качественный и количественный анализ металлов и их сплавов без разрушения образца. Анализ показал, что центы, выпущенные до 1982 г., изготовлены из меди с добавкой 5 % цинка. Каково же было удивление Миллера, когда, взяв новенькую монетку 1982 г., он обнаружил, что прибор показывает наличие практически чистой меди, хотя медь дороже цинка. Миллер навел справки и выяснил, что монетный двор США вовсе не работал себе в убыток. Как раз наоборот: новые центы только снаружи покрыты медью, внутри же они цинковые, а цинк дешевле меди. Внешне они не отличаются от старых, только немного легче. В результате общее содержание меди в центах снижено с 95 до 2,5 % – солидная экономия для такого массового производства. Для определения содержания меди Миллер снимал медь с монеты электрохимически. Интересно, что в 1982 г. выпускались монеты обоих типов, а с 1983 г. – только цинковые с медным покрытием.

Прошло не так уж много времени, и чеканка даже цинковых монет стала нерентабельной – стоимость металла в них, хоть и ненамного, превысила номинал. А себестоимость пятицентовых монет достигла 7 центов. Опасаясь массовой переплавки монет на металл с целью извлечения выгоды, правительство США издало закон, карающий подобную деятельность большим штрафом и тюремным заключением. Правда, пока таких «умельцев» не обнаружено. Во многих странах для экономии дорогой меди чеканят монеты из намного более дешевой стали и только сверху покрывают тонким слоем меди или медного сплава. Это позволяет использовать такие монеты для интересного химического эксперимента.

Монеты на уроках химии

Монеты, как старые, вышедшие из употребления, так и находящиеся в обращении, могут служить прекрасной иллюстрацией законов химии. Можно провести такой забавный опыт: слегка соскоблить надфилем краешек современного американского цента и положить его в разбавленную соляную или серную кислоту. В течение нескольких дней кислота будет все дальше и дальше проникать в монету, постепенно выедая ее цинковое нутро и не затрагивая оболочку, пока не останется легкий медный чехольчик. Точное взвешивание поможет определить толщину медного по крытия (конечно, для этого нужно измерить его площадь, что не так сложно).

А можно ли поступить наоборот – снять с этих монет тонкий наружный слой меди, оставив нетронутым цинковую начинку? Казалось бы, это невозможно: цинк намного активнее меди, так что любая кислота, растворяющая медь, намного быстрее будет реагировать с цинком. И как только в каком-то месте монеты обнажится цинк, дальше будет растворяться только он. Правда, если взять монету пинцетом, погрузить ее (в вытяжном шкафу!) в концентрированную азотную кислоту и немедленно промыть водой, немного меди растворится: Cu + 4HNO_3 = Cu(NO_3)2 + 2NO_2 + 2H_2O. Операцию нужно повторить несколько раз, пока не пока жется цинк, после чего хорошо промыть монету водой и слегка отполировать ее (подойдет зубная паста). Найти реагент, избирательно действующий в этих условиях только на медь, непросто. Известно, что одновалентная медь, в отличие от цинка, образует довольно прочные комплексные йодиды, а также нерастворимый йодид. Эксперимент показал, что этим свойством меди можно воспользоваться. Для этого нужно смешать концентрированные растворы йодида калия и сульфата меди (медного купороса). Образующийся в реакции 2KI + CuSO_4 = CuI_2 + K_2SO_4 йодид меди(II) неустойчив и тут же распадается: 2CuI_2 = 2CuI + I_2. Белый йодид меди(I) растворяется в избытке йодида калия: CuI + 2KI = K_2CuI_3, а свободный йод с йодидом калия образует комплексный трийодид KI_3 бурого цвета. Если каплю полученного раствора нанести равномерно на поверхность монеты, она сразу же покроется тонким белым налетом CuI, а бурый раствор обесцветится – это металлическая медь прореагировала с трийодидом калия в растворе. Монету теперь нужно промыть, протереть чистой тряпочкой и повторить весь процесс несколько раз, пока не будет снята с поверхности почти вся медь. Так как цинк тоже частично реагирует с KI_3, лучше не доводить процесс до снятия всей меди.

Эти одноцентовые монеты сделаны из цинка и покрыты тонким слоем меди. На левой монете медное покрытие частично удалено химическим способом

Намного проще снять медь или медный сплав со стальных монет. Такие монеты выпускали (и сейчас продолжают выпускать) во многих странах. Покрытие наносят либо путем электролиза, либо плакированием – прокаткой стального листа между двумя тонкими листами из меди или ее сплава. Стальные монеты с латунным покрытием достоинством 1 рубль, 5 и 50 рублей чеканили в нашей стране в начале 1990-х годов (они сохранились во многих семьях). А в 2006 г. стальными стали и наши современные 10– и 50-копеечные монеты. С помощью магнита легко убедиться в том, что все эти монеты имеют стальную основу; видна сталь также на боковом ребре монеты – гурте. Это позволяет провести с такими монетами эффектный опыт: снять с них медный сплав, обнажив стальное нутро.

Положим монеты на несколько дней в плотно закрывающуюся баночку, зальем их водным раствором аммиака и добавим немного окислителя; лучше всего подходят соли пероксодисерной (надсерной) кислоты – надсульфат калия K_2S_2O_8 или аммония (NH_4)2S_2O_8 (перекись водорода не годится, так как в присутствии соединений меди она подвергается быстрому каталитическому разложению: 2Н_2О_2 = 2Н_2О + О_2). Довольно быстро раствор начнет окрашиваться в голубой, а потом – в красивый темно-синий цвет, что свидетельствует о растворении медного сплава: медь в присутствии окислителя и аммиака образует комплексные аммиакаты [Cu(NH_3)4]2+, тогда как на сталь аммиачный раствор не действует. Когда все покрытие растворится, останутся «железные» монеты довольно необычного вида, как это видно на фотографии; на ней рядом с обработанными химически расположены монеты в их первоначальном виде. Если аммиака в растворе недостаточно, а надсульфата, наоборот, – избыток, поверхность монеты покрывается чёрным слоем оксида меди.

Реакция может идти и без надсульфатов, но для этого необходимо присутствие в качестве окислителя кислорода воздуха: 2Cu + 8NH_4OH + O_2 = 2[Cu(NH_3)4](OH)2 + 6H_2O. Правда, такая реакция идет медленнее, да и аммиак из открытой посуды постепенно улетучивается. Кстати, эту реакцию иногда используют для очистки газов от примеси кислорода.

На этой фотографии – монеты разных стран в их исходном виде и после химического удаления покрытия из меди или ее сплава

Для этого медные стружки заливают раствором аммиака и пропускают через него газ. Кислород окисляет медь, а оксид меди немедленно растворяется, так что поверхность стружек остается чистой и реагирует с новыми порциями кислорода. Соединение [Cu(NH_3)4](OH)2 образуется и при растворении в аммиаке гидроксида меди; темно-синий раствор называется реактивом Швейцера и используется для растворения целлюлозы и нитроцеллюлозы.

Вообще факт растворения меди в водном аммиаке известен очень давно. Реакцию изучали многие химики, среди них и именитые, в их числе Марселен Бертло и его ученик Пеан де Сен Жиль во Франции, Христиан Шёнбейн в Германии и др. Они установили, в частности, что в ходе реакции окисляется не только медь, но и аммиак, на его окисление расходуется треть поглощенного кислорода; при этом аммиак превращается в газообразный азот или соли азотистой и азотной кислот. Реакция ускоряется с повышением температуры, в присутствии солей аммония, и особенно сильно – при контакте меди с более благородными металлами.

Если стальная монета покрыта не чистой медью, а ее сплавом с цинком (латунь), с оловом или с алюминием (бронза), в ходе опыта идут реакции и с этими металлами. Так, цинк образует аммиакат [Zn(NH_3)6](OH)2, стабильность которого лишь немногим уступает аналогичному соединению меди. Алюминий переходит в гидроксид, нерастворимый в избытке аммиака; белые хлопья этого соединения хорошо видны при обработке российских монет. Если же в сплаве присутствует олово, оно в условиях реакции окисляется до оксида олова(IV).

Если взвесить с достаточной точностью монеты до и после снятия покрытия, можно определить его толщину. Для этого необходимо знать плотность сплава (например, для латуни – около 8,8 г/см^3), а также площадь монеты (ее легко определить с помощью штангенциркуля). Вот какие результаты получились с определением толщины покрытия для разных монет (как видно, многие страны экономят на металле, выпуская стальные монеты, покрытые медью или медным сплавом).

Конечно, площадь поверхности монет и их масса определяется не очень точно (потому что даже новые монеты могут несколько различаться по массе), однако несколько измерений с монетами каждого вида показали, что толщина покрытия может быть определена с точностью до нескольких микрометров. Об этом же свидетельствуют очень близкие результаты, полученные для однотипных монет (1 и 5 рублей, 10 и 50 копеек, 2 и 5 пфеннигов). Вышедшие из употребления или испорченные монеты можно использовать в качестве образцов для качественного (а иногда и количественного) анализа на занятиях химических кружков, на олимпиадах по химии. Именно так поступили на экспериментальном туре Российской химической олимпиады 1996 г., которая проходила в Самаре. Каждому участнику олимпиады, выполнявшему задания для 11-го класса, была выдана точная навеска кусочка «серебряных» монет (10, 15, 20 копеек), которые были в обращении в СССР с 1961 по 1991 гг. Требовалось определить, какие металлы входят в состав сплава (их два) и установить количественное содержание каждого компонента.

Работа предполагала растворение кусочка монеты в азотной кислоте (концентрация около 30 %) при нагревании (естественно, в вытяжном шкафу). Избыток азотной и азотистой кислот (последняя образуется в ходе реакции 2NO_2 + H_2O = HNO_2 + HNO_3) удаляли добавлением 0,2 г мочевины с последующим кипячением до прекращения выделения газов. (Известно, что мочевина в этих условиях полностью окисляется, например: CO(NH_2)2 + 2HNO_2 = 2N_2 + CO_2 + 3H_2O.) В оставшемся голубом растворе медь легко определить качественно по ее выделению на обезжиренном гвозде. Присутствие никеля доказывают с помощью диметилглиоксима (реактив Чугаева), который дает с ионами Ni2+ розово-красный осадок; реакцию удобно проводить на полоске фильтровальной бумаги. Для количественного определения меди участники олимпиады использовали реакцию ее ионов с избытком йодида калия. В ходе реакции ионы меди окисляют йодид до йода (при избытке ионов I– образуется трийодид: I_2 + I– = I_3–), а сами восстанавливаются: 2Cu2+ + 5I– = 2CuI + I_3–. Выделившийся йод титровали раствором тиосульфата: I_3– + 2S_2O_32– = S_4O_62– + 3I–.

На уроках химии монеты нашли и совершенно неожиданное применение. Уже упоминавшийся любознательный Миллер, конечно, обратил внимание на то, что масса новых центов существенно уменьшилась – примерно с 3,1 до 2,5 г. Этот факт навел американских преподавателей химии на мысль ввести в план школьных занятий интересный эксперимент. Практическая неотличимость на вид новых и старых центов делает их уникальным учебным пособием для демонстрации явления изотопии в химии и изотопного анализа. Действительно, старые (медные) и новые (цинковые) центы можно рассматривать как отличающиеся массой изотопные разновидности одного и того же «элемента». В таком случае путем взвешивания кучи нерассортированных монет можно определить содержание в ней каждого «изотопа», если известно общее число монет и масса каждой разновидности.

Наши монетные дворы – Московский и Санкт-Петербургский тоже, оказывается, чеканят время от времени разные «изотопные разновидности» монет. Причина та же – подорожание металла. Так, в 1992 г. были выпущены медно-никелевые монеты достоинством 10 и 20 рублей, но уже скоро из-за инфляции их выпуск стал слишком накладным (металл стал стоить дороже денег), и в 1993 г. эти монеты стали стальными. Причем они настолько похожи на прежние, что отличить их можно разве с помощью магнита.

А с 50-рублевыми монетами смена металла произошла в течение одного 1993 г. – вместо медного сплава они стали стальными с тонким латунным покрытием. Последние «изотопные» разновидности отчеканили совсем недавно. В 2006 г. 10– и 50-копеечные монеты, которые с 1997 г. делали из медно-цинкового сплава, стали чеканить из стали, покрытой томпаком – медно-алюминиевым сплавом (из томпака чеканили и «медные» советские монеты с 1926 по 1957 гг.).

Посмотрим, как на примере монет можно продемонстрировать принцип изотопного анализа в химии. Для сравнения те же выкладки проведены для двух природных изотопов хлора: 35Cl и 37Cl.

* Эту формулу можно записать и как a(M – b)/M(a – b), если окажется, что b > a

С теорией мы разобрались и теперь понятно, как химики определили из эксперимента долю каждого из изотопов хлора в их смеси. Точно такие же выкладки применимы и к монетам. Различие в массах «изотопных» разновидностей гривенников и полтинников 2006 г. (1,9 и 1,85 г для 10 коп. и 2,9 и 2,75 г для 50 коп.) невелико – всего 2,7 и 5,5 % (у хлора разница составляет 5,4 %, а у американских центов – целых 19,3 %). Тем не менее точное взвешивание нерассортированной кучи монет дает возможность рассчитать, сколько в них монет каждого сорта – по массе, либо по числу монет, если подсчитано общее число монет. Если монеты рассортировать по годам (это легко сделать с помощью магнита), можно проверить правильность проведенных выкладок. С хлором, увы, такой фокус с магнитом не проходит, и для разделения изотопов используются сложные и дорогостоящие методы (правда, некоторые из них могут использовать разное отклонение тяжелых и легких ионов хлора в магнитном поле).

А вот еще один очень красивый опыт с американскими центами (впервые его предложили канадские преподаватели химии). На уроках химии учащимся раздают по три одноцентовые монетки и специальный картонный конвертик с отверстиями по диаметру монет, заклеенными с двух сторон целлофаном. Первую монету сразу кладут в конверт – она служит образцом. Две другие монеты кладут в фарфоровую чашечку с концентрированным раствором щелочи и порошком или мелкими гранулами цинка на дне и осторожно нагревают на водяной бане (использование защитных очков на уроках химии в американских школах является абсолютно обязательным!). Довольно скоро медные монеты становятся «серебряными» – они покрываются тонким блестящим слоем цинка. С помощью щипцов монеты осторожно вынимают из чашечки и промывают водой. Одну из них высушивают и кладут в конверт, а вторую, держа за гурт (ребро монеты) щипцами, вносят на несколько секунд в верхнюю часть пламени газовой горелки. Происходит настоящее чудо: «серебряная» монета мгновенно превращается в «золотую»! Не такой ли опыт показывали средневековые шарлатаны, превращавшие на глазах у изумленной публики «серебряные» монеты в «золотые»? (Правда, им проще было амальгамировать золотую монету, то есть покрыть ее тонким слоем ртути, а затем сильно нагреть: при высокой температуре ртуть быстро испаряется.) Полученную «золотую» монету сразу же охлаждают водой, чтобы предотвратить окисление ее поверхности. И третья монета занимает оставшееся место в конверте, который заклеивается и остается у учащегося, чтобы он мог рассказать дома, какие у них в школе замечательные уроки химии.

Почему монета из «серебряной» становится «золотой», объяснить просто: при высокой температуре атомы цинка движутся (диффундируют) внутрь поверхности меди, образуя сплав меди с цинком – латунь, по цвету очень напоминающий золото. Следует только учесть, что цинк при высокой температуре летуч, и если монету перегреть, он начнет испаряться с поверхности, а латунь будет окисляться, так что опыт не получится. А вот объяснить, почему цинк в щелочной среде осаждается на меди, намного сложнее. Даже сотрудник Центральной технической школы в Торонто (Канада) А. Т. Натан, описавший этот эксперимент с центами, не знал ответа. Чтобы объяснить это необычное явление, группа американских химиков из Буффало (штат Нью-Йорк) провела специальное научное исследование, объяснение которого далеко выходит за рамки школьной программы.

Опыт одинаково хорошо получается с центами, выпущенными как до, так и после 1992 г. С нашими «медяками» (алюминиевая бронза до 1961 г. или медно-цинковый сплав для монет 1961–1991 гг.) опыт тоже получается, хотя и не так хорошо, в отличие от медных монет царской чеканки или выпусков 1924–1925 гг. Можно, конечно, взять просто кусочки чистой меди, но это не так интересно. С образовавшимся латунным слоем, а также с любыми другими латунными изделиями можно провести и такой опыт: протравить поверхность смесью концентрированной азотной кислоты (30 %) и пероксида водорода (70 %) – под микроскопом будут видны красивые кристаллы. Большие кристаллы цинка часто видны и на оцинкованной жести.

Химия и химики на монетах и марках

Химия и химики, к сожалению, очень редко попадают на моне

ты – в отличие, например, от почтовых марок: их на химическую тематику выпущено много сотен, и изданы специальные альбомы и книги, посвященные химии в филателии. Непосредственно химии посвящена единственная в мире монета, отчеканенная в Сан-Марино (500 лир, 1998 г.) – уникальный случай в нумизматике. На ней изображен традиционный символ химии – реторта (хотя химики уже давно ретортами не пользуются). Необычен также показанный на монете способ подогрева реторты открытым пламенем – видимо, с помощью невидимой зажигалки.

* * *

Вот еще несколько монет, так или иначе связанных с химической тематикой. Одновременно показаны также некоторые почтовые марки той же тематики, что и монеты.

Австрия, 25 шиллингов, 1958. Монета посвящена 100-летию со дня рождения австрийского химика Карла Ауэра фон Вельсбаха (1858–1929). Ауэр открыл редкоземельные элементы празеодим, неодим и лютеций, изобрел газокалильную сетку (газовыми горелками с «ауэровскими» колпачками в течение многих лет освещались улицы городов), предложил использовать в лампах накаливания вместо угольной нити металлическую – из тугоплавкого осмия.

* * *

Польша, 10 злотых, 1967. Монета посвящена 100-летию со дня рождения Марии Склодовской-Кюри (1867–1934). Эта уникальная женщина была дважды удостоена высшей для ученого награды – Нобелевской премии: по физике за 1903 год (совместно со своим мужем Пьером Кюри и Анри Беккерелем) – за изучение явления радиоактивности, и по химии за 1911 год – за открытие полония и радия и изучение их свойств. Монеты с изображением Марии Кюри были отчеканены также в Польше в 1974 г. (100 злотых); во Франции (100 франков, 1984, и 20 евро, 2006).

В Польше была выпущена также монета (3 злотых, 1998), посвященная 100-летию открытия супругами Кюри радиоактивных элементов полония и радия.

Той же теме посвящена французская монета (100 франков, 1997) с символом радия и его атомной массой.

Супруги Кюри изображены также на монете, выпущенной в Сан-Марино (50 лир, 1984).

Им посвящено множество почтовых марок разных стран мира.

* * *

Греция, 10 драхм, 1976. Монета посвящена древнегреческому философу Демокриту (ок. 460–370 до н. э.). Демокрит – знаменитый ученик Левкиппа, последователь его атомистического учения. Демокрит впервые в явном виде сформулировал связь предполагаемых свойств невидимых атомов со свойствами веществ, что является основой современной науки, в том числе и химии. На другой стороне монеты – стилизованное современное изображение атома. Это же изображение – на двух почтовых марках, выпущенных в Греции в 1961 и 1983 гг. На марке 1983 г. на изображение атома наложен символ пацифистского движения; этим художник хотел подчеркнуть, что атом должен быть только мирным.

* * *

ФРГ, 5 марок, 1979. Монета посвящена 100-летию со дня рождения немецкого физика и радиохимика Отто Гана (1879–1968). Ган открыл химический элемент протактиний (совместно с Лизе Майтнер) и ядерную изомерию у радиоактивных элементов. Но главное его открытие (совместно с немецким физиком Фрицем Штрассманом) – реакция деления урана под действием медленных нейтронов (1939 г.). Это открытие явилось первым шагом к практическому использованию ядерной энергии. В ноябре 1945 г. Гану была присуждена Нобелевская премия по химии за 1944 год (опоздание связано с тем, что с 1940 по 1943 гг. Нобелевские премии не присуждались, а в 1944 г. присуждались только премии за 1943 год). На монете помещено схематическое изображение цепной реакции деления ядер урана.

* * *

СССР, 1 рубль, 1984. Монета посвящена ученому-энциклопедисту Дмитрию Ивановичу Менделееву (1834–1907). Как писал русский химик Л. А. Чугаев, Менделеев – «гениальный химик, первоклассный физик, плодотворный исследователь в области гидродинамики, метеорологии, геологии, в различных отделах химической технологии (взрывчатые вещества, нефть, учение о топливе и др.) и других сопредельных с химией и физикой дисциплинах, глубокий знаток химической промышленности вообще, особенно русской, оригинальный мыслитель в области учения о народном хозяйстве». Менделеев – единственный отечественный химик, имя которого известно школьникам всех стран благодаря открытому им периодическому закону.

* * *

Сан-Марино, 10 лир, 1984. Монета посвящена итальянскому ученому Алессандро Вольта (1745– 1827). В 1776 г. Вольта исследовал болотный газ (метан) и установил, что при сгорании он образует углекислый газ. В историю науки Вольта вошел как создатель первого химического источника постоянного тока – так называемого вольтова столба. Это открытие позволило изучить процессы электролиза, открыть с их помощью многие химические элементы.

* * *

СССР, 1 рубль, 1986. Монета посвящена 275-летию со дня рождения Михаила Васильевича Ломоносова (1711–1765), который, по словам Пушкина, «был нашим первым университетом». Исследования Ломоносова относятся к математике, физике (в 1741– 1745 гг. он адъюнкт Физического класса Петербургской академии наук), химии (с 1745 г. – профессор химии Петербургской АН), астрономии, минералогии, почвоведению, металловедению; он автор трудов по истории, экономике, филологии, грамматике. В 1756 г. Ломоносов на основании своих опытов по обжигу металлов установил сохранение массы вещества в химических реакциях (часто ссылаются на закон Лавуазье – Ломоносова). Был одним из основоположников молекулярно-кинетической теории, предложил для теоретической части химии название «физическая химия». Ломоносов создал в России химические производства неорганических пигментов, глазурей, стекла, фарфора (он сам изобрел фарфоровую массу), разработал рецептуру цветных стекол для своих картин из мозаики.

Ломоносов занимался также анализом руд, природных солей, описал способы получения различных металлов, железного купороса, серы из серных руд, квасцов, серной, азотной и соляной кислот. Он высказал теорию органического происхождения нефти, каменного угля, торфа, янтаря.

Почтовые марки, посвященные Ломоносову, выпускались в нашей стране в 1925, 1945, 1949, 1961, 1956 и 1986 гг. Рядом с монетой помещена одна из них.

* * *

Германия, 10 марок, 1992. На монете изображен немецкий натуралист Александр фон Гумбольдт (1769–1859), один из последних учёных-энциклопедистов, специалист почти во всех областях знания. Современники называли его Аристотелем XIX века. В честь А. Гумбольдта названы минерал гумбольдтин (оксалат железа FeC_2O_4 · 2H_2O), хребты в Центральной Азии и Северной Америке, гора в Новой Каледонии, ледник в Гренландии, река, озеро и несколько городов в США, растения, кратер на Луне, университет в Берлине… Гумбольдт, помимо географии, ботаники, зоологии, этнографии и других наук, занимался минералогией; изучал питание и дыхание растений и роль в этих явлениях минеральных солей; исследовал газы, скопляющиеся в шахтах; вместе с Гей-Люссаком впервые определил точный химический состав воздуха.

О самоотверженности в науке свидетельствуют опыты, аналогичные опытам Гальвани, но проведенные А. Гумбольдтом не с лягушкой, а со своими собственными мышцами на спине, для чего на ней с помощью помогавшего ему доктора Шаллерна делались надрезы.

* * *

Россия, 1 рубль, 1993. Монета посвящена Клименту Аркадьевичу Тимирязеву (1843–1920), основоположнику отечественной школы в физиологии растений, талантливому популяризатору науки. Основные труды Тимирязева посвящены изучению процессов фотосинтеза растениями, в которых он доказал максимальную активность света в красной области спектра.

* * *

Россия, 1 рубль, 1993. Монета посвящена Владимиру Ивановичу Вернадскому (1863–1945). Деятельность Вернадского была весьма разносторонней: он описал строение силикатов и алюмосиликатов, организовал поиск радиоактивных минералов и был директором основанного им Радиевого института, был директором Лаборатории геохимических проблем Академии наук (сейчас – Институт геохимии и аналитической химии РАН), создал Химическую лабораторию в Киеве, реорганизованную впоследствии в Институт общей и неорганической химии Академии наук Украины. Вернадский выдвинул теорию происхождения минералов, изучал химический состав земной коры, океана и атмосферы. Он опубликовал труды по истории и философии науки, разработал учение о ноосфере. Мировую известность принесли ему монографии «Геохимия» и «Биосфера».

* * *

Франция, 100 франков, 1995. Монета посвящена 100-летию со дня смерти Луи Пастера (1822–1895), французского химика и микробиолога. Пастеру впервые удалось разделить два оптических изомера органического соединения – виноградной кислоты. Он установил, что микроорганизмы способны усваивать только одну форму оптических изомеров. Пастер изучал различные формы брожения – спиртовое, уксусное и др. Он создал метод предохранения пищевых продуктов от порчи (пастеризация), доказал невозможность так называемого самозарождения живых существ, разработал учение об искусственном иммунитете и ввел в практику систему прививок и вакцинаций против инфекционных заболеваний. Пастер изображен также на монете Сан-Марино (20 лир, 1984) и на французской монете (2 франка, 1995).

* * *

ФРГ, 10 марок, 1995. Монета посвящена 100-летию со дня открытия Вильгельмом Конрадом Рентгеном (1845–1923) 8 ноября 1895 г. нового вида излучения, которое автор назвал Х-лучами (буква Х в центре монеты). В России и Германии их называют рентгеновскими лучами. В 1901 г. «за открытие лучей, которые носят его имя» (официальная формулировка Шведской академии наук) Рентгену была присуждена первая Нобелевская премия по физике. Рентгену принадлежат также труды по пьезо– и пироэлектрическим свойствам кристаллов, магнетизму. Современная химия немыслима без рентгеноструктурного анализа, с помощью которого устанавливается строение молекул и кристаллов. На монете ГДР (5 марок, 1970), посвященной 225-летию со дня рождения В. К. Рентгена, изображена рентгеновская трубка. В серии монет Северной Кореи, посвященных столетию Нобелевских премий, была выпущена и монета с изображением Рентгена и его прибора.

* * *

Россия, 1 рубль, 1998. Монета посвящена 165-летию со дня рождения Александра Порфирьевича Бородина – одного из создателей русской классической симфонии (наиболее известна вторая, «Богатырская»), русского струнного квартета, автора оперы «Князь Игорь», многих романсов. Бородин был также талантливым химиком, автором более 40 работ по органической химии. Его имя увековечено в реакции Бородина – Хунсдикера (действие галогенов на серебряные соли карбоновых кислот). Примечательно, что великий русский химик Н. Н. Зинин, у которого делал свои первые шаги в химии Бородин, не одобрял его увлечения музыкой. «Поменьше занимайтесь романсами, – говорил он будущему замечательному композитору, определившему целое направление в русской симфонической музыке. – На вас я возлагаю все свои надежды… А вы все думаете о музыке и двух зайцах».

* * *

Северная Корея, 5 вон, 2001. Монета посвящена 100-летию со дня присуждения первой Нобелевской премии по химии голландскому химику Якобу Хенрику Вант-Гоффу (1852–1911) – одному из основателей физической химии и стереохимии. Вант-Гофф сформулировал основные положения пространственной теории расположения атомов в молекулах органических соединений. Исследовал кинетику ряда химических реакций и предложил правило зависимости скорости от температуры (правило Вант-Гоффа). Вывел одно из основных уравнений термодинамики – зависимость константы равновесия от температуры. Вывел носящий его имя закон зависимости осмотического давления от концентрации. Заложил основы теории твердых растворов. На корейской монете Вант-Гофф справа.

* * *

Приднестровье, 100 рублей, 2001. Монета посвящена 140-летию со дня рождения химика-органика академика Николая Дмитриевича Зелинского (1861–1953). Работы Зелинского весьма обширны. Он был одним из основоположников химии нефти и органического катализа, синтезировал множество новых соединений, исследовал химию аминокислот и белков. В 1916 г. разработал конструкцию противогаза. Имя Зелинского носит Институт органической химии Академии наук в Москве.

* * *

Приднестровье, 100 рублей, 2002. Монета посвящена украинскому академику, почвоведу и агрохимику Константину Каэтановичу Гедройцу (1872–1932). Его работы посвящены в основном учению о почвенных коллоидах. Он установил важную роль находящихся на поверхности этих частиц катионов, которые могут обмениваться с другими катионами в почве и таким образом влиять на химические свойства почвы и динамику процессов в ней. Работы Гедройца заложили теоретические основы применения удобрений; они нашли приложение также в геохимии, агрохимии, в разработке вопросов мелиорации почв. Имя Гедройца было присвоено Всесоюзному научноисследовательскому институту удобрений, агропочвоведения и агротехники.

* * *

Германия, 10 евро, 2003. Монета посвящена 200летию со дня рождения немецкого химика Юстуса Либиха (1803–1873). Либиху принадлежит ряд важных открытий в химии, среди которых – явление изомерии (совместно с Вёлером). Он впервые синтезировал многие органические соединения, создал теорию многоосновных кислот, заложил основы агрохимии и предложил теорию минерального питания растений, разработал ряд количественных методов анализа и сконструировал для них оригинальные приборы, основал химический журнал, который с 1784 г. носит его имя (Liebigs Annalen der Chemie). Монета с изображением Либиха была отчеканена также в ГДР (10 марок, 1978) по случаю 175-летия со дня его рождения.

Глава 3

Расследование

В криминалистике расследование – это скрупулезное собирание фактов, в том числе и самых незначительных, опрос множества свидетелей, логические заключения следователя о том, какие факты между собой связаны, а какие нет… Труд химика тоже во многом похож на работу следователя. Химик изучает факты (какие вещества реагируют друг с другом, что при этом получается), в том числе и малозначительные на первый взгляд (влияние на реакцию небольших изменений внешних условий), опрашивает «свидетелей» (здесь под «свидетелями» подразумеваются химики, проводившие исследование ранее и описавшие полученные результаты в научных статьях), делает логические заключения (сейчас ему в этом помогает и компьютер). В этой главе рассказано о нескольких случая поиска – конечно, не преступника, а причины того или иного явления в химии. Расследование в химии может быть как экспериментальным, так и включать в себя литературный поиск. Обычно химики сочетают оба метода. И такое расследование порой может быть не менее увлекательным, чем истории Шерлока Холмса, о чем и повествует первый рассказ.

Загадки оксалата

Юный химик купил набор для домашних экспериментов. Его особенно заинтересовал опыт, который назывался «Получаем пирофорные металлы». Из описания он узнал, что «металлы, полученные разложением солей органических кислот… имеют очень большую поверхность, а потому очень реакционноспособны. В частности, они быстро реагируют с кислородом воздуха. Поскольку реакция с кислородом воздуха сопровождается разогреванием, такие металлы называются пирофорными (в переводе с греческого – несущими огонь)». Правда, юный химик не понял, при чем тут огонь, если реакция просто идет с разогреванием. Например, реакция щелочи и кислоты сопровождается очень сильным разогреванием, но никто эти вещества пирофорными не называет.

Юный химик проделал рекомендуемые опыты с разложением некоторых солей щавелевой кислоты НООС–СООН (такие соли называются оксалатами; по-английски oxalic acid – щавелевая кислота). В пособии была описана реакция разложения оксалата меди: CuC_2O_4 = Cu + 2CO_2. Слив растворы медного купороса и щавелевой кислоты, как было указано в описании, юный химик получил через некоторое время светло-синий осадок оксалата меди: CuSO_4 + H_2C_2O_4 = CuC_2O_4 + H_2SO_4. Поскольку воды было много, серная кислота получилась сильно разбавленной. Далее он аккуратно слил с осадка жидкость и осторожно нагрел оставшееся в пробирке вещество. Сначала из него испарилась вода, а потом вещество покраснело. Это, в соответствии с приведенным уравнением реакции, указывало на образование порошка меди, который, как и было указано, «довольно быстро чернеет, поскольку образуется металл с очень большой поверхностью, который быстро реагирует с кислородом». Никакого разогревания, а тем более огня, юный химик не заметил.

Тогда он решил, в соответствии с рекомендациями в книжке, получить пирофорное железо, тем более он читал раньше, что это вещество действительно вспыхивает на воздухе. В наборе была баночка с коричневым веществом – хлоридом железа(III), FeCl_3. Однако ничего у юного химика не получилось: при сливании растворов хлорида трехвалентного железа и щавелевой кислоты получился зеленый раствор, но никакого осадка не выпало. Пришлось обратиться к учителю химии. Тот сказал, что этот опыт нужно проводить с оксалатом двух-, а не трехвалентного железа. Посмотрев в справочник, учитель сказал, что растворимость FeC_2O_4 действительно мала – всего несколько миллиграммов в 100 г холодной воды и практически не изменяется при нагревании. В отличие от него оксалат Fe_2(C_2O_4)3 очень хорошо растворяется в холодной воде, а в горячей разлагается. Известно, что соли железа(III) гидролизуются значительно сильнее, чем соли железа(II). Поэтому если даже FeCl_3, соль очень сильной соляной кислоты, при кипячении ее раствора гидролизуется до Fe(OH)3 (этот гидроксид легко образует коллоидный раствор), то соль значительно более слабой щавелевой кислоты должна гидролизоваться намного легче.

А можно ли получить кристаллы Fe_2(C_2O_4)3? И что получается при их разложении? Литературный поиск показал, что такой эксперимент был проведен в 1963 г. английскими химиками. Он нагрели до кипения разбавленный раствор железных квасцов (двойной сульфат железа(III) и калия или аммония; бывают также алюминиевые, хромовые и другие квасцы трехвалентных металлов) и добавили к нему раствор аммиака. Горячий слабощелочной раствор железа(III) подвергся сильному гидролизу, при этом в осадок выпал гидроксид железа Fe(ОН)3. Его тщательно промыли водой, чтобы удалить остатки аммиака и добавили водный раствор щавелевой кислоты в таком количестве, чтобы соотношение количества ионов Fe3+ и С_2О_42– в растворе было 2:3, то есть соответствовало формуле Fe_2(C_2O_4)3. Когда зеленый раствор осторожно упарили, получилась желто-зеленая масса, которую легко было размельчить на мелкие чешуйки. Это и был оксалат железа(III). При нагревании до 170 °С он разложился с образованием оксида трехвалентного железа Fe_2O_3. Этот оксид, конечно, не обладает пирофорными свойствами, так как не реагирует с кислородом воздуха.

В заключение преподаватель посоветовал юному химику вместо FeCl_3 взять соль двухвалентного железа, например его сульфат (железный купорос FeSO_4 ·7Н_2О). А разложение проводить в пробирке, немного наклоненной отверстием вниз, чтобы вода, выделяющаяся при нагревании вещества, могла стекать. Ее капли при этом рекомендуется убирать фильтровальной бумагой или кусочком ваты. И действительно, опыт удался на славу: при сливании растворов железного купороса и щавелевой кислоты выпал желтый осадок оксалата железа(II) FеС_2О_4, который при нагревании (сначала слабом, потом более сильном) превратился в черный порошок. При его высыпании на железный лист порошок красиво вспыхивал, образуя искры, полностью оправдав название «пирофор»!

Итак, пирофорными называются вещества, самовоспламеняющиеся на воздухе. Этот термин образован от греческих слов pyr – «огонь» и phoros – «несущий». Пирофорные вещества опасны, так как могут привести к пожару, если их оставить открытыми поблизости от горючих предметов. Поэтому рекомендуется после проведения опыта «погасить» пирофор, превратив его в неактивное вещество, или исключить его контакт с воздухом.

Юный химик решил узнать, что у него получилось при нагревании оксалата железа. Он предполагал, что прошла реакция FеС_2О_4 = Fе + 2СО_2, то есть образовался порошок пирофорного железа. Но прочитав имеющиеся у него и взятые в библиотеке книжки, он пришел в недоумение. В одних книжках было написано, что в результате этой реакции получается мелкораздробленный железный порошок, в других же утверждалось, что этот порошок – оксид железа FeO, который на воздухе сгорает до Fe_2O_3.

Что же получается на самом деле в этой реакции? Проведем небольшое расследование. Но сначала нужно рассказать о том, какие бывают пирофоры.

В учебниках по химии конца XIX века можно найти любопытное упоминание о том, что метал церий (он был впервые получен в 1875 г.) обладает удивительным свойством: если проволоку из церия поскрести ножом, то образующиеся мельчайшие пылинки металла самовоспламеняются на воздухе. Если же внести в огонь саму цериевую проволоку, она сгорает ослепительным пламенем, превосходя по яркости горящий магний.

Это свойство церия до сих пор используется в составе для «кремневых» зажигалок. В его основе – церий, сплавленный с лантаном, железом и небольшим количеством других металлов; это так называемый мишметалл (от нем. mischen – «смешивать»). Один из самых пирофорных – сплав 75 % церия и 25 % платины; понятно, что из-за высокой стоимости он не имеет практического значения.

Мишметалл очень хрупкий и при ударе (или энергичном трении о стальное колесико) дает множество искр, которые легко поджигают фитиль или газ. Сходными свойствами обладают и сплавы марганца с сурьмой. Сплав на основе церия используется в трассирующих пулях и снарядах. Специальная насадка из пирофорного сплава надета на снаряд снаружи, а роль колесика в зажигалке, высекающего искру, здесь играет воздух. При больших скоростях трение насадки о воздух заставляет снаряд искрить, в результате чего ночью легко проследить его путь. Похожими свойствами обладает и уран. В 1896 г. французский химик Шесно впервые заметил, что искры, отлетающие от кусочка урана при его трении о закаленную сталь, способны зажечь спирт или бензол; температура таких раскаленных частиц металла превышает 1000 °С.

Пирофорным может быть и железо. Скорость окисления железа, многих его сплавов и изделий из них очень сильно зависит от общей поверхности соприкосновения металла и воздуха. Так, обычный гвоздь ржавеет на воздухе очень медленно. Даже если гвоздь сильно нагреть, он не скоро превратится в окалину. Мелкие же опилки при сильном нагреве быстро сгорают, а при внесении в пламя – вспыхивают в виде искр. Действительно, у очень мелкого порошка железа поверхность может быть огромной. Так, железный кубик с ребром 1 см имеет поверхность 6 см^2, а если бы удалось распилить его на мелкие частицы размером 1 мкм (10–4 см), то общая их площадь увеличилась бы в 10 000 раз и составила уже 6 м^2 при неизменных объеме и массе вещества. Химическим способом можно получить еще более мелкий порошок железа. Такой порошок вспыхивает на воздухе уже при обычной температуре, если понемногу высыпать его на железный лист.

Причин пирофорных свойств несколько. Прежде всего, необходимо, чтобы вещество обладало химической активностью по отношению к кислороду. Важна и большая поверхность – ведь у очень мелкого порошка поверхность велика, поэтому реакция с кислородом идет быстро. Однако одним только увеличением поверхности соприкосновения железа и кислорода нельзя объяснить очень высокую скорость реакции. Действительно, если взять железный лист площадью 6 м^2, то скорость окисления всей его поверхности при комнатной температуре будет неизмеримо меньшей, чем в случае очень мелкого железного порошка с той же поверхностью. Значит, дело не только в этом.

Третий фактор – искажение кристаллической решетки у очень мелких частиц металла, что приводит к увеличению реакционной способности. Расстояние между атомами у пирофорного железа немного больше нормального. В результате теплота растворения пирофорного железа в серной кислоте на 25 кДж/моль больше, чем у обычного железа. Увеличивается и тепловой эффект реакции с кислородом. Если пирофорное железо сильно нагреть или перемешивать порошок в процессе его получения, пирофорность исчезнет. Это объясняется рекристаллизацией – изменением в положении атомов железа с образованием нормальной и более прочной кристаллической решетки.

Наконец, еще один очень важный фактор – малая скорость теплоотвода из зоны реакции пирофора с кислородом. Этот фактор особенно очевиден, если сравнить скорость теплоотвода от железного листа и от тонкого железного порошка с той же поверхностью. В первом случае теплота реакции быстро уходит в глубь металла, который обладает высокой теплопроводностью, так что поверхность остается холодной. При окислении же очень маленькой частицы железа теплота реакции в основном идет на ее нагревание, так как воздух обладает низкой теплопроводностью. А чем выше температура, тем выше скорость реакции. В результате железные пылинки быстро сгорают (пирофорное железо вспыхивает даже при температуре сухого льда, то есть при –78 °С!). Об этом явлении писал в своем учебнике «Основы химии» и Д. И. Менделеев: «Сплошные массы железа от того негорючи, что передача ими тепла очень велика, а поверхность прикосновения (где идет окисление) мала».

Изучая окисление железа при различных условиях, ученые проделали интересный эксперимент. В вакуумную камеру поместили стеклянную пластинку толщиной 0,1 мм и нанесли на нее путем напыления тончайшую пленку железа толщиной всего 0,15 мкм. Затем эту пластинку с железной пленкой вынесли на воздух и быстро нагрели. Теплопроводность стекла невелика, поэтому почти вся тепловая энергия, выделяющаяся в ходе реакции, расходовалась на нагрев металлической пленки. Это привело к интересным и необычным последствиям. В пленке образовывались микроскопические зародыши продукта реакции – оксида железа. Эти зародыши непрерывно росли, причем скорость роста вглубь составляла 2 мкм в секунду, а в стороны – 1 см в секунду, т. е. в 5000 раз быстрее. Пленка фактически сгорала прямо на глазах!

Самый первый из известных пирофоров – белый фосфор, полученный в 1669 г. немецким алхимиком Хеннигом Брандом. В 1794 г. немецкий фармацевт и аптекарь Иоганн Троммсдорф обнаружил способность мелкораздробленного самородного мышьяка воспламеняться на воздухе. Если же говорить только о пирофорных металлах, то считается, что впервые их описал в 1825 г. немецкий физик и химик Густав Магнус, который одно время учился в Стокгольме у знаменитого шведского химика Й. Я. Берцелиуса. еще студентом Магнус опубликовал свою первую работу о самовозгорании металлических порошков. Он получил пирофорные железо, кобальт и никель восстановлением их оксидов. Правда, при этом он ссылался на Берцелиуса, который еще раньше получил пирофорный цирконий действием металлического калия на фтороцирконат K_2ZrF_6 (аналогично из тетрахлорида титана TiCl_4 позднее был получен пирофорный титан). В том же году Ф. Вёлер получил пирофорную смесь меди и свинца, восстановив смесь их оксидов водородом. В 1849 г. немецкий химик К. Ф. Шёнбейн (он известен тем, что открыл озон) получил пирофорные металлы перегонкой их амальгам – сплавов с ртутью; таким образом можно сделать пирофорными Pb, Cr, Mn, Fe, Mo, W, U, Co, Ni, Cu. Например, полученный таким способом пирофорный хром загорается на воздухе при нагреве до 300 °С, превращаясь в Cr_2O_3.

Пирофорный металл можно получить и другими способами. Стандартный способ, описанный в руководствах по химии, – восстановление оксидов, нитратов, сульфатов, карбонатов, солей органических кислот (щавелевой, лимонной, винной и других) путём их нагревания в токе водорода при температуре 300–450 °С. Например, если нагреть в вакууме до 480 °С соль свинца и винной кислоты – тартрат свинца PbС_4Н_4О_6, то получится порошок, самораскаляющийся на воздухе, хотя свинец намного менее активный металл, чем железо. Если окисление идет медленно, то теплота реакции успевает рассеиваться, и порошок свинца постепенно превращается в оксид PbО. В атмосфере же кислорода реакция идет так быстро, что порошок очень сильно нагревается и в конце концов бурно сгорает. Один физик наблюдал, как при механической обработке молибдена по помещению разлетелись мелкие и, вероятно, горячие частицы металла. Они сгорали в полете, превращаясь в лёгкие нити оксида молибдена МоО_3. И помещение наполнилось парящими в воздухе белыми нитями… В ходе другого эксперимента в сушильный шкаф поставили для просушки порошок вольфрама с размером частиц 2–7 мкм. Когда его вынули, по поверхности порошка медленно, со скоростью около 0,5 см/с, ползало светло-красное пятно диаметром около 1 см, оставляющее за собой полоску спеченных частиц. Все это – «проделки» пирофоров.

Как отмечалось, если в ходе реакции восстановления порошок перемешивать, пирофорность металла исчезает. То же происходит, если проводить реакцию при более высоких температурах. Иногда, впрочем, пирофорность исчезает не полностью: порошок металла вспыхивает на воздухе не при комнатной температуре, а после подогрева. Одна из причин частичной или полной потери пирофорности – спекание мелких частиц порошка. Его можно избежать, если подвергнуть восстановлению не чистый оксид металла, а его смесь с оксидом алюминия. Например, железо, полученное восстановлением Fе_2О_3 при температуре выше 540 °С, не будет пирофорным, а смесь Fе_2О_3 с 20 % Аl_2О_3 дает пирофорный порошок и при температуре восстановления 700 °С. Пирфорным может быть не только порошок, но и стружка металла. Этим свойством обладает, например, плутоний.

Пирофорным можно сделать даже серебро, если восстановить его магнием из насыщенного раствора нитрата серебра. Серебро при этом получается в виде очень тонкого порошка. А самовоспламенение пасты из цинковой пыли и 10%-ного раствора NаОН объясняется тем, что щелочь очищает поверхность цинка от его оксида и гидроксида, а сам цинк – металл активный.

Химикам хорошо знаком так называемый скелетный никель (никель Ренея) – катализатор реакций гидрирования. Его получают из сплава никеля с алюминием; если поместить такой сплав в раствор щелочи, алюминий растворится и останется порошок никеля. Этот порошок используют в виде взвеси (суспензии) в органическом растворителе. Если такую суспензию случайно пролить, то после высыхания растворителя катализатор загорится. Последствия могут быть довольно неприятными: может быть, например, прожжен лабораторный стол, а если рядом будет много горючего материала, возможен и пожар.

Пирофорные металлы обладают повышенной реакционной способностью не только по отношению к кислороду. Например, пирофорные железо и марганец уже при комнатной температуре разлагают воду с выделением водорода, а хром реагирует с аммиаком с образованием нитрида CrN.

Пирофорными бывают не только чистые металлы, но и амальгамы (сплавы с ртутью), карбиды (например, карбиды урана UC, U_2C_3, UC_2), оксиды (например, FeO, CrO, UO_2), сульфиды (еще в 1828 г. Гей-Люссак получил пирофорный сульфид калия, прокаливая алюмокалиевые квасцы с углем, а так называемый пирофор Гомберга получается при замене угля сахаром), многие гидриды (например, гидриды кремния, бора, фосфора, лантаноидов и актиноидов). Температура самовоспламенения некоторых гидридов может быть значительно ниже комнатной (для силана SiH_4 она ниже температуры кипения жидкого азота и составляет –200 °С!). Гидриды некоторых металлов получить очень просто. Например, лантан реагирует с водородом уже при атмосферном давлении с образованием черного порошка гидрида, который вспыхивает на воздухе и бурно реагирует с водой. Пирофорный гидрид урана UH_3 используют для получения порошка и различных соединений урана, а пирофорный алюмогидрид лития LiAlH_4 – для восстановления органических соединений.

Пирофорны многие металлоорганические соединения. Так, используемые в органическом синтезе метиллитий LiCH_3, диметилцинк Zn(CH_3)2, триметилбор B(CH_3)3, триметилалюминий Al(CH_3)3 на воздухе самовоспламеняются. Чтобы работать с такими веществами, химики либо используют вакуумные установки, либо заполняют реакционные сосуды инертным газом. С пирофорными соединениями приходится иметь дело и в химической промышленности. Примером может служить используемый в больших количествах в качестве катализатора этилат алюминия Аl(ОС_2Н_5)3.

Вернемся теперь к опыту, который провёл юный химик, и попытаемся разобраться, что же представляет собой полученный им пирофор и почему такое разночтение по этому вопросу в разных книгах. Конечно, эта реакция не самая важная в химии, но на ее примере можно показать, какие «расследования» вынужден нередко проводить химик.

Не вызывает сомнений, что при сливании растворов железного купороса (или хлорида железа FeCl_2) и щавелевой кислоты получается железная соль щавелевой кислоты, кристаллогидрат оксалата железа(II) FeC_2O_4 · 2Н_2О, в виде желтого нерастворимого осадка. Если его высушить, а потом сильно нагреть, он превратится в черный порошок. Если этот порошок понемногу высыпа́ть на железный лист, он вспыхивает на лету. В пособии для студентов вузов З. Г. Васильевой, А. А. Грановской и А. А. Таперовой «Лабораторные работы по общей и неорганической химии» (М.: Химия, 1979, с. 265) рекомендуется при проведении эксперимента «нагревать пробирку пламенем горелки до тех пор, пока желтый порошок не станет черным, после чего отставить горелку и быстро закрыть пробирку пробкой, чтобы полученное железо не окислялось кислородом воздуха». Аналогичное описание дано в книге Ф. П. Платонова «Лекционные опыты и демонстрации по общей и неорганической химии» (М.: Высшая школа, 1976, с. 214), в которой подчеркнуто, что «наиболее просто на лекции можно получить пирофорное железо из оксалата железа». В «Практикуме по общей и неорганической химии» под редакцией М. Х. Карапетьяна и С. И. Дракина (М.: Высшая школа, 1969, с. 236), сказано, что разложением оксалатов можно получить также пирофорные порошки марганца, кобальта и никеля.

Уравнение проходящей при прокаливании оксалата реакции можно найти в весьма компетентном и выдержавшем множество изданий «Курсе общей химии» Б. В. Некрасова. В 14-м издании этого учебника (1962 г.) читаем на с. 767: «…пирофорные порошки металлов семейства железа могут быть получены восстановлением их оксидов водородом. В случае Fe удобнее пользоваться осторожным прокаливанием его оксалата, разлагающегося при этом по схеме: Fe(COO)2 = 2CO_2 + Fe». Аналогичные утверждения можно найти и в зарубежных изданиях. Так, в 8-томной «Энциклопедии химических реакций», которая издавалась в США с 1946 по 1959 г. под редакцией К. А. Якобсона, в томе IV (он издан в 1951 г.) сказано, что при нагревании оксалата железа образуется пирофорное железо и углекислый газ, и приведено соответствующее уравнение.

Казалось бы, все ясно. Однако, если посмотреть другие издания, картина окажется несколько иной. Начнем с популярного в начале ХХ в. во многих странах (ввиду большого педагогического таланта автора) учебника американского химика Александра Смита «Введение в неорганическую химию», который в русском переводе издавался в 1911, 1916 и 1931 гг. Там сказано, что при нагревании FeC_2O_4 образуется черный оксид FeO, который на воздухе самопроизвольно загорается. В «Учебнике неорганической химии» Дж. Партингтона, написанном в 1920 г., сказано, что «FeO образуется в виде пирофорного черного порошка… при нагревании оксалата железа при 150–169 °С в отсутствие воздуха: FeC_2O_4 = FeO + CO + CO_2 (содержит некоторое количество железа, пирофорен); при добавлении оксалата к кипящему раствору KOH: FeC_2O_4 + 2KOH = FeO + K_2C_2O_4 + H_2O» (цитируется по 6-му английскому изданию). В «Справочнике по неорганической химии» американских химиков У. М. Латимера и Дж. Г. Гильдебранда, написанном в 1929 г., читаем: «Оксид FeO можно получить нагреванием оксалата, но продукт содержит некоторое количество железа и оксида железа(III). При нагревании на воздухе сгорает» (цитируется по 3-му американскому изданию 1951 г.). В учебнике английского химика Ф. Прескота «Неорганическая и физическая химия. Базовый курс», опубликованном в 1939 г., сказано: «FeO – черный порошок, образуется… при нагревании оксида железа (аналогично MnO). При доступе воздуха он часто раскаляется». Наконец, в классическом «Курсе неорганической химии» Г. Реми (изданном впервые в Германии в 1931 г. и переводившемся на русский язык в 1934 и 1963 гг.) можно прочитать, что «FeO получается в виде черного пирофорного порошка при нагревании оксалата железа(II) в отсутствие доступа воздуха. Он реагирует с водой, особенно при нагревании».

Как говорится, где же правда? Может быть, сведения, приведённые в старых книгах, устарели – даже если книги писали известные химики? Нет, о том же можно прочитать и в учебниках, изданных в последние десятилетия. Вот два примера. «FeO получают термическим разложением FeC_2O_4· 2H_2O без доступа воздуха… Он диспропорционирует на Fe_3O_4 и металлическое железо при 570 °С» (Р. Рипан, И. Четяну. Неорганическая химия. М.: Мир, 1972. Т. 2). «Оксид FeO можно получить в виде черного пирофорного порошка при прокаливании оксалата 2-валентного железа» (Ф. Коттон, Дж. Уилкинсон. Основы неорганической химии. М.: Мир, 1979).

Так как же на самом деле идет реакция? Почему разные учебники и пособия противоречат друг другу?

Прежде всего, авторы учебников сами, конечно, не проводят всех реакций, о которых пишут. Они пользуются различными справочниками и обзорными работами, а также оригинальными данными, опубликованными в многочисленных химических журналах. И при этом, как правило, никаких ссылок не приводят, так что остаётся только гадать, откуда каждый из них черпал свои сведения. А вот в обзорных работах, опубликованных в научных журналах, а также во многих справочниках ссылки на оригинальные статьи приводятся, и эти обзоры и статьи в принципе можно найти и прочитать. Так, в упомянутой энциклопедии Якобсона там, где речь идет о разложении оксалата железа, приводится ссылка на работу бельгийского химика С. Бирни, опубликованную в 1883 г., и на 1-й том некоего «Словаря» М. Вюрца.

Итак, чтобы прояснить ситуацию, хорошо бы узнать результаты конкретных экспериментальных работ, в которых описана интересующая нас реакция. Именно так и поступают химики, когда начинают исследование в какой-либо новой для себя области: прежде всего необходимо узнать, что уже было сделано их предшественниками. Попробуем в случае оксалата железа совершить краткую экскурсию по химической литературе разных лет – может быть, удастся выяснить, откуда что взялось. А путеводителем по старым работам нам будут служить многотомные (они могут занимать несколько шкафов) справочники по неорганической химии Л. Гмелина и Дж. Меллора, а по органической химии – справочник Ф. Бейльштейна.

С самого начала – неожиданный факт: оказывается, вещество состава FeC_2O_4· 2H_2O встречается в природе в виде минерала гумбольдтина! Этот минерал впервые был найден в отложениях бурых углей в бассейне реки Эльбы еще в 1821 г. и назван в честь немецкого естествоиспытателя, географа и путешественника Александра Гумбольдта. Второй сюрприз: никакого М. Вюрца, на которого ссылается энциклопедия Якобсона, разыскать не удалось. Зато удалось выяснить, что в 1874–1876 гг. в Париже был издан химический словарь Шарля Адольфа Вюрца (реакция Вюрца известна каждому, изучавшему органическую химию; в честь Вюрца назван также минерал вюрцит – ZnS). Словарь имел несколько длинное, зато исчерпывающее заглавие «Словарь чистой и прикладной химии, включающий: химию органическую и неорганическую; химию прикладную, в том числе промышленную, сельскохозяйственную и другие; химию аналитическую, физическую и минералогическую». При жизни Вюрца (1817–1884) вышло три тома, еще семь издавались в течение 1892–1908 гг. Любопытно, что в русских переводах Вюрца называли то Шарлем, то Адольфом. Примером может служить когда-то популярная у русских химиков книга А. Вюрца «История химических доктрин от Лавуазье до наших дней» (СПб., 1859). И в книге М. Джуа «История химии» (М.: Мир, 1966) в краткой биографии этого химика на с. 260 читаем: «Адольф Вюрц… родился в Страсбурге». А вот в авторском указателе 5-томной «Химической энциклопедии» (1998 г.) написано: «Вюрц Шарль (Wurtz Charles)». Осталось выяснить (хотя это и не просто), как называли великого химика родственники и знакомые…

Но откуда взялся М. Вюрц в энциклопедии Якобсона? Очевидно, референт, готовивший ссылку для этой энциклопедии (им был некий Д. С. Аллен из городка Нью-Полтс, штат Нью-Йорк), попался на удочку, о которой в свое время рассказал Ф. К. Величко в статье «Непризнанный Демзельбен», опубликованной в журнале «Природа», 1972, № 2. Вот что он пишет: «Иногда встречаешь список литературы, в котором почти все французы – Мишели, во всяком случае инициалы их начинаются с буквы М. Оказывается, во французских химических журналах до сих пор принято писать: (статья) господина такого-то (к примеру, Дебрэ). Это выглядит как «par M. Debre», и вот Debre перекочевывает в список литературы в виде M. Debre». Значит, М. Wurtz означает просто Monsieur Wurtz, т. е. господин (месье) Вюрц!

Как бы то ни было, словарь Вюрца имел репутацию весьма обстоятельного труда, именно на него дается ссылка в энциклопедии Якобсона, а уже из этой энциклопедии, возможно, заимствовали реакцию FeC_2O_4 = Fe + 2CO_2 и Б. В. Некрасов, и другие авторы. Забавно, но в том же томе энциклопедии Якобсона можно найти также реакцию FeC_2O_4 = FeO + CO + CO_2 со ссылкой на работу 1916 г. немецких химиков К. А. Гофмана и К. Шумпельта. Эта работа была посвящена реакции разложения солей муравьиной кислоты (формиатов) металлов и потому, видимо, не обратила на себя внимания тех, кто интересовался разложением солей щавелевой кислоты. Однако другой референт энциклопедии (на этот раз это был У. Вагнер из Детройта), который разыскал работу немецких авторов, сумел среди 15 страниц мелкого шрифта оригинальной статьи отыскать реакцию разложения именно оксалата железа.

И еще одна неожиданность при первом знакомстве с историей вопроса: оказывается, реакцией термического разложения оксалата железа в разное время интересовались многие знаменитые химики: Иоганн Вольфганг Дёберейнер (1780–1849), Юстус Либих (1803–1873), Фридрих Вёлер (1800–1882), лауреат Нобелевской премии Анри Муассан (1852–1907), Анри Ле Шателье (1850–1936). Упоминавшийся ранее Густав Магнус, обнаружив при разложении оксалата железа вспыхивающий на воздухе черный порошок, решил, что образовалось пирофорное железо. К такому же выводу пришел в 1854 г. его соотечественник А. Фогель. Но уже в следующем году Ю. Либих, изучив продукт разложения в отсутствие воздуха более внимательно, пришел к выводу, что образуется в основном оксид FeO и немного металлического железа. В том же году друг Либиха Вёлер провел реакцию восстановления оксалата железа водородом; естественно, он получил чистое железо. В 1880 г. А. Муассан получил не загрязненный примесями FeO, охлаждая продукт разложения в токе СО. Бельгийский химик С. Бирни, проведя в 1883 г. реакцию в токе азота, обнаружил в продукте железо, его оксид, а также примесь углерода – от 1 до 1,5% (в расчете на исходный оксалат). В последующем другие химики также обнаруживали в продуктах разложения большее или меньшее количество примесей железа и углерода.

Расхождение результатов, полученных разными химиками, – явление не такое уж редкое. То же происходило, например, при выяснении возможности существования таких соединений, как Bi_2O_5, CuSO_3 и ряда других, когда результаты разных работ противоречили друг другу. В случае оксалата железа вопрос, казалось бы, легко решить, проанализировав состав твердого продукта разложения. Можно, например, точно взвесить исходный образец, а потом – продукт реакции. А дальше – простая школьная задачка: из 1 моля FeC_2O_4· 2H_2O (163,9 г) получится либо 55,85 г продукта в случае образования только железа, либо 71,85 г, если получился только оксид FeO, либо что-то промежуточное, если получится смесь, откуда легко рассчитать ее состав. Можно поступить иначе: взвесив продукт реакции, растворить его в кислоте и определить содержание в растворе железа (хотя бы осадив снова тот же оксалат). Наконец, можно проанализировать состав выделившихся при разложении газов, который будет разным при образовании железа и его оксида.

В действительности не все так просто. Во-первых, в первой половине XIX в. не у всех химиков были достаточно точные весы. Даже знаменитый шведский химик Йёнс Якоб Берцелиус имел в молодые годы плохо оборудованную лабораторию с довольно грубыми весами, поэтому для получения надежных результатов он был вынужден повторять один и тот же анализ по 20–30 раз! Во-вторых, и это главное, состав продукта зависит от условий проведения опыта: от чистоты и степени обезвоженности исходной соли, от скорости и конечной температуры нагрева, наконец, от того, проводится ли разложение в присутствии воздуха, инертного газа или в вакууме. Следует также учитывать, что между Fe, FeO, CO и CO_2 при высокой температуре возможны вторичные реакции. Кроме того, FeO термодинамически устойчив только при температуре выше 570 °С, при более низких температурах он диспропорционирует на Fe и Fe_3O_4, причем чем ниже температура, тем медленнее идет эта реакция. В результате некоторые химики (например, уже упоминавшийся С. Бирни) обнаруживали смесь, содержащую в разных пропорциях Fe и FeO, а также углерод.

Можно было предположить два разных пути протекания реакции. Так, М. Гершкович (его статья опубликована в 1921 г. в немецком «Журнале неорганической и общей химии») считал, что в случае металлов группы железа (Fe, Co, Ni) разложение их оксалатов дает сначала чистый металл: МеС_2О_4 = Ме + 2СО_2, а затем этот металл (который выделяется в особо активной – пирофорной форме) восстанавливает СО_2 – частично до СО, а иногда даже до углерода, а сам при этом окисляется до МеО или других оксидов.

Другой точки зрения придерживались П. Л. Гюнтер и Х. Рехаг (их статья опубликована в том же журнале в 1939 г. под красноречивым названием «Термическое разложение оксалатов. Часть II. Синтез чистого FeO». Они поместили сухой FeC_2O_4· 2H_2O в трубку и нагрели ее до 850 °С, а чтобы не было вторичных реакций, быстро откачивали газообразные продукты (СО и СО_2) вакуумным насосом. В результате образовался только оксид FeO с чистотой 99,98 %! В статье был сделан вывод о том, что оксалат, нагретый выше 300 °С, разлагается по уравнению FeC_2O_4 = FeO + CO + CO_2, однако соотношение СО : СО_2 = 1 : 1 реализуется не всегда, так как, несмотря на откачку газов могут идти вторичные реакции: FeO + CO = Fe + CO_2, 2CO = CO_2 + C, 4FeO = Fe_3O_4 + Fe. (Отметим, что в 1-й части статьи, опубликованной годом раньше, авторы изучали термическое разложение оксалатов Nd, Na, Ca, Ba и Th – во всех случаях продуктом был пероксид металла.) Этот результат позднее подтвердили другие химики. Так, французский химик Ж. Робен получил твердые растворы оксидов различных металлов, в том числе железа, кобальта и никеля, разлагая оксалаты этих металлов. А его соотечественники А. Булле и Ж. Доремье изучали в 1959 г. влияние состава газовой атмосферы на термическое разложение оксалатов Fe, Co, Ni. Оказалось, что углекислый газ замедляет скорость распада, тогда как кислород ускоряет реакцию, снижая одновременно температуру разложения (для оксалата железа – на 140 °С!).

Отечественные химики, изучавшие эту реакцию, тоже не пришли к единому мнению. В 1954 г. сотрудник Томского государственного университета В. В. Болдырев изучал скорость разложения FeC_2O_4 в разных условиях. При температуре 270 °С за минуту разлагается примерно половина вещества, независимо от того, что´ нагревать – дигидрат FeC_2O_4· 2H_2O или предварительно обезвоженную в вакууме при 200 °С соль. Состав продуктов разложения не приведен. В том же году Я. А. Угай из Воронежского государственного университета (он известен студентам многих вузов как автор учебника по общей химии) провел термографическое исследование разложения оксалатов двухвалентных металлов (Fe, Ni, Co, Mn, Cu, Zn, Cd, Hg, Sn, Pb, Mg, Ca, Sr, Ba), а также самой щавелевой кислоты. В ходе реакции он не только измерял температуру образца, но и контролировал тепловые потоки термографическим методом. Это позволило Угаю определить температуру, при которой начинается тот или иной процесс, а также измерить его тепловой эффект. Изученные оксалаты по отношению к нагреванию разделились на две группы: CuC_2O_4 и HgC_2O_4 разлагались с выделением теплоты, остальные – с ее поглощением. Вот какие результаты получились для некоторых оксалатов:

Остальные оксалаты в случае менее активных металлов образовали при разложении смесь металла и его оксида (Cu + CuO, Cd + CdO, Hg + HgO), оксалаты более активных металлов – только оксид (ZnO, SnO_2, PbO), наконец, из оксалатов самых активных металлов получились карбонаты (MgO, CaCO_3, SrCO_3, BaCO_3). Кстати, по данным других авторов, FeC_2O_4· 2H_2O, выпадающий в осадок из водных растворов, при нагревании до 100 °С не теряет воду, а при 160–165 °С отщепляет ее очень медленно (со скоростью 1 % в течение 3 дней!). Интересно, что безводную соль можно получить также нагреванием кристаллогидрата до 176–195 °С под слоем… керосина. Я. А. Угай довольно подробно описывает термограммы, но не указывает, каким методом определялись продукты реакции.

В этом отношении более обстоятельна опубликованная в 1957 г. работа В. П. Корниенко из Харьковского государственного университета. Во-первых, он анализировал газообразные продукты разложения оксалата на содержание СО и СО_2, во-вторых, в твёрдых продуктах после их взвешивания определялось (с помощью рентгенографического анализа) соотношение металла и его оксида. Разложению подвергались высушенные кристаллогидраты, так как обезвоживание некоторых оксалатов сопровождается их частичным разложением. Одновременно определялся тепловой эффект реакции. Вот какие получились результаты (напомним, что если образуется только металл, то на 1 моль оксалата выделится 2 моля СО_2, а если только оксид, то получится 1 моль СО и 1 моль СО_2):

Автор, анализируя свои и литературные данные, считает, что все реакции идут однотипно: сначала образуется оксид металла, который затем частично или полностью восстанавливается.

Подведём итоги. В результате всех исследований, вероятно, можно считать доказанным, что если продукт разложения FeC_2O_4· 2 H_2O изолирован от кислорода воздуха (а выделяющиеся оксиды углерода и пары воды как раз этому способствуют), то образуется FeO. К такому выводу пришли и другие авторы, измерявшие соотношение выделяющихся в реакции газов. Так, группа химиков из университета Родса (Южная Африка), изучив в 1993 г. разложение смешанных оксалатов Fe, Cu, Co и Ni, в атмосфере азота, обнаружила выделение смеси СО и СО_2.

А чем вообще может быть интересна эта реакция, помимо красивого демонстрационного эксперимента? Оказывается, у нее могут быть и практические применения. В 1990 г. во Франции и Германии были взяты патенты на способ получения ферритовых частиц MFe_12O_19 (M = Ba, Ca, Sr, Pb) исходя из оксалата железа.

В 1995 г. японские физики использовали реакцию разложение оксалата железа для синтеза титаната железа-магния, обладающего антиферромагнитными свойствами. В 1998 г. Н. Ф. Кущевская из Института проблем материаловедения Национальной академии наук Украины изучила разложение смешанного оксалата меди и железа. При его термическом разложении в атмосфере водорода она получила высокодисперсные порошки железо-медь с размером частиц 0,1–0,3 мкм, которые могут найти практическое применение для получения композиционных материалов. Кроме того, оказалось, что полученный из оксалата железа высокодисперсный порошок металла задерживает рост и размножение некоторых бактерий, например золотистого стафилококка. А группа учёных из Института химической физики РАН в 2001 г. использовала разложение оксалата железа в качестве эффективного метода синтеза железооксидных наноматериалов. Оказалось, что формирование нанокластеров оксида железа сходно с процессом образования зародышей в растворе или расплаве, занимающих ограниченный объем. Такие кластеры позволяют создавать материалы с новыми магнитными и каталитическими свойствами.

Примеры можно продолжить. Так что ученые исследуют механизм и продукты разложения этого интересного соединения не ради праздного интереса…

О вкусах – с химической точки зрения

Из пяти отпущенных человеку органов чувств вкус – далеко не самый важный. Со зрением человек получает до 90 % информации. По слуху («гремит где-то: гроза приближается»), по запаху («что-то гарью пахнет!») он может определить опасность, хотя, конечно, до собачьего слуха и нюха человеку далеко. Малыши путем осязания быстро узнают опасность прикосновения к горячим предметам. А вот без вкусовых ощущений прожить, наверное, можно; конечно, любители поесть – гурманы с этим не согласятся.

На вкус и на цвет товарищей нет

Разнообразие вкусов огромно; их, вероятно, не меньше, чем различных цветов (художники различают тысячи оттенков цветовой гаммы). И так же, как белый свет можно «разложить» на составные части, так и любой вкус является комбинацией сладкого, соленого, кислого и горького (некоторые исследователи прибавляют к этим основным четырем еще жгучий, пряный и холодящий вкусы). Но чтобы почувствовать все богатства вкусовых ощущений, необходимо сочетание вкуса и запаха. Это особенно заметно, когда у человека сильный насморк: при исключении обоняния самая вкусная еда и лучшие напитки утрачивают для человека всю свою прелесть. Физиологи обнаружили даже, что если человек с завязанными глазами и зажатым носом (чтобы не чувствовать запаха пищи) будет жевать сладкий лук или яблоко, он может их не различить. Для обозначения сочетания вкуса и запаха в некоторых языках существуют специальные слова (например, flavour в английском, что примерно соответствует нашему термину «букет» по отношению к винам).

Вкусовые раздражения воспринимают особые вкусовые сосочки на языке – у взрослого человека их приблизительно 9000. Их число уменьшается с возрастом, особенно после 45 лет. У ребенка весь язык покрыт вкусовыми сосочками, у взрослого они расположены на ограниченной площади. (А вот у кошек вкусовых сосочков мало, поэтому привлекательность пищи они определяют в основном по запаху.) Каждый из этих сосочков содержит около сотни специализированных вкусовых клеток-рецепторов. Так что язык взрослого человека содержит около миллиона клеток, «специализирующихся» на вкусовых ощущениях. От этих клеток отходят нервные окончания, передающие сигналы в мозг. Вкусовые клетки живут недолго – всего 10 дней и постоянно заменяются новыми. Чувствительность вкусовых рецепторов довольно низкая по сравнению с рецепторами, ответственными за обоняние.

Вкусовые сосочки и соответственно вкусовые рецепторы расположены лишь в определенных местах языка на сравнительно небольшой площади. Так, на сладкое реагирует передняя часть языка, на соленое – его боковые поверхности, на кислое – тоже боковые поверхности, только расположенные дальше, а на горькое – средняя часть основания языка. При этом заметная часть верхней поверхности языка и вся его нижняя поверхность совершенно лишены вкусового чувства. Чтобы выяснить это, отдельные части языка смазывали кисточкой, смоченной определенным «эталонным» веществом. При этом можно было наблюдать интересное явление – «борьбу» вкусов, когда на одну часть языка воздействовали кислым веществом, а на другую – горьким. В этом опыте человек попеременно ощущал то один вкус, то другой, но, в отличие от цвета, «среднего» между кислым и горьким вкусом не бывает! Интересно, что у кошек почти нет рецепторов сладкого вкуса, поэтому, в отличие от собак или лошадей, они сладкое не любят. Не исключено, что предрасположенность человека к сладкому и нелюбовь к горькому появились в процессе эволюции: сладкий вкус типичен для полезных спелых плодов, а горький – для многих ядовитых растений (к сожалению, не для всех). Чтобы вещество имело какой-либо вкус, оно должно быть хотя бы немного растворимо в воде – иначе оно не сможет подействовать на вкусовые клетки. Недаром расположенные между сосочками железы выделяют жидкость, которая эти сосочки непрерывно промывает.

У разных цветов (красный, оранжевый…) есть своя числовая характеристика – частота колебаний световой волны (или длина волны). Для вкуса же подобной количественной характеристики нет – ведь для него единственный «измерительный прибор» – язык человека. Можно, однако, привести «типичные образцы» вкусов. Тогда образцом горького будет хинин, сладкого – сахароза (обычный свекловичный или тростниковый сахар), соленого – хлорид натрия (поваренная соль), кислого – любая кислота с «безвкусным» анионом. У большинства же других веществ вкус определяется сочетанием четырех «основных вкусов» разной интенсивности.

Аналогия вкуса и цвета не исчерпывается разложением их на «спектральные составляющие». Как существуют дальтоники, не различающие некоторые цвета (чаще всего – зеленый и красный), причем эта болезнь наследственная, так и по вкусовым ощущения людей можно разделить на определённые группы, которые также определяются наследственностью. Проведенные в США в 1932 г. опыты с растворами фенилтиомочевины C_6H_5–NH–CS–NH_2 дали удивительный результат. Оказалось, что в среднем из ста испытуемых двадцать вообще не чувствуют вкус этого соединения, остальным же его раствор даже при умеренных концентрациях кажется нестерпимо горьким. Это свойство проявляется у многих соединений, молекулы которых, подобно фенилтиомочевине, содержат группу атомов –NH–C=S.

Вкусовая чувствительность к фенилтиомочевине у разных людей отличается исключительно сильно. Так, в 1955 г. был описан случай, когда один пробующий уловил горечь этого соединения при концентрации в растворе всего лишь 0,01 мг/л, в то время как другие не обнаружили то же вещество, когда его было 2,5 г/л, т. е. в 250 000 раз больше! Установлено, что это явление также обусловлено наследственностью. Бывают еще более удивительные вещества, имеющие для разных людей несколько «разных вкусов». Например, бензоат натрия – натриевая соль бензойной кислоты (С_6Н_5СООNa) одним кажется сладковатой, другим кислой, третьим горькой, а некоторым вообще безвкусной. Как рассказывают, некий химик любил шутить, предлагая группе своих знакомых на пробу раствор этой соли (она достаточно безвредна; раньше бензойную кислоту применяли для консервирования, да и брусника обязана этой кислоте тем, что может долго храниться, не плесневея). Так вот, после дегустации, как правило, разгоралась перебранка: каждый в компании не мог понять, почему окружающие не хотят говорить правду…

Бензоат натрия – далеко не единственное соединение, обладающее более чем «двумя вкусами». Подобное свойство обнаружено, например, у маннита – вещества класса сахаров, которое в свободном виде содержится в кожуре апельсинов; у креатина – вещества, постоянно содержащегося в мышечной ткани животных. Интересно, что, имея всего три-четыре подобных вещества, можно разделить всех людей на группы, отличающиеся определенными наследственными признаками. Таким образом, известная поговорка «На вкус и на цвет товарищей нет» находит строгое научное подтверждение!

Теперь, вероятно, не покажутся удивительными рассказы путешественников в Юго-Восточную Азию, например в Таиланд. Там растет удивительное растение дурьян (оно же дуриан). Это тропическое дерево семейства баобабовых, его родина – полуостров Малакка, на котором расположены Малайзия и часть Таиланда.

Масса плода этого дерева достигает 3 кг, а сочные части плодов жители тропиков употребляют в пищу. Плоды содержат вещества, запах и вкус которых для одних – райское наслаждение, для других – хуже рвотного. Причем запах этот настолько стойкий, что от него не спасает тщательная упаковка плода в три плотно завязанных полиэтиленовых пакета!

Горькое, соленое, кислое

Чувствительность языка неодинакова к «разным вкусам». На первом месте чаще всего стоят вещества горькие. Это именно тот случай, когда ложка дегтя портит бочку меда. Действительно, вкус таких горьких веществ, как хинин и стрихнин, отчетливо воспринимается при разведении 1 : 100 000 и более (это примерно чайная ложка вещества, разведенная в полутонне воды!). Хинин – белое кристаллическое вещество, впервые выделенное из коры южноамериканского хинного дерева. Оно используется как одно из самых эффективных средств против малярии. В очень малых количествах хинин добавляют к некоторым горчащим напиткам типа тоника, которые хорошо утоляют жажду. Обнаружить хинин в тонике можно не только по вкусу, но и по яркому светло-голубому свечению напитка под лучами ультрафиолетовой лампы. Когда хинин используют в качестве лекарства, порошок этого нестерпимо горького вещества обычно заключают в капсулы из желатина. Человек глотает капсулу, не ощущая никакого вкуса; потом в пищеварительном тракте желатин растворяется, и лекарство попадает в кровь. Однако описаны случаи, когда после приема хинина в капсулах, исключающих непосредственный контакт лекарства с языком, люди жаловались на горький вкус во рту. Объясняли это удивительное явление тем, что, попав в кровь, хинин возбуждал вкусовые нервы «изнутри языка».

С химической точки зрения хинин относится к классу алкалоидов – природных соединений, содержащих один или несколько атомов азота в молекуле. Алкалоиды содержатся в некоторых растениях, откуда их можно выделить. К алкалоидам относятся и многие горькие и очень горькие вещества – кофеин, никотин, стрихнин. Известно более тысячи алкалоидов, и многие из них не только горькие, но и очень ядовитые (стрихнин, кураре). Возможно, ощущение их горького вкуса выработалось у человека в процессе эволюции как защитная реакция против отравления.

Хинин

Из простых неорганических солей горьким вкусом обладают CsCl, RbBr, CsBr, KI, RbI, CsI, MgSO_4. Многие знакомы со вкусом последнего вещества из этого списка: сульфат магния содержится в морской воде, а в чистом виде его используют в медицине (обладает слабительным и желчегонным действием). Фармацевты так это вещество и называют: «горькая соль», хотя до хинина ей далеко. Эталоном соленого вкуса служит хлорид натрия. Правда, его «стандартный» соленый вкус не вполне постоянен. Так, в присутствии сахара или при повышенной температуре он ослабляется, а в присутствии кислот – усиливается. Соленым вкусом (правда, не совсем «чистым» и часто имеющим небольшой горьковатый привкус) обладают и многие другие соли, например хлорид калия KCl. Интересно, что крысам и кроликам хлорид натрия кажется более соленым, чем хлорид калия, а кошкам – наоборот. Конечно, кошка сама не расскажет о своих вкусовых ощущениях. Зато можно узнать, при какой концентрации хлорида натрия или калия животное откажется от питья, и таким образом определить его чувствительность к данному веществу.

Явственно соленый вкус (с горьковатым привкусом) обнаруживают многие неорганическое соли – LiCl, NH_4Cl, KCl, RbCl, LiBr, NaBr, NH_4Br, LiI, NaI, NaNO_3, KNO_3, Na_2SO_4. Сульфат натрия содержится во многих природных минеральных водах, в том числе в знаменитой карлсбадской. Под названием «глауберова соль» он также применяется в медицине как слабительное.

Понятно, что кислым вкусом обладают кислоты; их вкус обусловлен ионами водорода H+, который они отщепляют в водном растворе. Некоторые кислоты широко используются в пищевой промышленности. Уксус (разбавленный раствор уксусной кислоты, пищевая добавка Е260) добавляют в маринады, салаты. Фосфорную кислоту (пищевая добавка Е338) в небольших количествах добавляют к напиткам типа «Фанты» – для улучшения их вкусовых качеств и создания кислой среды, которая препятствует размножению микроорганизмов. С этой же целью некоторые сухие вина насыщают сернистым газом (пищевая добавка Е220): образующаяся в растворе слабая сернистая кислота H_2SO_3 обладает не только консервирующим, но и антиокислительным действием. Сильным антиокислителем является аскорбиновая кислота и ее соли (пищевые добавки Е300 – Е303). Все эти кислоты имеют явный кислый вкус. А вот очень плохо растворимая в холодной воде сорбиновая (2,4-гексадиеновая) кислота (пищевая добавка Е200) практически безвкусная. Зато она является совершенно безвредным веществом, предохраняющим продукты от плесени. Недаром не плесневеют ягоды рябины, в которых содержится производное сорбиновой кислоты (оно называется лактоном и в горячей воде превращается в сорбиновую кислоту). Кстати, эта кислота и получила название благодаря рябине (на латыни sorbus).

Кислы на вкус также соли, которые при растворении в воде реагируют с ней (гидролизуются) и образуют ионы водорода. Примером может служить хлорид алюминия; при его гидролизе образуется соляная кислота: AlCl_3 + H_2O → Al(OH)Cl_2 + HCl. Многие кислые (с химической точки зрения) соли и вкус имеют кислый. Например, кислый фосфат натрия NaH_2PO_4 при растворении в воде диссоциирует с образованием ионов водорода: H_2PO_4– → H+ + HPO_42–. Некоторые соли и кислоты имеют «двойной вкус». Например, бромид калия и иодид аммония – соленые и горькие одновременно, а лимонная кислота имеет и кислый, и сладкий вкус. Последнее легко объясняется тем, что при диссоциации лимонная кислота образует «кислый» катион H+ и «сладкий» кислотный остаток.

Слаще сладкого

Из сладких веществ, несомненно, самое известное – обыкновенный пищевой сахар (сахароза). В настоящее время две трети мировой продукции сахара (более 60 млн т) – это тростниковый сахар, тогда как на долю сахарной свеклы приходится примерно 35 млн т. Рафинированная, 99,9%-ная сахароза – одно из самых многотоннажных чистых органических соединений, выпускаемых промышленностью. А суммарный годовой урожай сахарного тростника, приближающийся к миллиарду тонн (!), значительно превышает урожай любой другой сельскохозяйственной культуры.

Сахарозу используют как стандарт сладости при сравнении различных сладких веществ, которых тоже известно множество. Обычно поступают так: готовят сладкий раствор известной концентрации, а затем разбавляют его водой до тех пор, пока не перестанет чувствоваться сладковатый привкус. Одного человека для таких испытаний, вообще говоря, недостаточно – ведь вкусовая чувствительность у разных людей может быть неодинаковой, поэтому получают усредненные данные, полученные членами специальной комиссии экспертов. Опытный дегустатор может почувствовать присутствие сахарозы в воде при очень малой ее концентрации – около 10 ммоль/л, или примерно 3,5 г/л (0,35%-ный раствор). Интересно, что такие сластены, как пчелы, в тысячи раз менее чувствительны к сахару, чем человек: они не считают сладким даже раствор, содержащий в литре 20 г сахара (т. е. 2%-ный). Этот странный на первый взгляд факт становится понятным, если учесть, что в цветочном нектаре сахаров содержится куда больше – от 40 до 70 %. И пчела просто не отвлекается на малопитательные продукты.

Сахароза – дисахарид, так как ее молекула содержит остатки двух моносахаридов – глюкозы и фруктозы (они образуются при нагревании подкисленного раствора сахарозы, когда она гидролизуется). Фруктоза – самый сладкий из природных сахаров, она в 1,7 раза слаще сахарозы, а вот глюкоза, вопреки распространенному мнению, в 1,3 раза менее сладкая, чем обычный сахар. Но если химически заменить в молекуле сахарозы три гидроксильные группы ОН на атомы хлора, получится вещество, в 2000 раз слаще сахарозы! Однако для пищевых целей оно не годится. Еще один широко распространенный дисахарид – молочный сахар, или лактоза (от лат. lactis – «молоко»), содержится в молоке в количестве 4–5 %; лактоза втрое менее сладкая по сравнению с сахарозой. Сладким вкусом обладают и некоторые двухатомные спирты (т. е. содержащие две группы ОН) – гликоли (это название происходит от греческого glykys – «сладкий»; тот же корень в словах «глицерин», «глюкоза», «глицин» и др.). Например, сладкий вкус имеет этиленгликоль НОСН_2СН_2ОН, но он ядовитый. Менее ядовит трехатомный спирт глицерин НОСН_2СН(ОН)СН_2ОН, его даже добавляют в небольших количествах в ликеры. Сладкий вкус типичен и для α-аминокислот, например глицина (аминоуксусной кислоты H_2NСН_2СООН).

В диетическом питании широкое распространение получили сорбит (это слово тоже происходит от латинского названия рябины) и ксилит (от греч. xylon – «дерево»). Восстановление глюкозы в сорбит осуществляется в промышленных масштабах: это одна из стадий при синтезе витамина С. Сладость сорбита в «сахарозных единицах» равна 0,5, тогда как у ксилита она вчетверо выше.

У этих веществ ощущение сладкого вкуса сохраняется дольше, чем у сахарозы, одновременно они немного «холодят» язык. С химической точки зрения сорбит и ксилит, собственно, и не сахара вовсе, а многоатомные спирты, наподобие глицерина. Поэтому сорбит и ксилит не требуют для усвоения инсулина и используются в продуктах, которые могут употреблять больные сахарным диабетом. Используют сорбит и ксилит в качестве подсластителей пищи также люди, соблюдающие диету, так эти вещества малокалорийны. С целью снизить потребление калорий широко используются также синтетические вещества – сахарин, аспартам и др. Сахарин – самый старый и наиболее известный пищевой заменитель сахара, он слаще его в сотни раз: чтобы почувствовать вкус сахарина, достаточно добавить 1 чайную ложку этого вещества в 300-ведерную бочку воды! Впервые сахарин синтезировали в 1878 г. американские химики Айра Ремсен и Константин Фальберг. А случилось это так. В лаборатории профессора Ремсена работал молодой эмигрант из России Фальберг. Он занимался синтезом некоторых производных толуолсульфамида CH_3– C_6H_4–SO_2–NH_2. Как-то он сел обедать, не вымыв как следует руки, и неожиданно почувствовал во время еды сладкий вкус во рту. Поняв, в чем дело, он пришел в лабораторию и начал проверять на вкус все реагенты подряд, с которыми работал. Одно из веществ действительно оказалось необычайно сладким. Это было циклическое производное сульфамида бензойной кислоты С_6Н_4(СООН)SO_2NH_2. Вещество назвали сахарином. Сахарин не усваивается организмом и в небольших дозах безвреден, однако по вкусу он заметно отличается от сахара, так как слегка горчит.

Сахарин

В 1884 г. другой американский химик Дж. Берлинерблау (интересно, что в переводе с немецкого эта фамилия означает «берлинская лазурь») и тоже случайно получил еще одно сладкое вещество – 4-этоксифенилмочевину C_2H_5O–C_6H_4–NH–CO–NH_2. Вещество назвали дульцином, что означает «сладкий» (от ит. dolce); оно в 200 раз слаще сахара и применялось в течение полувека, пока не было доказано, что оно вредно для здоровья. До синтеза сахарина и дульцина считалось, что сладкими могут быть только природные соединения, поэтому никому не приходило в голову пытаться такие вещества синтезировать в лаборатории.

Сравнительно недавно в качестве малокалорийных сладких агентов применялись родственные сахарину циклогексилсульфаматы (сокращенно – цикламаты) натрия или кальция, которые представляют собой соли циклогексилсульфаминовой кислоты цикло– C_6H_11–NH–SO_3H. Цикламаты куда менее сладки, чем сахарин, но все же в несколько десятков раз слаще сахара. Организмом они тоже не усваиваются.

В 1969 г. американские химики Р. Мазур и Дж. Шлаттер обнаружили (и тоже случайно – везет же сладким веществам на случайности!), что у метилового эфира L-альфа-аспартил-L-фенилаланина очень сладкий вкус. Это вещество – дипептид, т. е. построено из двух остатков аминокислот, его строение которого не очень сложно: CH_3OOC–CH(CH_2C_6H_5)–NH–CO–CH(NH_2)–CH_2–COOH. Вещество получило известность под торговым названием «аспартам». Аспартам не только слаще сахара (в 180 раз), но и усиливает его сладкий вкус, особенно в присутствии лимонной кислоты. Сладки и многие из производных аспартама, некоторые из них в несколько тысяч раз слаще сахара. Самым сладким из подобных веществ оказался дипептид, построенный из остатков двух аминокислот – аспарагиновой HOOC–CH(NH_2)–CH_2–COOH и аминомалоновой HOOC–CH(NH_2)–COOH, а также фенхилового спирта (он содержится в скипидаре); его химическое название – метилфенхиловый эфир L-альфа-аспартиламиномалоновой кислоты. Это вещество примерно в 33 000 раз слаще сахарозы. Рекорд же в настоящее время принадлежит сукроновой кислоте, которая слаще обычного сахара в 200 000 раз! Здесь для получения сладкого вкуса придется разводить чайную ложку вещества уже в 200 м^3, или в нескольких больших железнодорожных цистернах воды!

Очень редко сладким вкусом обладают простые неорганические соединения. Сладки, например, некоторые соли серебра. А элемент бериллий раньше назывался глицинием потому, что его соли сладкие. Ацетат свинца Pb(CH_3COO)2 по той же причине раньше называли «свинцовым сахаром». Эти соединения очень ядовиты. Кажется странным, зачем пробовать на вкус ядовитые соединения. Сейчас, прежде чем отважиться взять что-либо в рот, химики (вместе с медиками) проводят массу испытаний на животных – не будет ли от вещества хотя бы малейшего вреда? Но так было не всегда. Еще в первой половине XIX в. при описании новых веществ было принято среди прочих свойств указывать и вкус. Поэтому нет ничего удивительного в том, что было установлено даже, какова на вкус синильная кислота!

Теории вкуса

Ученые давно пытаются выяснить «химию вкуса»: как именно передается вкусовое ощущение, почему данное вещество обладает именно этим вкусом, а не другим. Однако до создания стройной теории вкусовых ощущений пока еще, видимо, далеко. Ведь такая теория должна не только предсказывать вкус конкретного вещества, но и служить руководством к синтезу новых химических соединений с заранее заданным вкусом. Пока же существуют лишь частные теории, позволяющие с большим или меньшим успехом объяснять отдельные опытные данные. В соответствии с самой распространенной теорией, вкус данного вещества связан с определенным пространственным расположением атомов в его молекуле. Эта структура должна соответствовать структуре белкового вещества – вкусового рецептора, который находится в специализированной вкусовой клетке. Это похоже на то, как ключ подходит к замку. Например, было установлено, что если в молекуле вещества-ключа расстояние между определенными «зубчиками» равно 0,3 нм (нанометр – миллиардная часть метра), то такой «ключ» хорошо подходит к белковой молекуле-рецептору, которая ответственна за сладкий вкус. Соответственно вещество будет сладким. Однако известно множество веществ, молекулы которых не имеют указанных «зубчиков», а вещества все же сладкие. Почему это так, пока в точности неизвестно. Интересно, что в молекулах некоторых горьких веществ расстояние между соответствующими «зубчиками» равно 0,15 нм, т. е. вдвое меньше, чем у многих «сладких» молекул.

Как указывалось, многие α-аминокислоты сладкие. А вот гамма-аминомасляная кислота H_2NСН_2СН_2СН_2СООН, у которой аминогруппа H_2N удалена от карбоксильной группы СООН, безвкусна (эта кислота, сокращенно ГАМК, играет исключительно важную роль в функционировании нервных клеток). На вкус влияет даже пространственное расположение атомов в молекулах веществ одного и того же строения. Например, все так называемые правые α-аминокислоты (в природе они почти не встречаются) сладкие, тогда как левые α-аминокислоты (их молекулы зеркально симметричны правым) могут быть сладкими, горькими или безвкусными. Это также согласуется с важностью формы молекулы для возможности ее связывания с белком-рецептором. Действительно, если изготовить зеркально-симметричную копию любого ключа, он замок уже не откроет…

В 1997 г. американский преподаватель химии из Миннесоты Пол Стейн поставил интересный эксперимент. Были приготовлены шесть сильно разбавленных растворов, содержащих от 1,14 до 36,7 мг искусственного пищевого подсластителя аспартама в 50 мл воды. Затем несколько десятков студентов пробовали на вкус каждый из растворов и по своим ощущения сладости оценивали его в баллах – от 0 до 5. Перед каждым испытанием надо было прополоскать рот чистой водой, чтобы смыть с языка остатки предыдущего раствора. Результаты получились очень интересными. Субъективная оценка сладости не увеличивалась плавно с концентрацией раствора: сначала баллы росли быстро, а затем все медленнее. Объяснить это можно так. По мере роста концентрации аспартама его молекулы связываются со все большим числом вкусовых рецепторов языка, которые отвечают за распознавание сладкого вкуса. Соответственно усиливается ощущение сладости. Но когда аспартама становится достаточно много, почти все вкусовые рецепторы оказываются «заняты», так что дальнейшее увеличение концентрации уже мало отражается на сладости раствора. Едва заметный сладкий вкус чувствовался у растворов с концентрацией аспартама примерно 0,003 %. Таким образом, кстати, можно определить, во сколько раз аспартам слаще сахара (для него сладкий вкус можно почувствовать лишь при концентрации примерно 0,35 %).

Создание единой теории вкусовых ощущений осложняется многими обстоятельствами. Прежде всего, вещества, с химической точки зрения совершенно различные, могут иметь практически одинаковый вкус. И наоборот, близкие по строению вещества на вкус могут быть разными. Например, сладкий вкус имеют очень похожие молекулы моносахаридов глюкозы, фруктозы и галактозы (от греч. galaktos – «молоко»). А вот распространенный в природе трисахарид рафиноза – соединение глюкозы, фруктозы и галактозы – на вкус совсем не сладкий. В то же время совершенно не похожий по строению на глюкозу 2-амино-4-нитро-1-пропоксибензол исключительно сладок: он слаще сахарозы в 4000 раз! (Это довольно простое производное бензола для пищевых целей, увы, не годится, так как оно обладает ярко выраженной местной анестезирующей способностью – попросту говоря, от него сильно немеют язык и вся полость рта.) Но достаточно ввести в эту молекулу малейшие изменения, например поменять местами любые два заместителя в кольце или переставить хоть один из них в другое положение, как вещество становится абсолютно безвкусным.

На вкус могут влиять различные факторы. Например, язык, как и другие части тела, обладает осязательным чувством; прекрасно различает он также холодное и горячее. Сочетание чисто вкусового и осязательного ощущений создает то, что называют вяжущим, мучнистым, острым, терпким, жгучим вкусом. Так, вещества, содержащиеся в черном перце, действуют на болевые нервные окончания на языке, что вызывает чувство сильного и длительного жжения. Такое же жжение испытывал каждый, кому хоть раз в салате вместе со сладким перцем попадал стручок жгучего. Это действуют на язык пиперин, содержащийся в черном перце (на латыни – Piper nigrum), и капсаицин, содержащийся в плодах жгучего красного стручкового перца (на латыни – Capsicum). Влияет на вкус и температура: сильно охлажденный язык (с помощью очень холодного мороженого) или сильно нагретый (очень горячим чаем) в значительной степени теряет вкусовые ощущения. Известно много других фактов, с трудом поддающихся теоретическому объяснению. Например, некоторые вещества способны резко изменять вкусовые ощущения. Еще в прошлом веке ботаники описали африканский кустарник, красные плоды которого местные жители называли «чудодейственными». У пожевавшего эти плоды человека изменяются вкусовые ощущения – у уксуса появляется приятный винный вкус, а лимонный сок превращается в сладкий напиток. Некоторые вещества, которые усиливают тот или иной вкус, специально добавляют в пищу. Они так и называются – усилители вкуса. Например, глутаминовая кислота HOOC–CH_2–CH_2–CH(NH_2)–COOH и ее натриевая соль (пищевые добавки Е620 и Е621) придают мясной вкус различным блюдам, даже если в них вообще нет мяса. Известны и вещества, вообще отбивающие вкусовые ощущения – как у человека, так и у животных. К ним принадлежат, например, некоторые тиолы – вещества, в молекулах которых имеется тиольная группа –S–H (theion по-гречески «сера»). Небольшие количества солей меди и цинка возвращают вкус, что неудивительно, так как ионы этих металлов способны прочно связываться с тиолами, образуя солеобразные соединения. Другая нерешенная проблема – каким образом мозг расшифровывает всю гамму «вкусовых сигналов», которые приходят к нему по нервам от языка. В общем, нерешенных проблем в такой важной для человека области, как вкусовые ощущения, так много, что с 1974 г. издается специальный журнал Chemical Senses and Flavor, посвящённый в основном хеморецепторам – специфическим клеткам и нервным окончаниям, ответственным за вкус и запах.

Маша и бромтолуол

Пришло как-то в редакцию одного научно-популярного журнала письмо от Маши В. В нем она рассказала, как поступала в медицинскую академию. На экзамене ей дали решать такую задачу. Смешали бром с толуолом, масса реагентов известна, требуется определить массу продуктов реакции. Маша записала уравнение реакции образования бромтолуола: С_6Н_5СН_3 + Br_2 = С_6Н_4ВrСН_3 + НВr и провела по нему расчет. Экзаменатор сказала, что задача решена неверно, так как продуктом реакции является не бромтолуол, а 2,4,6-трибромтолуол С_6Н_2Вr_3СН_3 – аналогично образованию тринитротолуола в известной реакции нитрования толуола. В результате Маша в вуз не поступила… В письме Маша спрашивала, права ли экзаменатор. И как правильно решить эту задачу? Вопрос этот оказался не таким простым, как можно было подумать вначале. И прежде чем ответить Маше, консультант редакции провел небольшое расследование.

Прежде всего, оказалось, что задача в том виде, в котором она приведена в письме, некорректна, поскольку условия реакции не оговорены, и вот почему. Метильная СН_3-группа в толуоле как заместитель в бензольном кольце является ориентантом 1-го рода.

Это означает, что она относится к электронодонорным заместителям, то есть увеличивает электронную плотность в ароматическом кольце. Это увеличение не равномерное: как показывает эксперимент и подтверждают квантовохимические расчеты, наибольшее повышение электронной плотности происходит в орто-и пара-положениях относительно заместителя (эти положения часто обозначают также цифрами 2 и 6 – для орто-положений и 4 – для пара-положения). Значит, в случае электрофильного замещения (когда атакующая группа несет положительный заряд, полный – как в катионе Вr+ или частичный – как в поляризованной молекуле Brδ+–Brδ–) реакция должна значительно ускоряться именно при замещении водорода в этих положениях кольца.

В результате получится смесь орто– и пара-бромтолуолов. Бывают и заместители 2-го рода. Они уменьшают электронную плотность на атомах углерода бензольного кольца в тех же самых орто-и пара-положениях. В таком случае более высокая (хотя и небольшая по абсолютной величине) электронная плотность приходится на атомы углерода в мета-положениях ароматического кольца. И реакция замещения идет именно в эти положения. Введенный в бензольное кольцо атом брома, в отличие от метильной группы, снижает электронную плотность в кольце, поэтому последующее замещение атомов водорода на атомы брома затрудняется. Для облегчения электрофильного замещения используют катализаторы (например, галогениды железа и алюминия), которые способствуют поляризации молекулы брома и ускоряют реакцию. В условии о катализаторах ничего не сказано. Теоретически решить, пойдет ли дальнейшее бромирование монобромтолуола, нельзя.

Второе возможное направление реакции – свободнорадикальное цепное, приводящее к бензилбромиду C_6H_5CH_2Br. В этой реакции атом брома замещает атом водорода в толуоле в так называемой боковой группе (в данном случае – метильной), чему способствует относительная стабильность промежуточного бензильного радикала С_6Н_5СН_2 (точка над атомом означает неспаренный электрон в свободном радикале). Такому направлению реакции способствуют условия, облегчающие гомолитический разрыв связи в молекулах брома: повышение температуры, освещение (годится не только ультрафиолетовый, но и видимый свет, так как бром интенсивно поглощает во всей видимой области спектра, а энергии квантов в этой области обычно хватает для разрыва связи Br–Br), проведение реакции в неполярной среде (кстати, сам толуол можно считать неполярной жидкостью – его диэлектрическая проницаемость практически не отличается от бензола). Тогда реакция идет так (для простоты точки, означающие неспаренный электрон, не указаны). На стадии инициирования образуются активные центры – атомы брома:

Br_2 → 2Br.

Далее каждый атом брома отрывает атом водорода от метильной группы в молекуле толуола (эта связь С–Н в молекуле самая слабая):

Br + C_6H_5CH_3 → HBr + C_6H_5CH_2.

Очень активный бензильный радикал реагирует с молекулой брома, образуя продукт реакции – бензилбромид и высвобождая активный атом брома:

С_6Н_5СН_2 + Вr_2 → С_6Н_5СН_2Вr + Вr.

Последние две реакции (их называют реакциями продолжения цепи) идут поочередно и продолжаются до тех пор, пока цепь не оборвется. Длина цепей зависит от того, как часто происходят их обрывы. Обрыв может происходить, когда, например, встречаются два атома брома, которые вновь дают молекулу Br_2. Для цепных реакций в газовой фазе (например, для реакции водорода с хлором) длина цепи может достигать сотен тысяч; для реакций в растворе она обычно не превышает нескольких сотен.

Поскольку каждую секунду в растворе появляется не один атом брома, а огромное их количество (например, на раствор может падать 10^16 квантов света в секунду), а обе реакции продолжения цепи идут очень быстро, цепная реакция в целом тоже протекает быстро. Ее скорость зависит от скорости инициирования и от длины цепи. При очень высокой скорости цепной реакции выделяющееся тепло не успевает рассеяться в окружающем пространстве и происходит взрыв (так, например, взрываются смеси метана с воздухом).

Это – теория. Теперь посмотрим, что говорит эксперимент. Количественно реакция бромирования толуола была изучена еще в XIX веке. Опыты проводили в разных странах многие химики. Среди них – немецкий химик Рудольф Фиттиг (1835–1910), ученик знаменитого Вёлера (именем Фиттига названа одна из органических реакций); русский химик Гавриил Гавриилович Густавсон (1843–1908), работавший ассистентом у Бутлерова и открывший каталитическое действие галогенидов алюминия при бромировании ароматических углеводородов); русский химик Эдуард Антонович Вроблевский (1848–1892), который установил равноценность атомов водорода в молекуле бензола и, исследуя строение производных толуола, доказал правильность циклической структурной формулы бензола, предложенной Кекуле; ряд других химиков. Результаты их исследований опубликованы в разных журналах на русском, немецком, французском языках. С основными результатами этих работ можно ознакомиться по справочнику Бейльштейна, который к настоящему времени насчитывает уже сотни томов. Вот некоторые из этих результатов. В темноте при охлаждении в реакции образуется смесь орто– и пара– изомеров монобромтолуола, на рассеянном свету появляется также примесь бензилбромида, который становится основным продуктом реакции на прямом солнечном свету. Этот же продукт – основной при проведении реакции в газовой фазе при повышенной температуре. Соотношение орто-и пара-изомеров зависит от температуры. Так, при смешении в темноте 3 мл брома и 50 мл толуола выход орто-изомера (относительно суммы бромтолуолов) составляет: 39,7 % при температуре 25 °С , 41,8 % – при 50 °С и 45,3 % при 75 °С. Одновременно выход бензилбромида увеличивался с 10,6 % при 25 °С до 43,7 % при 50 °С, 86,3 % при 75 °С и 100 % при 100 °С. (Приведенные значения типичны, хотя могут немного отличаться у разных исследователей.) То есть нагревание действует так же, как и освещение: способствует разрыву связи в молекуле Br_2 с образованием двух атомов брома и дальнейшему радикально-цепному направлению реакции.

Подавить радикальную реакцию можно с помощью катализатора, направляющего ее по ионному пути. Так, если в смесь 2 мл брома с 50 мл толуола при 50 °С добавить всего 0,2 % бромида железа(III), бензилбромид не образуется и получается смесь, содержащая 36,0 % орто-изомера. А сколько всего атомов водорода может заместиться в толуоле на атомы брома? Максимальное замещение происходит, если капать толуол в избыток чистого брома в присутствии бромида алюминия. При этом, как установил Густавсон (его статья опубликована в Журнале Русского физико-химического общества в 1877 г.), происходит замещение всех атомов водорода в кольце и образуется 2,3,4,5,6-пентабромтолуол С_6Вr_5СН_3.

После всего изложенного не покажется удивительным утверждение, что «практическое значение реакций галогенирования ограничено тем, что большинство ароматических соединений дает смеси различных изомерно замещенных продуктов галогенирования, которые, как правило, трудно разделить» (Органикум. Практикум по органической химии. Пер. с немецкого. М.: Мир, 1979. Т. 1. С. 411). Если группе из 20 студентов дать задание определить экспериментально выход продукта бромирования толуола с точностью, положим, 0,1 %, то скорее всего получится 20 разных ответов. Именно поэтому задача на точный расчет некорректна. По крайней мере, следовало указать, например: «Считать выход продукта реакции количественным».

А главное – ни в каком случае трибромтолуол при бромировании толуола не получится! (Как мы помним, именно такое направление реакции предполагал экзаменатор.) Трибромтолуол впервые получил Вроблевский в 1873 г. косвенным методом: он исходил из 3-аминотолуола, в котором аминогруппа (мощный ориентант 1-го рода), действуя совместно с метильной группой, позволила ввести три атома брома в орто-и пара-положения (относительно метильной группы). Здесь уместно привести еще одну цитату: «Ориентирующее действие аминогруппы в анилине и его гомологах настолько сильно, что прямым воздействием иода при комнатной температуре анилин иодируется в 2,4,6-трииоданилин. Еще более энергично он реагирует с бромом и хлором…» (А. Н. Несмеянов, Н. А. Несмеянов. Начала органической химии. М.: Химия. Т. 2. С. 79.). В результате Вроблевский получил 3-амино-2,4,6-трибромтолуол, из которого с помощью стандартного метода удаления аминогруппы он и получил трибромтолуол.

Кстати, тринитротолуол, на который ссылались («по аналогии») экзаменаторы в попытке обосновать свое решение, тоже не образуется со 100%-ным выходом. В ходе этой реакции получается немало побочных продуктов – несимметричные изомеры тринитротолуола и динитротолуолы – так называемое тротиловое масло; об этом можно прочитать, например, в пятитомной Химической энциклопедии. А вот что написано об этой реакции в учебнике Несмеяновых (Т. 2. С. 66): «В отличие от 1,3,5-тринитробензола тротил (т. е. 2,4,6-тринитротолуол) получается с хорошим выходом». Хороший выход у химиков вовсе не означает 100%-ный; для химика-органика и 80%-ный выход продукта обычно считается «хорошим». Отметим, что обе реакции – нитрование и бромирование – могут идти по одинаковому механизму (электрофильное замещение в ароматическом ядре). Конечно, детали механизма и особенно количественные результаты могут заметно различаться: при нитровании возможным участником реакции является катион нитрония NO_2+, тогда как при бромировании «чистый» катион брома не образуется, а в реакции участвует в большей или меньшей степени поляризованная молекула брома.

Каков вывод из этой истории? Очевидно, абитуриенты не обязаны знать все тонкости реакции бромирования толуола: о них ничего не написано ни в одном учебнике по органической химии. Более того, подробности данной реакции не обязаны знать и экзаменаторы! Этого можно было бы требовать разве от студента, курсовая работа которого посвящена бромированию толуола и который изучил соответствующую литературу. А вот составители экзаменационных задач должны проверять их соответствие реальности, а не действовать по сомнительной «аналогии». Данную задачу теоретически можно было бы решить, предполагая, что реакцию проводят на свету: тогда решение было бы однозначным (допустим, что бензилбромид не вступает в дальнейшую радикальную реакцию бромирования).

Заданный Машей вопрос, касающийся направления замещения в ароматическом ядре, волнует не только абитуриентов. Перед химиками нередко возникает такая, например, задача. Пусть в бензольном кольце имеется более одного заместителя. Если они действуют «совместно» (как, например, в случае 3-аминотолуола), то проблем не возникает. Однако нередка ситуация, при которой ориентирующее влияние заместителей (а они бывают, напомним, 1-го и 2-го рода) направлено противоположным образом. Спрашивается, какой из заместителей «победит». В некоторых случаях ответить на этот вопрос просто: достаточно знать относительную ориентирующую силу заместителей. В учебниках по органической химии обычно приводятся ряды заместителей, расположенных в порядке убывания их силы. Так, из заместителей 1-го рода наиболее сильный – анион О–, далее следуют NR_2, NHR, NH_2, OH, OR, O–CO–R, CH_3 (и другие алкильные заместители), I, Br, Cl, F. Следует отметить особенность атомов галогенов: в отличие от всех других ориентантов 1-го рода, они не ускоряют, а замедляют реакции замещения. Из заместителей 2-го рода самый сильный – катион R_3N+, далее (в порядке ослабления действия на бензольное кольцо) следуют группы NO_2, CN, SO_3H, CF_3, CCl_3, CHO, COR, COOH, COOR.

Если сравнивается действие двух заместителей, находящихся в одном ряду, то проблем обычно не возникает. То же можно сказать и в случае двух заместителей, расположенных в начале и в конце разных рядов (например, действие сильного ориентанта 1-го рода – аминогруппы должно подавить действие слабого ориентанта 2-го рода – сложноэфирной группы COOR). Сложности возникают, если оба ориентанта сильные, но действуют противоположным образом; например, если они находятся в разных рядах (диалкиламиногруппа NR_2 против нитрогруппы NO_2) или же «неудачно» расположены относительно друг друга в кольце (две аминогруппы в орто-положении). А бывает и так, что два слабых ориентанта действуют совместно против одного сильного. Последнее слово в подобных случаях – за экспериментом.

Несколько таких экспериментов провели со своими студентами американские преподаватели С. И. Макгоуэнс и Э. Ф. Силверсмит. В одном из опытов бромированию был подвергнут 2,4-диметиланилин. Если аминогруппа «сильнее» двух метильных групп, замещение должно пойти в положение 6, если же верх возьмут два метила, должно получиться 3– и (или) 5-бромпроизводное. Чтобы узнать, как идет реакция на самом деле, был использован известный метод качественного анализа аминосоединений; в соответствии с этим методом вещество ацетилируют, т. е. вводят ацетильную группу СН_3СО (например, с помощью уксусного ангидрида), в результате чего образуется N-ацетильное производное (в данном случае ацетанилид): R–NH_2 + (CH_3CO)2O → R–NH–COCH_3 + CH_3COOH. Здесь R – бензольное кольцо с заместителями. Как правило, анилиды – хорошо кристаллизующиеся соединения, имеющие четкую температуру плавления, которую можно найти в справочниках. Так, ацетанилиды, образованные 3-, 5– и 6-бром-2, 4-диметиланилинами, имеют температуры плавления соответственно 152, 169 и 200 °С. Полученный ацетанилид имел температуру плавления 200 °С, что доказывало «победу» одной аминогруппы над двумя метильными. Этот вывод был подтвержден также методом протонного магнитного резонанса: спектр ПМР продукта бромирования свидетельствовал о том, что два эквивалентных атома водорода в кольце находятся в мета-положении относительно аминогруппы.

Во втором опыте бромированию подвергли 2,6-диметиланилин. И в этом случае верх одержала аминогруппа: температура плавления ацетанилида показала, что образовался 4-бром-2,6-диметиланилин.

В третьем опыте взяли более хитрое соединение – ванилин (4-гидрокси-3-метоксибензальдегид), в молекуле которого действию метоксильной группы СН_3О (ориентант 1-го рода) совместно противостояли гидроксильная группа (ориентант 1-го рода) и альдегидная группа (ориентант 2-го рода). Температура плавления ацетанилида показала, что образовался 5-бром-4-гидрокси-3-метоксибензальдегид, т. е. здесь победа досталась «коалиции союзников». Отметим, что если бы гидроксильная группа оказалась не в пара-, а в мета– положении относительно альдегидной группы, то эти группы оказались бы уже не союзниками, а противниками и победителями, без сомнения, оказались бы два ориентанта 1-го рода.

В заключение несколько слов об этом эксперименте. Чтобы не работать с опасным бромом, использовали его образование в ходе окислительно-восстановительной реакции между бромидом и броматом в кислой среде: 5Br– + BrO_3– + 6H+ → 3Br_2 + 3H_2O. Смешивая известные количества реагентов, легко получить нужное количество брома, который тут же вступает в реакцию. Вот как много интересных фактов удалось выяснить, благодаря «простой» экзаменационной задаче.

«Ряд активности металлов Бекетова» – миф или реальность?

В учебниках химии при изложении темы «Кислоты» в том или ином виде упоминается так называемый вытеснительный ряд металлов, составление которого часто приписывается Беке́тову.

Например, в самом распространенном некогда учебнике для 8-го класса Г. Е. Рудзитиса и Ф. Г. Фельдмана (с 1989 по 1995 г. он был издан общим тиражом 8,3 млн экземпляров), говорится следующее. На опыте легко убедиться, что магний быстро реагирует с кислотами (на примере соляной кислоты), несколько медленнее – цинк, еще медленнее – железо, а медь с соляной кислотой не реагирует. «Аналогичные опыты были проделаны русским ученым Н. Н. Бекетовым, – пишут далее авторы учебника. – На основе опытов он составил вытеснительный ряд металлов: K, Na, Mg, Al, Zn, Fe, Ni, Sn, Pb (H), Cu, Hg, Ag, Pt, Au. В этом ряду все металлы, стоящие до водорода, способны вытеснять его из кислот». Сообщается также, что Бекетов – «основоположник физической химии. В 1863 г. составил вытеснительный ряд металлов, который называется по имени ученого». Далее учащимся сообщают, что в ряду Бекетова металлы, стоящие левее, вытесняют металлы, стоящие правее, из растворов их солей. Исключение составляют самые активные металлы. Аналогичные сведения можно найти и в других школьных учебниках и пособиях, например: «Русский химик Н. Н. Бекетов исследовал все металлы и расположил их по химической активности в вытеснительный ряд (ряд активности)» и т. п.

Здесь может возникнуть несколько вопросов.

Вопрос первый. Неужели до опытов Бекетова (т. е. до 1863 г.) химики не знали, что магний, цинк, железо и ряд других металлов реагируют с кислотами с выделением водорода, а медь, ртуть, серебро, платина и золото этим свойством не обладают?

Вопрос второй. Неужели химики до Бекетова не замечали, что одни металлы могут вытеснять другие из растворов их солей?

Вопрос третий. В книге В. А. Волкова, Е. В. Вонского, Г. И. Кузнецова «Выдающиеся химики мира. Биографический справочник» (М.: Высшая школа, 1991) сказано, что Николай Николаевич Бекетов (1827–1911) – «русский физикохимик, академик… один из основоположников физической химии… Исследовал поведение органических кислот при высоких температурах. Синтезировал (1852 г.) бензуреид и ацетуреид. Выдвинул (1865 г.) ряд теоретических положений о зависимости направления реакций от состояния реагентов и внешних условий… Определил теплоты образования оксидов и хлоридов щелочных металлов, впервые получил (1870 г.) безводные оксиды щелочных металлов. Используя способность алюминия восстанавливать металлы из их оксидов, заложил основы алюминотермии… Президент Русского физико-химического общества....». И ни слова о составлении им вытеснительного ряда, вошедшего (в отличие, например, от уреидов – производных мочевины) в школьные учебники, изданные многомиллионными тиражами!

Вряд ли следует порицать авторов биографического справочника в забвении важного открытия русского ученого: ведь и Д. И. Менделеев, которого уж никак нельзя упрекнуть в непатриотизме, в своем классическом учебнике «Основы химии» тоже ни разу не упоминает вытеснительного ряда Бекетова, хотя 15 раз ссылается на различные его работы. Чтобы ответить на все эти вопросы, нам придется совершить экскурс в историю химии, разобраться в том, кто и когда предложил ряд активности металлов, какие эксперименты провел сам Н. Н. Бекетов и что же представляет собой его вытеснительный ряд.

На первые два вопроса ответить можно так. Конечно, и выделение водорода из кислот металлами, и различные примеры вытеснения ими друг друга из солей были известны задолго до рождения Бекетова. Например, в одном из руководств шведского химика и минералога Торнберна Улафа Бергмана, изданном в 1783 г., рекомендуется при анализе полиметаллических руд вытеснять из растворов свинец и серебро с помощью железных пластинок. При проведении же расчетов на содержание железа в руде следует учитывать ту его часть, которая перешла в раствор из пластинок. В том же руководстве Бергман пишет: «Металлы можно вытеснить из растворов их солей другими металлами, при этом наблюдается некоторая последовательность. В ряду цинк, железо, свинец, олово, медь, серебро и ртуть цинк вытесняет железо и т. д.». И, конечно, не Бергман впервые обнаружил эти реакции: подобные наблюдения восходят еще к алхимическим временам. Самый известный пример такой реакции использовали в Средние века шарлатаны, публично демонстрировавшие «превращение» железного гвоздя в красное «золото», когда опускали гвоздь в раствор медного купороса. Сейчас эту реакцию демонстрируют на уроках химии в школе. В чем же заключается сущность новой теории Бекетова? До появления химической термодинамики протекание реакции в том или ином направлении химики объясняли понятием сродства одних тел к другим. Тот же Бергман, основываясь на известных реакциях вытеснения, развивал с 1775 г. теорию избирательного сродства. Согласно этой теории, химическое сродство между двумя веществами при данных условиях остается постоянным и не зависит от относительных масс реагирующих веществ. То есть если тела А и В соприкасаются с телом С, то соединяться с С будет то тело, которое обладает к нему бо′льшим сродством. Например, железо имеет большее сродство к кислороду, чем ртуть, и поэтому именно оно будет в первую очередь окисляться им. Предполагалось, что направление реакции определяется исключительно химическим сродством реагирующих тел, причем реакция идет до конца. Бергман составил таблицы химического сродства, которыми химики пользовались до начала XIX в. В эти таблицы вошли, в частности, различные кислоты и основания.

Почти одновременно с Бергманом французский химик Клод Луи Бертолле развивал другую теорию. Химическое сродство также связывалось с притяжением тел друг к другу, однако выводы делались другие. По аналогии с законом всемирного притяжения Бертолле считал, что и в химии притяжение должно зависеть от массы реагирующих тел. Поэтому ход реакции и ее результат зависят не только от химического сродства реагентов, но и от их количеств. Например, если тела А и В могут реагировать с С, то тело С распределится между А и В сообразно их сродствам и массам и ни одна реакция не дойдет до конца, так как наступит равновесие, когда одновременно сосуществуют АС, ВС и свободные А и В. Очень важно, что распределение С между А и В может изменяться в зависимости от избытка А или В. Поэтому при большом избытке тело с малым сродством может почти полностью «отобрать» тело С от своего «соперника». Но если один из продуктов реакции (АС или ВС) удаляется, то реакция пройдет до конца и образуется только тот продукт, который уходит из сферы действия.

Свои выводы Бертолле сделал, наблюдая за процессами выпадения осадков из растворов. Эти выводы звучат на удивление современно, если не считать устаревшей терминологии. Однако теория Бертолле была качественной, она не давала способов измерить величины сродства.

Дальнейшие успехи теории были основаны на открытиях в области электричества. Итальянский физик Алессандро Вольта в конце XVIII в. показал, что при соприкосновении различных металлов возникает электрический заряд. Проводя опыты с различными па́рами металлов и определяя знак и величину заряда одних металлов по отношению к другим, Вольта установил ряд напряжений: Zn, Pb, Sn, Fe, Cu, Ag, Au. Используя пары разных металлов, Вольта сконструировал гальванический элемент, сила которого была тем больше, чем дальше отстояли друг от друга члены этого ряда. Причина этого в те годы была неизвестна. Правда, еще в 1797 г. немецкий ученый Иоганн Вильгельм Риттер предсказал, что в ряду напряжений металлы должны стоять в порядке уменьшения их способности соединяться с кислородом. В случае цинка и золота этот вывод не вызывал сомнений; что же касается других металлов, то надо отметить, что их чистота была не очень высока, поэтому ряд Вольты не всегда соответствует современному.

Теоретические воззрения на природу происходящих при этом процессов были весьма смутными и часто противоречивыми. Знаменитый шведский химик Йёнс Якоб Берцелиус в начале XIX в. создал электрохимическую (или же дуалистическую, от лат. dualis – «двойственный») теорию химических соединений. В соответствии с этой теорией, предполагалось, что каждое химическое соединение состоит из двух частей – положительно и отрицательно заряженных. В 1811 г. Берцелиус, исходя из химических свойств известных ему элементов, расположил их в ряд так, что каждый член в нем был электроотрицательным по отношению к предшествующему и электроположительным по отношению к последующему. В сокращенном варианте к электроотрицательным элементам были отнесены следующие (в нисходящем порядке):

O, S, N, Cl, Br, S, Se P, As, Cr, B, C, Sb, Te, Si.

Затем следовал переходный элемент – водород, а за ним – электроположительные элементы (в порядке увеличения этого свойства):

Au, Pt, Hg, Ag, Cu, Bi, Sn, Pb, Cd, Co, Ni, Fe, Zn, Mn, Al, Mg, Ca, Sr, Ba, Li, Na, K.

Этот ряд, если переписать все металлы в обратном порядке, весьма близок к современному.

Некоторые различия в порядке расположения металлов в этом ряду объясняются, вероятно, недостаточной очисткой веществ во времена Берцелиуса, а также некоторыми другими свойствами металлов, которыми руководствовался Берцелиус. По Берцелиусу, чем дальше отстоят элементы друг от друга в этом ряду, тем больше в них противоположные электрические заряды и тем более прочные химические соединения они друг с другом образуют.

Теория дуализма Берцелиуса в середине XIX в. была господствующей. Ее несостоятельность показали основатели термохимии французский ученый Марселен Бертло и датский исследователь Юлиус Томсен. Они измеряли химическое сродство работой, которую может произвести химическая реакция. На практике ее измеряли по тепловому эффекту реакции. Эти работы привели к созданию химической термодинамики – науки, которая по зволяла, в частности, рассчитывать положение равновесия в реагирующей системе, в том числе равновесие в электрохимических процессах. Теоретическую основу ряда активности (и ряда напряжений) в растворах заложил в конце XIX в. немецкий физикохимик Вальтер Нернст. Вместо качественной характеристики – сродства или способности металла и его иона к тем или иным реакциям – появилась точная количественная величина, характеризующая способность каждого металла переходить в раствор в виде ионов, а также восстанавливаться из ионов до металла на электроде. Такой величиной является стандартный электродный потенциал металла, а соответствующий ряд, выстроенный в порядке изменения потенциалов, называется рядом стандартных электродных потенциалов. (Стандартное состояние предполагает, что концентрация ионов в растворе равна 1 моль/л, а давление газов равно 1 атм; чаще всего стандартное состояние рассчитывают для температуры 25 °С.)

Стандартные потенциалы наиболее активных щелочных металлов были рассчитаны теоретически, поскольку измерить их экспериментально в водных растворах невозможно. Для расчета потенциалов металлов при разных концентрациях их ионов (т. е. в нестандартных состояниях) используют уравнение Нернста. Электродные потенциалы определены не только для металлов, но и для множества окислительно-восстановительных реакций с участием как катионов, так и анионов. Это позволяет теоретически предсказывать возможность протекания разнообразных окислительно-восстановительных реакций в различных условиях. Следует отметить также, что в неводных растворах потенциалы металлов будут другими, так что последовательность металлов в ряду может заметно измениться. Например, в водных растворах потенциал медного электрода положителен (+0,24 В) и медь расположена правее водорода. В растворе же ацетонитрила СН_3СN потенциал меди отрицателен (–0,28 В), т. е. медь расположена левее водорода. Поэтому в этом растворителе идет такая реакция: Cu + 2HCl = CuCl_2 + H_2.

Теперь настало время, чтобы ответить на третий вопрос и выяснить, что же именно изучил Бекетов и к каким выводам он пришел.

Один из виднейших русских химиков Н. Н. Бекетов после окончания (в 1848 г.) Казанского университета работал некоторое время в Медико-хирургической академии в лаборатории Н. Н. Винина, затем в Петербургском университете, а с 1855 по 1886 г. – в Харьковском университете. Вскоре после получения в 1857 г. университетской кафедры химии Бекетов отправился на год за границу «с назначением сверх получаемого содержания тысячи рублей в год» – по тем временам это была крупная сумма. Во время пребывания в Париже он опубликовал (на французском языке) результаты своих выполненных ранее в России исследований о вытеснении некоторых металлов из растворов водородом и о восстановительном действии паров цинка. На заседании Парижского химического общества Бекетов доложил работу о восстановлении SiCl_4 и BF_3 водородом. Это были первые звенья в цепи исследований, посвященных вытеснению одних элементов другими, которые Бекетов начал в 1856-м и закончил в 1865 г.

Уже за границей Бекетов обратил на себя внимание. Достаточно процитировать слова Д. И. Менделеева, с которым Бекетов встретился в Германии: «Из русских химиков за границей я узнал Бекетова… Савича, Сеченова. Это все… такие люди, которые делают честь России, люди, с которыми рад-радехонек, что сошелся».

В 1865 г. в Харькове была издана диссертация Бекетова «Исследование над явлениями вытеснения одних элементов другими». Эта работа была переиздана в Харькове в 1904 г. (в сборнике «В память 50-летия ученой деятельности Н. Н. Бекетова») и в 1955 г. (в сборнике «Н. Н. Бекетов. Избранные произведения по физической химии»).

Ознакомимся с этим трудом Бекетова более подробно. Он состоит из двух частей. В первой части (в ней шесть разделов) весьма подробно излагаются результаты экспериментов автора. Первые три раздела посвящены действию водорода на растворы солей серебра и ртути при различных давлениях. Бекетову казалось чрезвычайно важной задача выяснения места водорода в ряду металлов, а также зависимость направления реакции от внешних условий – давления, температуры, концентрации реагентов. Он проводил опыты как в растворах, так и с сухими веществами. Химикам было хорошо известно, что водород легко вытесняет некоторые металлы из их оксидов при высоких температурах, но неактивен при низких температурах. Бекетов выяснил, что активность водорода увеличивается с повышением давления, что он связал с «большей густотой» реагента (сейчас сказали бы – с более высоким давлением, т. е. концентрацией газа).

Изучая возможность вытеснения металлов водородом из растворов, Бекетов поставил ряд довольно рискованных экспериментов. Впервые в истории химии Бекетов применил давления, превышающие 100 атм. Опыты он проводил в темноте, в запаянных стеклянных трубках с несколькими изгибами (коленами). В одно колено он помещал раствор соли, в другое – кислоту, а в конец трубки – металлический цинк. Наклоняя трубку, Бекетов заставлял цинк падать в кислоту, взятую в избытке. Зная массу растворившегося цинка и объем трубки, можно было оценить достигаемое давление водорода. В некоторых опытах Бекетов уточнил давление по степени сжатия воздуха жидкостью в тонком капилляре, припаянном к трубке. Вскрытие трубки всегда сопровождалось взрывом. В одном из опытов, в котором давление достигало 110 атм, взрыв при вскрытии трубки (оно проводилось в воде под опрокинутым цилиндром) вдребезги разбил толстостенный цилиндр, объем которого в тысячу раз превышал объем трубки с реагентами.

Опыты показали, что действие водорода зависит не только от его давления, но и от «крепости металлического раствора», т. е. от его концентрации. Восстановление серебра из аммиачного раствора AgCl начинается еще до полного растворения цинка при давлении около 10 атм – прозрачный раствор буреет (сначала на границе с газом, потом по всей массе), а через несколько дней на стенках оседает серый порошок серебра. При атмосферном давлении реакция не наблюдалась. Восстанавливалось серебро также из нитрата и сульфата, а на ацетат серебра водород действовал и при атмосферном давлении. Из солей ртути при высоком давлении выделялись шарики металла, а вот нитраты меди и свинца восстановить не удалось даже при высоком давлении водорода. Восстановление меди наблюдалось только в присутствии серебра и платины при давлении до 100 атм. Платину Бекетов использовал для ускорения процесса, т. е. как катализатор. Он писал, что платина более способствует вытеснению некоторых металлов, чем давление, так как водород на поверхности платины «подвергается большему притяжению и должен иметь наибольшую плотность». Сейчас мы знаем, что адсорбированный на платине водород активируется за счет его химического взаимодействия с атомами металла.

В четвертом разделе первой части Бекетов описывает опыты с углекислым газом. Он изучал его действие на растворы ацетата кальция при разных давлениях; обнаружил, что обратная реакция – растворение мрамора в уксусной кислоте при определенном давлении газа прекращается даже при избытке кислоты.

В последних разделах экспериментальной части Бекетов описал действие паров цинка при высокой температуре на соединения бария, кремния, алюминия (последний элемент он называет глинием, как это было принято в те годы). Восстанавливая цинком тетрахлорид кремния, Бекетов впервые получил достаточно чистый кристаллический кремний. Он установил также, что магний восстанавливает алюминий из криолита (фтороалюминат натрия «собственного приготовления») и кремний из его диоксида. В этих опытах была также установлена способность алюминия восстанавливать барий из оксида и калий – из гидроксида. Так, после прокаливания алюминия с безводным оксидом бария (с небольшой добавкой хлорида бария для понижения температуры плавления) образовался сплав, состоящий по результатам анализа, на 33,3 % из бария, остальное – алюминий. В то же время многочасовое прокаливание алюминия с растертым в порошок хлоридом бария не привело ни к каким изменениям.

Не совсем обычная реакция алюминия с КОН проводилась в изогнутом ружейном стволе, в закрытый конец которого помещались куски КОН и алюминий. При сильном накаливании этого конца появлялись пары́ калия, которые конденсировались в холодной части ствола, «откуда добыты несколько кусочков мягкого металла, горящего фиолетовым пламенем». Позднее сходным образом были выделены рубидий и цезий.

Вторая часть труда Бекетова посвящена теории вытеснения одних элементов другими. В этой части Бекетов сначала проанализировал многочисленные экспериментальные данные – как собственные, так и проведенные другими исследователями, в том числе бреславским профессором Фишером, а также Дэви, ГейЛюссаком, Берцелиусом, Вёлером. Особо отмечены «несколько интересных фактов осаждения металлов мокрым путем», обнаруженных английским химиком Уильямом Одлингом. При этом случаи вытеснения одних элементов другими «мокрым путем», т. е. в растворах, и «сухим путем», т. е. при прокаливании реагентов, Бекетов рассматривает совместно. Это было логично, так как невозможно экспериментально провести реакции в водных раст ворах с участием щелочных и щелочноземельных металлов, по скольку они активно реагируют с водой.

Затем Бекетов излагает свою теорию, призванную объяснить различную активность элементов. Расположив все металлы в ряд по их удельному весу (т. е. по плотности), Бекетов обнаружил, что он довольно хорошо согласуется с известным вытеснительным рядом. «Следовательно, – делает вывод Бекетов, – место металла… в вытеснительном ряде может быть довольно верно определено и, так сказать, заранее предсказано его удельным весом». Некоторая неопределенность наблюдается только между «соседними по удельному весу металлами». Так, калий – обычно «более энергичный» элемент и, например, вытесняет натрий из NaCl при прокаливании, хотя калий и более летуч. Однако известны и обратные процессы: например, натрий может вытеснять калий из его гидроксида и ацетата. «Что касается отношения первой щелочной группы ко второй и отношения металлов второй группы между собой, то они еще мало исследованы», – пишет Бекетов.

Бекетов встретился и с более серьезными затруднениями. Например, ему удалось восстановить цинк алюминием из раствора ZnCl_2 и не удалось – из раствора ZnSO_4. Кроме того, алюминий «совершенно не восстанавливал из растворов железо, никель, кобальт, кадмий». Бекетов объяснил это тем, что алюминий «действует преимущественно на воду», и предполагал, что эти реакции должны пойти в отсутствие воды, – «сухим путем». Действительно, в последующем Бекетов обнаружил такие реакции и фактически открыл алюминотермию.

Другое затруднение заключалось в том, что некоторые металлы выпадали из правила удельных весов. Так, медь (плотность 8,9) в ряду активности расположена не до, а после свинца (плотность 11,4 – значения плотностей у Бекетова немного отличаются от современных). Такая «аномалия» заставила Бекетова попытаться все же вытеснить более активный свинец менее активной медью. Он помещал медные пластинки в горячие насыщенные растворы хлорида свинца – нейтральные и кислые, в аммиачный раствор оксида свинца, нагревал медь с сухими оксидом и хлоридом свинца. Все опыты были неудачны, и Бекетов был вынужден признать «отступление от общего правила». Другие «аномалии» касались серебра (плотность 10,5) и свинца, а также серебра и ртути (плотность 13,5), поскольку и свинец, и ртуть восстанавливают «более легкое» серебро из растворов его солей. Аномалию с ртутью Бекетов объяснил тем, что этот металл жидкий и потому его активность выше, чем следует из правила удельных весов.

Бекетов распространил свое правило и на неметаллы. Например, в ряду хлор (плотность жидкого хлора 1,33), бром (плотность 2,86), йод (плотность 4,54) самый легкий элемент одновременно и самый активный (фтор был получен Муассаном только 20 лет спустя). То же наблюдается и в ряду O, S, Se, Te: кислород – самый активный и довольно легко вытесняет остальные элементы из их соединений с водородом или с щелочным металлом.

Бекетов объяснил свое правило по аналогии с механикой: удельный вес связан с массой частиц (т. е. атомов) и с расстоянием между ними в простом веществе. Зная плотности металлов и их относительные атомные массы, можно рассчитать относительные расстояния между атомами. Чем больше расстояние между ними, тем легче, по Бекетову, атомы разъединяются в химических процессах. С этим же связано и взаимное «сродство» различных элементов, и способность вытеснять друг друга из соединений. Рассчитав относительное расстояние между атомами в разных металлах и приняв за эталон калий, Бекетов получил следующие значения: K – 100, Na – 80, Ca – 65, Mg – 53, Al – 43 и т. д. вплоть до платины.

Дальнейшее краткое изложение теории Бекетова, касающееся относительной прочности химических соединений (а именно с этим связана способность одних элементов вытеснять другие), можно найти в учебнике Д. И. Менделеева «Основы химии» (цитируется по изданию 1947 г. с использованием современной терминологии): «…Профессор Н. Н. Бекетов в сочинении „Исследования над явлениями вытеснения“ (Харьков, 1865), предложил особую гипотезу, которую мы изложим почти словами автора.

Для алюминия оксид Al_2O_3 прочнее галогенидов AlCl_3 и AlI_3. В оксиде соотношение Al : O = 112 : 100, для хлорида Al : Cl = 25 : 100, для йодида Al : I = 7 : 100. Для серебра оксид Ag_2O (соотношение 1350 : 100) менее прочен, чем хлорид (Ag : Cl = = 100 : 33), а йодид наиболее прочен (Ag : I = 85 : 100). Из этих и подобным им примеров видно, что наиболее прочны те соединения, у которых массы соединяющихся элементов становятся почти одинаковыми. Поэтому существует стремление больших масс соединяться с большими, а малых – с малыми, например: Ag_2O + 2KI дают K_2O + 2AgI. По той же причине при повышенных температурах разлагаются Ag_2O, HgO, Au_2O_3 и тому подобные оксиды, составленные из неравных масс, тогда как оксиды легких металлов, а также вода разлагаются не так легко. Самые термостойкие оксиды – MgO, CaO, SiO_2, Al_2O_3 приближаются к условию равенства масс. По той же причине HI разлагается легче, чем HCl. Хлор не действует на MgO и Al_2O_3, но действует на CaO, Ag_2O и т. п.

Для понимания истинных отношений сродств, – делает заключение Менделеев, – еще далеко недостаточно и тех дополнений к механической теории химических явлений, которые дает Бекетов. Тем не менее в его способе объяснения относительной прочности многих соединений видна весьма интересная постановка вопросов первостепенной важности. Без подобных попыток невозможно обнять сложные предметы опытных знаний».

Итак, не умаляя заслуг замечательного химика, следует признать, что, хотя теория Н. Н. Бекетова сыграла заметную роль в развитии теоретической химии, приписывать ему установление относительной активности металлов в реакции вытеснения водорода из кислот и соответствующего ряда активности металлов не следует: его механическая теория химических явлений осталась в истории химии как один из многочисленных ее этапов.

Почему же в некоторых книгах Бекетову приписывают то, что он не открывал? Эта традиция, как и многие другие, появилась, вероятно, в конце 40-х – начале 50-х гг. ХХ в., когда в СССР свирепствовала кампания борьбы с «низкопоклонством перед Западом», а все более или менее заметные открытия в науке авторы просто обязаны были приписывать исключительно отечественным ученым, и даже цитирование зарубежных авторов считалось крамолой (именно в те годы родилась шутка о том, что «Россия – родина слонов»). Например, М. В. Ломоносову приписывали открытие закона сохранения энергии, который был открыт только в середине XIX века. Вот конкретный пример изложения истории науки тех времен. В книге Владимира Орлова «О смелой мысли» (М.: Молодая гвардия, 1953) изобретения в области электричества описываются такими словами: «Иностранцы разорили колыбель электрического света… Замечательное русское изобретение похитили американцы… Эдисон в Америке жадно принялся усовершенствовать русское изобретение… Зарубежные ученые калечат электрическую лампу, созданную гением русских людей… Американские империалисты опозорили электричество… Вслед за ними югославские фашисты опозорили электрический свет…» – и т. д. и т. п. Отдельные отголоски тех недоброй памяти времен, видимо, и остались в некоторых учебниках, и от них следует избавляться. Как говорил один из историков химии, «Ломоносов достаточно велик, чтобы не приписывать ему чужие открытия».

«Свеча горела…»

Явления, наблюдающиеся при горении свечи, таковы, что нет ни одного закона природы, который при этом не был бы так или иначе затронут.

Майкл Фарадей. История свечи

Этот рассказ посвящен «экспериментальному расследованию». Главное в химии – эксперимент. В лабораториях всего мира поставили и продолжают ставить миллионы разнообразных экспериментов, однако крайне редко профессиональный исследователь делает это так, как некоторые юные химики: а вдруг получится что-нибудь интересное? Чаще всего у исследователя есть четко сформулированная гипотеза, которую он стремится либо подтвердить, либо опровергнуть экспериментально. Но вот опыт закончен, результат получен. Если с гипотезой он не согласуется, значит, она неверна (конечно, если эксперимент поставлен грамотно и он несколько раз воспроизводится). А если согласуется? Значит ли это, что гипотеза верна и ее пора переводить в категорию теории? Начинающий исследователь порой так и считает, но опытный с выводами не спешит, а прежде крепко думает, нельзя ли объяснить полученный результат как-нибудь иначе.

Примеров того, как подобное «думанье» полезно, история химии знает тысячи. Следующие три рассказа как раз посвящены тому, как опасно бывает полагать, что «удачный» эксперимент доказывает верность гипотезы. Иногда на уроках показывают такой опыт. В тарелку с водой пускают плавать небольшой деревянный или пенопластовый кружок, на котором укреплена горящая свеча. На кружок со свечой опускают перевернутую стеклянную банку и ставят ее в таком положении на дно тарелки. Через некоторое время свеча гаснет, и часть банки заполняется водой. Этот опыт должен якобы показать, что лишь пятая часть воздуха (кислород) поддерживает горение. Действительно, на первый взгляд похоже, что вода поднялась примерно на пятую часть, хотя более точные измерения обычно не проводят. На первый взгляд опыт прост и достаточно убедителен: ведь кислорода в воздухе действительно 21 % по объему. Однако с точки зрения химии в нем не все в порядке. Действительно, свечи делают из парафина, а парафин состоит из предельных углеводородов состава Сn H2n+2 с 18–35 атомами углерода. Уравнение реакции горения можно в общем виде записать так: Сn H2n+2 + (3n + 1)/2 O_2 → nCO_2 + (n + 1)H_2O. Так как n велико, то коэффициент перед кислородом очень близок к 1,5n (для n = 18 разница между (3n + +1)/2 и 1,5n составит менее 2 %, для n = 30 она будет еще меньше). Таким образом, на 1,5 объема израсходованного кислорода выделяется 1 объем СО_2. Поэтому даже если весь кислород из банки (его там 0,21 по объему) израсходуется, то вместо него после сгорания должно выделиться 0,21 : 1,5 = 0,14 объема углекислого газа. Значит, вода вовсе не должна заполнить пятую часть банки!

Но верно ли это рассуждение? Ведь углекислый газ, как известно, хорошо растворяется в воде. Может быть, он весь «уйдет в воду»? Однако процесс растворения этого газа очень медленный. Это показали специальные опыты: чистая вода в перевернутую банку, наполненную СО_2, за час почти не поднимается. Эксперимент же со свечой продолжается менее минуты, поэтому даже при условии полного израсходования кислорода вода должна войти в банку всего на 0,21 – 0,1 = 0,07 ее объема (около 7 %).

Но и это не все. Оказывается, свеча «сжигает» в банке далеко не весь кислород, а лишь малую часть его. Анализ воздуха, в котором погасла свеча, показал, что в нем все еще содержится 16 % кислорода (интересно, что примерно до такого же уровня снижается содержание кислорода в нормальном выдохе человека). Значит, вода практически вовсе не должна заходить в банку! Опыт, однако, показывает, что это не так. Как же его объяснить?

Самое простое предположение: горящая свеча нагревает воздух, его объем увеличивается, и часть воздуха выходит из банки. После охлаждения воздуха в банке (это происходит достаточно быстро) давление в ней понижается, и в банку под действием внешнего атмосферного давления заходит вода. В соответствии с законом идеальных газов (а воздух в первом приближении можно считать идеальным газом), чтобы объем воздуха увеличился на 1/5, его температура (абсолютная) также должна увеличиться на 1/5, т. е. повыситься с 293 К (20 °С) до 1,2 · 293 = 352 К (около 80 °С). Не так уж много! Нагрев воздуха пламенем свечи на 60° вполне возможен. Осталось только проверить экспериментально, выходит ли воздух из банки во время опыта.

Первые эксперименты, однако, это предположение как будто не подтвердили. Так, в серии опытов, проведенных с широкогорлой банкой объемом 0,45 л, не было заметно никаких признаков «выбулькивания» воздуха из-под края банки. Другое неожиданное наблюдение: вода в банку, пока горела свеча, почти не заходила.

И лишь после того, как свеча гасла, уровень воды в перевернутой банке быстро поднимался. Как это объяснить?

Можно было предположить, что, пока свеча горит, воздух в банке нагревается, но при этом увеличивается не его объем, а давление, что и препятствует засасыванию воды. После прекращения горения воздух в банке остывает, его давление падает, и вода поднимается вверх. Однако это объяснение не годится. Во-первых, вода – не тяжелая ртуть, которая не дала бы воздуху выходить из банки при небольшом увеличении давления. (Ртутный затвор использовали когда-то все физики и химики, изучавшие газы.) Действительно, вода в 13,6 раза легче ртути, а высота водяного затвора между краем банки и уровнем воды в тарелке мала. Поэтому даже небольшое повышение давления неизбежно вызвало бы «пробулькивание» воздуха через затвор.

Еще серьезнее второе возражение. Даже если уровень воды в тарелке был бы бо́льшим и вода не выпускала бы из банки нагретый воздух, находящийся под повышенным давлением, то после остывания воздуха в банке и его температура, и давление вернулись бы к исходным значениям. Так что не было бы никаких причин для воздуха заходить в банку.

Загадку удалось разрешить, только изменив небольшую деталь в ходе эксперимента. Обычно банку «надевают» на свечу сверху. Так, может быть, в этом и кроется причина странного поведения воздуха в банке? Горящая свеча создает восходящий поток нагретого воздуха, и, когда банка движется сверху, горячий воздух вытесняет из банки более холодный еще до того, как край банки коснется воды. После этого температура воздуха в банке, пока свеча горит, уже мало изменяется, вот воздух и не выходит из нее (а также не заходит внутрь). А после прекращения горения и остывания горячего воздуха в банке давление в ней заметно понижается, и внешнее атмосферное давление загоняет в банку часть воды.

Чтобы проверить это предположение, в нескольких опытах банку «надевали» на свечу не сверху, а сбоку, почти касаясь краем банки пламени, после чего быстрым движением вниз ставили банку на дно тарелки. И сразу же из-под края банки начинали бурно выходить пузырьки воздуха! Естественно, после прекращения горения свечи вода засасывалась внутрь – примерно до того же уровня, что и в предыдущих опытах.

Так что данный опыт со свечой никак не может иллюстрировать состав воздуха. Зато он еще раз подтверждает мудрое высказывание великого физика, вынесенное в эпиграф.

Приближаемся к равновесию…

Рассмотрим еще одно ошибочное объяснение эксперимента, в котором тоже происходит нагрев газов. Это объяснение проникло и в популярные статьи по химии, и даже в вузовские учебники. Так, в ряде зарубежных учебников по общей химии описывается красивый эксперимент, суть которого мы проиллюстрируем цитатой из учебника Ноэла Уэйта «Химическая кинетика». «Метод релаксации. Метод Эйгена, за который автор был удостоен в 1967 г. Нобелевской премии по химии, называют релаксационным методом. Реагирующая система достигает состояния равновесия при определенных условиях. Эти условия (температура, давление, электрическое поле) затем быстро нарушают – быстрее, чем смещается равновесие. Система снова приходит в равновесие, но теперь уже при новых условиях; это называют „релаксировать к новому положению равновесия”. Пока происходит релаксация, следят за изменение какого-то свойства системы…

Эксперимент, демонстрирующий явление релаксации.

В некоторых случаях состояние равновесия устанавливается настолько медленно в новых условиях, что за изменением концентрации можно проследить с помощью обычной лабораторной техники и наблюдать тем самым явление релаксации.

В качестве примера рассмотрим переход диоксида азота (темно-бурый газ) в димер (бесцветный газ):

Наполните стеклянный газовый шприц примерно 80 см^3 газа. Быстро нажмите поршень шприца и сожмите газ до 50–60 см^3. Убедитесь, что окраска газа изменилась. Сначала произойдет быстрое потемнение газа, так как концентрация NО_2 возрастет, но затем наступит медленное посветление, поскольку высокое давление способствует образованию N_2О_4, и равновесие будет достигнуто при новых внешних условиях».

В ряде учебников аналогичное описание приводится, чтобы проиллюстрировать принцип Ле Шателье: при повышении давления газа равновесие смещается в сторону уменьшения числа молекул, в данном случае – в сторону бесцветного димера N_2О_4. При этом текст сопровождается тремя цветными фотографиями. На них видно, как сразу после сжатия желтовато-бурая вначале смесь становится темно-бурой, а на третьей фотографии, сделанной через несколько минут, газовая смесь в шприце заметно светлеет.

Иногда добавляют, что поршень нужно нажимать как можно быстрее, чтобы равновесие за это время не успело сдвинуться.

На первый взгляд такое объяснение выглядит очень убедительно. Однако количественное рассмотрение процессов в шприце полностью опровергает все выводы. Дело в том, что указанное равновесие между диоксидом азота NО_2 и его димером (тетраоксидом азота) N_2О_4 устанавливается чрезвычайно быстро: за миллионные доли секунды! Поэтому невозможно сжать газ в шприце быстрее, чем это равновесие установится. Даже если двигать поршень в стальном «шприце» с помощью взрыва, равновесие, скорее всего, успевало бы установиться по мере движения поршня из-за его инерционности. Как же еще можно объяснить наблюдаемое в этом эксперименте явление? Конечно, уменьшение объема и соответствующее повышение концентрации газов приводит к усилению окраски. Но не это главная причина. Каждый, кто накачивал ручным насосом велосипедную камеру, знает, что насос (особенно алюминиевый) сильно нагревается. Трение поршня о трубку насоса здесь ни при чем – в этом легко убедиться, сделав несколько холостых качаний, когда воздух в насосе не сжимается. Нагрев происходит в результате так называемого адиабатического сжатия – когда теплота не успевает рассеяться в окружающем пространстве. Значит, и при сжимании смеси оксидов азота она должна нагреваться. А при нагревании равновесие в этой смеси сильно сдвигается в строну диоксида.

Насколько нагреется смесь при сжатии? В случае сжатия воздуха в насосе нагрев легко рассчитать, воспользовавшись уравнением адиабаты для идеального газа: TV γ–1 = const, где Т – температура газа (в кельвинах), V – его объем, γ = Ср/Сv – отношение теплоемкости газа при постоянном давлении к теплоемкости при постоянном объеме. Для одноатомных (благородных) газов γ = 1,66, для двухатомных (к ним принадлежит и воздух) γ = 1,40, для трехатомных (например, для NO_2) γ = 1,30 и т. д. Уравнение адиабаты для воздуха, сжимаемого от объема 1 до объема 2, можно переписать в виде Т_2/Т_1 = (V_1/V_2)γ–1. Если поршень резко вдвинуть до середины насоса, когда объем воздуха в нем уменьшится вдвое, то для отношения температур до и после сжатия получим уравнение Т_2/Т_1 = = 20,4 = 1,31. И если Т_1 = 293 К (20 °С), то Т_2 = 294 К (111 °С)!

Непосредственно применить уравнение идеальных газов для расчета состояния смеси оксидов азота сразу после сжатия нельзя, так как в этом процессе изменяются не только объем, давление и температура, но и число молей (соотношение NO_2 N_2O_4) в ходе химической реакции. Задачу можно решить только путем численного интегрирования дифференциального уравнения, которое учитывает, что работа, производимая в каждый момент движущимся поршнем, затрачивается, с одной стороны, на нагрев смеси, с другой – на диссоциацию димера. При этом предполагается, что известны энергия диссоциации N_2О_4, теплоемкости обоих газов, величина γ для них и зависимость положения равновесия от температуры (все это табличные данные). Расчет показывает, что если исходную смесь газов при атмосферном давлении и комнатной температуре быстро сжать до половины объема, то смесь нагреется всего на 13 °С. Если сжать смесь до уменьшения объема втрое, температура повысится уже на 21 °С. А даже небольшое нагревание смеси сильно сдвигает положение равновесия в сторону диссоциации N_2О_4.

А дальше происходит просто медленное остывание газовой смеси, что вызывает такой же медленный сдвиг равновесия в сторону N_2О_4 и ослабление окраски, что и наблюдается в эксперименте. Скорость охлаждения зависит от материала стенок шприца, их толщины и других условий теплообмена с окружающим воздухом, например от сквозняков в комнате. Существенно, что при постепенном сдвиге равновесия вправо, в сторону N_2О_4, происходит димеризация молекул NО_2 с выделением тепла, что уменьшает скорость остывания смеси (примерно как замерзание воды в больших водоемах в начале зимы не дает температуре воздуха быстро понижаться).

Почему же никто из экспериментаторов не почувствовал нагрев шприца, когда вдвигал поршень? Ответ очень прост. Теплоемкости газовой смеси и стекла (в расчете на единицу массы) отличаются не очень сильно. Но масса стеклянного поршня в десятки, а иногда и в сотни раз выше, чем масса газа. Поэтому даже если вся теплота остывающей газовой смеси будет передана стенкам шприца, эти стенки нагреются всего на доли градуса.

Рассмотренная система с равновесием между двумя оксидами азота имеет и практическое значение. При небольшом давлении смесь NО_2 и N_2О_4 и легко сжижается. Это позволяет использовать ее как эффективный теплоноситель, несмотря на ее высокую химическую активность и коррозионное действие на аппаратуру. В отличие от воды, которая, принимая тепловую энергию, например, от ядерного реактора, сильно нагревается и даже может испариться, передача теплоты к смеси оксидов азота приводит в основном не к ее нагреву, а к химической реакции – разрыву связи N–N в молекуле N_2О_4. Действительно, разрыв связи N–N в одном моле вещества (92 г) без его нагрева требует затраты 57,4 кДж энергии. Если такую энергию передать 92 г воды при температуре 20 °С, то 30,8 кДж пойдет на нагрев воды до кипения, а остальные 26,6 кДж приведут к испарению около 11 г воды! В случае же оксидов азота смесь нагревается не сильно, в более холодных местах установки циркулирующая смесь немного охлаждается, равновесие сдвигается в сторону N_2О_4, и смесь вновь готова отбирать тепло.

Этилен – из полиэтилена?

Чтобы продемонстрировать на уроке химии свойства этилена, его надо сначала получить. Обычно его синтезируют действием концентрированной серной кислоты на этиловый спирт. При нагревании смеси в присутствии катализатора (оксида алюминия) происходит дегидратация этанола: СН_3–СН_2–ОН → СН_2=СН_2 + Н_2О. Иметь дело с концентрированной серной кислотой, да еще горячей, всегда неприятно. Нельзя ли получить этилен как-нибудь еще?

В пособиях по органической химии можно найти способ получения стирола деполимеризацией полистирола при его нагревании. Опыт очень прост: положил в пробирку с газоотводной трубкой кусочки полистирола (от сломанной авторучки, пустой прозрачной баночки из-под таблеток), нагрел – и, пожалуйста, из холодильника уже закапал стирол. А стирол (фенилэтилен С_6Н_5– СН=СН_2), как и другие непредельные соединения-мономеры, обладает высокой реакционной способностью, с ним можно провести самые разнообразные реакции.

Видимо, по аналогии порой пытаются подобным способом – нагреванием (иногда в присутствии серной кислоты) – получить и этилен, используя в качестве сырья старые пакеты, пленки, другие отходы полиэтиленовых изделий. В ходе опыта выделяется газ, который горит, обесцвечивает бромную воду и раствор перманганата калия, т. е. проявляет свойственные этилену реакции. Поэтому считается, что получается именно этилен. Так ли это?

Действительно ли из любого полимера можно, подобрав условия, получить исходный мономер?

На самом деле анализ газа, выделяющегося при нагревании полиэтилена, показывает, что этилена в нем или совсем нет, или очень мало. В чем тут дело? Почему выделяющийся газ «имитирует» этилен, проявляя свойственные ему реакции? Можно ли в принципе получить из полиэтилена этилен?

Реакция радикальной полимеризации (с ее помощью получают полиэтилен, полистирол и многие другие полимеры) обратима, что свойственно многим химическим процессам. Часто при комнатной (или более низкой) температуре она идет слева направо (полимеризация), а при повышенной температуре – справа налево (деполимеризация):

(здесь точка обозначает неспаренный электрон на концевом атоме углерода, Х – заместитель, например С_6Н_5 в стироле и полистироле, Н – в этилене и полиэтилене, значок ~ указывает на длинную полимерную цепь). В полимерной цепи полиэтилена повторяются звенья –СН_2–, а в цепи полистирола – звенья –СН_2–СН(С_6Н_5)–. Равновесие реакции полимеризация – деполимеризация впервые было исследовано в 1945 г. на примере системы стирол – полистирол (реакцию проводили в растворе, где ее легче изучать). Сегодня закономерности подобных процессов изучены достаточно подробно, поскольку они очень важны для практики. И вот что выяснилось. При нагревании многих полимеров в инертной атмосфере (так называемая сухая перегонка) сначала рвется полимерная цепочка. Разрыв связи С–С происходит в самом слабом месте, в частности около разветвления цепи или рядом с заместителем (или случайно присутствующей посторонней группой), например:

~CH_2–CHX–CH_2–ĊHX~ → ~CH_2– ĊHX + ~ CH_2–ĊHX~.

В результате такой реакции образуются два новых свободных радикала. Эта реакция, требующая разрыва прочной углерод-углеродной связи, идет очень медленно при не очень сильном нагревании и поэтому практически не изменяет свойства полимера. Однако образовавшиеся при разрыве цепи свободные радикалы (макрорадикалы), как и низкомолекулярные радикалы, обладают исключительно высокой реакционной способностью; именно быстрые реакции с их участием разрушают полимер. Это происходит не только при нагревании, но и на солнечном свету, при действии кислорода, озона, других активных агентов. Поэтому, например, полиэтиленовая пленка на парнике разрушается намного быстрее, чем полиэтиленовый пакет в темноте. Одно из направлений реакций с участием концевых макрорадикалов мы уже рассматривали – это деполимеризация, когда от конца полимерной цепочки с пулеметной скоростью (а в действительности намного быстрее) «отстреливаются» молекулы мономера, при этом на конце цепи все время сохраняется неспаренный электрон. Бывает и так, что макрорадикал как бы «откусывает» атом водорода от соседней полимерной цепочки (или дальнего конца своей же гибкой цепи):

~CH_2– ĊHX + ~CH_2–CHX–CH_2–CHX~ → ~CH_2–CH_2X + ~CH_2–CHX–CH_2– ĊX~.

Образовавшийся макрорадикал весьма неустойчив: неспаренный электрон, очутившийся не на конце, а где-то в середине цепи, немедленно разрезает ее на два куска. Как и при деполимеризации, рвется не соседняя с неспаренным электроном С–С-связь, а следующая (так называемый бета-разрыв):

~CH_2–CHX–CH_2– ĊX~ → ~CH_2–CHX + CH_2=CX~.

Новый концевой радикал быстро вступает в дальнейшие реакции. Совокупность этих процессов называется передачей цепи. Место, где отрывается атом водорода и распадается полимерная цепочка, определяется законом случая, поэтому образуются осколки молекул разных размеров. Такие реакции и приводят к разрушению полимера.

Очевидно, что состав продуктов термической деструкции полимера будет зависеть от относительной скорости двух процессов: реакции деполимеризации макрорадикала и реакции передачи цепи. Скорость первого процесса выше у полимеров, содержащих четвертичный атом углерода (он связан только с атомами углерода). Так, при 250 °С скорость деполимеризации полиметилметакрилата (ПММА) примерно в 100 раз выше, чем в случае полиметилакрилата (ПМА). Поэтому неудивительно, что при термической деструкции ПММА выход мономера – метилметакрилата СН_2=С(СН_3)–СООСН_3 достигает 95 %, тогда как из ПМА получается лишь 1 % мономера – метилакрилата (метилового эфира акриловой кислоты, СН_2=СН–СООСН_3).

Хорошие выходы мономера можно получить также при реакциях деполимеризации поли-α-метилстирола (более 95 % α-метилстирола С_6Н_5С(СН_3)=СН_2), полиизобутилена (до 50 % изобутилена СН_3–С(СН_3)=СН_2), полистирола (около 40 % стирола), натурального каучука (из него при этом образуется диеновый мономер с двумя двойными связями – изопрен СН_2=С(СН_3)–CН=СН_3), политетрафторэтилена (тефлона), из которого получается мономер тетрафторэтилен СF_2=CF_2. В последнем случае передача цепи вообще невозможна из-за очень высокой прочности связи C–F. А вот для полиэтилена преобладает реакция передачи цепи, поэтому среди продуктов его деструкции этилена очень мало.

Для полноты картины следует упомянуть еще один возможный путь деструкции – отщепление от полимера боковых групп. По такому пути при нагревании разлагается поливинилацетат ~СН_2–СН(ОСОСН_3)~ (от него отщепляется до 95 % уксусной кислоты), поливинилхлорид ~СН_2–СНСl~ (отщепляется 95 % HCl), полиакрилонитрил ~СН_2–СН(СN)~ (отщепляется HCN, поэтому с этим полимером, как и с тефлоном, опыты проводить не следует из-за ядовитости продуктов).

А что получается при термической деструкции полиэтилена? Почему продукты реакции «маскируются» под этилен? Прежде всего, состав продуктов зависит от условий проведения реакции и типа полиэтилена (разные его марки отличаются плотностью, степенью разветвленности и кристалличности, соотношением молекул разной длины (так называемым молекулярно-массовым распределением), наличием ненасыщенных и других групп, присутствием, иногда до 5 %, винилацетата и других сополимеров). В инертной атмосфере (нагревание в вакууме или в присутствии азота) полиэтилен обычно довольно стоек – примерно до 290 °С, а при более высокой температуре разлагается с образованием смолообразных веществ и газообразных продуктов. Анализ газовой смеси методом масс-спектрометрии позволил обнаружить в ней более 30 (!) соединений, среди которых были алканы, алкены, диены, циклические углеводороды. Вот, например, каков был конкретный состав продуктов, когда разложение проводили при температуре 405 °С: бутенов 25 %, бутана 16,8 %, пропана 15,3 %, этана 14,3 %, пентенов 8,3 %, пентана 6,8 %, этилена 4,8 %, гексенов 3,5 %, гексана и гептана по 1,6 %, СО_2 0,3 %. Как видно, этилен – на одном из последних мест.

Если реакцию проводить на воздухе, то в ней будет участвовать кислород. При этом идут реакции окисления и образуются кислородсодержащие соединения – спирты, альдегиды, кетоны, кислоты, пероксиды. Полиэтилен активно окисляется также под действием азотной и горячей концентрированной серной кислоты, в последнем случае полимер чернеет и обугливается. Химизм этой реакции был изучен в 1983 г. двумя сотрудниками химического факультета Абердинского университета в Шотландии (кстати, это один из старейших университетов в Великобритании – он был основан пять столетий назад). Название статьи, опубликованной в журнале «Деструкция и стабильность полимеров», весьма красноречиво: «Действие концентрированной серной кислоты на полиэтилен и полипропилен. Выделение диоксида серы и диоксида углерода». Авторы поместили полиэтиленовую пленку в литровую колбу, залили ее 98%-ной H_2SO_4 и нагрели до 100–125 °С, одновременно продувая через колбу инертный газ – сухой гелий и анализируя газообразные продукты реакции с помощью чувствительного метода газожидкостной хроматографии. Прежде всего выяснилось, что процесс идет с автоускорением, т. е. сначала медленно, а затем все быстрее. Предполагается, что сначала полимер реагирует с серной кислотой – сульфируется: ~CH_2–CH~ + HO–SO_3H → ~CH_2–CH(SO_3H)~ + H_2O. Эта реакция особенно легко идет с третичным атомом водорода – у разветвления цепи. Далее сульфогруппы распадаются и одновременно расщепляется полимерная цепь. При этом выделяются SO_2, CO_2 и пары воды, а в остатке обнаруживаются ненасыщенные соединения – алкены. Таким образом, получить этилен из полиэтилена не удастся. Почему же выделяющиеся при деструкции газы навели некоторых химиков на мысль о том, что это этилен? Дело в том, что и алкены, и сернистый газ (он образуется в случае реакции с серной кислотой) могут обесцвечивать и бромную воду, и раствор перманганата, а присутствующие в газовой смеси в большом количестве углеводороды легко загораются. Поэтому, не имея возможности проанализировать состав продуктов, можно легко принять их свойства за признак образования этилена.

Золотой шар Менделеева

В начале 1990-х гг. на киностудии Центрнаучфильм снимался научно-популярный фильм о золоте. Автор сценария и оператор Е. Г. Покровский в поиске интересных сюжетов побывал в Алмазном фонде в Московском Кремле. Там его внимание привлек находящийся в витрине шар из золота. Сотрудник фонда сказал, что шар этот весит два пуда и сделан он по заказу Д. И. Менделеева. Однако с какой целью изготовлен шар, он сказать не мог. Пришлось кинооператору обращаться за помощью к химику, который провел небольшое расследование. И вот что выяснилось.

Положением Государственного совета Российской империи 8 июня 1863 г. в Петербурге было учреждено Депо образцовых мер и весов с целью «сохранения в государстве единообразия, верности и взаимного соответствия мер и весов». К обязанностям депо относилось: хранение основных образцов (прототипов) единиц веса и меры, принятых в России, а также копий образцов иностранных единиц веса и меры; изготовление точных копий с основных образцов для разных областей и губерний и их периодическая проверка; испытание и выверка различных измерительных приборов; составление сравнительных таблиц русских и иностранных мер и установление наибольших погрешностей, допускаемых в образцовых мерах.

В 1892 г. министр финансов С. Ю. Витте предложил Д. И. Менделееву занять пост ученого хранителя мер и весов в депо. Менделеев принял предложение и энергично взялся за новое для него дело. Вскоре депо было преобразовано в Главную палату мер и весов; Менделеев оставался ее управляющим в течение последних 15 лет своей жизни. За эти годы им были выполнены важные исследования в области метрологии – науки, задачей которой являются создание эталонов физических единиц и разработка методик точных измерений. Под руководством Менделеева были изготовлены российские эталоны метра, литра, килограмма, а также старых мер – фунта, аршина и др. Целью Менделеева был переход страны на метрическую систему мер, что было осуществлено лишь в 1918 г.

Для проведения в палате точных измерений ускорения свободного падения на широте Петербурга необходимо было с высокой точностью измерить период колебаний маятника известной длины. Длина маятника l, ускорение силы тяжести g и период колебаний Т связаны соотношением Т = 2π √l/g. Это соотношение точно выполняется для идеального (математического) маятника, у которого размах колебаний небольшой, нить можно считать невесомой, груз – точечным, а сопротивлением воздуха можно пренебречь. Чтобы реальный маятник был близок к идеальному, он должен быть изготовлен из тяжелого материала и подвешен на длинной тонкой нити. Так, знаменитый маятник, который французский физик Жан Бернар Леон Фуко (1819–1868) подвесил в 1851 г. под куполом огромного зала парижского пантеона, представлял собой латунный шар массой 28 кг, а проволока, на которой он висел, имела длину 67 м. Многочисленные зрители видели, что при раскачивании маятника он совершал медленные (с периодом около 17 секунд) колебания. Удивительно было то, что плоскость его колебаний сама собой менялась со временем: при каждом новом размахе острие на шаре прочерчивало на песке, насыпанном под маятником, новую полоску.

Еще более впечатляющим по размерам был маятник, установленный в марте 1931 г. в Ленинграде в здании Исаакиевского собора, где в то время находился Государственный антирелигиозный музей. Когда вблизи крайней точки размаха маятника ставили сбоку спичечный коробок, маятник уже после нескольких качаний сбивал его. Так наглядно демонстрировалось вращение Земли: пол с коробком поворачивался вместе с земным шаром, а плоскость колебания маятника оставалась постоянной. Легко рассчитать, что если бы маятник был на полюсе, то при размахе его колебаний 12 м крайняя точка размаха за сутки описала бы окружность длиной примерно 36 м; при этом ее смещение за 1 час составляло бы 36/24 = 1,5 м, а за минуту – 150/60 = 2,5 см. Так что коробок, поставленный даже в 10 см от острия в его крайней точке, был бы сбит уже через 4 минуты. Петербург значительно ближе к полюсу, чем Париж (они расположены на широте 60 и 49 градусов соответственно), а маятник был длиннее, чем у Фуко, поэтому кажущееся «отклонение» плоскости колебаний маятника в Исаакиевском соборе проявлялось более отчетливо.

Менделеев решил в качестве груза для маятника использовать золото – металл с очень высокой плотностью (19,3 г/см^3). По заказу Менделеева был изготовлен массивный полированный (для уменьшения сопротивления воздуха) золотой шар. При массе 2 пуда (32 кг) его радиус был равен всего 7,3 см. Поскольку в здании палаты не было высоких залов, Менделеев, чтобы удлинить нить подвеса, приказал пробить перекрытия на нескольких этажах да еще выкопать яму в подвале. Если с помощью секундомера определить время 100 колебаний такого маятника с точностью 0,2 с, то время одного колебания будет определено с точностью 0,002 с, и если одно колебание (при длине подвеса 10 м) длится около 6 с, то точность определения периода составит 0,002/6 или 0,033 %. С такой же точностью (около 3 мм) можно измерить и длину нити, и тогда можно с высокой точностью измерить ускорение силы тяжести g в данной географической точке.

Сильно ли меняется g в разных точках земного шара? Максимальное значение (9,83 м/с^2) – на полюсах, минимальное (9,78 м/с^2) – на экваторе. Однако даже в одной точке значение g может немного изменяться со временем. Это связано с различными процессами, происходящими в недрах земного шара. Изменения настолько малы, что для их надежного определения необходима очень чувствительная аппаратура – маятником Фуко или Менделеева тут не обойтись. Приборы с необходимой точностью (они называются баллистическими лазерными гравиметрами) появились в 70-х гг. ХХ в., и они вызвали настоящую революцию в гравиметрии – науке о земном поле силы тяжести. Так, с их помощью было установлено, что в 1977 г. на станции Лёдово под Москвой g было равно 9,81551345 м/с^2 (точность – десятимиллионная доля процента!). С 1975 г. сотрудники Института физики Земли имени О. Ю. Шмидта Российской академии наук вели точные измерения ускорения силы тяжести в трех точках земного шара – в Потсдаме (Германия), под Москвой и в Новосибирске, т. е. вдоль линии протяженностью 5000 км на значительной части Евразии. Оказалось, что в течение трех лет сила тяжести монотонно снижалась во всех трех пунктах со скоростью примерно 0,0000001 м/с^2 в год или 10 мкгал/год (микрогал – миллионная часть внесистемной единицы гала, названной в честь Галилео Галилея; 1 гал = 1 см/с^2). Какими конкретно процессами в земных глубинах вызваны эти изменения, еще предстоит выяснить.

В этой связи интересная дискуссия произошла много лет назад во время популярной телепередачи «Что? Где? Когда?» В качестве одного из вопросов «знатокам» был предложен такой: почему караваны верблюдов в пустыне идут к пункту назначения не по прямой, а по извилистому пути? Ответ был дан довольно правдоподобный: верблюды идут по старинным маршрутам, по которым когда-то двигались караваны от одного колодца к другому. Однако ведущий этот ответ не принял и зачитал «правильный» ответ, присланный телезрителем (тот взял его из газетной заметки): верблюды якобы выбирают путь, проходящий через точки земной поверхности с минимальным ускорением силы тяжести (g); на таком пути груз давит на верблюда с наименьшей силой и идти ему легче. Абсурдность этого утверждения ясна из того, что возможные отклонения в силе тяжести должны быть ничтожны; так, даже в отдаленных на 650 км Москве и Петербурге g = 9,8156 и 9,8192 м/с^2 соответственно. Что уже говорить о нескольких десятках или сотнях метров, на которые может отойти верблюд для выбора наиболее «легкого пути»! Даже муха, севшая на спину верблюда, вероятно, оказала бы на него большее воздействие!

Впоследствии удалось выяснить, что первоисточник этой «задачи», на которую клюнули легковерные журналисты из газеты, – шуточная публикация в журнале «Природа» (1971, № 11), автор которой, геолог Х. Г. Соколин, даже не пытался ввести читателей в заблуждение и предпослал своей статье подзаголовок «Пародия». Желающие повеселиться, могут разыскать этот журнал в библиотеке и прочитать замечательную пародию на наукообразные статьи.

Глава 4

Химия и жизнь

«Широко распростирает химия руки свои в дела человеческие… Куда ни посмотрим, куда ни оглянемся, везде обращаются пред очами нашими успехи ее приложения», – писал 250 лет назад Михаил Васильевич Ломоносов. Эти слова великого ученого не только не устарели, но и стали за прошедшие годы еще актуальнее. Трудно представить себе жизнь современного человека без достижений химии, без химических производств. Вот как образно рассказала об этом главный редактор журнала «Химия и жизнь» Любовь Николаевна Стрельникова.

«Как-то на одной из лекций, которые я читаю студентам четвертого курса факультета журналистики, я спросила: „Зачем нам нужна нефть, вокруг которой столько шума?“. Аудитория дружно ответила: „Чтобы бензин был и машины ездили“. – „А еще зачем?“. До керосина мы добрались с трудом. С еще бо́льшим скрипом дались мазут и топливо для тепловых электростанций. „А еще зачем?“. И в аудитории повисла тишина. Тогда я пригласила самого смелого из студентов „на сцену“, и этого молодого человека мы стали с его согласия виртуально раздевать. Извлекли из карманов пластмассовую ручку, флешку, кредитные карты, очки, плеер, мобильный телефон, блистер с таблетками. Потом очередь дошла до пиджака, рубашки… Причем на пиджаке мы рассматривали этикетку, где обозначен состав материала. Далее мы обследовали аудиторию, в которой проходила лекция: на чем сидим, что на стенах и т. д. И очень быстро студентам все стало ясно. Химические волокна, пластмассы и прочие материалы, из которых сделана наша комфортная среда обитания, лекарства, парфюм… Все это сделано из продуктов переработки нефти. Мы живем в мире, который строят химики, – это стало настоящим открытием для студентов четвертого курса».

Обратим внимание на «блистер с таблетками» в кармане студента. (Кстати, blister по-английски – «пузырь»; в авиации так называют куполообразный выступ из прозрачной пластмассы в корпусе самолета. А новое значение этого слова – полимерная прозрачная упаковка с отделениями для таблеток.) Одно из главных достижений химиков (в содружестве с учеными других специальностей) – синтез новых лекарственных средств, не существующих в природе. О том, с какими трудностями приходилось при этом сталкиваться – первый рассказ этой главы.

«Сито для лекарств»

Трудности синтеза новых лекарств во многом связаны с тем, что нет однозначной зависимости между химическим строением лекарственного средства и его биологическим действием. Иногда малейшие изменения структуры молекулы приводят к полному исчезновению или сильному изменению биологической активности. И наоборот, нередко почти одинаковая активность наблюдается у веществ совершенно разной химической природы. Например, если в молекуле морфина – сильного наркотика заменить один из атомов водорода в группе ОН на метильную группу CН_3, то получится сравнительно безвредное вещество кодеин.

Морфин

Один из самых сильных канцерогенов – 3,4-бензпирен, а имеющий тот же состав 1,2-бензпирен (в нем чуть иначе расположены бензольные кольца) вообще не проявляет канцерогенных свойств. То же относится и к двум изомерным нафтиламинам: сравнительно безвредный α-изомер (1-нафтиламин) – полупродукт в синтезе красителей, гербицидов и пигментов; β-изомер (2-нафтиламин) – канцероген, и когда это выяснилось, его применение для синтеза красителей было запрещено.

А вот пример другого рода. Природный алкалоид кокаин раньше применяли для местного обезболивания. Однако кокаин обладает вредным побочным действием, поэтому в медицинской практике его давно заменили синтетическим аналогом, который назвали новокаином (т. е. «новым кокаином»). Эти молекулы совершенно различны по своей структуре: молекула новокаина пара-H_2NC_6H_4COOCH_2CH_2N(C_2H_5)2 намного проще.

Кокаин

Подобные факты были известны давно. Поэтому еще в начале ХХ века немецкий биохимик Пауль Эрлих начал искать новые биологически активные вещества методом скрининга (от англ. screening – «просеивание»). Суть метода заключается в том, что множество различных химических соединений, в том числе вновь синтезированные, подвергаются проверке на биологическую активность в надежде на то, что рано или поздно на «сите» блеснет самородок – вещество с нужными свойствами. В науке такая стратегия называется методом проб и ошибок. Сами же ученые не без ехидства называют этот способ «методом научного тыка».

Эрлих в поиске эффективного лекарства от сифилиса синтезировал 605 веществ, не давших никакого результата. И лишь следующий мышьяксодержащий «препарат 606», полученный в 1909 г. и названный впоследствии сальварсаном, обладал нужными свойствами – он оказался летальным для микроорганизмов, вызывающих сифилис и ряд других сходных заболеваний. Например, одной инъекции сальварсана было достаточно, чтобы вылечить человека от похожей на сифилис тропической кожной болезни – фрамбезии. Тем не менее считают, что Эрлиху повезло: он вполне мог найти то, что искал и после проверки еще тысяч веществ!

Химическую структуру сальварсана установили позднее. Вначале ему приписывалось строение 3,3'-диамино-4,4'-дигидроксиарсенобензола, потом было доказано, что это полимер аминогидроксифенилмышьяка. Сальварсан уже давно не используется, так как против сифилиса имеются значительно более эффективные и менее ядовитые средства, в том числе антибиотики. Однако именно с сальварсана, который использовали в течение нескольких десятилетий, началась современная эра химиотерапии. А Пауль Эрлих по праву считается ее основателем.

Метод скрининга не потерял своего значения и спустя десятилетия после работ Эрлиха. По статистике новый фармацевтический препарат получается лишь в одном случае из 25 000 – если действовать методом проб и ошибок. Но есть и иной принцип, который приводит к цели намного быстрее. Это целенаправленный синтез, который включает и накопленные за много десятилетий знания, и собственный опыт, и интуицию исследователя. Опытный специалист, взглянув на структурную формулу вещества, с высокой достоверностью скажет, какого действия следует ожидать от этого соединения – сосудорасширяющего или, скажем, обезболивающего. Известно также, какие группы и радикалы усиливают эффект, какие – ослабляют. И тем не менее введение в практику каждого нового фармакологического препарата требует огромных усилий множества исследователей, химиков, биологов, врачей, фармакологов. И на это уходят годы. Примером может служить синтезированный отечественными химиками в Институте тонкой органической химии противосудорожный препарат пуфемид – 3-(пара-изопропоксифенил)сукцинамид. Первые синтезы были проведены в 1965 г., а статья «Новый отечественный противоэпилептический препарат пуфемид» появилась в «Химико-фармацевтическом журнале» лишь в 1983 г. Потому-то лекарства зачастую так дороги…

Пуфемид

Сюрпризы грамицидина

Все знают, что в названии «витамин С» буква «С» читается как русская «ц», и только малограмотный человек может сказать «витамин эс». Видимо, по аналогии название некогда распространенного антибиотика грамицидина С также произносят «грамицидин це». Однако это неверно: буква «С» в этом названии должна произноситься как «эс». История появления этого лекарственного средства, а также других антибиотиков интересна и драматична. Когда говорят «антибиотик», чаще всего вспоминают пенициллин. Его открытие в середине ХХ в. знаменовало собой новую эпоху в борьбе с болезнетворными микроорганизмами. Пенициллин и другие антибиотики спасли от неминуемой смерти миллионы людей. Однако мало кто знает, что история антибиотиков по сути намного древнее. Еще в Библии было описано применение грибов и плесени для обработки инфицированных ран. В начале 70-х гг. XIX в. врач и публицист Вячеслав Авксентьевич Манасеин (1841–1901) и дерматолог Алексей Герасимович Полотебнов (1838–1908) установили антибактериальные и лечебные свой ства зеленой плесени. В частности, Манасеин в 1871 г. опубликовал в «Военно-медицинском журнале» статью «Об отношении бактерий к зеленому кистевику Penicillum glaucum». Российские медики применяли плесень для лечения гнойных ран и хронических язв. Но несовершенство химических методов не позволило в то время выделить из плесени действующее начало.

В 1928 г. шотландский бактериолог и биохимик Александр Флеминг (он приобрел известность еще в 1922 г. благодаря открытию фермента лизоцима) заметил, что оставленная им на несколько дней культура стафилококковых бактерий покрылась плесенью.

Однако вместо того, чтобы просто выбросить испорченный препарат, Флеминг начал внимательно его разглядывать: он заметил, что вокруг каждого пятнышка плесени располагаются чистые области, где культура бактерий исчезла. Он понял, что в этих областях присутствует какое-то вещество, выделяемое плесневыми грибами, которое обладает сильным антибактериальным действием. Так Флеминг открыл пенициллин. Это название происходит от рода грибов Penicillum (их около 250 видов). Флеминг использовал активный раствор пенициллина для лечения ран. Но выделить действующее начало в чистом виде ему тогда не удалось: антибиотик быстро терял свои свойства при любых попытках его выделения и очистки.

Задача была решена лишь десятилетие спустя английским биохимиком Эрнстом Борисом Чейном, немцем по происхождению, эмигрировавшем из Германии в 1933 г. Он применил необычную для того времени методику сублимационной сушки: водный раствор препарата был заморожен до –40 °С, и при этой температуре из него был в вакууме испарен лед. Полученные таким способом кристаллы пенициллина оказались стойкими и сохраняли свое действие в течение длительного времени. Исследовал терапевтические свойства очищенного пенициллина и впервые применил его с лечебной целью английский патолог австралийского происхождения Х. У. Флори. К 1940 г. была создана реальная возможность для массового использования пенициллина в качестве лекарства. Оказалось, что он губителен не только для стафилококков, но также для пневмококков, менингококков и многих других микробов. В США, которые в декабре 1941 г. вступили в войну с Японией, в исключительно короткие сроки были построены огромные предприятия по производству пенициллина для нужд армии. К 1945 г. была разработана технология, которая позволяла получать полтонны продукта в месяц. Несмотря на все усилия немецкой и японской разведок, им так и не удалось узнать секрет получения нового средства.

Справедливости ради следует сказать, что первым антибиотиком, выделенным в чистом виде, был не пенициллин, а тиротрицин, полученный в 1939 г. американским ученым Р. Дюбо из культуры спор почвенной аэробной палочки Bacillus brevis. Однако он оказался токсичным и не нашел практического применения.

Ученые, открывшие и выделившие пенициллин в чистом виде, приобрели всемирную известность: Флеминг и Флори были возведены в пэры Британии, стали членами научных обществ и академий разных стран, Флори был также награжден золотой медалью имени М. В. Ломоносова АН СССР. Флеминг же был выбран почетным вождем племени кайова в Северной Америке. В 1945 г. Флеминг, Чейн и Флори получили Нобелевскую премию по физиологии и медицине «за открытие пенициллина и его терапевтического эффекта при лечении разных инфекционных заболеваний» (официальная формулировка протокольного решения шведского Каролинского медико-хирургического института, который присуждает премии в этой области).

В нашей стране исследования пенициллина микробиологом Зинаидой Виссарионовной Ермольевой (в будущем – академика Академии медицинских наук) увенчались в 1942 г. выделением пенициллина из культуры Penicillum crustorum. После войны по разработанному Ермольевой методу было организовано производство пенициллина на заводах в разных городах страны. Ее заслуги были в 1943 г. отмечены Государственной премией. Ермольева первой получила также отечественный стрептомицин (в 1947 г.), интерферон, ряд других препаратов.

Детальное изучение пенициллина показало, что это не одно вещество, а группа близких по химическому строению соединений. Наиболее ценным оказался природный бензилпенициллин, который в течение многих лет широко применялся в медицинской практике. В 1958 г. химики научились «снимать» с него бензильную группу С_6Н_5СН_2 и присоединять взамен ее другие органические группы. Некоторые из этих полусинтетических веществ, не имеющих аналогов среди природных соединений, обладали более высокой антимикробной активностью.

Бензилпенициллин

Успешное применение пенициллина и его производных способствовало поиску других антибиотиков в царстве грибов. Было, например, известно, что в одном грамме почвы содержатся миллионы бактерий, плесеней и иных микроорганизмов. Знали также, что туберкулезные палочки, попадая в почву, быстро погибают. Еще в 1932 г. отечественный микробиолог Н. А. Красильников обнаружил у некоторых обитающих в почве лучистых грибов – актиномицетов способность, подобно пенициллину, уничтожать микробов. Он впервые выделил актиномицеты в отдельный класс и в 1939 г. описал антибиотик актиномицетного происхождения. В годы войны в работу включился американский микробиолог З. А. Ваксман, который совершил в медицине открытие не меньшего значения, чем Флеминг. Однако, если Флемингу помог случай, открытие Ваксмана было совершенно закономерным. Зельман Абрахам Ваксман, преподаватель Национального сельскохозяйственного колледжа, родился в небольшом поселке в Украине и первоначальное образование получил в России. В 1910 г. он эмигрировал в США и с 1914 г. занимался изучением почвенных микроорганизмов, в частности актиномицетов. С 1938 г. начал систематические испытания различных актиномицетов на способность образовывать антимикробные вещества. Уже в 1940 г. Ваксман выделил антибиотик актиномицин, но он оказался слишком токсичным для человека.

Ваксман продолжил поиск микроорганизмов, образующих антибиотики (он ввел в употребление и сам термин «антибиотик»; от греч. bios – «жизнь» и приставки anti – «противодействие»).

В 1943 г. он выделил из актиномицетов вида Streptomyces griseus новый антибиотик стрептомицин, который обладал широким спектром антимикробного действия. Он оказался весьма эффективным в отношении микобактерий туберкулеза, а также большинства грамотрицательных и некоторых грамположительных микроорганизмов. (Заметим, кстати, что термины «грамотрицательный» и «грамположительный» с единицей массы никак не связаны: они названы так по фамилии датского врача Ганса Христиана Грама, который в 1884 г. изобрел способ различать два вида микроорганизмов по способности только одного вида после специальной обработки окрашиваться красителем.) Стрептомицином лечили бруцеллез, чуму, другие тяжелые болезни, против которых до этого не существовало специфических средств терапии.

Особенно впечатляющим было действие стрептомицина на больных туберкулезным менингитом, который ранее в 100 % случаев заканчивался смертью больного в течение 20 дней. В нашей стране в 1946 г. с помощью стрептомицина впервые была вылечена от этой страшной болезни 9-летняя девочка, причем антибиотик был доставлен самолетом из США. Выздоравливающую девочку в московской клинике посетил и Ваксман. И в этом нет ничего удивительного. Еще в период войны между союзниками – СССР, США и Великобританией – были налажены многосторонние связи по сотрудничеству в медицине. Так, в 1943 г. СССР посетил один из творцов пенициллина Флори с намерением помочь в выпуске антибиотика. Флори был сторонником безвозмездного обмена между союзниками достижениями в области медицины, хотя в правительственных кругах стран-союзниц далеко не все разделяли эту точку зрения.

В 1952 г. Зельман Ваксман был удостоен Нобелевский премии «за открытие стрептомицина – первого антибиотика, эффективно действующего против туберкулеза». Однако в начале 50-х гг. Ваксмана ждал тяжелый удар: его бывший студент и соавтор научных публикаций о стрептомицине Альберт Шац подал на него в суд с требованием «поделиться»; более того, Шац, вероятно, инициировал письмо, направленное в Нобелевский комитет вицепрезидентом Национального сельскохозяйственного колледжа Э. С. Рейнталером, в котором содержалась неслыханная просьба – пересмотреть решение о награждении. В ответном письме президент Нобелевского комитета Х. Бергстранд указал, что многочисленные американские ученые, которым было предложено представить кандидатуры на Нобелевскую премию, назвали Ваксмана и никто из них не назвал Шаца. Любопытно, что Бергстранд написал также о том, что в английском переводе шведского текста с положением о Нобелевских премиях допущена ошибка: если в работе, которая награждается премией, участвовало несколько лиц, то премия не «должна быть», а «может быть» присуждена им совместно…

Широкие исследования почвенных грибов с целью получения антибиотиков были начаты в годы войны и в Москве – в Институте малярии, в лаборатории, которой руководил биолог профессор Георгий Францевич Гаузе. Для лечения раненых необходимо было как можно скорее получить чудодейственный препарат. Жена Гаузе биохимик Мария Георгиевна Бражникова очень ярко описала атмосферу поисков, в которых сама участвовала как сотрудник лаборатории: «Все столы лаборатории были заставлены стеклянными плоскими тарелочками, так называемыми чашками Петри. На других столах были расставлены штативы с пробирками, наполненными землей. Пробы собирали повсюду – во дворах, огородах, на свалках, в лесах и полях Подмосковья. Карманы сотрудников были полны маленькими сверточками с землей. Землю приносили в лабораторию, пересыпали в пробирки и в каждую пробирку наливали немного воды, чтобы получилась земляная каша. В чашки Петри наливали питательную среду, содержащую мясной бульон и сахар. Каплю взвеси, содержащую тысячи опасных микробов (отдельно приготовленных стафилококков), помещали на поверхность застывшей питательной среды, а затем на ту же поверхность наносили каплю земляной каши из пробирки. Засеянные таким образом чашки выдерживали в термостате при определенной температуре. За это время на поверхности студня вырастали десятки различно окрашенных точек – желтые колонии стафилококков вперемешку с желтыми, красными, синими, белыми, прозрачными, круглыми, зубчатыми, бахромчатыми колониями почвенных микробов. Вокруг некоторых колоний почвенных микробов можно было ясно различить „зону пустыни“. Эти почвенные микробы ограждали себя, выпуская в окружающую среду какое-то вещество, которое подавляло все живое».

В 1942 г. из культуры бактерий, обитающих на огородных почвах Подмосковья, был, наконец, выделен в кристаллическом виде первый оригинальный отечественный антибиотик, который назвали грамицидином С. Это название отражает действие антибиотика преимущественно на грамположительные бактерии, а caedo на латыни – «убивать» (этот же корень в словах «пестицид», «бактерицид», «стрептоцид», «геноцид» и др.). Буква же «С» в названии антибиотика означала «советский», чтобы отличить его от «просто» грамицидина, открытого ранее в США. А почвенные бактерии, синтезирующие антибиотик, получили название Bacillus brevis var. G.-B.; последние буквы – признание заслуг Гаузе и Бражниковой. Анализы, проведенные отечественными биохимиками А. Н. Белозерским (будущим академиком, вице-президентом Академии наук) и Т. С. Пасхиной, показали, что грамицидин С – белок. Для установления его строения требовалось очень серьезное химическое исследование. С этой целью в рамках тогдашнего сотрудничества союзников Минздрав СССР в 1944 г. передал образец нового антибиотика в дружественную Великобританию, в расположенный в Лондоне Листеровский медицинский институт. Там им занялся известный биохимик Ричард Синг.

Первые же опыты привели к неожиданному результату: любой белок – это соединенные последовательно с помощью пептидных связей NH–CO молекулы аминокислот. Поэтому с одного конца цепочки в белке должна быть аминогруппа NH_2, а с другого – кислотная группа COOH. Так вот, аминогруппы в грамицидине С были, а вот кислотных групп не было! Единственное объяснение этого странного факта заключалось в том, что молекула грамицидина С не линейная, а циклическая, так что концевые группы NH_2 и COOH соединяются друг с другом, замыкая кольцо. Присутствие же аминогрупп объяснить было просто, так как некоторые из аминокислот (аспарагин, глутамин, лизин и др.) имеют в молекуле по две аминогруппы.

Когда раствор грамицидина С нагрели в присутствии соляной кислоты, он распался на отдельные аминокислоты. Здесь ученых ждал второй сюрприз: грамицидин С оказался очень простым белком, так как содержал всего пять различных аминокислот (для сравнения – яичный альбумин, основной компонент яичного белка, содержит 20 разных аминокислот, а его молекулярная масса в десятки раз больше, чем у грамицидина). Среди аминокислот, найденных в грамицидине, была очень редко встречающаяся в природных белках аминокислота орнитин – 2,5-аминопентановая кислота H_2N(CH_2)3CH(NH_2)COOH. В орнитине две аминогруппы, одна из которых в белковой молекуле остается свободной. Орнитин – некодируемая аминокислота, для которой природа не предусмотрела своего «шифра» в генетическом коде. Она образуется (одновременно с мочевиной) в результате гидролиза кодируемой аминокислоты – аргинина, входящего в состав белка: HN=C(NH_2)–NH–(CH_2)3–CH(NH_2)–COOH + H_2O → H_2N–(CH_2)3–CH(NH_2)–COOH + CO(NH_2)2. Присутствие в природной белковой молекуле орнитина было третьим сюрпризом, который грамицидин преподнес ученым. Остальные четыре аминокислоты (пролин, валин, лейцин и фенилаланин) были самыми обычными составными частями природных белков.

Р. Синг нашел, что всех аминокислот в грамицидине С содержится поровну. Не представляло труда подсчитать минимальное значение молекулярной массы грамицидина С: она равна 117 (валин) + 131 (лейцин) + 165 (фенилаланин) + 132 (орнитин) + 115 (пролин) – 90 (пять молекул Н_2О) = 660 – 90 = 570. (При образовании белковой молекулы из отдельных аминокислот происходит отщепление молекул воды; образование кольцевой цепочки из пяти молекул аминокислот сопровождается отщеплением пяти молекул воды.)

Последний сюрприз ждал ученых, когда они независимыми физическими методами определили, что молекулярная масса грамицидина С примерно вдвое больше рассчитанной по простейшей химической формуле. Объяснение оказалось простым – каждая аминокислота входит в молекулу грамицидина дважды, т. е. кольцевая молекула содержит не пять, а десять остатков аминокислот. Теперь надо было установить точное строение циклической молекулы, т. е. в каком порядке аминокислоты соединены друг с другом. Это трудоемкое исследование Синг провел в 1947 г. с группой коллег из английского города Лидса. Оказалось, что если грамицидин С не греть сильно с соляной кислотой (когда она распадается на отдельные аминокислоты), а проводить реакцию при температуре тела человека (37 °С), то она идет медленно, в течение многих недель, и при этом молекула постепенно расщепляется на отдельные фрагменты из двух или трех связанных друг с другом аминокислот. Эти фрагменты были разделены с помощью хроматографии на бумаге. Вот какие «кусочки» обнаружили в растворе: вал-орн, орн-лей, фен-про, лей-фен, вал-орн-лей, фен-про-вал, про-вал-орн (этими буквами сокращенно обозначают аминокислоты). Дальнейшая работа очень похожа на игру в домино: «кусочки» нужно правильно состыковать друг с другом, при этом должно получиться замкнутое кольцо. Легко проверить, что сделать это можно одним-единственным способом; например, фенилаланин должен быть с одной стороны связан с лейцином, с другой – с пролином. В результате было окончательно выяснено строение этого необычного антибиотика:

Любопытно, что в анализах кристаллической структуры грамицидина С участвовала будущий британский премьер-министр Маргарет Тэтчер, незадолго до того защитившая диссертацию по химии. Грамицидин С имел существенные преимущества перед американским «тезкой»: у него был более простой аминокислотный состав, более широкий спектр антибактериального действия и более высокая стойкость к внешним воздействиям. Еще во время войны обнаружили, что грамицидин С подавляет рост гноеродных микробов, убивая стрептококков, стафилококков, пневмококков, возбудителей анаэробной инфекции; его начали применять для лечения гнойных ран, ожогов, язв, фурункулов, воспалительных заболеваний уха и горла, а также при лечении пролежней, язв, остеомиелита, флегмон, карбункулов, фурункулов и т. п. Под торговым названием «Граммидин» грамицидин С и сейчас применяется в медицинской практике.

В 1970-х гг. из образцов некоторых почв были выделены новые виды актиномицетов, которые вырабатывали полиены – вещества, в которых чередуются несколько простых и двойных связей углерод-углерод (полиены придают цвет, в частности, каротину). Некоторые полиены также обладают сильной бактерицидной активностью. Поскольку микроорганизмы вырабатывают устойчивость к антибиотикам, приходится постоянно изыскивать все новые и новые, а также модифицировать их или полностью синтезировать (так называемые полусинтетические и синтетические антибиотики). В настоящее время описано более 6000 только природных антибиотиков, однако широко применяется лишь сотая их часть. Кроме них описано еще 100 000 (!) полусинтетических антибиотиков, но совсем немногие из них обладают всем комплексом нужных свойств. При определении их эффективности учитывают не только антимикробную активность, но и скорость выработки устойчивости к ним микроорганизмов и ряд других факторов.

Большинство антибиотиков получают микробиологическим синтезом с использованием специально разработанных питательных сред. «Химиками» в них работают актиномицеты, плесневые грибы и бактерии. Природные антибиотики, в том числе бензилпенициллин, цефалоспорин, рифамицин, используют в основном для получения полусинтетических производных. Чисто синтетических антибиотиков немного. К ним принадлежит широко известный левомицетин. По своему строению антибиотики относятся к самым разным классам химических соединений: среди них можно найти аминосахара, антрахиноны, гликозиды, лактоны, феназины, пиперазины, хиноны, пиридины, терпеноиды… Так что не следует удивляться, что антибиотиков известно так много. В будущем для создания новых антибиотиков с заранее заданными свойствами будут использоваться в основном методы генной инженерии.

«Когда молекула смотрится в зеркало»

Так называлась статья, опубликованная в одном из американ ских химических журналов. На обложке журнала в качестве иллюстрации к этой статье был помещен необычный рисунок. В зеркало смотрится добродушно виляющий хвостом пес, на боку которого изображена химическая формула одного из лекарственных средств – пеницилламина. Отражение же этого пса в зеркале было нарисовано в виде страшного волка с оскаленной клыкастой пастью и вставшей дыбом шерстью. На его боку тоже была нарисована формула вещества, которая была просто зеркальным отображением первой. Действие и «правого», и «левого» пеницилламина на человека отличалось так же, как и эти два рисунка. Почему же фактически одно и то же вещество имеет такие разные качества? Объясняется это особым свойством некоторых веществ, которое тесно связано с их оптической активностью.

Поляризация света и оптическая активность

В начале XIX в. английский физик, астроном и врач Томас Юнг показал, что свет можно рассматривать как волну. Французский физик Огюстен Френель выяснил, что световые волны – поперечные: колебания в них происходят перпендикулярно направлению движения (как у волн на поверхности воды: волна бежит вперед, а пробка на воде колеблется вверх-вниз). В обычном свете колебания напряженности электрического и магнитного полей происходят хаотично, во всех направлениях. Но, пройдя через некоторые кристаллы, например кальцита (исландского шпата), свет приобретает особые свойства: волны в нем колеблются только в одной плоскости. Образно говоря, луч такого света подобен шерстяной нитке, которую продернули через узкую щель между двумя острыми лезвиями бритвы. Чтобы объяснить такое свойство, французский физик Этьен Луи Малюс предположил, что свет состоит из частиц с двумя полюсами – «северным» и «южным» и в свете, прошедшем через кристалл, все полюсы повернуты в одну сторону. Поэтому он назвал такой свет поляризованным. Теория Малюса не подтвердилась, однако название осталось. Глаз человека не может отличить обычный свет от поляризованного, но это легко сделать с помощью простейших оптических приборов – поляриметров; ими пользуются, например, фотографы: поляризационные фильтры помогают избавиться от бликов на фотографии, которые возникают при отражении света от поверхности воды.

Выяснилось, что при прохождении поляризованного света через некоторые вещества плоскость поляризации поворачивается. Впервые это явление обнаружил в 1811 г. французский физик Франсуа Доминик Араго у кристаллов кварца. Природные кристаллы кварца имеют неправильное, асимметричное строение, причем они бывают двух типов, которые отличаются по своей форме, как предмет от своего зеркального изображения. Эти кристаллы вращают плоскость поляризации света в противоположных направлениях; их назвали право– и левовращающими. Направление вращения легко определить с помощью простого прибора – поляриметра.

В 1815 г. другой французский физик, Жан Батист Био, и немецкий физик Томас Зеебек установили, что некоторые органические вещества (например, сахар или скипидар) также обладают этим свойством, причем не только в кристаллическом, но и в жидком, растворенном и даже газообразном состоянии. Так было доказано, что оптическая активность может быть связана не только с асимметрией кристаллов, но и с каким-то неизвестным свойством самих молекул. Оказалось, что, как и в случае кристаллов, некоторые химические соединения могли существовать в виде как право-, так и левовращающих разновидностей, причем самый тщательный химический анализ не мог обнаружить между ними никаких различий! Такие разновидности назвали оптическими изомерами. Существует и третий тип изомеров – оптически неактивные. Это обнаружил в 1830 г. шведский химик Йёнс Якоб Берцелиус: виноградная кислота оптически неактивна, а винная кислота точно такого же состава обладает в растворе правым вращением. Позднее была открыта и не встречающаяся в природе «левая» винная кислота – антипод правовращающей.

Открытие Пастера

Оптическую активность кристаллов физики связывали с их асимметричностью; полностью симметричные кристаллы, например кубические кристаллы поваренной соли, оптически неактивны. Причина же оптической активности молекул долгое время оставалась совершенно загадочной. Первое открытие, проливавшее свет на это явление, сделал в 1848 г. никому тогда не известный Луи Пастер. Еще в студенческие годы Пастер заинтересовался химией и кристаллографией, работая под руководством физика Ж. Б. Био и видного французского химика Жана Батиста Дюма. После окончания Высшей нормальной школы в Париже молодой (ему было всего 26 лет) Пастер работал лаборантом у Антуана Балара, уже известного химика, который за 22 года до этого прославился открытием нового элемента – брома. Своему ассистенту он дал тему по кристаллографии, не предполагая, что это приведет к выдающемуся открытию.

В ходе исследования Пастер получил кислую натриевую соль оптически неактивной виноградной кислоты – НООС–СН(ОН)– –СН(ОН)–СООNа, насытил раствор аммиаком и медленным выпариванием воды получил красивые призматические кристаллы натриево-аммониевой соли – NН_4ООС–СН(ОН)–СН(ОН)–СООNа. Кристаллы эти оказались асимметричными, одни из них были как бы зеркальным отражением других: у половины кристаллов одна характерная грань находилась справа, а у других – слева. Вооружившись увеличительным стеклом и пинцетом, Пастер разделил кристаллы на две кучки. Их растворы, как и следовало ожидать, обладали противоположным оптическим вращением. Пастер на этом не остановился. Из каждого раствора он выделил исходную кислоту, которая, как мы помним, была неактивной. Каково же было его удивление, когда оказалось, что один раствор – это известная правовращающая винная кислота, а другой – такая же кислота, но вращающая влево! То есть из оптически неактивной виноградной кислоты Пастер получил две оптически активные кислоты, причем все три кислоты имели одинаковый состав.

Воспоминания очевидцев свидетельствуют о невероятном нервном возбуждении молодого ученого, охватившем его в эту минуту; поняв, что′ он только что наблюдал, Пастер выбежал из лаборатории и, встретив лаборанта физического кабинета, бросился к нему и, обняв, воскликнул: «Я только что сделал великое открытие!». А заключалось оно в том, что давно известная неактивная виноградная кислота – это просто смесь равных количеств также известной «правой» винной кислоты и ранее не известной «левой». Именно поэтому смесь не обладает оптической активностью. Для такой смеси двух изомерных соединений, вращающих плоскость поляризации света в разные стороны, стали применять название «рацемат» (от лат. racemus – «виноград»; acidum racemicum – «виноградная кислота»), а два антипода получили название энантиомеров (от греч. enantios – «противоположный»). Пастер ввел для них обозначения L– и D-изомеров (от лат. laevus – «левый» и dexter – «правый»). В 1956 г. были введены обозначения S (от лат. sinister – «левый») и R (от лат. rectus – «правый»). Однако по традиции широко используются и старые обозначения (например, для сахаров и аминокислот). Следует отметить, что эти буквы указывают лишь на строение молекулы (правое или левое расположение определенных химических групп) и не обязательно совпадают с направлением оптического вращения; последнее обозначают знаками плюс и минус, например, D(–)-фруктоза, D(+)-глюкоза.

Помимо «пинцетного» Пастер открыл еще два метода разделения рацемата на два антипода. Биохимический метод основан на избирательной способности некоторых микроорганизмов усваивать только один из изомеров. Например, грибковая плесень Penicillum glaucum, растущая на разбавленных растворах виноградной кислоты или ее солей, «поедает» только правый изомер, оставляя левый без изменения.

Третий способ разделения рацематов был чисто химический. Но для него требовалось заранее иметь оптически активное вещество, которое при взаимодействии с рацемической смесью «выбирало» бы из нее только один энантиомер. Например, оптически активное основание при взаимодействии с виноградной кислотой давало оптически активную соль, из которой можно было выделить один из энантиомеров винной кислоты.

Работа Пастера, доказывающая возможность «расщепления» оптически неактивного соединения на антиподы – энантиомеры, первоначально вызвала у многих химиков недоверие. Даже сам Био не поверил своему ассистенту, пока собственноручно не повторил его опыт не убедился в правоте Пастера. Эта и последующие работы Пастера приковали к себе пристальное внимание химиков. Вскоре Жозеф Ле Бель с помощью третьего пастеровского метода расщепил несколько спиртов на оптически активные антиподы. Иоганн Вислиценус установил, что существует две молочные кислоты: оптически неактивная, образующаяся в скисшем молоке (ее назвали молочной кислотой брожения), и правовращающая, которая появляется в работающей мышце (она получила название мясомолочной кислоты).

Подобных примеров становилось все больше, и требовалась теория, объясняющая, чем же отличаются друг от друга молекулы антиподов. Такую теорию создал молодой голландский ученый Якоб Вант Гофф. Согласно этой теории, молекулы, как и кристаллы, могут быть правыми и левыми, являясь зеркальным отражением друг друга. Простейший пример был такой. Атом углерода в органических соединениях четырехвалентен, четыре химические связи направлены от него под равными углами к вершинам тетраэдра. Если все атомы или группы атомов, находящиеся в вершинах тетраэдра и связанные с центральным атомом углерода, будут разными, то возможны две разные структуры, которые не совмещаются друг с другом вращением в пространстве. Если же хотя бы два атома из четырех будут одинаковыми, молекулы будут полностью идентичными (это легко проверить с помощью модели из четырех спичек и цветного пластилина). Подобные структуры, которые отличаются друг от друга как правая рука от левой, получили название хиральных (от греч. heir – «рука»).

Если в веществе поровну правых и левых молекул, оно будет оптически неактивным. Это и есть рацемат. Именно такие вещества получаются в колбе в результате обычного химического синтеза. И только в живых организмах при участии несимметричных агентов (например, ферментов) образуются несимметричные соединения. Конечно, тут же возник вопрос о том, как же появились на Земле первые оптически активные химические соединения, например та же природная правовращающая винная кислота или «асимметричные» микроорганизмы, питающиеся только одним из энантиомеров. Ведь в отсутствие человека некому было осуществлять направленный синтез оптически активных веществ, некому было разделять кристаллы на правые и левые! Однако подобные вопросы оказались настолько сложными, что ответа на них нет и поныне. Например, никто не знает, почему почти все природные аминокислоты, из которых построены белки, относятся к L-ряду (S-конфигурация), а их антиподы только изредка встречаются у некоторых антибиотиков.

Теория Вант Гоффа далеко не сразу завоевала признание. Об этом может свидетельствовать отзыв на его статью выдающегося немецкого химика-экспериментатора Адольфа Кольбе, именем которого названы несколько органических реакций. В язвительной до неприличия статье, опубликованной в мае 1877 г., он писал: «Побежденная пятьдесят лет тому назад, натурфилософия снова выпущена псевдоестествоиспытателями из чулана, предназначенного для хранения отбросов человеческого ума. Нарядив эту кокотку в модные одежды и покрыв лицо ее белилами и румянами, они хотят провести ее в порядочное общество, в котором для нее нет места. Кому эти опасения покажутся преувеличенными, пусть прочтет недавно вышедшие фантастические сочинения Вант Гоффа о расположении атомов в пространстве… Некоему доктору Вант Гоффу, занимающему должность в Утрехтском ветеринарном училище, очевидно, не по вкусу точные химические исследования. Он счел более приятным сесть на Пегаса (вероятно, взятого напрокат из ветеринарного училища) и поведать в своей „Химии в пространстве“ о том, как представляются ему, взобравшемуся благодаря смелому полету на химический Парнас, атомы, расположенные во Вселенной».

К счастью, Кольбе оказался в явном меньшинстве, и теория Вант Гоффа, заложившая основы современной стереохимии, завоевала общее признание, а ее создатель в 1901 г. стал первым лауреатом Нобелевской премии по химии.

Хиральные лекарства

Химики часто относятся к энантиомерам, как к одному соединению, поскольку их химические свойства идентичны. Однако их биологическая активность может быть совершенно различной. Это стало очевидным после трагической истории с талидомидом – лекарственным средством, которое широко назначалось в 1960-х гг. беременным женщинам как эффективное снотворное и успокаивающее. Однако со временем проявилось его ужасное побочное тератогенное действие (от греч. teratos – «чудовище» и genes – «рождающийся»): на свет стало появляться все больше младенцев с врожденными уродствами, в том числе без рук и ног. Лишь в конце 1980-х гг. выяснилась, что причиной несчастий был только один из энантиомеров талидомида – его правовращающая форма. К сожалению, такое различие в действии лекарственных форм раньше не было известно, и продававшийся талидомид был неразделенной рацемической смесью обоих антиподов.

В настоящее время многие лекарственные средства выпускаются в виде оптически чистых соединений. Их получают тремя методами: разделением рацемических смесей, модификацией природных оптически активных соединений (углеводов, аминокислот, терпенов, молочной и винной кислот и др.) и прямым синтезом. Последний также требует хиральных исходных веществ, поскольку любые другие традиционные методы синтеза дают оба энантиомера в равных пропорциях – рацемат. Разделять рацематы или прямо синтезировать лишь один оптически активный энантиомер сложно, и это одна из причин очень высокой стоимости некоторых лекарств. Неудивительно, что из многих сотен синтетических хиральных лекарственных препаратов, выпускаемых во всем мире, примерно лишь десятая часть являются оптически чистыми. В то же время из сотен препаратов, полученных из природного сырья, таковых почти 99 %.

Необходимость в оптически чистых энантиомерах объясняется тем, часто только один из них обладает требуемым терапевтическим эффектом, тогда как второй антипод может вызвать нежелательные побочные эффекты или даже быть токсичным. Бывает и так, что каждый энантиомер обладает своим специфическим действием. Так, S(–)-тироксин (левотроид) – это природный гормон щитовидной железы Т4. А правовращающий R(+)-тироксин (декстроид) понижает содержание холестерина в крови. Некоторые производители придумывают для подобных случаев торговые названия-палиндромы («перевертыши»), например Darvon и Novrad.

Разное биологическое действие правых и левых изомеров проявляется не только среди лекарственных средств, но также во всех случаях, когда хиральное соединение взаимодействует с живыми организмами. Яркий пример – аминокислота лейцин: ее правовращающий изомер сладкий, а левовращающий – горький. Другой пример. Карвон – вещество с очень сильным ароматом (человеческий нос способен почувствовать его при содержании в воздухе всего 17 миллионных долей миллиграмма в литре). Карвон выделяют из тмина, в масле которого его содержится около 60 %. Однако точно такое же соединение с тем же строением молекул находится в масле кудрявой мяты – там его содержание достигает 70 %. Каждый согласится с тем, что запахи мяты и тмина вовсе не одинаковы. Оказалось, что на самом деле карвонов два – правый и левый.

Чем же объясняется различное биологическое действие энантиомеров? Человек, как большинство живых организмов, – существо хиральное. Асимметрично и его тело, и молекулы биологически активных веществ, из которых оно состоит. Например, различие в запахе двух антиподов показывает, что клетки-рецепторы в носу, ответственные за восприятие запаха, также содержат хиральные молекулы. Молекулы хиральных лекарств, взаимодействуя с определенными хиральными центрами организма, например ферментами, могут действовать по-разному, в зависимости от того, каким именно энантиомером является лекарство. «Правильное» лекарство подходит к своему рецептору, как ключ к замку, и запускает желаемую биохимическую реакцию. Действие же «неправильного» антипода можно уподобить попытке открыть замок зеркальным аналогом правильного ключа или пожать правой рукой левую руку своего гостя. Если лекарство – рацемат, то один из энантиомеров может в лучшем случае оказаться неактивным, в худшем – вызвать совершенно нежелательный эффект. Вот несколько примеров.

Наиболее тщательно действие энантиомеров было изучено на примере антикоагулянта варфарина (антикоагулянты препятствуют свертыванию крови). Варфарин очень близок по строению к другому лекарственному средству – фепромарону, отличаясь на него на одну группу СН_2. Действие обоих веществ основано на блокировании витамина К. Было показано, что S(–)-изомер варфарина почти в 5 раз активнее, чем его R(+)-антипод, и во столько же раз быстрее выводится из организма. Но самым интересным оказалось взаимодействие варфарина с другими хиральными лекарствами. Так, противовоспалительное средство бутадион блокирует метаболизм S-варфарина, но ускоряет метаболизм его Rформы, способствуя выводу вещества из организма.

Еще сильнее различаются свойства энантиомеров некоторых антиаритмических средств. Так, S(–)-анаприлин действует в 100 раз сильнее, чем R(+)-форма! В случае верапамила оба энантиомера обладают сходным эффектом, однако его R(+)-форма обладает значительно менее сильным побочным кардиодепрессивным (снижающим сердечную деятельность) действием.

Применяющийся для наркоза кетамин может у 50 % пациентов вызвать побочные эффекты в виде возбуждения, бреда и т. п., причем это присуще в основном только R(–)-изомеру, а также рацемату.

Подобные примеры можно продолжить. Разрабатываются новые способы получения оптически чистых изомеров. Так, изве стная химическая фирма Merck разработала способ производства препарата метилдофа, понижающего артериальное давление. В раствор, содержащий оба изомера, вводят затравку – небольшой кристаллик нужного энантиомера, и он вызывает кристаллизацию только идентичного ему изомера. Но, оказывается, экономически не всегда имеет смысл синтезировать чистые изомеры. Например, для широко применяющегося анальгетика ибупрофена под действием ферментов в организме возможна изомеризация терапевтически неактивной R(–)-формы в активный S(+)-изомер, поэтому в данном случае можно использовать значительно более дешевый рацемат.

Вернемся теперь к формуле, изображенной на собаке и волке. Пеницилламин (3,3-диметилцистеин HS–C(CH_3)2–CH(NH_2)– –COOH) – довольно простое производное аминокислоты цистеина HS–CH_2–CH(NH_2)–COOH. Это вещество применяют при острых и хронических отравлениях медью, ртутью, свинцом, другими тяжелыми металлами, так как оно обладает способностью давать прочные комплексы с ионами этих металлов; образующиеся комплексы удаляются почками. Применяют пеницилламин также при различных формах ревматоидного артрита, в ряде других случаев. При этом применяют только S-форму препарата, так как R-изомер токсичен и может привести к слепоте.

Сжигание жира с химической точки зрения

Легко ли сбросить лишние килограммы? Этот вопрос волнует многих людей, даже молодых. Можно ли доверять рекламе, которая обещает быстро и намного похудеть? Лишний вес – проблема не только эмоциональная. Если подняться на пятый этаж без лифта или успеть добежать до стоящего на остановке автобуса для человека проблема – это уже серьезно. Причем с возрастом отрицательные последствия лишнего веса лишь нарастают, так что беречь свою фигуру надо с молодости.

А теперь конкретно: можно ли быстро похудеть? Например, со скоростью 5 кг в месяц? Оказывается, можно. И даже еще быстрее. В американском издании Книги рекордов Гиннесса приведен такой факт. Цирковая артистка-толстушка Селеста Гейер (настоящее имя Долли Димплс), весившая 553 фунта (1 фунт = 0,41 кг) и названная за свой вес «фэт-леди», смогла за 14 месяцев похудеть до 152 фунтов, т. е. почти на 182 кг! Это означает, что она худела со средней скоростью 13 кг в месяц, или 426 г в сутки, или 18 г/ч! Как же ей это удалось?

Чтобы ответить на этот вопрос, поговорим сначала об энергетическом балансе организма, т. е. приходе и расходе энергии. Каждый человек должен хотя бы приблизительно представлять, сколько энергии поступает в его организм с пищей (а других источников энергии у него нет) и сколько расходуется в течение суток. С первым вопросом, пожалуй, проще: подробные данные о составе и калорийности пищевых продуктов можно найти в справочниках, книгах по домоводству и кулинарии, научно-популярных журналах. На этикетках продуктов питания сейчас печатают сведения не только об их составе, но и о калорийности. И хотя в науке принята единица энергии джоуль, энергетическую ценность пищевых продуктов (как правило, в расчете на 100 г) по традиции приводят в калориях (точнее, в тысячах калорий – килокалориях, так как калория – слишком мелкая единица). Например, 100 г сливочного мороженого – это примерно 180 ккал, а 100 г молочного шоколада – 550 ккал. Возможно, использование старых единиц связано и с термином «калорийность» продукта, поскольку слова «джоулийность» пока не придумали. Пересчитать одни единицы в другие довольно просто даже в уме, если использовать приближенное равенство: 1 ккал = 4 кДж (точнее, 4,18 кДж).

Конечно, продукты питания снабжают человека не только энергией, но и «строительным материалом», так как ткани организма постоянно обновляются. Кроме того, для жизнедеятельности организма необходимы минеральные соли (их часто неправильно называют минералами), клетчатка, витамины. Основные компоненты питательных веществ – жиры, белки и углеводы. Максимальное количество энергии дают жиры, минимальное – белки. Однако белки в основном расходуются не на получение энергии, а на создание новых тканей взамен «отработавших». Углеводы же дают энергию быстрее всего. Недаром хорошее подспорье для спортсмена при длительных нагрузках – раствор глюкозы.

Энергетическую ценность пищевых продуктов можно определить в лаборатории путем сжигания известного количества продукта в чистом кислороде; реакцию проводят в специальном приборе – калориметре, в котором энергия сгорания расходуется на нагрев определенного объема воды. Точное измерение повышения температуры воды дает возможность рассчитать теплоту сгорания (т. е. энергетическую ценность) данного продукта.

Остановимся теперь подробнее на расходе энергии. Он, конечно, сильно зависит от пола, веса, а главное – образа жизни. Например, мужчины, занятые на тяжелой физической работе (шахтеры, лесорубы, бетонщики и т. п.), тратят в день около 4500 ккал энергии и должны поэтому хорошо и калорийно питаться, чтобы возместить энергопотери. А, например, работа женщины, не связанная с большими физическими нагрузками (секретарь, бухгалтер и т. п.), требует поступления в организм лишь до 2100 ккал в сутки. Но даже во сне человек расходует энергию на поддержание постоянной температуры своего тела (попросту – на обогрев), на механическую работу различных органов и на синтез новых химических соединений. Это так называемый основной обмен, который составляет для взрослого человека среднего возраста около 1500 ккал в сутки; в единицах мощности это соответствует примерно 70 Вт (1 Вт = 1 Дж/с). Конечно, это значение сильно зависит от пола, возраста и особенностей организма. При этом на скелетные мышцы приходится около четверти всех энергозатрат организма, столько же – на печень, на сердце – 9 % и т. д. При умственном труде и малоподвижном образе жизни суточные энергозатраты обычно не превышают 2000–2500 ккал. И если вес человека со временем не меняется, то примерно столько же энергии поступает в его организм в результате «химической переработки» продуктов питания.

Давным-давно, в ходе эволюции, природа позаботилась о том, чтобы излишние калории в пище (а когда-то они доставались нашим предкам с трудом и нерегулярно) организм откладывал про запас; именно жировые прослойки позволяют запасти максимум энергии на единицу массы. Вот где скрывается ресурс для желающих похудеть: надо просто уменьшить поступление калорий с пищей и увеличить их расход!

Теперь начнем считать. Например, человек хочет за месяц похудеть на 5 кг. Потеря 1 г жира соответствует примерно 9 ккал дополнительно потраченной энергии. «Дополнительно» – это значит, что кроме обычных энергозатрат необходимо изыскивать дополнительные. А можно ли, как иногда обещает реклама, с помощью таблеток сжечь жир без этих дополнительных усилий? Химики еще во времена Лавуазье установили: чтобы сжечь какое-либо вещество, в том числе и жир, необходимо затратить определенное количество кислорода. При этом неважно, где происходит сгорание – в лабораторном приборе или в клетках организма, куда кровь доставляет из кишечника нужные питательные вещества, а из легких – кислород. Разница лишь в том, что в клетках организма питательные вещества сгорают не так, как в калориметре: процесс идет при температуре тела, через много промежуточных стадий. Но, как установил еще в 1840 г. Г. И. Гесс, теплота сгорания, как и любой другой реакции, не зависит от ее механизма. А главное – в теле человека питательные вещества сгорают медленно. Иначе даже не очень сытный обед вызвал бы сильнейший нагрев организма! Подсчитать калорийность обеда непросто, а вот одна плитка шоколада – это более 500 ккал. И если эта энергия у съевшего шоколад человека массой 50 кг выделилась бы сразу, она нагрела бы его тело с 36,6 до 46,6 °С!

Итак, сгорание питательных веществ в клетках идет постепенно, энергия выделяется по мере необходимости, а регулируют этот процесс множество ферментов. При этом выделяющаяся в теле человека теплота успевает рассеяться в окружающем пространстве. Экспериментально расход человеком энергии проще всего определить по количеству потребленного им кислорода; эта методика используется физиологами очень давно.

Теперь займемся химией. Энергетические расходы организма покрываются прежде всего за счет углеводов. Предположим, однако, что организму удается всю энергию получать исключительно за счет окисления жировых накоплений. Запишем уравнение реакции окисления жира кислородом. В качестве «модельного жира» возьмем полный пальмитиновый эфир глицерина (трипальмитин) С_51Н_98О_6. Из уравнения реакции его окисления С_51Н_98О_6 + 72,5О_2 → 51СО_2 + 49Н_2О следует, что на 1 моль жира (807 г) требуется 72,5 моль кислорода, т. е. 1624 л при нормальных условиях или 1743 л при 20 °С. Следовательно, на «сжигание» в организме 1 г жира требуется примерно 1,7 л чистого кислорода или около 8,5 л воздуха.

Воздух попадает в организм через легкие. Поэтому самое время поговорить о дыхании. Легкие человека вмещают в среднем около 5 л воздуха. Но в состоянии покоя человек использует только малую часть этого объема, вдыхая и выдыхая примерно 450 мл воздуха (так называемый дыхательный объем). Из этого объема в легкие при вдохе попадает лишь около 300 мл, а остальные 150 мл остаются в воздухоносных путях (трахее, бронхах, носоглотке) и в газообмене не участвуют. Но даже из поступившего в легкие кислорода организм использует для своих нужд только пятую часть, остальной кислород выделяется назад при выдохе. Действительно, если во вдыхаемом воздухе объемное содержание кислорода составляет 21 %, то в выдыхаемом, как показали несложные измерения, – 16,4 %, т. е. его содержание снижается примерно на 20 %. Значит, чтобы сжечь 1 г жира кислородом, через легкие должно пройти уже не 8,5 л воздуха, а в пять раз больше – 42,5 л.

Теперь последите за своим дыханием: в спокойном состоянии вы делаете в минуту примерно 15 вдохов. Насколько же надо увеличить частоту дыхания (при той же его глубине), чтобы, ничего больше не делая, похудеть за месяц на 5 кг? При этом каждую минуту необходимо терять в среднем 0,1 г жира. А для этого потребуется дополнительно вдыхать за ту же минуту 4,2 л воздуха, т. е. делать много дополнительных вдохов. Поскольку во время сна частота дыхания не зависит от воли человека, днем придется дышать еще быстрее! Попробуйте подышать вдвое чаще пару минут, и вам станет понятно, почему никакие таблетки не помогут человеку сжечь жир, если он ведет малоподвижный образ жизни и при этом не меняет своих гастрономических привязанностей. И не следует забывать, что приведена довольно фантастическая ситуация получения энергии только за счет жировых запасов. На самом деле сжигание жира будет идти еще более медленными темпами.

До сих пор речь шла о дыхании в спокойном состоянии. При физической нагрузке частота и глубина дыхания возрастают, и довольно сильно; максимальная вентиляция легких при физической нагрузке может достигать 100–150 л в минуту и более. Соответственно значительно увеличивается и расход энергии. Кстати, усиление легочной вентиляции непроизвольно происходит и на больших высотах, где давление понижено; например, на высоте 5,5 км в литре воздуха содержится вдвое меньше кислорода, чем на уровне моря. При большой частоте дыхания усиливается и вывод из лёгких углекислого газа, ведь в выдыхаемом воздухе его содержится в десятки раз больше, чем в атмосферном. Потеря организмом углекислоты приводит к неприятному явлению – понижению кислотности крови (алколозу).

Усиленное превращение «жир – энергия» требует не только больших количеств кислорода. Теплота, выделившаяся при сгорании жира, должна тем или иным путем покинуть тело человека, чтобы он не перегрелся. Нетрудно подсчитать, что при принятой скорости окисления жира (0,1 г/мин) выделяемая мощность равна примерно 70 Вт, столько же, как и при основном обмене. При этом вся дополнительная тепловая энергия при отсутствии интенсивной работы должна рассеяться в окружающем пространстве. Скорость теплоотвода от тела человека в воздух q пропорциональна разности между температурами тела и воздуха: q = = k(Tт – Tв) = k(36,6 – 20) = 16,6k (при комнатной температуре 20 °С). Коэффициент k зависит от теплоизоляции человека, т. е. от одежды; будем считать его постоянным и попробуем оценить. В случае основного обмена (при q = 70 Вт) в предположении, что в рассеиваемую теплоту переходит 50 % вырабатываемой в организме энергии, т. е. 35 Вт, имеем: 35 = 16,6k, откуда k ~ 2,1. Теперь нам надо рассеять дополнительно еще 70 Вт, а всего – 35 + 70 = = 105 Вт. Из уравнения 105 = 2,1(Тт – 20) получаем, что такое возможно при температуре тела Тт = 70 °С – явный нонсенс! Ведь температура тела должна оставаться постоянной.

Однако кроме теплообмена с окружающим воздухом существуют другие источники отвода тепла – теплый выдыхаемый воздух и испарение воды. Именно испарение воды с поверхности тела работает в жарком климате, когда воздух практически не охлаждает тело (и может даже нагревать его). Для испарения 1 г воды требуется 539 кал (2250 Дж). Поэтому для рассеяния мощности 70 Вт = 70 Дж/с необходимо испарять 70/2250 = 0,03 г воды в секунду, более 100 г в час или примерно 2,6 л в сутки. В нормальном состоянии количество пота у взрослого человека колеблется между 0,7 и 0,9 л в сутки, а при усиленном потоотделении возрастает до 2 л. Значит, для сжигания жира в состоянии «сидя в кресле» надо не только интенсивно и глубоко дышать, но и обильно потеть. И не час-другой, а изо дня в день, из месяца в месяц!

Известно, что усиленная физическая работа автоматически сопровождается и усиленным поглощением кислорода, и усиленным потоотделением. Сколько же энергии может при этом потратить «средний» человек, не будучи спортсменом? Здесь в отличие от калорийности пищевых продуктов можно привести только приблизительные цифры, так как расход энергии зависит от возраста, пола, интенсивности труда. Из приводимой далее небольшой таблички можно узнать, сколько энергии (ккал/ч) расходует человек массой 70 кг при разных видах деятельности (приведены округленные значения, которые могут значительно колебаться в зависимости от интенсивности нагрузки).

Отдых лежа . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .80

Умственная работа сидя, шитье, вязание, стояние на улице . . 100

Мытье посуды, глажка белья . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140

Вытирание пыли, подметание пола . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175

Физическая зарядка разной интенсивности . . . . . . . . . . . . . . 160–290

Медленная ходьба (3 км/ч) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215

Быстрая ходьба (6 км/ч) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 300

Бальные танцы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 300–400

Теннис (не профессиональный) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 450

Ходьба по снегу, песчаной дороге . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 500

Очень быстрая ходьба (8 км/ч) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 650

Ходьба, перемежающаяся с бегом (8,5 км/ч) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 760

Спокойное плавание . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 400

Спокойная ходьба на лыжах с разной скоростью . . . . . . . 400–800

Таблицу можно продолжить, но и этого достаточно. Кстати, усиленная умственная деятельность хотя и приводит к усилению кровоснабжения мозга, не может существенным образом повлиять на расход энергии организмом, так как масса мозга и нервов составляет не более 2 % от массы тела. Еще в 1910 г. Ф. Дж. Бенедикт и Т. М. Карпентер из Института Карнеги в Вашингтоне определили расход энергии у 22 студентов при сдаче ими экзамена и во время покоя и не нашли существенной разницы. Наблюдающееся в ряде случаев повышение энергозатрат при умственной деятельности зависит прежде всего от эмоционально-психического возбуждения и сопровождающего его повышения тонуса мышц и двигательной активности.

Вывод очевиден. Если расход энергии за сутки превышает калорийность съеденной пищи, человек начинает худеть: для обеспечения жизнедеятельности организма и для выработки дополнительной энергии накопленные ранее запасы расходуются. Теперь вернемся к нашей задаче – похудеть за месяц на 5 кг; за сутки это почти 170 г, т. е. надо дополнительно расходовать (считая, что это 170 г жира) примерно 1500 ккал, т. е. величину, равную основному обмену. Взглянув еще раз на таблицу, человек, желающий похудеть, вероятно, ужаснется: это что же, каждый божий день надо по 3–4 часа играть в теннис или бегать!? Но не будем забывать еще об одной, не приведенной здесь таблице: энергетической ценности пищевых продуктов! Ведь из 1500 ккал, которые надо «сбросить» за день, можно, например, только 750 ккал «отработать» физически, а на остальные 750 ккал – уменьшить калорийность рациона. Это вовсе не значит, что придется голодать: есть же масса малокалорийных, но полезных продуктов, прежде всего свежие фрукты и овощи. Для тех, кто предпочитает растительную диету, следует учесть, что она содержит мало белков. Однако существуют удачные вегетарианские диеты, содержащие полный набор необходимых белков. Для этого необходимо включать в них разнообразные растительные продукты, содержащие белки: различные злаки (в виде хлеба, каш и т. п.), орехи, фрукты и др. Очень богата полноценным белком, почти не уступающим животному белку, соя. Недаром во многих странах из соевых бобов формируют волокна, из которых делают «искусственное мясо». Конечно, соевые бобы и сами по себе не хуже, но для многих людей очень важен внешний вид продукта. И не следует забывать, что с пищей необходимо получать ежедневно определенную порцию витаминов и минеральных веществ.

Возможна и другая стратегия, например более умеренные темпы похудения: ведь те же 5 кг можно сбросить и за два месяца. Так что человек сам должен выбрать, что ему приятнее – быстрая ходьба или танцы; радость физических упражнений или ограничения в еде. Конечно, нетренированным в физическом отношении людям физическую нагрузку следует увеличивать постепенно и осторожно. Тем более это относится к тем, у кого есть проблемы с сердечно-сосудистой системой.

И все же существуют таблетки, способствующие быстрому снижению веса, но их действие вряд ли можно считать соответствующим естественной природе человека. Некоторые препараты просто подавляют естественное чувство голода, и человек не получает здорового удовлетворения от еды. Другие вещества препятствуют нормальному перевариванию пищи, например подавляя действие пищеварительных ферментов или препятствуя всасыванию продуктов пищеварения в тонком кишечнике. Результат такого действия очевиден и вряд ли придется кому-нибудь по вкусу. В заключение вернемся к нашей толстушке. За месяц «фэт-леди» теряла около 13 кг, что соответствует примерно 4000 ккал в сутки! Но недаром она была цирковой артисткой. Очевидно, что при очень интенсивной физической нагрузке она резко уменьшила калорийность пищи. Конечно, далеко не каждый сможет изо дня в день, из месяца в месяц «отрабатывать калории» с такой интенсивностью. Но ведь, согласитесь, редко кому приходится сталкиваться с необходимостью сбросить сотню-другую килограммов! А вот справиться с несколькими килограммами за обозримый срок по силам каждому.

Почему щелкают суставы?

У некоторых людей есть привычка перебирать один за другим пальцы рук, вытягивая их и покачивая то в одну, то в другую сторону. Результатом таких упражнений является довольно громкий треск, вызывающий раздражение одних и зависть других (которые щелкать суставами не умеют). Однако завидовать таким людям незачем, и вот почему.

Сустав – это соединение двух (реже нескольких) костей. Кости могут соединяться друг с другом по-разному. Например, позвонки соединены с помощью хрящей, а лучевая и локтевая кости – связками. Если кости должны свободно двигаться относительно друг друга, их концы представляют собой шарнир, покрытый гладкой хрящевой тканью и заключенный в полость, заполненную синовиальной жидкостью. Это прозрачная тягучая желтоватая жидкость, напоминающая яичный белок (отсюда и название: syn по-гречески – «вместе», ovum на латыни – «яйцо»). Синовиальная жидкость обеспечивает смазку сустава, а также доставляет к хрящу питательные вещества, в том числе гликопротеины – соединения, в которых полисахариды связаны с белковыми молекулами. Вязкость же синовиальной жидкости связана с присутствием в ней гиалуроновой кислоты. Это полимерное соединение, в цепи которого чередуются остатки глюкуроновой кислоты и N-ацетилглюкозамина. Анализируя состав синовиальной жидкости, можно выявить такие заболевания суставов, как остеоартрит, ревматоидный артрит, подагра и др.

Глюкуроновая кислота

N-ацетилглюкозамин (Ас = СН 3СО)

Синовиальная жидкость, как и любая другая, способна растворять различные газы; в основном это углекислый газ, азот и кислород. Растворимость газа в жидкости зависит от давления – она тем выше, чем больше давление. Если растянуть слегка концы сочленённых костей, объем суставной сумки увеличится, а давление снизится. Это приведет к выделению части растворенных газов в виде мелких пузырьков, которые называются кавитационными (от лат. cavitas – «пустота»). Эти пузырьки неустойчивы: попадая в области с более высоким давлением, они схлопываются – иногда сразу, а иногда совершая несколько затухающих колебаний. Сокращение объема кавитационного пузырька происходит с большой скоростью и сопровождается звуком (это так называемый гидродинамический удар). Возникновение и схлопывание множества пузырьков в жидкости в разные моменты времени сопровождается сильным звуком в области частот от сотен герц до тысяч килогерц. Если схлопывание пузырьков происходит вблизи твердого тела, то многократно повторяющиеся микроудары приводят к кавитационной эрозии, проще говоря – к разрушению тела. Такие разрушения обычно наблюдаются на лопастях гидротурбин, гребных винтов кораблей, на деталях жидкостных насосов, т. е. во всех тех случаях, когда происходит резкое изменение давления в жидкости вблизи твердого тела.

А что с суставом? Если сразу после щелканья сделать рентгеновский снимок сустава, на нем будут видны кавитационные пузырьки. Повторно щелкнуть этим же суставом не получится: сначала суставная сумка должна сократиться до прежнего объема, что сопровождается повышением давления и полным растворением всех газов. Что же касается последствий подобного развлечения, то хрящ, в отличие от металла, не крошится и способен к регенерации. И все же есть данные о том, что регулярное и длительное щелканье суставами пальцев может приводить к снижению их двигательных функций и ослаблению кисти. Не приносит пользы и растяжение связок. Поэтому, задумавшись над трудной задачей или же предвкушая удовольствие от чтения научно-популярной статьи, не стоит щелкать суставами – они вам еще пригодятся.

Принцип ле Шателье – не только в химии

Принцип Ле Шателье, с помощью которого можно быстро предсказать, в какую сторону сместится равновесие в той или иной реакции, обычно формулируют следующим образом: «Если химическая система, находящаяся в состоянии равновесия, подвергается воздействию какого-либо фактора, то равновесие в системе смещается так, чтобы действие этого фактора ослаблялось». Например, в случае рассматривавшейся в предыдущей главе реакции димеризации диоксида азота  (она идет с выделением тепла) повышение температуры сдвигает равновесие влево – в сторону диссоциации димера, что сопровождается поглощением тепловой энергии и таким образом «ослабляет» действие внешнего нагревателя. При охлаждении же равновесие сдвигается вправо, когда процесс идет с выделением тепла. Аналогично при повышении давления равновесие сдвигается вправо, в сторону меньшего числа молекул: система как бы сопротивляется повышению давления. Снижение внешнего давления сдвигает равновесие в противоположную сторону.

Однако этот же принцип прекрасно работает и в том случае, если из приведенного определения выкинуть слово «химическая». Чтобы подтвердить справедливость этого утверждения, рассмотрим несколько примеров.

Пример 1. В нормально действующей экономике общая сумма находящихся в обращении денег находится в равновесии с теми товарами, которые можно на эти деньги купить. Что будет, если каким-либо фактором выступит желание правительства напечатать денег побольше? В строгом соответствии с принципом Ле Шателье, равновесие будет смещаться таким образом, чтобы ослабить удовольствие граждан от обладания большим количеством денег. А именно, цены на товары и услуги вырастут, и таким путем будет достигнуто новое равновесие.

Пример 2. В некотором городе из-за чрезмерного числа автомобилистов пробки на улицах достигли такого масштаба, что люди почти перестали покупать новые автомобили, а многие владельцы машин начали все чаще пользоваться метро или пересели на велосипеды. Чтобы улучшить ситуацию, руководство города, не считаясь с огромными затратами, решило поступить кардинально: в течение нескольких лет были построены в больших количествах подземные переходы (чтобы сократить число светофоров), транспортные развязки, новые кольцевые трассы. Результат и в этом случае легко предсказать с помощью того же принципа. Жители города, убедившись в исчезновении пробок, снова стали покупать автомобили, их число значительно возросло, и через короткое время ситуация вновь стала равновесной: те же пробки и заторы, но только при большей площади проезжей части и большем числе автомобилей.

Пример 3. Хорошо известно, что механическая энергия легко переходит в тепловую. Чтобы убедиться в этом, достаточно энергично потереть друг о друга две палочки (когда-то трением люди даже добывали огонь) или просверлить железку. Обратный же переход тепловой энергии в механическую наблюдается, например, в цилиндре двигателя внутреннего сгорания: горячие газы толкают поршень. А теперь, руководствуясь принципом Ле Шателье, попробуйте ответить на такой вопрос: что будет с резиновой лентой, если снизу к ней подвесить тяжелый груз, а потом нагреть ее? Такой опыт был проделан в 1805 г. английским ученым Джоном Гухом. При этом он обнаружил поразительную вещь: растянутый жгут из полосок натурального каучука становился короче при нагревании и длиннее при охлаждении! Через полвека английский физик Джеймс Джоуль, проведя тщательные измерения, подтвердил наблюдения своего предшественника. В научной литературе это явление называется эффектом Гуха – Джоуля.

Опыт Гуха легко воспроизвести. Если подвесить резиновую ленту (чем длиннее и эластичнее – тем лучше), а потом привязать к ней снизу груз, лента, естественно, растянется. Если теперь обдувать ее горячим воздухом (например, из фена) или поливать горячей водой, лента сократится, причем довольно сильно. И наоборот, при охлаждении лента будет растягиваться, а гиря – опускаться. Если попробовать проделать то же с нерастянутой лентой, будет наблюдаться обычное для твердых тел почти незаметное увеличение размеров при нагреве и такое же слабое сжатие при охлаждении.

Эффект Гуха—Джоуля можно объяснить на основе принципа Ле Шателье. В данном случае внешнее воздействие – это нагревание или охлаждение. Если быстро и сильно растянуть эластичный резиновый бинт, он слегка нагреется – это можно почувствовать, прикоснувшись к нему губами (конечно, бинт должен быть чистым). Если через некоторое время, когда бинт примет комнатную температуру, резко снять нагрузку, то сократившаяся резина охладится. Поэтому в соответствии с принципом Ле Шателье при нагревании растянутой резиновой ленты в ней должны идти процессы, которые «стремятся» эту ленту охладить. А охлаждение, как показывает опыт, как раз и происходит при сокращении ленты. И наоборот, при охлаждении растянутой резины в ней идут процессы, приводящие к выделению теплоты, поэтому лента растягивается. Конечно, это явление можно объяснить не только с общих термодинамических позиций, но и на молекулярном уровне, но это объяснение более сложное.

Пример 4. Писатель Илья Ильф в своих записных книжках приводит смешной вопрос маленького мальчика на даче: «Мама, а курица потеет?». Мама, вероятно, знала ответ: куры потеть не могут. Поэтому в сильную жару они тяжело и часто дышат. Этот на первый взгляд частный вопрос из жизни кур ведет к серьезным экономическим потерям: в жару куры несут яйца с более тонкой скорлупой, которые легко бьются. Чтобы понять, при чем тут принцип Ле Шателье, рассмотрим систему равновесий в организме несушек, в результате которой углекислый газ воздуха переходит в карбонат кальция, из которого в основном и состоит скорлупа:

Когда курица часто дышит, первое равновесие нарушается из-за повышенного выделения углекислого газа из крови в атмосферу. В результате вся система равновесий сдвигается влево, так что часть карбоната кальция из формирующегося яйца переходит обратно в раствор, и скорлупа получается тоньше обычной. Дж. А. Маккей из города Давидсона (штат Северная Каролина, США), из статьи которого взят этот пример, предлагает простое, но необычное решение проблемы: в жаркую погоду давать курам пить газированную воду – тогда равновесие начнет смещаться вправо, а яйца станут крепче. Заканчивается же статья весьма любопытно: автор считает, что вопрос о курице и яйце является, вообще говоря, философским, однако он убежден в том, что принцип, сформулированный Ле Шателье, без сомнения, появился раньше и курицы, и яйца. И с этим нельзя не согласиться.

Серебро и человек

Во многих домах есть серебряные (или посеребренные) изделия – старые монеты, ложки, вилки, подстаканники, кольца, цепочки, другие украшения. Они значительно дешевле золотых. Ведь серебра в земной коре намного больше золота (по современным данным – примерно в 30 раз). Серебро встречается как в чистом виде (самородки), так и в соединениях с серой, чаще всего в виде минерала аргентита Ag_2S. Серебряные самородки находили во многих горных местностях. В Европе это были Рудные горы, Гарц, горы Богемии, Саксонии. Легенда приписывает открытие серебряных рудников в 968 г. германскому императору Оттону I. Он послал своего егеря в лесистые горы для ловли диких зверей. Когда егерь заметил, что его коню стало тяжело подниматься вверх, он привязал его к дереву и охотился пешим. Вернувшись к коню, он увидел, что тот разрыл копытами землю и обнажил тяжелые камни. Оказалось, что это серебряная руда. Император повелел учредить в горах рудники.

В течение многих столетий в германских рудниках добывали серебро, а также другие полезные ископаемые. Однако почти все большие серебряные самородки уже были найдены в XIV–XVI вв. Из серебра, добывавшегося близ города Иоахимсталя (ныне Яхимов в Чехии), были отчеканены миллионы монет. Они вначале так и назывались – «иоахимсталеры»; затем это название укоротилось до талера (в России же эти монеты называли по первой части слова – ефимками). Талеры были в ходу по всей Европе. От талера произошло и название доллара. Серебряные рудники в Центральной Европе были настолько богаты, что из добывавшегося в них серебра делали огромные вазы, столовые сервизы на сотни персон, на каждый из которых расходовали тонны серебра! Сейчас эти рудники уже сильно истощены.

После открытия и завоевания Америки множество самородков серебра было найдено на территории современных Перу, Чили, Мексики, Боливии. Так, в Чили был обнаружен самородок в виде пластины массой 1420 кг. Последние из самых крупных самородков серебра найдены уже в ХХ в. в Канаде (провинция Онтарио). Один из них, названный «серебряный тротуар», имел длину 30 м и уходил в глубь земли на 18 м. Когда из него было выплавлено чистое серебро, его оказалось 20 т!

Вплоть до 1930-х гг. 75 % добывавшегося серебра шло на изготовление монет. Сейчас серебряные монеты практически нигде не чеканятся (за исключением юбилейных и памятных). Этот ценный металл очень нужен в других областях. Довольно много серебра требуется для изготовления светочувствительных материалов: фото– и кинопленки, пленки для рентгеновских снимков. Серебро – самый лучший в мире проводник электричества. Кроме того, оно химически очень устойчиво. Из серебра делают электрические контакты, устойчивые к коррозии. Им серебрят детали в радиоэлектронике. Много серебра расходуется для изготовления мощных аккумуляторов, которые используются на подводных лодках, в космосе. Еще не так давно во всем мире добывалось в год примерно 9000 т серебра, а расходовалось 10 000 т. «Недостача» покрывалась за счет старых запасов. Сейчас расходы серебра удалось значительно снизить: для цветной кино– и фотопленки, для цветных снимков его нужно намного меньше, чем для черно-белых, а цифровая съемка вовсе обходится без серебра.

Иногда серебряные предметы чернеют. Это верный признак того, что в воздухе есть примеси сероводорода: серебро «боится» этого газа. Источником сероводорода может быть резина, некоторые пластмассы, разлагающиеся белки (тухлые яйца, например). В присутствии влаги и кислорода серебро легко реагирует с сероводородом с образованием на поверхности тончайшей плёнки сульфида: 4Ag + 2H_2S + O_2 = 2Ag_2S + 2H_2O. Из-за неровностей поверхности и игры света такая плёнка иногда кажется радужной. Постепенно пленка утолщается, темнеет, становится коричневой, а потом черной. Сульфид серебра выдерживает довольно сильный нагрев, не растворяется в кислотах и щелочах, не берет его и раствор аммиака – нашатырный спирт. Не очень толстую пленку можно удалить механически, отполировав предмет зубной пастой или зубным порошком с мыльной водой. Чтобы защитить поверхность серебра от потемнения, ее пассивируют – покрывают защитной плёнкой. Для этого хорошо очищенное изделие погружают при комнатной температуре на 20 минут в слегка подкисленный 1%-ный раствор дихромата калия K_2Cr_2O_7. Образовавшаяся тонкая пленка Ag_2Cr_2O_7 защищает поверхность.

Иногда серебряные предметы не чернеют, а зеленеют. Это верный признак того, что сплав содержит кроме серебра значительные количества меди. Такой сплав часто называют низкопробным серебром. Зеленый налет содержит основной карбонат меди (CuOH)2CO_3. Он образуется из меди под действием углекислого газа, паров воды и кислорода. Некоторые сплавы, внешне очень похожие на серебро, могут вовсе не содержать драгоценного металла. Из таких сплавов наиболее известны нейзильбер – сплав меди, никеля и цинка (название происходит от немецкого Neusilber – «новое серебро»).

Чтобы отличить серебряные изделия от сплавов, похожих на серебро, используют разные способы. Самый простой – реакция с так называемой пробирной кислотой для серебра, которая представляет собой раствор 3 мл концентрированной серной кислоты и 3 г дихромата калия в 32 мл воды. Каплю раствора наносят на поверхность изделия в незаметном месте. Под действием серной кислоты в присутствии сильного окислителя (дихромата) медь и серебро переходят в сульфаты CuSO_4 и Ag_2SO_4, а сульфат серебра быстро превращается в нерастворимый осадок дихромата серебра Ag_2Cr_2O_7 красного цвета. Если каплю реактива осторожно смыть водой, на поверхности останется хорошо заметное на светлом фоне красное пятнышко. Его легко удалить механически; при этом на месте красного останется чуть заметное светлое пятнышко.

Этот метод не дает положительного результата, если в сплаве меньше 25 % серебра (т. е. проба меньше 250). Такие бедные серебром сплавы встречаются довольно редко. В этом случае серебро можно обнаружить, если капнуть на поверхность азотной кислотой, а затем на то же место – раствором поваренной соли. Если в сплаве присутствует серебро, появится молочное помутнение: кислота растворяет небольшое количество металла, а хлорид-ионы дают с ионами серебра белый осадок нерастворимого хлорида AgCl.

Неожиданное применение нашел йодид серебра: с его помощью можно вызвать искусственный дождь. Дождь, как и снег, начинается с образования в облаках из паров воды зародышей – мельчайших кристалликов льда. Далее эти кристаллики быстро растут, становятся тяжелыми и выпадают в виде осадков, превращаясь, в зависимости от погодных условий, в снег, дождь или град. Если воздух абсолютно чистый, зародыши льда могут образоваться только при очень низкой температуре (ниже –30 °С). В присутствии же некоторых веществ-затравок эти зародыши образуются при значительно более высокой температуре. Так можно вызвать искусственный снегопад или дождь.

Одна из лучших затравок – йодид серебра; в его присутствии кристаллы льда начинают расти уже при –9 °С. Существенно, что активность проявляют даже очень маленькие частицы AgI размером всего 10 нм (для сравнения – радиусы ионов Ag+ и I– составляют соответственно 0,15 и 0,22 нм). Теоретически из кубического кристалла AgI размером всего 1 см можно получить 10^18 таких мельчайших кубиков. Теперь не покажется удивительным, что для выпадения искусственного дождя требуется исключительно мало иодида серебра. Всего 5 кг этого вещества достаточно для «затравки» огромной территории площадью 1 млн кв. км! При этом в 1 м^3 воздуха образуется свыше 3,5 млн центров кристаллизации льда. А чтобы поддерживать образование ледяных зародышей на всей этой площади, достаточно расходовать всего 50 г AgI в час. Поэтому, несмотря на сравнительно высокую стоимость солей серебра, применение AgI с целью вызвать искусственный дождь оказывается практически выгодным.

Иногда требуется выполнить прямо противоположное задание: «разогнать» тучи, не дать пролиться дождю при проведении какого-либо важного мероприятия (например, Олимпийских игр). В этом случае йодид серебра нужно распылять в облаках заблаговременно, за десятки километров от места проведения торжества. Тогда дождь прольется на леса и поля, а в городе будет солнечная сухая погода (для той же цели используют и твердый диоксид углерода – сухой лед, который также служит хорошей затравкой для роста кристаллов льда).

Препараты серебра с давних времен применяют в медицине. Так, нитрат серебра в небольших концентрациях оказывает вяжущее и противовоспалительное действие, а в более крепких растворах прижигает ткани. Чаще всего его применяют наружно в виде водных растворов (1–2 %) для лечения глазных и кожных заболеваний. Для профилактики бленнореи новорожденных раньше широко применяли закапывание в глаза сразу после рождения 2 %-ного раствора AgNO_3 (в последние годы для этой цели обычно применяют раствор сульфацил-натрия). Иногда 0,06 %-ный раствор AgNO_3 назначают внутрь – в качестве противовоспалительного средства при хроническом гастрите и язве желудка (в желудке нитрат серебра под действием соляной кислоты желудочного сока быстро превращается в хлорид серебра). Сплав 1 части нитрата серебра и 2 частей нитрата калия под названием «ляпис» применяют для наружного прижигания.

Коллоидные растворы серебра – колларгол и протаргол в виде растворов и мазей применяют для смазывания слизистых оболочек верхних дыхательных путей, в глазных каплях, для промывания гнойных ран, при рожистых воспалениях и т. д. В этих препаратах серебро находится в виде мельчайших твердых частиц. Чтобы коллоидная система не расслаивалась, ее стабилизируют поверхностно-активными веществами. Так, для получения колларгола можно использовать яичный белок – альбумин. Для этого сначала из водного раствора соли серебра с помощью щелочи осаждают оксид серебра, который постепенно добавляют к щелочному раствору альбумина, а затем осаждают колларгол уксусной кислотой. В результате получается синий порошок, содержащий около 75 % серебра. Из этого порошка и готовят водные растворы колларгола. В протарголе серебра меньше – около 8 %.

Хорошо известно бактерицидное действие очень малых концентраций серебра на питьевую воду. При содержании ионов серебра до 50 частей на 1 млрд (т. е. 50 мг в 1 т) вода не изменяет своего вкуса и ее можно пить без вреда для здоровья; в то же время для предотвращения роста бактерий и других микроорганизмов достаточно концентрации серебра в воде всего 10–30 частей на 1 млрд. Вот почему препараты серебра все шире используют для стерилизации питьевой воды (в бытовые фильтры обычно помещают «посеребренный» активированный уголь, выделяющий в воду очень малые дозы серебра). Однако чистое металлическое серебро в воде практически не растворяется. Известное подавление роста микроорганизмов в серебряной посуде объясняется скорее тем, что на поверхности серебра уже образовалась тонкая пленка его оксида, растворимость которого (13 мг/л при 20 °С) более чем достаточна для дезинфекции воды. Для обеззараживания воды в бассейнах было предложено насыщать ее бромидом серебра. Насыщенный раствор AgBr содержит 60 мг/м^3, что безвредно для здоровья человека, но губительно для микроорганизмов и водорослей. Конечно, для насыщения всей воды в бассейне требуется большая поверхность ее соприкосновения с твердой солью серебра. Ее, например, можно равномерно распределить в массе активированного угля, через который фильтруется вода.

Помимо пассивного растворения серебра в воде используют и его активное растворение путем электролиза. Это позволяет строго дозировать концентрацию ионов серебра в растворе, контролируя время электролиза, напряжение на электродах и протекающий через раствор ток.

Бактерицидное действие ничтожных концентраций ионов серебра объясняется тем, что они вмешиваются в жизнедеятельность микробов на ферментном уровне. Соединяясь с тиольными группами аминокислоты цистеина, ионы серебра образуют меркаптиды: E–SH + Ag+ → E–S–Ag + H+ (здесь Е – белковая молекула фермента). Меркаптиды, располагаясь на активном центре фермента или рядом с ним, нарушают его пространственную конформацию и препятствуют нормальной работе; аналогично дейст вуют и ионы некоторых других тяжелых металлов, например меди или ртути, причем они намного токсичнее серебра.

(Кстати, термин «меркаптан» происходит от английского mercury capture – «связывание ртути».)

Однако, как это часто бывает, то, что полезно в малых дозах, губительно в больших. Не составляет исключение и серебро. Ионы серебра могут окислять биомолекулы. Кроме того, они образуют с белками нерастворимые комплексы, нарушая их структуру. Отравляющее действие крепких растворов растворимых солей серебра связано прежде всего с ожогами пищевода и желудка. К счастью, в теле человека через одну-две недели остается всего 0,02–0,1 % введенного серебра, остальное выводится из организма. Однако при многолетней работе с серебром и его солями может развиться необычное заболевание – аргирия (от лат. аrgentum – «серебро»). Дело в том, что при длительном поступлении в организм серебро способно медленно отлагаться в виде металла в соединительной ткани и стенках капилляров разных органов, в том числе в почках, костном мозге, селезенке. Накапливаясь в коже и слизистых оболочках, серебро придает им серо-зеленую или голубоватую окраску, особенно сильную на открытых участках тела, подвергающихся действию света. Изредка окраска может быть настолько интенсивной, что кожа напоминает кожу негров. Развивается аргирия очень медленно, первые ее признаки появляются через два-четыре года непрерывной работы с серебром, а сильное потемнение кожи наблюдается лишь спустя десятки лет. Раньше всего темнеют губы, виски и конъюнктива глаз, затем веки. Сильно могут быть окрашены слизистые оболочки рта и десны, а также лунки ногтей. Иногда аргирия проявляется в виде мелких сине-черных пятен. Отмечено несколько случаев аргирии при длительном лечении нитратом серебра, причем темнели только участки, подвергавшиеся лечению. Коллоидные препараты серебра, содержащие металл в основном в малоактивной нейтральной форме, не дают осложнений такого рода.

Раз появившись, аргирия не исчезает, а вернуть коже ее прежний цвет не удается. Если не считать чисто косметических неудобств, больной аргирией может не испытывать никаких болезненных ощущений или ухудшения самочувствия (если не поражены роговица и хрусталик глаза); в этом отношении аргирию можно назвать болезнью лишь условно. Есть у этой болезни и своя «ложка меда» – при аргирии не бывает инфекционных заболеваний: человек настолько «пропитан» серебром, что оно убивает все болезнетворные бактерии, попадающие в организм.

Огниво с платиной

Изобретение способа добывания огня было важнейшим шагом на пути развития человека. О важности огня свидетельствуют многие древние мифы, придающие огню божественное происхождение. Недаром Прометей, дав людям огонь, был за это жестоко наказан богами. Долгое время добывание и хранение огня было делом трудным и ответственным, а его утеря – настоящей трагедией (подобное описано, например, в антиутопии Татьяны Толстой «Кысь»). Первобытные люди добывали огонь трением. Затем вращающуюся палочку заменили креме́нь и трут. При ударе твердого камня – кремня о стальное огни́во (сталь мог заменить кусок распространенной руды – колчедан) сыпались искры, которые поджигали трут. Трут получали из грибных наростов на дубе или ясене. После вываривания в воде с золой полученную массу пропитывали раствором селитры; в результате трут легко загорался (вернее, начинал тлеть) от малейшей искры. При раздувании тлеющий трут мог поджечь сухую лучину. Такой способ добывания огня использовался в течение многих столетий, и даже в Европе – вплоть до середины XIX в.

В 1770 г. была изобретена электрическая зажигалка, в которой струя водорода воспламенялась от искры электрофорной машины. Такая зажигалка могла служить красивым демонстрационным экспериментом на лекции по электричеству, но никак не для бытовых целей.

Следующий прорыв в деле получения огня связан с открытием немецкого химика Иоганна Вольфганга Дёберейнера. Сначала он был аптекарем, что типично для многих химиков того времени, включая и знаменитого Шееле, затем владельцем фабрики, а с 1810 г. – профессором химии, фармации и технологии в Иене. Дёберейнер открыл реакцию образования серного ангидрида, впервые синтезировал муравьиную кислоту, изучил образование уксусной кислоты окислением винного спирта, чем способствовал развитию промышленного производства уксуса. Как один из предшественников Д. И. Менделеева, он открыл закон триад: если в триадах литий – натрий – калий, кальций – стронций – барий, сера – селен – теллур, хлор – бром – йод расположить элементы в порядке возрастания их атомных масс, то атомная масса среднего члена триады примерно равна полусумме крайних членов. Это правило было использовано в последующих работах по классификации химических элементов.

Одно из важнейших открытий Дёберейнера – каталитическая способность мелкораздробленной платины (платиновой черни) способствовать протеканию ряда химических реакций; при этом сама платина не претерпевает изменений. В 1821 г. он обнаружил, что платиновая чернь окисляет пары винного спирта до уксусной кислоты уже при обычной температуре. Через два года он открыл способность губчатой платины при комнатной температуре воспламенять водород. Если смесь водорода и кислорода (гремучий газ) ввести в соприкосновение с платиновой чернью или с губчатой платиной, то сначала идет сравнительно спокойная реакция горения. Но так как эта реакция сопровождается выделением большого количества теплоты, платиновая губка раскаляется, и гремучий газ взрывается. На основании своего открытия Дёберейнер сконструировал водородное огниво – прибор, широко применявшийся для получения огня до изобретения спичек.

В 1860 г. голландский аптекарь Петрус Якоб Кипп сконструировал удобный аппарат для получения водорода, ныне носящий его имя. Эту конструкцию использовали и в водородном огниве: выходящую из аппарата струю водорода направляли на губчатую платину. Придя с ней в соприкосновение в присутствии воздуха, водород воспламенялся. Конечно, аппарат Киппа в карман не положишь; огниво могло быть только стационарным.

Каталитическая горелка Дёберейнера(слева): водород, получаемый действием серной кислоты на цинк, поджигается платиновым катализатором

Сейчас о водородном огниве знают только историки науки. Его быстро вытеснили спички, сначала опасные – фосфорные, потом безопасные – серные (раньше их называли шведскими по имени страны, где их впервые стали выпускать). Однако у спичек немало недостатков – они легко отсыревают, их пламя задувается ветром, на производство спичек тратится масса древесины, в производстве используется опасная бертолетова соль.

Альтернативой спичкам служит не менее распространенная зажигалка. Раньше зажигалки заправляли бензином. Бензин пропитывал фитиль, испарялся, и его пары поджигались искрой, получаемой от трения стального колесика о маленький цилиндрик, сделанный из специального сплава. Этот сплав изобрел австрийский химик Карл Ауэр фон Вельсбах, воспользовавшись пирофорностью его основного компонента – церия. Ауэр усилил пирофорность церия, сплавив его с другими металлами. Для кремней в зажигалке оптимальным оказался такой состав: церий – 66 %, железо – 25 %, лантан – 8 %, магний – 0,5 %, медь – 0,5 %. Зажигалки позволили сэкономить во всем мире бесчисленное количество спичек, а следовательно, и древесины. Бензиновые зажигалки со временем уступили место более удобным газовым. В них под небольшим давлением находится сжиженный газ (бутан или его смесь с пропаном). Даже в очень жаркую погоду давление паров над жидким бутаном не превышает 3 атм, и пластмассовый корпус зажигалки такое давление легко выдерживает. «Зажигательный» механизм в большинстве дешевых зажигалок оставался прежним: колесико и кремень. Но наиболее «продвинутые» конструкции обходятся без движущихся деталей: в них нет ни традиционного зубчатого колесика, ни кремня. Зажигание газа производится либо раскаляемой током тонкой нихромовой проволочкой, либо искрой, которая проскакивает между двумя электродами. В обоих случаях в зажигалке должен быть источник электричества – батарейка или (во второй конструкции) пьезоэлемент – кристалл, нажатие на который сопровождается накоплением заряда и искрой.

Сравнительно недавно венгерские изобретатели, вспомнив огниво Дёберейнера, сконструировали зажигалку нового типа: на выходе струи газа находится платиновая спиралька, которая катализирует реакцию горения. Пламя у новой зажигалки сильное и устойчивое, ему не страшен ветер. Таким пламенем можно не только поджечь сигарету, но и сварить при необходимости тонкую проволоку.

Химики разоблачают подделки

Когда картины великих художников начали цениться на вес золота, стали появляться во все возрастающих масштабах подделки. Конечно, подделать картину художника эпохи Возрождения несравненно труднее, чем написанную в начале ХХ в. Ведь при этом необходимо учитывать естественное старение основы, растрескивание лака, сложности техники старых мастеров и проблемы с красками (экспертиза легко отличит природный ультрамарин или пурпур от синтетического красителя). Тем не менее время от времени появляются великие фальсификаторы, настоящие мастера своего дела, разоблачение которых порой занимает не одно десятилетие. И в этом деле решающим фактором часто становится исследование картины с применением самых современных и точных физических и химических методов.

В настоящее время в распоряжении экспертов имеются разнообразные методы, не оставляющие никаких шансов фальсификаторам «древностей». Среди самых простых – давно используемые приемы фотографирования картин в ультрафиолетовых и инфракрасных лучах, рентгеновская фотография, да и обычный микроскоп может о многом рассказать специалисту. Например, размер частиц минеральных пигментов и их форма (а до начала XIX в. краски растирали вручную) могут оказаться характерными для данной школы или эпохи.

Рентгенография помогает распознать тип используемых материалов. Рентгеновские лучи слабо поглощаются холстом, картоном, деревом, органическими красителями; сильнее – гипсом и легкими минеральными пигментами; еще сильнее – охрой, цинковыми белилами и другими пигментами, содержащими металлы середины таблицы Менделеева; очень сильно поглощают рентгеновское излучение свинцовые белила, киноварь (красная краска на основе сульфида ртути) и другие соединения тяжелых металлов. Изменяя напряжение на рентгеновской трубке, можно добиться проникновения лучей на разную глубину и таким образом просматривать картину слой за слоем – вплоть до канвы.

В ультрафиолетовых лучах современные пигменты часто светятся совсем не так, как старинные. Инфракрасные лучи легче проходят сквозь помутневший лак и позволяют разглядеть детали, не видимые при обычном освещении. Иногда удается даже разглядеть под внешним слоем краски первоначальный набросок картины того же автора. Анализ таких рисунков на картинах Иеронима Босха (в частности, характерный нажим) позволил установить, что автор был левшой; это дало возможность отличить картины Босха от картин его многочисленных подражателей.

Рассмотренные методы привлекательны тем, что не наносят никакого вреда картине. Но иногда приходится брать на анализ небольшой фрагмент произведения, чтобы эксперты смогли провести микрохимический анализ красок. Такой анализ часто позволяет уточнить как эпоху, так и место создания картины. Старые мастера сами готовили краски, часто используя пигменты, добытые из местных источников. Так, в античные времена применяли свинцовые белила (основной карбонат свинца), киноварь (природная красная модификация сульфида ртути), малахит (основной карбонат меди), индиго (его получали из сока тропических растений), кошениль (выделяли из насекомых), шафран (желтая краска из высушенных и измельченных цветков шафрана).

В Средние века к этим пигментам добавились мумия из Египта (коричневый гидратированный оксид железа), кверцитрон (желтая краска из коры бархатного дуба), ультрамарин, «кёльнская земля» (пигмент из бурого угля), китайская тушь. И только в XIX в. появились многочисленные синтетические неорганические пигменты – кадмиевый желтый (CdS), хромовый оранжевый (PbCrO_4), искусственный ультрамарин (алюмосиликат состава 2(Na_2O · Al_2O_3· 3SiO_2) · Na_2S_4), ауреолин, или кобальтовый желтый (K_3Co(NO_2)6) и др. В ХХ в. в обиход художников вошли титановые белила (на основе TiO_2), марсовые пигменты (получаемые прокаливанием осадка от смешения гашеной извести и железного купороса), различных оттенков соединения марганца.

Разнообразие стойких пигментов с высокой кроющей способностью позволило художникам значительно обогатить свою палитру. Для фальсификаторов же появилась дополнительная головная боль: не внести в «старинную» картину пигмент, который вошёл в обиход позднее. Например, некоторые подделки под старых голландских мастеров были разоблачены, когда спектральными методами в них обнаружили тенарову синь. В то же время было известно, что в Голландии эту кобальтовую краску начали использовать лишь с 1840 г.

Применяются для установления времени создания картины и методы радиоактивной датировки. Об одном из них, с использованием излучения радия и полония, было рассказано в первой главе.

Глава 5

Химические рекорды

В настоящее время репутация химии далека от той, которую она заслуживает. Простые люди практически ничего не знают о вкладе химии в их собственное благополучие, зато нет недостатка в публикациях и сообщениях на тему загрязнения окружающей среды, так или иначе связанного с химическими веществами. Проблема хемофобии (от греч. phobos – «страх») достигла такого уровня, что некоторые ведущие химические компании поспешили исключить слово «химия» из своих фирменных знаков. Очень мало знают люди (и даже многие химики) о выдающихся успехах, достигнутых химиками. В этой главе будет рассказано о ряде таких достижений, которые, как и спортивные рекорды, достойны того, чтобы о них знали. Некоторые из приведенных фактов с соответствующими комментариями взяты из известной Книги рекордов Гиннесса, некоторые – из справочных изданий и пятитомной Химической энциклопедии (1988–1998 гг.), большинство – из изданной в ФРГ в 1999 г. книги Р. Фауста, Г. Кнауса и У. Зимелинга «Мировые рекорды в химии». Конечно, за прошедшие годы некоторые рекорды, касающиеся синтеза необычных структур, могли устареть. Однако многие из них побить так же трудно, как, например, мировой рекорд в беге на 100 м…

Элементы, атомы и молекулы

Самый распространенный элемент: в земной коре (литосфере) – кислород (46,60 % по массе), в атмосфере – азот (78,09 %), вне Земли – водород (90 %). Самый редкий элемент из существующих в природе – астат (во всей земной коре его всего лишь 0,16 г). Из простых веществ при обычных условиях самый тяжелый металл – иридий, его плотность 22,65 г/см^3; чуть-чуть отстал от иридия осмий (22,61 г/см^3). Гирю в виде шара из этих металлов радиусом всего 10 см вы не сможете даже оторвать от пола! Напомним, что плотность ртути – 13,6 г/см^3 (это самая тяжелая при обычных условиях жидкость), а свинца – «всего» 11,3 г/см^3.

Самый легкий металл – литий (0,534 г/см^3), он в 42 раза легче иридия и даже легче бензина! Следующий по плотности металл – натрий почти вдвое тяжелее. Самое тяжелое газообразное простое вещество – радон (плотность 9,73 г/л), а самое легкое – водород (0,09 г/л, этот газ в 108 раз легче радона!). Если рассматривать не только элементы, то на роль самого тяжелого при комнатной температуре газа будет, вероятно, претендовать бесцветный фторид вольфрама(VI) WF_6 (12,9 г/л при 20 °С), а при температуре выше 50 °С – легколетучий UF_6. Если WF_6 охладить ниже 17 °С, он перейдет в очень тяжелую жидкость с плотностью 3,44 г/см^3; ведерко объемом 10 л с такой жидкостью будет весить более 34 кг! Еще тяжелее водный раствор смеси солей таллия муравьиной и малоновой кислот (формиата и малоната) в соотношении 1 : 1 по массе. При растворении этих солей в указанной пропорции в минимальном количестве воды образуется раствор с уникальной плотностью 4,324 кг/л при 20 °С, а горячий раствор (при 95 °С) можно довести до плотности 5,0 кг/л. В таком растворе плавают кварц, корунд и даже гранит. А самая легкая при комнатной температуре и атмосферном давлении жидкость – изопентан (СН_3)2СНСН_2СН_3 (0,62 г/см^3). Жидкий бутан при температуре кипения (–0,5 °С) имеет плотность 0,58 г/см^3, а жидкий водород при температуре кипения (–252,8 °С) – 0,071 г/см^3; такая жидкость в 10-литровом ведре будет весить всего 710 г!

Самый твердый металл – технический хром (хром высокой степени чистоты не такой твердый), а самый мягкий – цезий. Наибольшая теплопроводность – у серебра, наименьшая – у ртути (почти в 50 раз меньше, чем у серебра); наибольшая электропроводность – тоже у серебра (следующими в порядке уменьшения электропроводности идут медь, золото и алюминий), а наименьшая – у германия (почти в 60 000 раз меньше, чем у серебра!). Самый высокий потенциал ионизации – у гелия-4 (24,59 эВ).

Такую энергию имеют фотоны в дальней (вакуумной) ультрафиолетовой области с длиной волны 50 нм. Легче всего оторвать электрон от атома цезия – всего 3,89 эВ; атомы цезия могут подвергаться ионизации уже под действием солнечного света с длиной волны менее 320 нм.

Самая большая критическая масса у урана-235 – 48 кг (но так как уран очень тяжелый, радиус уранового шара в такой атомной бомбе невелик – всего около 9 см). Наименьшая – у калифорния-251 (всего 10 г).

Наиболее ковкий металл – золото: из 1 г можно вытянуть проволоку длиной 2,4 км; такая золотая проволочка в 10 раз тоньше человеческого волоса. Самый тугоплавкий металл – вольфрам, он плавится при 3380 °C. При более высокой температуре (4215 °С) плавится лишь твердый раствор карбидов гафния и тантала.

Самый большой атом вовсе не урановый (№ 92 в периодической системе) или атом одного из недавно открытых элементов конца периодической системы, например дармштадтия (№ 110) или рентгения (№ 111). Действительно, радиус атома урана – самого тяжелого элемента, который Д. И. Менделеев разместил в конце своей знаменитой таблицы, равен 154 пм, тогда как диаметр еще 16 атомов превышает это значение. Самый большой из них – атом цезия (272 пм), второе «призовое место» занимает рубидий (250 пм), третье – калий (235 пм). Четвертое и пятое места заняли соответственно атомы бария (224 пм) и стронция (215 пм). Зато никаких неожиданностей при определении самого маленького атома; конечно, это атом первого элемента в периодической системе, атом водорода (37 пм).

По-видимому, здесь нужны комментарии. Сначала о единицах измерения. Пикометр (от исп. pico – «малая величина») – первая составная часть наименований некоторых физических единиц, означающая одну триллионную (10–12) долю исходной единицы. Например, 1 пФ (пикофарада) = 10–12 фарады, 1 пм = 10–12 м = 1000 нм (нанометров; от греч. nannos – «карлик»; нанометр – миллиардная часть метра).

Теперь о самих значениях радиусов. Не следует думать, что для их измерения нужны какие-то изощренные методы анализа. Атомы можно рассматривать как шары. Тогда их радиус легко рассчитать, зная постоянную Авогадро, массу моля элемента, его плотность и строение кристаллической решетки. Последнее необходимо для внесения поправки на «пустой объем» между шариками-атомами. Так, многие металлы имеют плотнейшую шаровую упаковку. При этом каждый атом-шар будет касаться 12 соседних: шесть из них разместятся вокруг него в одной плоскости и еще по три – сверху и снизу, в образовавшихся «ямках» (это легко увидеть с помощью шариков из пластилина). Чисто геометрически можно показать, что если шары уложить таким способом, то они займут 74,05 % всего объема (остальное приходится на пустоты между шарами).

Рассмотрим теперь атомы меди. Из справочника «Свойства неорганических соединений» следует, что радиус этих атомов равен 0,128 нм = 128 пм. Как получено это значение? Возьмем 1 моль (6,022 · 10^23 атомов) меди. Его масса равна 63,55 г. Плотность меди (из того же справочника) равна 8,96 г/см^3, поэтому 1 моль занимает объем 63,55/8,96 = 7,093 см^3. Из этого объема на сами атомы приходится 0,7405 · 7,093 = 5,252 см^3, а один атом имеет объем V = 5,252/6,022 · 10^23 = 0,8721 · 10–23 см^3. Как известно, объем шара V = 4πr^3/3, r = √3V/4π= 1,28 · 10–8 см, что совпадает с данными справочника.

Почему же самые тяжелые атомы не самые большие? Здесь конкурируют два фактора: увеличение общего числа электронов (именно электронная оболочка, а не крошечное ядро, определяет размер атома) и усиление притяжения электронов к ядру. Так, в ряду лантаноидов и актиноидов с ростом атомного номера наблюдается не увеличение, а уменьшение радиуса атомов, несмотря на увеличение числа электронов в них (этот факт имеет существенное значение для химии этих элементов). Происходит это потому, что последовательное добавление f-электронов не может оказать серьезную конкуренцию действию возрастающего заряда ядра на внешние s– и p-электроны: они становятся чуть ближе к ядру. В результате атом последнего лантаноида – лютеция на 7 % меньше атома лантана. Теперь не покажется удивительным, что самый большой размер атома у цезия с его отдаленным от ядра s-электроном на внешней оболочке (атом франция должен иметь еще бо́льший радиус, но этот элемент нестабилен и принципиально не может быть получен в виде компактного металла, потому размер его атомов имеет лишь теоретический интерес).

До сих пор речь шла о невозбужденных атомах, поскольку при поглощении энергии излучения внешний электрон может удаляться от ядра все дальше и дальше, занимая орбиталь со все бо́льшим номером. Поэтому, например, атом водорода теоретически может иметь любые размеры. А практически? В 1991 г. в самом известном в мире журнале, посвященном химическому образованию – Journal of Chemical Education (он издается в США), была опубликована статья Д. Б. Кларка. В ней говорилось, что в межзвездных облаках были обнаружены по их спектрам атомы водорода диаметром 0,4 мм (они зафиксированы по спектральному переходу с 253-й на 252-ю орбиталь). Объекты таких размеров вполне можно увидеть невооруженным глазом! Однако Кларк ошибся – он завысил все размеры ровно в 100 раз (об этом сообщил тот же журнал год спустя; возможно, ошибка была связана с неправильным переводом нано– или пикометров в миллиметры). Значит, обнаруженные атомы водорода имеют диаметр «всего лишь» 0,004 мм, и такие атомы, даже если бы они были «твердыми», невооруженным глазом увидеть нельзя – только в микроскоп. Конечно, по атомным меркам и 0,004 мм – величина огромная, она в миллион раз больше диаметра невозбужденного атома водорода. Обсуждаемый же Кларком гипотетический атом водорода «размером с одноцентовую монетку» (ее диаметр 9 мм) с учетом исправлений должен соответствовать переходу с 13044-й на 13043-ю орбиталь, что отвечает частоте излучения 2,96 килогерц или длине волны 100 км. Такие спектральные переходы, даже если бы они происходили, невозможно было бы обнаружить никаким прибором (даже радиотелескопы фиксируют в тысячи раз меньшие длины волн).

Надпись IBM атомами ксенона

Если же говорить о «вооруженном» глазе, то отдельные атомы можно не только «увидеть» – ими можно даже что-нибудь написать. Например, всемирно известное название компьютерной фирмы IBM, как это сделали ученые, используя сканирующий туннельный микроскоп и 35 самых настоящих атомов ксенона, выстроенных в нужные микроскопические буквы на поверхности никелевого кристалла.

Другой «атомный» рекорд связан с временем жизни радиоактивных нуклидов (напомним, что нуклидом называется совокупность атомов с определенным числом протонов и нейтронов в Надпись IBM ядре; нуклиды одного и того же атомами ксенона элемента называются изотопами; сейчас известно примерно 2400 нуклидов 114 химических элементов, большинство из которых радиоактивны). Судя по справочнику «Физические величины», самый долгоживущий – теллур-128, который и радиоактивным-то назвать трудно: период полураспада этого нуклида (его в природном теллуре 31,7 %) превышает 8 септиллионов (8 · 10^24) лет! Для сравнения – нашей Вселенной по оценкам «всего» 10 млрд (10^10) лет.

А какие атомы живут меньше всех? В справочнике «Физические величины» для самого короткоживущего изотопа – франция (215Fr) приводится значение 9 · 10–8 с (меньше одной десятимиллионной доли секунды). Следует воздать должное исследователям, сумевшим измерить эту величину. А вот в «Справочнике нуклидов» для самого легкого из известных изотопов кислорода, 12О, приводится удивительное значение: 1,0 · 10–21 с (одна секстиллионная секунды)! Удивительно оно потому, что даже свет, скорость которого составляет 3 · 10^8 м/с за это время прошел бы всего 3 · 10–13 м = 0,3 пм, что намного меньше размеров атомов и сопоставимо с размером атомного ядра. Значит, за это время частица, которая должна вылететь из ядра при его распаде и скорость которой намного меньше световой, не успеет его даже покинуть. Было бы интересно узнать, как такое ядро может образоваться и как получили такое значение для его времени жизни.

Атомы соединяются между собой химическими связями. Эти связи могут быть сильными и слабыми, короткими и длинными. В результате образуются молекулы, а также ионные, атомные и металлические кристаллы. Между молекулами тоже действуют химические связи. Какая же связь самая прочная? Если рассматривать только одинарные связи, то самой прочной будет связь Т–Т в молекуле тяжелого водорода – трития Т_2 (447,2 кДж/моль); далее следуют связи с атомами дейтерия: D–T (445,5 кДж/моль), D–D (443,6 кДж/моль) и H–D (439,6 кДж/моль). Самая слабая (хотя и не намного) в «водородных молекулах» – связь Н–Н (436,2 кДж/моль).

В случае кратных связей одна из самых прочных – тройная связь N≡N между двумя атомами азота (945,3 кДж/моль). Известны и более прочные связи. Так, прочность четверной связи между атомами хрома в дианионе [Cl_3(H_2O)Cr == Cr(H_2O)Cl_3]2– оценивается в 1200 кДж/моль! Самая прочная связь между атомами разных элементов в молекуле угарного газа СО (1070,3 кДж/моль). Вероятно, самая слабая ковалентная связь между атомами азота в молекуле азотистого ангидрида N_2O_3 (40,6 кДж/моль); она почти в 25 раз слабее связи между теми же атомами в молекуле N_2. Недаром азотистый ангидрид (в чистом виде его можно получить в виде голубого порошка при пропускании электрических искр через жидкий воздух при температуре ниже –190 °С) начинает разлагаться на NO и NO_2 уже ниже 0 °С. При этом образуется раствор зеленого цвета (смешение синего цвета N_2O_3 и желтобурого цвета NO_2).

Слабыми (по сравнению с ковалентными) традиционно считаются водородные связи. Однако водородная связь между HF и ионом F– (150 кДж/моль) значительно прочнее ковалентных связей в оксидах азота N_2O_3 и N_2O_4 (40,6 и 56,9 кДж/моль). Но, конечно, самые слабые связи (вандерваальсовы) существуют между неполярными молекулами и между атомами благородных газов. В 1993 г. было доказано существование молекул Не_2, в которых энергия связи между атомами гелия равна всего лишь 0,008 Дж/ /моль. Это в десятки миллионов раз меньше, чем в случае типичных ковалентных связей! Атомы гелия в этой молекуле находятся в среднем на расстоянии 6,2 нм друг от друга, тогда как длина типичной химической связи находится в пределах 0,1–0,3 нм. Это общая закономерность: обычно чем связь слабее, тем она длиннее, и наоборот. И еще одна очевидная закономерность: чем больше атомы, тем больше расстояние между их центрами в молекуле. Так, в полиядерных комплексных соединениях длина связи между атомами рения достигает 0,309 нм, осмия – 0,315 нм, палладия – 0,433 нм.

Конечно, «молекулы» типа Не_2 могут существовать лишь при исключительно низких температурах, порядка 0,0001 К, иначе тепловое движение разрушает такие непрочные структуры. При дальнейшем понижении температуры возможно образование еще более слабых и длинных связей. Так, группа французских физиков сообщила, что при температуре 10 мкК (0,00001 К) они получили двухатомные молекулы гелия размером от 8 до 60 нм, что уже соизмеримо с размерами вирусов!

Самая короткая одинарная связь между атомами водорода и дейтерия в молекуле H–D (0,074166 нм; обратите внимание на точность измерения!). Чуть длиннее связи в молекулах D_2 и Н_2. Самая короткая связь между атомами кислорода в молекуле FО– – ОF (0,1217 нм), а самая длинная – в трехчленном цикле с двумя атомами кислорода, дифтордиоксиране CO_2F_2 (0,1578 нм). Очень сильно отличаются самая короткая и самая длинная связь азот – азот: 0,10976 нм в N_2 и 0,218 нм в димере N_2O_2.

Для органической химии очень важны связи углерод – углерод. В среднем энергия связи С–С составляет 300–400 кДж/моль; например, в молекуле этана 368,2 кДж/моль. Самая же прочная связь С–С (600 кДж/моль) в молекуле дициана NC–CN, а самая слабая (50,2 кДж/моль) между двумя трифенилметильными радикалами в молекуле гексафенилэтана (С_6Н_5)3С–С(С_6Н_5)3. При комнатной температуре такая молекула существовать не может, и в этих условиях рекомбинация двух трифенилметильных радикалов (в одном из них неспаренный электрон локализуется на концевом атоме углерода бензольного кольца) приводит к другой структуре – хиноидной, в которой одно из колец перестает быть ароматическим:

Равновесие между трифенилметильными радикалами и их стабильным димером

Средние, а также рекордные длины связей С–С (нм) приведены в таблице (цифры в скобках соответствуют номеру структуры на рисунке):

Структуры 1—6

Исключительно сильно могут меняться и углы между связями углерод – углерод. Еще в 1885 г. выдающийся немецкий химикорганик Адольф Иоганн Фридрих Вильгельм фон Байер создал теорию напряжения в циклических молекулах. С тех пор химики синтезировали множество соединений, которые когда-то считались принципиально невозможными, в том числе из-за сильного искажения углов между связями. Так, в тетраэдрически связанном атоме углерода, например в молекуле метана СН_4, углы между связями должны быть равны 109,4°. Отклонения обычно невелики, в пределах 109–113°. А каковы рекорды? Минимальное значение угла между связями С–С–С (50,7°) зафиксировано в производном циклопропена (3), а максимальное (127,6°) – в бариевой соли спиро[3.3]гептандикарбоновой кислоты (7); это угол между двумя четырехчленными циклами, соединенными вершинами.

В случае двойной связи С=С угол у одного из этих атомов углерода равен обычно 116–122°. Таков, например, угол Н–С–Н в молекуле этилена Н_2С=СН_2. Но и здесь химики синтезировали необычные молекулы. Так, в соединении (3) угол при двойной связи равен лишь 61,9°, а в 1,2-дигидроциклобута[а]циклопропа[с]бензоле (8) – 176,9°! То есть угол С–С–С у атома углерода, принадлежащего одновременно трех– и шестичленному циклам, почти не отличается от 180°, и эти три атома лежат фактически на одной прямой, хотя два из них связаны двойной связью. Факт удивительный. Не менее удивительно, что авторы статьи – семь работающих в Германии химиков – сумели получить хорошо оформленные кристаллы этого вещества (а оно плавится при температуре –12 °С), чтобы изучить их структуру рентгенографическим методом.

Наконец, в ацетиленовых соединениях угол при тройной связи должен быть равен 180° (линейная молекула), однако в производном тиациклогептина (9) этот угол сильно искажается, уменьшаясь до 145,8°.

Двойные связи С=С могут не только растягиваться и сжиматься, но и скручиваться – сильнее всего в соединениях (10) и (11). Так, в молекуле (10) двугранный угол, образованный циклическими структурами, равен 49,7°. Именно эти циклы с объемистыми заместителями, которые отталкиваются друг от друга, и приводят к скручиванию двойной связи. В соединении же (11) скручивание связи (двугранный угол 49,0°) происходит из-за образования циклической структуры.

Структуры 7—11

Молекулы «под напряжением». Взрывчатые вещества

Сильные искажения длин химических связей и углов между ними приводят к напряжениям в молекулах – точно так же, как если бы атомы были соединены очень тугими пружинками и мы стали бы эти пружинки сжимать, растягивать и скручивать. В результате внутренняя энергия такой напряженной молекулы может стать настолько большой, что структура не выдержит и «взорвется»: молекула развалится на куски, высвободив энергию напряжения. Так, избыточная энергия в известном еще с XIX в. циклопропане С_3Н_6 равна 113 кДж/моль или 37,7 кДж/моль в расчете на один атом углерода. Одно из самых больших значений избыточной энергии – свыше 2000 кДж/моль – принадлежит знаменитому букминстерфуллерену С_60 (12), за открытие которого была присуждена Нобелевская премии по химии за 1996 г. Но так как в этой молекуле содержится 60 атомов углерода, то на один атом приходится все же меньше, чем в циклопропане, – 33,5 кДж/моль. Хит-парад самых напряженных из известных молекул включает еще 9 соединений (структуры 13–21). В 1982 г. американские химики К. Б. Виберг и Ф. Х. Уокер осуществили сенсационный синтез [1.1.1]пропеллана (структура 13), энергия напряжения в нём – 410 кДж/моль (82 кДж/моль на один атом С). Тем не менее это соединение стабильно при комнатной температуре, а его название отражает форму молекулы, которая похожа на пропеллер. Интересно, что удачная попытка синтеза этого вещества была предпринята только после того, как методами квантовой химии была доказана возможная стабильность такого трициклического соединения. Предпринятый Вибергом год спустя синтез родственных структур (14) и (15) показал, что они нестабильны при комнатной температуре, а тетрацикл (5) в этих условиях быстро полимеризуется.

Структуры 12– 21

Рекордное число трехчленных циклов (десять) удалось ввести в одну молекулу в 1993 г., когда был синтезирован перспироциклопропано[3]ротан (структура 22). Несмотря на огромные внутримолекулярные напряжения, это соединение на удивление устойчиво – плавится без разложения при температуре свыше 200 °С.

Структура 22

Интересно, что при большой энергии напряжения, соединения с двойной связью в трехчленном цикле все же встречаются в природе. Так, из масла семян тропического растения Sterculia foetida (к этому семейству относится и шоколадное дерево) выделена стеркуловая (8-(2-октилциклопропенил)октановая) кислота с двойной связью в трехчленном цикле. В губке Calyx nicadensis найдено производное холестерина, также содержащее циклопропеновое кольцо; природный антибиотик пинитрицин является производным циклопропенона; наконец, циклопропенилиден С_3Н_2 (трехчленный цикл с двумя атомами водорода при двойной связи) – один из распространенных органических объектов в космическом пространстве!

Модель молекулы циклопро -пенилидена

Одним из триумфов органической химии был девятистадийный синтез кубана (17), осуществленный в 1964 г. американскими химиками Ф. Э. Итоном и Т. У. Коулом. Это вещество по энергия напряжения в молекуле (81 кДж/моль на 1 атом С) почти не уступает пропеллану. Тем не менее кубан – на удивление стабильное твердое соединение, Модель молекулы плавящееся при 130 °С и разлациклопро-гающееся лишь при 200 °С. В напенилидена стоящее время его синтезируют килограммами. Конечно, стабильность кубана вызвана чисто кинетическими причинами (высокая энергия активации разложения), тогда как термодинамически кубан исключительно нестабилен. Значит, если разорвать хотя бы одну связь в кубане, остаток молекулы «взорвется», высвобождая большую энергию. Отмечая эту особенность, авторы первой статьи о кубане метко заметили, что «кинетически кубан – скала, а термодинамически – сгусток энергии!».

Другой способ получения сильно напряженных структур – модификация молекулы бензола путем «приклеивания» к ней малых циклов (встретившийся ранее пример – структура 8 с одним трехчленным и одним четырехчленным циклами). Первыми в этом преуспели в 1965 г. немецкие химики Э. Фогель, В. Гримме и С. Корте, синтезировавшие циклопропабензол (структура 18). Однако это направление исследований в университете Гейдельберга пришлось свернуть из-за невыносимого запаха даже малейших следов этого вещества. Поэтому неизвестно, можно ли аналогично «пришить» к молекуле бензола второе и третье трехчленное кольцо. Зато десятилетие спустя, в 1984 г., группа американских химиков сумела это сделать с четырехчленными кольцами, получив дициклобутациклопропабензол (19). А в 1986 г. группа под руководством Брайана Хэлтона (США) доказала существование промежуточных весьма нестабильных производных бензола с тройной связью в кольце (структуры 20 и 21). Хотя экспериментально определить энергию напряжения в таких структурах невозможно (они слишком неустойчивы), теоретический расчет предсказывает рекордную для соединения (21) энергию напряжения: около 150 кДж/моль в расчете на один атом углерода.

Октанитрокубан

Сильное напряжение в молекуле теоретически может привести к тому, что вещество в определенных условиях окажется взрывчатым. Взрываться могут и другие термодинамически неустойчивые соединения и их смеси – если они реагируют с выделением значительной энергии за короткое время. Упоминавшийся выше Ф. Итон в лекции, прочитанной в ноябре 1966 г. в Гейдельберге, рассуждал о том, что если все восемь атомов водорода в кубане (17) заместить на нитрогруппы NO_2, то получившийся октанитрокубан стал бы прекрасным ракетным топливом: к энергии окисления атомов углерода и водорода нитрогруппами добавилась бы высвобождающаяся энергия напряжения.

В 1999 г. в Чикагском университете Филипп Итон в сотрудничестве с Мао-Си Чжаном осуществил свою мечту и синтезировал октанитрокубан, самое мощное из известных взрывчатых веществ. Скорость его детонации составляет Октанитрокубан 9800 м / с, температура взрыва 5800 °С.

Однако чтобы взрывчатое вещество действительно нашло практическое применение в промышленности или военном деле, недостаточно высвобождения большой энергии; необходимы также безопасность в производстве и обращении, выделение большого объема газов и т. п. Самое старое из подобных веществ – смесь серы, древесного угля и селитры, т. е. черный порох. В Европе порох стали применять в XIII в., и его позиции были поколеблены лишь спустя шесть столетий, когда в 1866 г. Альфред Нобель сумел «приручить» открытый в 1847 г. и чрезвычайно взрывчатый нитроглицерин – полный эфир глицерина и азотной кислоты O_2NOCH_2–CH(ONO_2)–CH_2ONO_2.

Парад рекордов взрывчатых веществ довольно неожиданно открывает смесь нитрата аммония с дизельным топливом. Что же в ней необычного? Оказывается, это самая дешевая взрывчатка, и ее производство составляет 80 % всех взрывчатых веществ. А какое из них самое мощное? Это зависит от критерия мощности. С одной стороны, важна скорость детонации, т. е. скорость распространения в момент взрыва ударной волны. С другой – плотность вещества, так как чем она выше, тем больше энергии при прочих равных условиях высвобождается в единице объема. Так, для мощнейших взрывчатых нитросоединений оба параметра за 100 с лишним лет были улучшены на 20–25 %:

Структуры 23—26

Широко известный даже неспециалистам тринитротолуол (тротил, тол, ТНТ) был синтезирован в 1863 г. немецким химиком Йозефом Вильбрандом, но еще 100 лет назад это соединение было экзотикой. Например, в Энциклопедическом словаре Брокгауза и Ефрона оно даже не упоминается, хотя в 66-м полутоме словаря (изданном в 1901 г.) есть статья о никому не известном взрывчатом веществе тринитроацетонитриле. Тол широко используется при взрывных работах в промышленности в виде литых (или прессованных) шашек, поскольку это вещество можно без опасений плавить, нагревая выше 80 °С.

Печальную известность приобрел в последнее время гексоген (циклонит, RDX, систематическое название 1,3,5-тринитро-1,3,5триазациклогексан). Это взрывчатое вещество более мощное и чувствительное к внешним воздействиям, чем тротил. Гексоген с добавками парафина или воска, а также в смеси с другими веществами (тротилом, нитратом аммония, алюминием) начали применять в 1940 г. Он используется для снаряжения боеприпасов, а также входит в состав аммонитов, которые используют для скальных работ.

Наиболее мощная взрывчатка, производящаяся с 1955 г. в промышленном масштабе, – октоген (тетраметилентетранитрамин, НМХ, систематическое название 1,3,5,7-тетранитро-1,3,5,7-тетраазоциклооктан). Октоген довольно стабилен к нагреву, поэтому его используют при взрывных работах в высокотемпературных условиях, например, в глубоких скважинах. Смесь октогена с тротилом (октол) – компонент твердых ракетных топлив.

Абсолютный же рекорд держит синтезированный в США в 1990 г. гексанитроизовюрцитан (CL20). Ударная волна при его взрыве распространяется в 30 раз быстрее звука!

В заключение этого раздела отметим, что взрывчатые смеси существовали, оказывается, задолго до появления на Земле человека. Небольшой (1–2 см в дину) оранжево-синий жук-бомбардир Branchynus explodans защищается от нападений весьма остроумным способом. В небольшом мешке в его теле накапливается концентрированный раствор пероксида водорода. В нужный момент этот раствор быстро смешивается с ферментом каталазой. Протекающую при этом реакцию наблюдал каждый, кто обрабатывал порезанный палец аптечным 3%-ным раствором перекиси водорода: раствор буквально вскипает, выделяя пузырьки кислорода. У жука же концентрация пероксида значительно выше. Поэтому реакция идет намного быстрее, причем смесь сильно нагревается (тепловой эффект разложения Н_2О_2 – 95 кДж/моль). У жука одновременно с этой идет еще одна реакция, катализируемая ферментом пероксидазой: Н_2О_2 окисляет гидрохинон до бензохинона (тепловой эффект этой реакции – более 200 кДж/моль):

Выделяющейся энергии достаточно, чтобы быстро нагреть раствор до 100 °С и даже частично испарить его. А взрыв как раз и вызывается очень быстро идущей экзотермической реакцией. Реакция у жука идет настолько быстро, что едкая смесь, разогретая до высокой температуры, выстреливается с громким звуком во врага. Если струя, масса которой всего полграмма, попадет на кожу человека, она вызовет небольшой ожог.

Диковинки в мире молекул

Говоря о молекулах-рекордсменах в разных областях их «соревнований», нельзя, конечно, не сказать о том, какая молекула самая большая. Если определить молекулу как группу атомов, связанных ковалентными связями, то самая большая молекула была в буквальном смысле… выкопана из земли. Произошло это в Южной Африке на руднике «Премьер», где 25 января 1905 г. нашли огромный алмаз массой 621,2 г. Этот прозрачный и почти совершенный кристалл (он получил название «Куллинан» в честь президента компании Томаса Куллинана) вполне соответствовал определению молекулы (только на поверхности кристалла свободные валентности углеродных атомов насыщаются атомами водорода и кислорода, но их тоже можно считать в составе молекулы). К сожалению, эта молекула-рекордсменка просуществовала всего три года: в 1908 г. ее разделили на 9 больших и 95 маленьких «молекул» (самые большие из них украшают британскую корону и скипетр).

Эта самая большая в мире «молекула» до обработки содержала 3,1 · 10 25 атомов углерода

Самая же большая и тяжелая из «обычных» молекул – мышечный белок титин, состоящий из последовательности 26 926 аминокислот и имеющий молекулярную массу 2 993 000; его длина превышает 1 мкм (1000 нм), тогда как размеры обычных молекул измеряются долями нанометра. Немногим уступают титину рибосомы, которые играют ключевую роль в биосинтезе белков. Так, рибосомы кишечной палочки состоят из связанных в единое целое трех нитей РНК и 55 белковых молекул с суммарной молекулярной массой около 2 700 000. Из природных продуктов рекорд по длине углеродной цепи принадлежит омега-аминокислоте (27), молекула которой содержит 62 связанных друг с другом атомов углерода. Это вещество было выделено из микроорганизмов стрептомицетов (по-гречески streptos и значит «цепочка»). Сообщение об этом веществе появилось в 1996 г. в журнале Английского химического общества. Авторы статьи (четверо из пяти – японцы) назвали рекордсмена линейномицином В; он является антибиотиком и убивает как бактерии, так и грибки.

Структура 27

Все это – молекулы природного происхождения. А на что способны химики-синтетики? Напомним, что речь идет о молекулах определенной длины, а не о смеси неопределенного состава типа полиэтилена. Тут химики природу обогнали. Соединение с самыми длинными молекулами было синтезировано в 1985 г. английскими химиками И. Биддом и М. Уайтингом. Это нонаконтатриктан С_390Н_782, предельный углеводород (алкан), содержащий цепочку из 390 углеродных атомов. Исследователей интересовало, как будут упаковываться такие длинные цепи при кристаллизации (гибкие углеводородные цепочки могут легко складываться). В отличие от алканов молекулы с чередующимися простыми и тройными связями (сопряженные полиины) жесткие. Подобные структуры обладают по сравнению с алканами высокой реакционной способностью, так что неудивительно, что рекорд здесь не обновлялся с 1972 г., когда было синтезировано вещество (С_2Н_5)3Si(CH≡CH)16Si(C_2H_5)3 с 32 атомами углерода в цепи. Эта цепочка, несмотря на ее стабилизацию концевыми триэтилсилильными группами, оказалась весьма нестабильной. Только соединение (СН_3)3С–(СН≡СН)12–С(СН_3)3 с 24 атомами углерода в полииновой цепи и с концевыми трет-бутильными группами было достаточно стабильным.

Чем интересны такие вещества? Полииновая сопряженная цепочка является хорошим проводником и может в принципе служить крошечной «проволочкой» для нанотехнологии. В 1996 г. удалось даже «припаять» к концам подобной проволочки «электроды» в виде атомов рения, каждый из которых связан с молекулой оксида азота NО и молекулами циклопентадиенила Ср и трифенилфосфина Р(С_6Н_5)3:

Cp(NO)P(C_6H_5)3Re–(СН≡СН)12–ReР(C_6H_5)3(NO)Cp.

Оказалось, что электроны действительно могут переноситься от одного атома рения к другому через цепочку из 24 атомов углерода. Отметим, что небольшие добавки, например йода к полиацетиленовым молекулам, в миллионы раз увеличивают их электропроводность. Работы в этом направлении увенчались присуждением в 2000 г. Нобелевской премии по химии.

Особый интерес представляют длинные цепи, свернутые в кольца, – макроциклы. Самый большой из них (46 атомов углерода и кислорода в цикле; структура 28) описан в 1990 г. в японском «Химико-фармацевтическом бюллетене». Авторы (среди них – ни одного англичанина) выделили это соединение из морской губки Theonella swinhoeli и потому назвали его изосвинхолидом. Оно является сильным клеточным ядом. Следует отметить, что в области макроциклов природа далеко отстала от химиков, которым удалось синтезировать кольца с 288 атомами углерода. Это циклооктаоктаконтадиктан С_288Н_576.

Структура 28

Перейдем теперь к другой крайности – самым маленьким циклам, содержащим всего три атома в кольце. Производные циклопропана и циклопропена хорошо известны, а вот циклопропин с тройной связью в кольце получить никому не удалось. В 1994 г. группа немецких химиков сумела получить спектральные доказательства существования при очень низких температурах силациклопропина C_2SiH_2 с атомом кремния в цикле. Атом кремния намного больше атома углерода (ковалентные радиусы 0,12 и 0,08 нм соответственно) и потому делает возможным существование этой молекулы. Самым маленьким чисто углеродным циклом с тройной связью оказался циклопентин, вернее, его производное аценафтин (29), содержащий нафталиновое ядро из двух бензольных колец. Аценаф тин – ацетиленовый аналог хорошо известного аценафтилена с двойной связью в пятичленном цикле.

Структура 29

Аценафтилен содержится в каменноугольной смоле, продуктах переработки сланцев, табачном дыме. А отличие от аценафтилена аценафтин очень нестабилен, и его существование доказано лишь по продуктам присоединения по тройной связи. Самый маленький цикл с одной тройной ацетиленовой связью, стабильный при обычных условиях, – это восьмичленный циклооктин С_8Н_12. Из циклических сопряженных полиинов (в них чередуются тройные и одинарные связи) самый маленький из известных содержит 12 атомов углерода, а самый большой – 30. Поскольку эти соединения циклические и у них нет концевых групп, они не содержат ни одного атома водорода и в этом отношении напоминают фуллерены. Более того, две положительно заряженные молекулы упомянутого циклополиина с 30 атомами углерода могут реагировать с образованием бакминстерфуллерена (17)!

Особый интерес для химиков-теоретиков представляют циклы с сопряженными (чередующимися) двойными связями – аннулены (самый известный из них – бензол). Дело в том, что на этих соединениях можно экспериментально проверить правило Хюккеля: если в единой сопряженной системе число π-электронов равно 4n + 2, то данное соединение относится к ароматическим. Оказалось, что самый большой аннулен, содержащий 26 атомов углерода (и одну тройную связь; структура 30), действительно обладает ароматическим характером. Если же двойные связи не чередуются с простыми, а расположены по соседству, то такие соединения называются кумуленами. Самый известный из них – газообразный пропадиен (аллен) СН_2=С=СН_2. Кумулены встречаются в природе – в продуктах жизнедеятельности низших грибов, высших растений, насекомых. Так, в некоторых растениях содержится производные бутатриена СН_2=С=С=С=СН_2. Все это линейные соединения. Циклические же кумулены долгое время были неизвестны. Только в 1990 г. получили 1,2,3-циклогексатриен (31), в 1992 г. – его 1,2,4-изомер (32) и, наконец, в 1996 г. – самый маленький из известных циклических кумуленов – 3,4-дидегидротиофен (33). Все эти соединения обладают очень высокой реакционной способностью; их существование было доказано по продуктам присоединения. Любопытно, что имя одного из авторов статьи о 1,2,3-гексатриене – Уильям Шекспир (бывший аспирант из Университета штата Нью-Хэмпшир). По этому поводу его руководитель Ричард Джонсон как-то пошутил: «Я – основной соавтор Уильяма Шекспира! А ведь на нашем факультете английского языка такого филолога не сыщешь».

Стуктуры 30—33

Некоторые соединения интересны своей правильной геометрической формой. Еще древним грекам были известны правильные выпуклые многогранники, получившие название платоновых тел. Всего их пять – тетраэдр, куб, октаэдр, додекаэдр (12 пятиугольных граней) и икосаэдр (20 треугольных граней). Химиками пока получены молекулы в форме трех из этих многогранников. Самый простой из них – тетраэдран до сих пор неизвестен, хотя в 1978 г. было получено его производное, содержащее стабилизирующие трет-бутильные группы (34). Кубан известен с 1964 г. Наконец, «химический» додекаэдран (35) был реализован в 1982 г. путем 23-стадийного (!) синтеза. Очень красивую структуру имеют также фуллерены. Самый известный из них – бакминстерфуллерен С_60(17) содержит 20 шестиугольных и 12 пятиугольных углеродных циклов – точь-в-точь, как футбольный мяч. Его синтез не требует многостадийных операций: достаточно быстро охладить пары´ графита, полученные в электрической дуге. Этот фуллерен производится в промышленном масштабе; правда, пока он довольно дорог, но цена быстро снижается. Если в 1994 г. 1 г его стоил 550 долларов, то через 10 лет – уже в 10 раз меньше.

Структура 34

Структура 35

Практически неограниченные возможности для молекулярного дизайна создают бензольные кольца. Химики научились соединять их в самых причудливых комбинациях. Еще с XIX в. известны линейные цепочки из сочлененных бензольных колец – нафталин (два кольца), антрацен (три кольца). Пока удалось довести этот ряд до семичленного гептацена (36). Если же рассматривать не только прямолинейные, но и зигзагообразные структуры, то рекорд здесь принадлежит синтезированному в 1997 г. тетрапентил[11]фенацену, состоящему из 11 колец (37). Синтезу более длинных цепей препятствует очень низкая растворимость подобных соединений.

Структура 36

Структура 37

Если не чередовать расположение бензольных колец, как в фенацене, а присоединять их с одной и той же стороны, то вплоть до пяти соединенных таким способом колец молекула остается плоской (что легко проверить с помощью карандаша и бумаги, рисуя правильные шестиугольники, постепенно образующие кольцо). Но уже шестому кольцу в гексагелицене мешает первое (последние кольца в цепи должны быть свободными), и молекула начнет сама по себе закручиваться в так называемую гелиценовую спираль. Рекорд по числу колец в таких молекулах принадлежит [14]-гелицену, в котором спираль из 14 колец делает почти 2,5 витка. Гелицены, несмотря на отсутствие асимметрических атомов углерода, обладают оптической активностью и могут существовать в виде двух модификаций – правой и левой спирали. Такие соединения характеризуются необыкновенно высоким удельным вращением (т. е. углом поворота плоскости поляризации света при единичной концентрации вещества): уже у гексагелицена удельное вращение равно 3640°, что в 55 раз больше, чем у сахарозы!

Гексагелицен

Плотно конденсируя все больше и больше бензольных колец, можно получить пирен, перилен, коронен и т. д. В пределе, конденсируя бесконечное число колец, получим слоистую структуру графита. Из описанных в литературе полициклов самый большой – углеводород С_150Н_30 (38), содержащий 61 бензольное кольцо.

Пирен

Перилен

Коронен

Назвать его затруднительно, да он еще и не синтезирован, а изучен пока только теоретически. А вот кекулен (39), названный в честь Фридриха Августа Кекуле фон Штрадоница, который впервые предложил структуру молекулы бензола, был действительно синтезирован немецкими химиками в 1983 г. Это рекордный по размерам цикл, построенный из бензольных колец. В книгу рекордов можно занести и экспериментальную технику доказательства его строения. Так, спектр ядерного магнитного резонанса этого соединения, ввиду его исключительно низкой растворимости, снимали в горячем дейтерированном тетрахлорбензоле при температуре 155 °С (он при этой температуре почти не испаряется, так как кипит выше 250 °С, а дейтерий нужен, чтобы сигнал атомов растворителя не накладывался на сигнал атомов водорода изучаемого соединения). Для получения монокристаллов кекулена (они нужны для рентгеноструктурных исследований) расплав этого вещества в пирене медленно, в течение суток охлаждали от 450 до 150 °С.

Структура 3 8

Структура 3 9

Марка со структурой бензола, посвященная 150-летию со дня рождения Кекуле

Необычные и красивые структуры, вполне достойные книги рекордов, возникают при симметричном замещении атомов водорода в метане на ароматические кольца. Сначала получается тетрафенилметан С(С_6Н_5)4, к которому можно наращивать все более длинные «хвосты». Пока удалось получить «пропеллер» (40), его лопасти состоят из четырех таких соединенных в цепочку колец, из которых три бензольных и одно пиримидиновое, с двумя атомами азота в цикле.

Структура 40

Известно, что в твердом бензоле ароматические кольца лежат стопкой одно над другим на расстоянии 0,34 нм. Казалось бы, если два соседних кольца соединить с противоположных концов мостиками –СН_2СН_2–, как в [2.2] парациклофане, то эти кольца должны оказаться дальше друг от друга, как в шаростержневой модели (41). На самом деле они сближаются до 0,31 нм. Поэтому неудивительно, что, соединив между собой (в результате 10-стадийного синтеза) все шесть вершин двух молекул бензола в «суперфане» (42), химики добились рекордного сближения ароматических колец – до 0,26 нм. Если же два бензольных кольца соединить перемычками из трех звеньев –СН_2СН_2СН_2–, то получается не менее изящная структура 43, напоминающая очертаниями турбину или мельничное колесо. Синтезировала этот шедевр группа японских химиков в 1996 г. Химики умеют соединять подобным способом сразу несколько бензольных колец; пока им удалось построить «этажерку» из шести циклов (структура 44). То, что это достижение не предел синтетических возможностей современной химии, свидетельствует получение олимпиадана (структура 45). В полном соответствии со своим названием эта молекула состоит из пяти продетых друг в друга циклов.

Структура 41

Структура 42

Структура 43

До сих пор рассматривались только органические молекулы, в состав которых входят атомы всего нескольких элементов (чаще всего углерода и водорода). В органических соединениях могут присутствовать также атомы кислорода, азота, галогенов, серы, реже – других элементов. А сколько разных элементов можно «напихать» в одну молекулу? В справочнике «Свойства органических соединений» (Л.: Химия, 1984) удалось найти вещества, молекулы которых состоят не более чем из шести разных элементов, например, хлорангидрид 2,4-динитробензосульфоновой кислоты C_6H_3(NO_2)2SO_2Cl. Но это далеко не рекорд. «Чемпион» содержит в молекуле атомы 11 разных ковалентно связанных элементов! Его синтезировали в 1991 г. английские химики П. К. Байерс и Ф. Дж. Стоун.

Структура 44

Структура 45

Структура 46

Это металлоорганическое соединение (структура с брутто-формулой C_30H_34AuBClF_3N_6O_2P_2PtW.

Вероятно, даже очень опытному химику придется немало поломать голову, чтобы обозвать этого монстра по всем правилам химической номенклатуры!

Вкус и запах

Многие, особенно неспециалисты, несправедливо считают, что химия – это когда гремит и сверкает. Так написал в своей книжке для школьников «Опыты без взрывов» Ольгерт Ольгин. «А также, когда воняет», – мог бы добавить химик. Алексей Дмитриевич Иорданский, много лет проработавший в редакции журнала «Химия и жизнь», как-то высказал такой шутливый афоризм: «Если оно зеленое или извивается, то это биология. Если воняет, то это химия. Если оно не работает, то это физика». Действительно, нос химика-синтетика, работающего в большой лаборатории, ежедневно подвергается серьезным испытаниям. Ведь некоторые вещества уже в ничтожно малых количествах способны выгнать человека из комнаты. Какие же вещества имеют самый неприятный запах и к каким человеческий нос наиболее чувствителен? Распространено мнение, что человек более чувствителен к неприятным запахам. Например, свободная масляная кислота С_3Н_7СООН, как и все карбоновые кислоты с небольшим числом атомов углерода, обладает резким отвратительным запахом. Поэтому, когда масло портится, масляная и другие кислоты выделяются в свободном состоянии и придают ему неприятный (прогорклый) запах и вкус. А вот другой пример. Чеснок и лук резко пахнут потому, что выделяют сернистые соединения: чеснок – в основном диаллилдисульфид (CH_2=CH–CH_2)2S_2 и аллицин CH_2=CH–CH_2–S(O)– –S–CH_2–CH=CH_2, лук – аллилпропилдисульфид CH_2=CH– –CH_2–S–S–CH_2–CH=CH_2. Во всех этих словах есть корень «аллил», который происходит от латинского названия чеснока Allium sativum. Интересно, что в чесноке и луке этих соединений нет, но есть много аминокислоты цистеина с сульфгидрильными группами –SH. При разрезании чеснока или лука эти аминокислоты под действием ферментов (в частности, аллииназы) превращаются в пахучие дисульфиды. В луке происходит одновременно образование тиопропиональдегид-S-оксида CH_3–CH_2–CH=S=O, который является довольно сильным лакриматором, т. е. вызывает слезотечение. Вообще при обработке чеснока – его разрезании или дроблении в течение короткого промежутка времени – образуются сотни органических сернистых соединений!

Кстати, упомянутые дисульфиды обладают редкой особенностью. Многие замечали, что от запаха лука или чеснока почти невозможно избавиться: не помогают ни чистка зубов, ни полоскание рта. А дело в том, что эти соединения выделяются не изо рта, а из легких! Дисульфиды, проникнув из пищи в стенки кишечника и далее – в кровь, разносятся ею по всему организму, в том числе и в легкие. Там они и выделяются с выдыхаемым воздухом.

Одним из самых неприятных запахов обладают тиолы, или меркаптаны R–SH (первое название происходит от греческого слова theion – «сера»; второе отражает способность этих соединений связывать ртуть, по-английски – mercury capture). К природному газу, который горит в плите на кухне (в основном это метан), добавляют ничтожные количества очень сильно пахнущего вещества, например 3-метилбутантиола (изоамилмеркаптана) (CH_3)2CH– –CH_2–CH_2–SH, что позволяет обнаружить по запаху утечку газа в жилых помещениях: человек способен почувствовать запах этого соединения в количестве двух триллионных долей грамма! Однако изредка встречаются люди (примерно 1 человек из 1000), которые не чувствуют запаха меркаптана. Может быть, этим частично объясняются случаи взрывов при утечке газа? «Запаховый дальтонизм», по-научному аносмия (от греч. osme – «запах»), изредка распространяется на все запахи, но чаще – на некоторые определенные (специфическая аносмия). Так, 2 % населения не ощущают сладковатого запаха изовалериановой кислоты, 10 % не чувствуют запаха ядовитой синильной кислоты, 12 % – запаха мускуса, 36 % – солода, 47 % – гормона андростерона.

Меркаптаны придают запах крайне зловонному секрету скунса – небольшого зверька семейства куньих (другое его название – вонючка). Описаны случаи, когда люди теряли сознание, вдохнув выделения этих животных, и даже на следующий день чувствовали головную боль. Выделения скунса были подробно проанализированы с химической точки зрения в 1975 г. К. К. Андерсеном и Д. Т. Бернстейном. Они обнаружили в них уже упоминавшийся изоамилмеркаптан, а также транс-2-бутен-1-тиол (кротилмеркаптан) CH_3–CH=CH–CH_2–SH и транс-2-бутенилметилдисульфид CH_3–CH=CH–CH_2–S–S–CH_3. Но бывают, оказывается, запахи и похуже. В знаменитой Книге рекордов Гиннесса к самым зловонным химическим соединениям отнесены этилмеркаптан С_2Н_9SН и бутилселеномеркаптан С_4Н_9SеН – их запах напоминает комбинацию запахов гниющей капусты, чеснока, лука и нечистот одновременно. А в учебнике А. Е. Чичибабина «Основные начала органической химии» сказано: «Запах меркаптанов – один из самых отвратительных и сильных запахов, какие встречаются у органических веществ… Метилмеркаптан CH_3SH образуется при гидролизе кератина шерсти и гниении белковых веществ, содержащих серу. Он находится также в человеческих испражнениях, являясь вместе со скатолом (β-метилиндолом) причиной их неприятного запаха».

От противных запахов обычно избавляются, забивая их более сильным запахом какого-либо дезодоранта, который при частом употреблении сам может стать причиной неприятных ассоциаций. А вот американец К. Дж. Виснер в 1989 г. взял патент на «шампунь от скунса», в состав которого входит 2%-ный раствор иодата калия KIO_3. Это соединение легко окисляет меркаптаны и дисульфиды до сульфоксидов RR_1S=O, органических сульфатов (RO)2SO_2 или сульфонов R–SO_2–R_1, которые запахом не обладают.

И все же рекорд чувствительности принадлежит соединению с приятным запахом. В Книге рекордов Гиннесса утверждается, что это вещество – ванилин: его присутствие в воздухе можно почувствовать при концентрации 2 · 10–11 г в 1 л. Однако этот рекорд сравнительно недавно был побит. Новый рекордсмен – так называемый винный лактон, который, как показал в 1996 г. швейцарский химик Х. Гут, придает красным и белым винам сладковатый кокосовый аромат. Поразительна чувствительность носа к этому веществу: его можно почувствовать при концентрации 0,01 пикограмма (10–14 или одна стотриллионная доля грамма) в 1 л воздуха. Как нередко бывает, эта особенность свойственна только одному из пространственных изомеров лактона – тому, что изображен на рисунке. Запах его антипода можно почувствовать лишь при концентрации 1 мг/л, что на 11 порядков больше! Как обычно, есть здесь и своя ложка дегтя. Так, довольно простое вещество – 2,4,6-трихлоранизол придает винам (естественно, не самым качественным) «корковый» запах. Опытные дегустаторы способны обнаружить присутствие этого соединения при содержании 10 нг (нанограммов) в 1 л. К счастью, это на шесть порядков больше, чем у винного лактона. Предполагают, что трихлоранизол действительно образуется в корковой пробке бутылки под действием микроорганизмов. Не исключено, что первоисточником этого вещества являются хлорсодержащие инсектициды, которыми уничтожают насекомых в винных подвалах.

Винный лактон

Трихлоранизол

Другие знакомые всем пахучие вещества далеко отстают от рекордсменов. Однако некоторые из них имеют поразительную стойкость. В городе Марракеше в Марокко находится минарет – башня высотой около 70 м, построенная по приказу султана в знак победы над испанцами. Минарет знаменит тем, что его стены пахнут мускусом. Натуральный мускус – ценное благовоние, которое вырабатывают железы самца кабарги – животного семейства оленей. Запах мускусу придает 3-метилциклопентадеканон-1 (мускон). Оказывается, при строительстве минарета в 1195 г. в цемент, скрепляющий камни, подмешали около 1000 мешков мускуса. И запах не исчез даже спустя 800 лет… Если бы для определения рекордсменов по части запаха использовали не только человеческий нос, результаты изменились бы очень сильно. Известно, например, насколько нюх собаки тоньше нашего. Несравнимо более чувствительны органы обоняния насекомых. Сигналом для них являются особые вещества – феромоны. Чувствительность к ним удивительна. Например, муравьи вида Atta texana используют метиловый эфир 4-метилпиррол-2-карбоновой кислоты, чтобы метить свои тропы. Всего одного миллиграмма этого соединения достаточно, чтобы пометить тропинку, втрое длиннее земного экватора! Муравью достаточно синтезировать для своих надобностей всего 3 нг этого соединения. Еще чувствительнее к феромонам бабочки – их самцы ощущают присутствие самок на расстоянии нескольких километров. Некоторые бабочки обнаруживают присутствие феромонов, если в 1 см^3 воздуха содержится одна-единственная молекула! Для сравнения: винный лактон мы чувствуем при концентрации 10–17 г/см^3, что при молекулярной массе 134 соответствует 45 000 молекул/см^3.

Мускон

Муравьиный феромон

Феромоны обычно имеют молекулярную массу от 100 до 300. Самый же простой по строению «сигнальный агент» – диоксид углерода (углекислый газ). Для некоторых видов муравьев он тоже служит феромоном. Оказавшись далеко от муравейника, рабочие муравьи находят дорогу домой, двигаясь в сторону увеличения концентрации СО_2, которая максимальна около скопления муравьев. Привлекает этот газ и личинок некоторых червей, питающихся корнями кукурузы. Вылупившись, крошечные личинки способны в поисках пищи пройти путь в земле до 1 м, руководствуясь запахом СО_2, который выделяют корни растений.

Очень интересны взаимоотношения между смоковницами, их плодами и живущими в них фиговыми осами. Когда инжир созревает, концентрация СО_2 в ягодах повышается на 10 %. Этого достаточно, чтобы усыпить осиных самок. Самцы же остаются активными, оплодотворяют самок и вылетают наружу, проделав в ягодах ход. Через эти дырочки избыток СО_2 улетучивается, самки просыпаются и тоже покидают ягоды, заодно унося на своих щетинках пыльцу растения.

Для теплокровных животных значительное повышение концентрации СО_2 в воздухе может быть губительным. Известны многочисленные случаи гибели людей в пещерах, на дне которых скапливался этот тяжелый (в 1,5 раза тяжелее воздуха) газ. Самая большая катастрофа, вызванная углекислым газом, произошла в Камеруне, на озере Ниос. Это озеро представляет собой заполненный водой кратер потухшего вулкана. В течение тысячелетий газ из недр просачивался в воду, которая оказалась им перенасыщенной. По невыясненной причине 21 августа 1986 г. газ неожиданно и очень быстро, всего за 15–20 с, выделился в воздух, как он выделяется из откупоренной бутылки с газированной водой, и распространился по низинам вокруг озера. По оценкам, его было 1,2 миллиона кубических километров! В результате от удушья в радиусе 10 км погибли 1700 человек и более 3000 животных.

Поговорим теперь о рекордах в ощущении вкуса. Как уже упоминалось в главе 3, описан случай, когда один пробующий уловил горечь фенилтиомочевины при ее концентрации в растворе всего лишь 0,01 мг/л, в то время как другие не обнаружили то же вещество, когда его было 2,5 г/л, т. е. в 250 000 раз больше. Подобные обстоятельства весьма затрудняют определение «рекордсменов» вкуса.

Самым жгучим вкусом обладает, вероятно, одно из производных ванилина – ванилиламид 8-метил-6-ноненовой кислоты, он же капсаицин (от латинского названия стручковых перцев рода Capsicum). Больше всего его в однолетнем перце Capsicum annum – около 0,03 %. Если пожевать немного этого перца, потом очень трудно избавиться от жгучей боли в языке. Человек может переносить вкус этого соединения в течение 2 мин, если его концентрация не превышает 0,004 мг/л. По последним данным, капсаицин может найти применение в медицине: опыты на мышах показали, что это вещество убивает до 80 % раковых клеток в простате. Пока не ясно, как капсаицин будет действовать на человека с таким заболеванием, а также каким образом вводить его в организм.

Капсаицин известен с 1876 г., а в 1989 г. был выделен растительный яд ресинифератоксин, который обладает аналогичным физиологическим действием, но в концентрациях в 10 000 раз меньших! Как не без иронии замечают авторы книги «Мировые рекорды в химии», пока не ясно, захочет ли кто-нибудь использовать замечательные свойства этого соединения в качестве острой приправы. Трудно описать, каков вкус у грейпфрута. Но именно из их плодов, переработав 100 л грейпфрутового сока, швейцарские химики Э. Демолле, П. Энггист и Г. Олофф выделили в 1982 г. «рекордсмена» вкуса. Как ни удивительно, но он оказался меркаптаном, его химическое название – 1-пара-ментен-8-тиол. Вкус этого соединения можно почувствовать при концентрации всего 0,02 нг/л.

Капсаицин

Ресинифератоксин

1-пара-ментен-8-тиол

Кажется невероятным, но для получения такой концентрации в огромном танкере со 100 000 т воды надо растворить всего 2 мг вещества!

Рекорды окраски

Одно из важнейших свойств красителя – длина волны света, отвечающая максимуму поглощения. От этой характеристики во многом зависит, какого цвета будет данное соединение. Так, если вещество поглощает свет в желтой области спектра (585–595 нм), то оно будет иметь голубой цвет; и наоборот – поглощение голубого света (440–480 нм) придает веществу желтый цвет. Обычно считают, что максимум поглощения – такая же физическая характеристика вещества, как, скажем, температура плавления. Однако часто этот максимум заметно сдвигается при смене растворителя. Это явление называется сольватохромизмом (термин образован от латинского слова solvere – «растворять» и греческого chroma – «цвет»). Из неорганических соединений самый известный пример – растворы йода: в бензине они имеют фиолетовый цвет, а в бензоле или в спирте – коричневый. Примером органического вещества, обладающего таким свойством, может служить широко распространенный в природе краситель β-каротин (на латыни carota – «морковь»). Раствор этого интенсивно окрашенного вещества в гексане имеет максимум поглощения в сине-зеленой области спектра (482 нм) и соответственно оранжевый цвет. Раствор этого же соединения в хлороформе имеет максимум при 497 нм и красную окраску, а раствор в сероуглероде поглощает в зеленой области (520 нм) и имеет пурпурный цвет. Значит, растворяя одно и то же вещество в разных средах, можно получить растворы разной окраски. Рекордсменом по части сольватохромизма является бетаиновый краситель, полное название которого – 4-(2,4,6-трифенилпиридин-1-ил)-2,6-дифенилфенолят-анион:

Структура 47

Максимум поглощения этого аниона в водном растворе приходится на синюю область (452,9 нм); это в точности совпадает с максимумом поглощения β-каротина, поэтому такой раствор должен иметь морковный цвет. Максимум поглощения того же аниона, растворенного в дифениловом эфире (С_6Н_5)2О, сдвигается до 809,7 нм, т. е. на невидимую инфракрасную область спектра! Таким образом, сдвиг составляет 356,8 нм – величину, бо́льшую, чем вся область видимого света (от 400 до 700 нм). Известны случаи и «обратного» сольватохромизма, когда поглощение сдвигается в синюю область спектра при переходе от полярного растворителя к неполярному. Так, одно из производных тиофена имеет максимум поглощения при 597 нм в полярном растворителе (смесь формамида и воды) и при 462 нм в неполярном (раствор гексана).

Другая важная оптическая характеристика вещества – интенсивность поглощения света в максимуме спектральной полосы. Чем сильнее это поглощение, тем сильнее и окраска. При прочих равных условиях (концентрация, толщина поглощающего слоя) она определяется молярным коэффициентом поглощения ε (раньше его называли коэффициентом экстинкции) и измеряется в единицах л/(моль · см). У красителей значения ε доходят до сотен тысяч (для сравнения: для интенсивно окрашенного фиолетового комплекса ионов меди с аммиаком в водном растворе ε = 110, а для чистого раствора медного купороса – в несколько раз меньше). К веществам с самыми высокими значениями ε относятся порфирины (от греч. porphyreos – «пурпурный»). Два рекорда были установлены в течение двух лет подряд. Сначала в 1995 г. немецкие химики синтезировали октаэтилпорфирин с максимумом поглощения при 460 нм и ε = 1 120 000 л/(моль · см), а в следующем году их английские коллеги синтезировали симметричную структуру, содержащую девять порфириновых циклов (48). Это соединение имеет сине-зеленую окраску (максимум поглощения при 620 нм) и рекордный коэффициент поглощения: ε = 1 150 000 л/(моль · см). Окраска вещества с таким коэффициентом становится заметной при его концентрации в растворе менее 10–8 моль/л (при толщине слоя 10 см).

Октаэтилпорфирин ( комплекс с платиной )

Структура 48

Яды и токсины

Ядовитые вещества с древних времен привлекали к себе особое внимание. С ними связано множество легенд и преданий. Так, белому мышьяку (оксид As_2O_3) в течение многих веков сопутствовала слава «порошка для наследников», а в Венеции при дворе правителей держали специалистов-отравителей. Бесчисленны и «литературные жертвы» этого элемента. Мышьяком, как правило, травила героев в своих детективах Агата Кристи. Вместе с тем давно известно, что соединения, ядовитые в больших дозах, могут быть целебными в малых, о чем говорил еще в первой половине XVI в. Парацельс. Например, традиционное орудие убийц – оксид мышьяка в небольших дозах (до 5 мг) полезен; его назначают внутрь в качестве общеукрепляющего и тонизирующего средства. Недаром алхимический символ мышьяка – змея – вошел составной частью в герб медицины.

Алхимический знак

Современный символ и символ мышьяка медицины

А какой яд самый сильный, «самый ядовитый»? Ответить на этот вопрос не так-то просто по разным причинам. Для характеристики токсичности того или иного соединения чаще всего используют понятие летальной дозы LD_50, которая вызывает гибель 50 % подопытных животных. Как правило, дозу измеряют массой яда, приходящегося на 1 кг массы животного. Однако использование понятия летальной дозы имеет свои ограничения. Во-первых, величину LD_50, определенную, например, для мышей, очень редко можно переносить на других животных, в том числе и на человека. Дело в том, что у разных животных биологическая реакция на один и тот же яд может сильно различаться. Например, ядовитость никотина для человека примерно такая же, как у цианистого калия (50–100 мг или 1–2 капли), тогда как козы и косули вообще невосприимчивы к никотину. Во-вторых, экспериментально определенная (например, на мышах) доза LD_50 зависит от того, введен ли яд подкожно, внутривенно, внутримышечно либо перорально (через пищевой тракт). Наконец, даже заведомо нелетальная доза может привести к серьезному поражению того или иного органа, особенно в долгосрочной перспективе, и вызвать в конечном счете гибель организма. Тем не менее величину LD_50 широко используют на практике, в том числе для сравнения токсичности разных классов химических соединений.

Самые ядовитые из известных веществ – это токсины (от греч. toxikon – «яд»), яды (обычно белковые), вырабатываемые бактериями, растениями или животными. Для них величину LD_50 обычно выражают в микрограммах (миллионных долях грамма) на 1 кг массы животного (мкг/кг). Иногда приходится даже оперировать нанограммами (миллиардными долями грамма). Чемпионом среди токсинов является ботулинический токсин: для него LD_50= 0,03 нг/кг = 0,00003 мкг/кг. Это в 300 млн раз меньше, чем для цианистого калия! Ботулин – белок с молекулярной массой 150 000, вырабатываемый бактериями Clostridium botulinum, которые размножаются в испорченных либо неправильно хранящихся продуктах питания (колбасах, консервах и др.) в отсутствие кислорода. Кстати, само название токсина происходит от греческого слова botulus – «колбаса». Смерть обычно наступает из-за паралича дыхательной мускулатуры. К счастью, этот токсин не переносит повышенных температур и разрушается при кулинарной обработке. Этим и объясняется сравнительно редкое отравление ботулином. А вот с токсином столбняка – вторым по ядовитости соединением (LD_50 = 0,0001 мкг/кг) знакомы очень многие: его (в инактивированной форме) вводят во время прививок. Третье место по токсичности (LD_50 = 0,019 мкг/кг) занимает β-бунгаротоксин, который вырабатывается в организме змеи бунгарос (она водится в Южной Азии). Почти равен ему по ядовитости дифтерийный токсин, вырабатываемый дифтерийными бактериями, для него LD_50 = 0,024 мкг/кг. Для сравнения: величина LD_50 для токсина скорпиона (титьютотоксина; от латинского названия одного из видов скорпионов Tityus serrulatus) равна 9 мкг/кг, для токсина гремучей змеи Crotalus durissus terrificus (крототоксина) – 50 мкг/кг, для токсина очковой змеи (нейротоксина) – 75 мкг/кг, а смертельная для человека доза яда кобры составляет 200 мкг/кг.

Из небелковых токсинов самые ядовитые выделены из морских организмов. Их молекулярная масса значительно меньше; так, у палитоксина (он относится к классу поликетидов) она равна «всего» 2679, а LD_50 = 0,45 мкг/кг. Источник палитоксина – шестилучевые кораллы зоонтарии (Palythoa toxica и др.), от латинского названия которых образован это термин. Не исключено, что в действительности палитоксин продуцируется не самими кораллами, а вирусом, находящимся в симбиозе с кораллами. Аборигены Таити и Гавайских островов издавна использовали зоонтарии для приготовления отравленного оружия.

Еще более ядовиты майтотоксин (LD_50 = 0,05 мкг/кг) и сигуатоксин (LD_50 = 0,35 мкг/кг), с химической точки зрения – поликетиды. Название первого происходит от «майто» – так на Таити называют черную рыбу-хирурга, из внутренностей которой этот токсин впервые был выделен в 1971 г. Сигуатоксин был выделен из одноклеточных жгутиковых организмов (динофлагеллятов), которые обитают в некоторых видах планктона. При размножении этих микроорганизмов в воде скапливаются вещества, окрашивающие ее в ржаво-красный цвет; это явление известно с древнейших времен и получило название «красный прилив». Оно сопровождается массовой гибелью рыб и других морских организмов, а также отравлениями людей, употребляющих в пищу море продукты (яд накапливается в рыбах и моллюсках). Сигуатоксин выделен также из внутренностей многих видов рыб, например мурены и макрели, а название этого токсина происходит от испанского ciguatera – болезни, вызванной попаданием в организм токсина при употреблении в пищу таких рыб.

Палитоксин

Батрахотоксин (LD_50 = 2 мкг/кг) относится к другому классу органических соединений – стероидным спиртам. Он выделен из кожных желез маленькой, размером всего 2–3 см, колумбийской древесной лягушки. (По-гречески «лягушка» – batrachos; в связи с этим можно вспомнить пародийную древнегреческую поэму «Батрахомиомахия», в переводе – «Война мышей и лягушек».) Индейцы ядом из этих лягушек смазывали наконечники стрел. В США для выделения из лягушек яда и последующей расшифровки его строения была организована специальная экспедиция в Колумбию.

Майтотоксин

Примечательно, что организовала и непосредственно возглавила трудную и опасную экспедицию женщина, Марта Лэтам. Чтобы получить 11 мг яда, исследователям потребовалось выделить экстракт из кожи 5000 лягушек. Батрахотоксин, превосходящий по токсичности яд кураре, вызывает паралич сердца, дыхательной мускулатуры и мышц конечностей. В 1968 г. академик И. Л. Кнунянц и кандидат химических наук Н. А. Лошадкин опубликовали статью, в которой назвали батрахотоксин «самым сильным небелковым ядом в природе». Как видим, за прошедшие десятилетия он переместился по токсичности с первого места на четвертое.

Батрахотоксин

Один из самых знаменитых животных ядов (зоотоксинов) – тетродотоксин. Он содержится в коже и яйцах некоторых жаб, в яйцах калифорнийского тритона, в слюнных железах осьминога. Но наибольшую известность ему принесла рыба фугу, в которой яд содержится в яичниках и печени. Челюсти фугу имеют четыре долотовидных зуба, отсюда и название яда (от греч. tetra – «четыре» и odus – «зуб»). Фугу – излюбленное лакомство японцев, однако готовить блюда из нее дозволяется лишь поварам, обладающим особой лицензией, поскольку даже двухчасовое кипячение не разрушает яд. Для тетродотоксина LD_50 = 10 мкг/кг, т. е 1 мг этого яда достаточно, чтобы убить человека. Тетродотоксин относится к нейротропным ядам. Его красивые молекулы, содержащие несколько циклов, действуют на вегетативную нервную систему. Они блокируют у нейронов проницаемость их мембран для ионов натрия, что практически мгновенно прерывает нервный импульс. В ряде стран на основе тетродотоксина производятся обезболивающие препараты.

Тетродотоксин

Растительные яды (фитотоксины) не такие сильные, как бактериальные и яды животного происхождения, и для них при оценке LD_50 часто удобнее переходить к единицам мг/кг (1 мг = 1000 мкг). Из ядов растительного происхождения самый сильный – гликопротеин рицин (LD_50 = 0,1 мг/кг), основной токсичный компонент бобов клещевины. Белковая часть рицина состоит из 560 аминокислотных остатков, полисахаридная составляет около 20 % молекулярной массы, которая равна 62 400. При попадании в организм рицин вызывает структурную перестройку клеточных мембран и нарушает внутриклеточный синтез белков. При попадании капелек рицина в легкие его токсичность примерно такая же, как у нервно-паралитического газа зарина; в ряде стран изучались способы боевого применения рицина в виде аэрозоля. Два хорошо известных растительных яда – никотин (LD_50 = = 0,3 мг/кг) и стрихнин (LD_50 = 0,75 мг/кг). Последний содержится в рвотных орешках (семена Strychnos nux vomica). Оба яда относятся к алкалоидам. Регулярное вдыхание табачного дыма вызывает медленное, но неотвратимое разрушение органов человека. Вред курения становится особенно очевидным из того факта, что взрослого человека может убить инъекция никотина, выделенного из одной-единственной сигары! К алкалоидам относится и тубокурарин, основное действующее начало яда кураре, который содержится в растении хондодендроне войлочном. Этот яд аборигены Южной Америки также используют для смазывания стрел.

Никотин

Стрихнин

Тубокурарин

В медицине широко применяется алкалоид атропин. Он содержится в красавке (Atropa belladonna), белене, дурмане и других растениях семейства пасленовых. Хотя атропин не так токсичен, как многие другие алкалоиды (для него LD_50 = 400 мг/кг), именно этот яд – наиболее частая причина отравления в средних широтах. Дело в том, что маленькие дети часто принимают сладкие черные ягоды белладонны за вишневые и могут смертельно отравиться, съев всего несколько ягод.

Атропин

Сравнительно недавно в тропическом растении Dichapetalum cymosum была обнаружена очень ядовитая калиевая соль фторуксусной кислоты FCH_2COOK. Это исключительно редкий случай нахождения в природе органического фторсодержащего соединения. Исследования показали, что ее токсичная доза сильно различается для разных животных: наиболее чувствительны собаки (LD_50 = 0,07 мг/кг), значительно менее ядовит фторацетат калия для лошадей (1 мг/кг), крыс (7 мг/кг) и человека (до 10 мг/кг).

Относительно простое строение имеют яды, содержащиеся в высших грибах. Из них один из самых токсичных – мускарин, который содержится в мухоморе красном (Amanita muscaria) и других грибах. Уже в ничтожных дозах порядка 0,001 мкг/кг мускарин снижает амплитуду и частоту сердечных сокращений, в больших дозах вызывает спазмы мышц, судороги, слюнотечение. Для человека при приеме внутрь LD_50 = 0,7 мг/кг.

Мускарин

Значительно сложнее устроена молекула бициклического октапептида α-аманитина, который содержится наряду с фаллоидином в бледной поганке (на самом деле существует несколько близких по структуре аманитинов, отличающихся радикалами R = Н, ОН или NН_2). И если красный мухомор вряд ли спутаешь с другими грибами, то бледная поганка очень похожа на некоторые съедобные грибы – шампиньоны, поплавки и др. Поэтому отравление этим грибом составляет 90 % всех грибных отравлений. Для человека смертельная доза аманитина составляет 5–7 мг. Если учесть, что в одном грибе в среднем содержится 8 мг аманитина, станет понятным английское название бледной поганки – death cup, т. е. «чаша смерти». Признаки отравления – боли в животе, неукротимая рвота, понос с кровью. Интересно, что для лечения используют подкожные инъекции другого яда – атропина.

Аманитин

В продуктах жизнедеятельности микроскопических (плесневых) грибов содержатся очень ядовитые микотоксины (от греч. mykes – «гриб»). Самые токсичные из них – пенитрем А (LD_50 = 1 мг/кг), выделенный из плесени Penicillium crustosum, и афлатоксин В1 (LD_50 = 1,7 мг/кг). При употреблении коровами кормов, загрязненных афлатоксином В1, высокотоксичный яд (в несколько измененной форме) выделяется с молоком. Всего известно более 15 различных афлатоксинов, которые являются основными загрязнителями пищевых продуктов. Из них афлатоксин В1 оказался самым мощным из известных печеночных канцерогенов, действие которого проявляется уже при дозах 0,01 мг/кг. В ряде стран Азии и Африки выявлена прямая корреляция между частотой заболеваемости раком печени и содержанием афлатоксинов в пище. Детальное изучение микотоксинов началось после массового отравления в Англии индеек, вызванного плесенью в арахисе, которым кормили птиц. Оказалось, что в плесени содержался афлатоксин В1. Этот же микотоксин привел к таинственной смерти нескольких археологов после вскрытия пирамиды Тутанхамона (так называемое «проклятие фараонов»). К счастью, вероятность съесть заметные количества микотоксинов мала благодаря инстинктивному отвращению человека к плесени и тошнотворному запаху пораженных ею продуктов.

Пенитрем

Афлатоксин

Из синтезированных соединений наиболее токсичен 2,3,7,8-тетрахлордибензодиоксин (LD_50 = 22 мкг/кг), который обычно называют просто диоксином. Это «самый токсичный из всех рукотворных веществ, признанный в мире абсолютным ядом», как написали о нем в связи с трагедией в итальянском городе Севезо, когда в результате аварии в воздух попало 2 кг этого вещества. Молекула диоксина удивительно точно «вписывается» в рецепторы живых организмов – со всеми вытекающими отсюда последствиями, вплоть до появления злокачественных опухолей. Одно из основных отличий диоксина от природных токсинов – высокая химическая устойчивость: диоксин не разрушается микроорганизмами, практически не гидролизуется. В почве он может находиться в неизменном виде десятки лет, в воздухе – многие месяцы. Впервые на диоксин обратили внимание, когда оказалось, что примененный американской армией во Вьетнаме дефолиант (средство для удаления зеленых листьев с растений) Agent Orange представляет смертельную угрозу для людей, так как содержит в виде примеси 0,0003 % диоксина.

Диоксин

Одно из самых ядовитых средств защиты растений – фосфорорганический инсектицид паратион, он же тиофос (LD_50 = 3,6 мг/кг). Это соединение, в отличие от диоксина, довольно быстро разлагается в результате гидролиза фосфорноэфирной группы. Тем не менее применение этого когда-то распространенного пестицида в нашей стране запрещено.

Тиофос

Вероятно, самый известный яд – синильная кислота и ее калиевая соль (цианистый калий). Для этих соединений LD_50 = = 10 мг/кг. Синильная кислота при попадании в организм связывается с ферментом цитохромоксидазой и блокирует клеточное дыхание. Это соединение может быть причиной отравлений при горении полимеров, содержащих азот: HCN образуется при термическом разложении найлона и полиуретанов. Опасно и употребление в пищу в больших количествах ядер абрикосовых косточек: в них цианид находится в связанном состоянии в виде гликозида амигдалина, смертельная доза которого составляет 1 г. Это количество амигдалина содержится примерно в 100 г абрикосовых ядер. В организме амигдалин гидролизуется с выделение HCN. Еще менее ядовит белый мышьяк, для которого LD_50 = 15 мг/кг.

Амигдалин

В заключение – интересное наблюдение. Если сравнить токсичность различных соединений (в единицах моль/кг) от их молекулярной массы, то окажется, что в логарифмических координатах существует прямолинейная зависимость: чем больше масса молекулы, тем токсичнее соединение.

На что способны химики

Изучение химии, видимо, развивает многие скрытые в человеке способности. Как еще объяснить тот факт, что немало химиков стали музыкантами, писателями, политическими деятелями? Самый известный пример – химик и музыкант А. П. Бородин. Менее известно, что американский писатель А. Азимов (он опубликовал рекордное число книг – более 400!) был профессором биохимии. Профессиональным химиком, автором 110 патентов был и первый президент Израиля Хаим Вейцман. Химическое образование получила и Маргарет Тэтчер. Так что, как остроумно заметил академик Ю. А. Золотов, «широко простирают химики руки свои в дела человеческие».

В этой заметке речь пойдет только о достижениях химиков в своей родной вотчине. «Артистизм и элегантность» – так была названа статья, посвященная гению органического синтеза Роберту Вудворду (1917–1979). Проведенные Вудвордом в 40–70-х гг. классические синтезы природных соединений – хинина, стрихнина, резерпина и особенно витамина В_12 – стали образцом искусства органического синтеза. А каковы новые достижения химиков-синтетиков? Некоторые из них были представлены в заметке «Диковинки в мире молекул». Но это далеко не все, на что способны химики.

Известно, что четыре разных заместителя у атома углерода (такой атом называется асимметрическим) придают молекуле асимметрию – хиральность. Самая маленькая хиральная молекула – метан, в котором три атома водорода замещены на разные атомы галогена. Еще в 1893 г. бельгийский химик Фредерик Свартс, один из пионеров в изучении фторорганических соединений (его именем названа одна из органических реакций), синтезировал бромхлорфторметан. Однако полученное соединение было оптически неактивным, так как представляло собой рацемическую смесь правых и левых молекул CHBrClF. Эту смесь сумели разделить методом газовой хроматографии только в 1996 г.

Самая легкая хиральная молекула, дейтеротритиевое производное этана CH_3CHDT, была синтезирована в 1997 г. группой из восьми американских химиков. Сделано это было не из праздного любопытства и тем более не в погоне за рекордом (в по следнем случае следовало бы синтезировать производное метана, например CHDTLi): это экзотическое вещество было нужно для изучения механизма и стереохимии ферментативного окисления этана до этилового спирта.

Хиральность молекулы может быть связана не только с присутствием в молекуле асимметрического атома углерода, но и с ее жесткостью, когда две симметричные формы не могут переходить друг в друга. Самая простая из таких молекул с осевой хиральностью – дважды дейтерированный аллен DHC=C=CHD, который был получен в 1997 г. и может иметь цис– или транс-форму (они отличаются взаимным расположением в плоскости атомов водорода и дейтерия у одного из атомов углерода). Максимальное же число хиральных центров (64) содержится в синтезированном в 1994 г. коралловом яде палитоксине, о котором говорилось в рассказе о ядах. Достойно упоминания, что теоретически такая структура может существовать в виде 1,8 · 10^19 (!) стереоизомеров, и только один из них (который и был синтезирован) соответствует природному токсину.

Не следует думать, что каждый подобный синтез требует проведения многостадийных реакций (Вудворд, например, упоминал о 100-стадийном синтезе). Так, группа американских химиков, возглавляемая И. Патерсоном, синтезировала в 1992 г. молекулу с четырьмя новыми хиральными центрами всего в две стадии: сначала на кетон С_2Н_5СН(СН_3)СОС_2Н_5 подействовали 2-метилпропеналем, а затем прогидрировали продукт реакции. Таким образом, на каждый новый хиральный центр потребовалось всего полстадии. Эти синтезы – свидетельство замечательных успехов в стереохимическом контроле химических реакций, которых достигла современная органическая химия.

И все же «природные химики» – ферменты пока остаются вне досягаемости. Так, уже упомянутый полный синтез витамина В_12, проведенный Р. Вудвордом в США и А. Эшенмозером в Швейцарии, потребовал 10 лет работы почти 130 химиков. В 1994 г. под «наблюдением» А. И. Скотта и его сотрудников значительную часть этой работы выполнили всего за 15 часов 12 ферментов: их загрузили в колбу вместе с очень простым веществом – 5-аминолевулиновой кислотой H_2NCH_2COCH_2CH_2COOH. Этот синтез является также рекордным по количеству разных веществ, участвовавших в реакции. Если же исключить из рассмотрения ферментативные процессы, то самую многокомпонентную реакцию провели в 1993 г. немецкие химики А. Дёмлинг и И. Уги. Смешав в одной колбе семь(!) реагентов: изомасляный альдегид (CH_3)2CHCHO, бромизомасляный альдегид (CH_3)2CBrCHO, трет-бутилизонитрил (CH_3)3C–NC, метанол CH_3OH, гидросульфид натрия NaSH, аммиак NH_3 и диоксид углерода CO_2, они получили с выходом 43 % производное 1,3-тиазолидина.

Схема синтеза 1,3-тиазолидина

Достойно упоминания, что подобные синтезы с участием изонитрилов (только с меньшим числом компонентов) Уги разработал еще в начале 60-х гг., и эти реакции носят его имя.

Химикам-синтетикам помогают в работе не только ферменты. Уже давно многие синтезы планируют компьютеры. Одна из наиболее показательных в этом плане работ была выполнена в 1992 г., когда компьютер предложил 72 так называемые перициклические реакции синтеза сопряженных диенов. Из этих реакций две оказались принципиально новыми, и они были реализованы в лаборатории. В одной из них циклический тритиокарбонат нагрели с замещенным фосфином и получили почти со 100%-ным выходом 1,3-бутадиен (наряду с сероуглеродом). Этот синтез считается первой осуществленной химической реакцией, которую «изобрел» компьютер:

Схема синтеза, «изобретенного» компьютером

Случаются и «рекорды», которые никакой славы их авторам не приносят. Скорее наоборот. Речь идет об ошибках и заблуждениях химиков. С древности известен силлогизм, который вошел в учебники логики: «Людям свойственно ошибаться. Кай – человек, следовательно, Кай может ошибаться». Остроумные химики «перевернули» этот силлогизм, получив ложный: «Людям свойственно ошибаться. Ученые – люди. Следовательно, ошибаться – научно». В научных исследованиях ошибки неизбежны, и ученые должны предвидеть возможность их появления в своей работе. Один из методов исследования так и называется – «метод проб и ошибок». Ошибки бывают вызваны как объективными, так и субъективными причинами. Здесь мы не будем рассматривать так называемую патологическую науку (по определению американского физикохимика Ирвинга Ленгмюра), когда где речь идет о явной фальсификации.

Более интересны случаи ненамеренных ошибок, вызванных, например, трудностями эксперимента, или неправильной его интерпретацией, или недостатком данных либо имеющихся знаний. Конечно, самый известный пример заблуждений – это знаменитая теория флогистона, разработанная в 1697 г. немецким химиком и врачом Георгом Шталем. Несмотря на свою ошибочность, эта теория сыграла положительную роль в истории химии – она объединила в единую науку разрозненные сведения о горении, коррозии, восстановлении металлов из руд, взаимодействие кислот и щелочей и т. д. Интересный факт: американский преподаватель химии Дж. Скотт опубликовал в 1952 г. статью, в которой, используя флогистон в качестве одного из «реагентов», записал уравнения ряда химических реакций и тем показал адекватность теории флогистона, по крайней мере, с качественной точки зрения. Фактически с теории флогистона началась современная химия.

Современным примером ошибочной теории может служить история с «модифицированной водой». Группа отечественных ученых под руководством Б. В. Дерягина в течение ряда лет публиковала результаты, свидетельствующие якобы о новой форме «полимерной воды», которая обладает удивительными свойствам: кипит при 300 °С, имеет высокую вязкость и т. д. Сначала эти результаты как будто подтвердились в ряде зарубежных лабораторий, но затем выяснилось, что «новый тип воды» – это просто водный раствор примесей. В этой связи интересно отметить, что Артур Адамсон, автор изданного в США учебника физической химии, упомянул Б. В. Дерягина в качестве примера ученого, честно и открыто признавшего ошибочность своих прежних работ. Более «свежий» пример – так называемый «холодный термояд»: протекание ядерной реакции при комнатной температуре в ходе электрохимической реакции.

В заключение этого раздела – об одной ошибке в химическом анализе, которая вызвала далеко идущие последствия. В ряде книг о правильном питании утверждается, что шпинат очень полезен, так как богат железом. Однако мало кто знает, что это утверждение неверно; оно было вызвано тем, что при печатании статьи с данными химического анализа запятую случайно сдвинули на одну позицию вправо. Соответственно результат анализа был завышен ровно в десять раз. Вероятно, это не единственная ошибка такого рода.

Химики-долгожители

23 мая 2007 г. скончался старейший химик современности – академик АН УССР (ныне Национальной академии наук Украины) Максим Федотович Гулый. Он родился 3 марта 1905 г. (еще до начала Первой русской революции!) и прожил 102 года, 2 месяца и 20 дней.

Лишь немногим больше – 102 года, 7 месяцев и 10 дней – прожил французский химик Мишель Эжен Шеврёль (1786–1889). Он родился за три года до штурма Бастилии, а умер, простудившись при осмотре работ по постройке Эйфелевой башни. На своем 100-летнем юбилее, на который съехались химики со всей Европы, Шеврёль лихо отплясывал с самой молодой участницей торжеств – 18-летней Жизель Тифено.

М. Э. Шеврёль

Помещенная здесь фотография сделана 5 сентября 1886 г., во время интервью со 100-летним химиком.

Более 100 лет (101 год и 5,5 месяцев) прожил также американский химик Джоэль Генри Гильдебранд (1881–1993). Он разработал теорию регулярных растворов; впервые наблюдал спектры переноса заряда, обусловленные образованием донорно-акцепторных комплексов (комплексов с переносов заряда). Любой специалист по межмолекулярным взаимодействиям знаком с уравнением Бенеши – Гильдебранда, которое позволяет из спектральных данных рассчитать константу равновесия таких комплексов. Одну из своих монографий Гильдебранд написал, когда ему было почти 100 лет! Менее года не дожили до своего 100-летнего юбилея американский химик И. М. Кольтгоф (1894–1993) и родившийся в Польше швейцарский химик Тадеуш Рейхштейн (1897–1996). В 1933 г. Рейхштейн впервые синтезировал витамин С, а в 1950 г. получил (совместно с Э. Кендаллом и Ф. Хенчем) Нобелевскую премию по физиологии и медицине за исследование строения и функций гормона коры надпочечников.

Можно подумать, что приведенные примеры химиков-долгожителей скорее исключение, чем правило. Казалось бы, химики, всю жизнь имеющие дело с различными малополезными для здоровья химикатами, должны жить меньше людей других профессий. Действительно, известны примеры преждевременной смерти ряда выдающихся химиков прошлых лет, отличавшихся в молодости крепким здоровьем, но подорвавших его в результате хронического отравления реагентами и несчастных случаев в лаборатории. Так, английский химик Гемфри Дэви прожил всего 50 лет, а Карл Вильгельм Шееле – 43 года. Еще меньше жили отечественные химики Иван Иванович Андреев (39 лет), Феликс Романович Вреден (36 лет), Алексей Николаевич Вышнеградский (28 лет), Лев Яковлевич Карпов (41 год), Александр Александрович Летний (34 года), Николай Николаевич Мариуца (33 года), Владимир Иванович Спицын (29 лет). Не дожили до 50-летнего возраста Евгений Владиславович Бирон, Дмитрий Петрович Коновалов, Товий Егорович Ловиц, Андрей Владимирович Фрост, Михаил Семенович Цвет, Лев Александрович Чугаев… Многие иностранные химики тоже прожили короткую, но плодотворную жизнь: 41 год жил Р. Абегг, 37 лет – К. И. Д. Гротгус, 39 лет – Ш. Ф. Жерар, 43 года – Ж. И. Иоцич, 41 год – У. Х. Карозерс, 42 года – А. Ф. Кронстедт, 47 лет – И. Г. Леман, 37 лет – К. Л. Реймер, 41 год – И. К. Ф. Тиман…

Все эти химики – не какие-нибудь безвестные ученые: их биографии помещены в книге В. А. Волкова, Е. В. Вонского и Г. И. Кузнецовой «Выдающиеся химики мира. Биографический справочник» (М.: Высшая школа, 1991), в которой рассказано о более 1200 отечественных и зарубежных ученых, внесших значительный вклад в развитие химической науки и технологии с алхимических времен и почти до конца ХХ в. Так, законы Коновалова можно найти в любом учебнике по физической химии; имя Карпова носит Физико-химический институт в Москве; Цвет открыл хроматографию; Вышнеградский и Иоцич разработали новые органические реакции, носящие их имена; Чугаев – основатель и директор Института по изучению платины, его именем назван аналитический реактив на никель; Гротгус открыл один из основных законов фотохимии, названный его именем; Жерар – создатель теории типов в органической химии, его именем названа одна из комплексных солей; Карозерс – создатель первого полиамида (найлона), а Кронстедт открыл новый химический элемент – никель…

Значит ли это, что удел известных химиков – насыщенная, но короткая жизнь? Не будем делать преждевременных выводов, а обратимся к статистике. На основании сведений из этой книги следует, что в среднем химики жили довольно долго – 72,3 года, что намного больше средней продолжительности жизни в XVIII– XX вв. Более того, среди химиков на удивление много долгожителей. Некоторые из них были увековечены на помещенных здесь почтовых марках разных стран.

Более 100 лет прожили упомянутые М. Ф. Гулый, М. Э. Шеврёль и Н. Г. Гильдебранд, а свыше 90 лет – 75 химиков(!), или 7 %. Упомянем самых известных из них.

Академик Александр Ерминингельдович Арбузов (1877–1968) – один из основоположников химии фосфорорганических соединений. Его имя носит Институт органической и физической химии в Казани.

Академик Христофор Степанович Багдасарьян (1908–2000) открыл существование двухквантовых фотохимических реакций. Академик Александр Александрович Баев (1904–1994) известен своими трудами в области биохимии; в течение ряда лет был президентом Международного биохимического союза. Американский химик Герберт Чарлз Браун (1912–2004) получил в 1979 г. Нобелевскую премию за разработку новых методов синтеза бор– и фосфорсодержащих органических соединений.

Эту премию он разделил с немецким химиком Георгом Виттигом (1897–1987), также прожившим более 90 лет.

Г . Виттиг

Еще один лауреат Нобелевской премии за работы по половым гормонам – немецкий химик Адольф Фридрих Бутенант (1903–1995) был удостоен ее в 1939 г., но под давлением нацистского режима был вынужден отказаться от награды и смог получить заслуженную премию только в 1949 г. Кстати, это не единственный случай такого рода. Наиболее известный – отказ в 1958 г. под нажимом властей от Нобелевской премии Б. Л. Пастернака, который умер, так и не получив ее (это сумели сделать значительно позже его наследники).

Академик Пауль (Павел Иванович) Вальден (1863 – 1957) открыл изучаемое всеми студентами-химиками явление обращения стереоизомеров – так называемое вальденовское обращение.

В честь финского химика Юхана Гадолина (1760–1852) назван один из редкоземельных элементов – гадолиний. Из химиков такой чести – попасть в периодическую таблицу – удостоены кроме Гадолина только Мария Кюри и Д. И. Менделеев (остальные – физики).

Ю . Гадолин

Американский физикохимик Луис Плэк Гаммет (1894–1987) установил знаменитое соотношение между кинетическими параметрами реакции и структурой участвующих в ней органических соединений (уравнение Гаммета). Он же ввел в химию понятие функции кислотности.

Г . Герцберг

Лауреат Нобелевской премии за 1971 г. канадский физикохимик Герхард Герцберг (1904–1999) получил ее за исследования электронной структуры и строение стабильных молекул и свободных радикалов. Его книги по спектроскопии долгие годы были незаменимым пособием во многих лабораториях мира.

Н . Д . Зелинский

Один из самых знаменитых отечественных химиков-долгожителей – академик Николай Дмитриевич Зелинский (1861–1953), основоположник химии нефти и органического катализа, создатель большой школы отечественных химиков. Его имя носит Институт органической химии РАН в Москве. Более 99 лет прожил известнейший американский химик-аналитик Исаак Мауриц Кольтгоф (1894–1993). Его учебники по аналитической химии были переведены на многие языки, и их десятки лет штудировали студенты во всем мире.

Французский биохимик Андре Мишель Львов (1902–1994) – лауреат Нобелевской премии по физиологии и медицине за 1965 г. (совместно с Ф. Жакобом и Ж. Л. Моно) за открытие генетического контроля синтеза ферментов и вирусов.

Американский физикохимик Роберт Сандерсон Малликен (1896 –1986) в 1966 г. был удостоен Нобелевской премии по химии за изучение химической связи и электронного строения молекул методом молекулярных орбиталей. Английский биохимик Арчер Джон Портер Мартин (1910– 2002) получил в 1952 г. (совместно с Р. Л. М. Сингом) Нобелевскую премию за открытие метода распределительной хроматографии. Американский биохимик Джон Хауард Нортроп (1891–1987) – лауреат Нобелевской премии за 1946 г. (совместно с У. М. Стэнли и Дж. Б. Самнером) за получение в кристаллическом виде ряда ферментов и вирусов. Эта работа была решающей для расшифровки строения многих биологически активных молекул методом рентгеноструктурного анализа.

Дж. Нортроп

Английский химик Уильям Одлинг (1829–1921) остался в истории науки в основном благодаря разработке проблемы систематизации химических элементов; составленные им таблицы анализировал в своих работах Д. И. Менделеев. Дважды лауреат Нобелевской премии (по химии и за укрепление мира) Лайнус Карл Полинг (1901–1994) широко известен благодаря своим работам по применению аскорбиновой кислоты для лечения простудных заболеваний и активному участию в антивоенном движении. На посвященной Полингу почтовой марке, выпущенной в 1977 г. в Республике Верхняя Вольта, на фоне портрета Полинга (кстати, мало похожего на оригинал) изображены две резонансные структуры молекулы бензола и ядерный взрыв. Свою первую Нобелевскую премию Полинг получил в 1954 г. за работы по теории химических связей, в том числе по теории резонанса. Нобелевскую премию мира он получил в 1962 г. после активного участия в движении за запрещение испытания ядерного оружия.

Л . Полинг

Родившийся в Югославии швейцарский химик Владимир Прелог (1906–1998) прославился своими исследованиями в области стереохимии органических соединений, разработал (совместно с К. Инголдом) общепринятую систему обозначений для пространственных конфигураций молекул и ввел в химию понятие хиральности. За свои работы Прелог в 1975 г. удостоен Нобелевской премии (совместно с Дж. У. Корнфортом).

Академик Григорий Алексеевич Разуваев (1895–1989) провел важнейшие исследования в области химии металлоорганических соединений и свободных радикалов в растворах. Его имя носит Институт металлоорганической химии РАН в Нижнем Новгороде. Выдающийся педагог и популяризатор науки биохимик академик Сергей Евгеньевич Северин (1901–1993) в течение более полувека был профессором в Московском университете и воспитал целую плеяду ученых.

Академик Николай Николаевич Семенов (1896–1986) – единственный отечественный лауреат Нобелевской премии по химии. Он получил ее (совместно с С. Н. Хиншелвудом) за открытие разветвленных цепных реакций. Имя Н. Н. Семенова носит Институт химической физики РАН в Москве.

Одним из авторов первой работы, в которой в 1926 г. была обнаружена разветвленная цепная реакция, был еще один академик, а в те годы – сотрудник Н. Н. Семенова Юлий Борисович Харитон (1904–1996), также проживший более 90 лет. Однако известен Ю. Б. Харитон совсем в другой области – он возглавлял научное направление при разработке ядерного оружия; на посвященной ему почтовой марке изображена первая отечественная атомная бомба.

Н. Н. Семенов

Ю. Б. Харитон

Американский химик венгерского происхождения Альберт Сент-Дьёрдьи (1893–1986) был в 1937 г. удостоен Нобелевской премии по физиологии и медицине за свои работы по биологическому окислению (он исследовал тканевое дыхание) и выделению в кристаллическом виде и установлению строения витамина С. Многие студенты выбрали свой путь в науку, прочитав его книгу «Введение в субмолекулярную биологию» (русский перевод 1964 г.).

А. Сент-Дьёрдьи

Не менее знаменит еще один американский биохимик Эрвин Чаргафф (1905–2002). Именно он открыл закономерности в составе и структуре ДНК: независимо от происхождения количество аденина всегда равно количеству тимина, а содержание гуанина всегда равно содержанию цитозина (эти правила Чаргаффа были ключевыми в разгадке структуры ДНК).

Родившийся в Германии шведский биохимик Ганс Карл Август Симон фон Эйлер-Хельпин (1873–1964) был потомком знаменитого математика Леонарда Эйлера. Но прославился он в совсем другой области, исследовав механизм ряда биохимических процессов, в Марка, частности процессов спиртового брожения, за что и получил (совместно с А. Гарденом) в 1929 г. Нобелевскую премию. На посвященной лауреату шведской почтовой марке вместо портрета ученого изображена модель одной из исследованной им ферментативных реакций.

Марка, посвященная Эйлер-Хельпину

Следует обратить внимание, что среди химиков, проживших от 90 до 100 лет, 14 ученых (19,2 %, т. е. каждый пятый) были лауреатами Нобелевской премии! Но, конечно, совершенно неверен вывод, что потому-то они и получили высокую награду, что жили очень долго и успели многое сделать. Ведь большинство открытий делается в сравнительно молодом возрасте, а между достижением и его признанием нередко проходит немало лет. Так, Нобелевская премия Н. Н. Семенову была присуждена более чем через 30 лет после совершенного им открытия. И этот пример далеко не единственный. Петр Леонидович Капица, выступая в Стокгольме с нобелевской лекцией, сказал, что она присуждена ему за работы с жидким гелием, сделанные более 30 лет назад, поэтому он лучше расскажет о том, чем занят сейчас – плазмой и термоядерными реакциями…

Книга «Выдающиеся химики мира» была сдана в печать в июне 1990 г., а материал авторами собирался задолго до этого. С тех пор долгожителями стало немало химиков. В феврале 2007 г. отметил свой 90-летний юбилей американский кристаллохимик Герберт Аарон Хауптман. За определение кристаллических структур химических соединений Хауптман в 1985 г. получил Нобелевскую премию совместно с другим долгожителем – американским физикохимиком Дж. М. Карле (он родился в 1908 г.). В сентябре 2007 г. исполнилось 90 лет Джону Уоркапу Корнфорту (как отмечалось, он в 1975 г. также получил Нобелевскую премию). В этом же месяце исполнилось 94 года академику Иосифу Наумовичу Фридляндеру, специалисту в области металловедения, и 93 года Михаилу Гавриловичу Слинько, разработавшему принципы математического моделирования химических процессов.

В 2008 г. исполнилось 90 лет со дня рождения американского биохимика Артура Корнберга, нобелевского лауреата (1959 г., премия совместно с С. Очоа по физиологии и медицине за открытие механизма биосинтеза нуклеиновых кислот) и дважды лауреата Нобелевской премии английского биохимика Фредерика Сенгера (первая премия, 1958 г., за установление строения молекулы инсулина, вторая, 1980 г., совместно с У. Гилбертом, за установление нуклеотидной последовательности в молекулах нуклеиновых кислот). Таким образом, из семи упомянутых здесь химиков-долгожителей пятеро – нобелевские лауреаты!

Если же считать долгожителями тех химиков, упомянутых в биографическом справочнике, кто прожил более 80 лет, то таких будет, конечно, значительно больше – 328 (30,6 % – почти треть!). Отсюда следует, что быть химиком полезно для здоровья! Так что интенсивные занятия химией (как, впрочем, и другими науками) позволяют поддерживать бодрость и работоспособность в течение долгих лет, если работать в лаборатории не только с увлечением, но и аккуратно, выполняя все достаточно элементарные правила.

Глава 6

Химия плюс физика

Физиков – меньшинство человечества.

Химиков – больше, но немного.

Всё остальное – мятется и мечется,

Ищет правильную дорогу.

Физики знают то, что знают,

Химики знают чуть поболе…

Борис Слуцкий. Физики и люди.

Деление природных явлений на химические и физические во многом условное. Трудно назвать химическую реакцию, которая не сопровождалась бы физическими явлениями – нагреванием или охлаждением, выделением света (а иногда и звука), перемещением вещества (и прежде всего атомов и молекул) в пространстве… Многие физические процессы тоже сопровождаются химическими превращениями, хотя это не всегда очевидно. Например, при тонком размельчении кристаллических соединений в них происходит разрыв химических связей, образуются активные частицы, что можно обнаружить с помощью чувствительных методов. Есть даже специальный раздел химии, изучающий реакции при трении твердых тел, – трибохимия (от греч. tribo – «растираю»). При сильном увеличении давления во многих веществах также могут протекать химические реакции, например полимеризация непредельных соединений. Практически невозможно разделить химические и физические явления в электрохимических процессах. В этой главе будет рассказано о нескольких явлениях, в которых тесно связаны химия и физика.

Какого это цвета?

Из многих загадок природы явления, связанные со светом, – одни из самых удивительных. Окружающий нас мир окрашен во все цвета радуги. Поразительно многообразно раскрашены цветы, бабочки, птицы. В осеннем лесу – сотни оттенков зеленого, желтого, красного. Но из всех животных лишь немногие воспринимают окружающий мир красочным, большинство же не различает цвета.

Окраска предметов возникает в результате избирательного поглощения красителем отдельных «цветов радуги» из смеси всех цветов, т. е. из белого света. В природе окрашенные вещества образуются или исчезают в результате множества химических реакций. Считается, что у каждого окрашенного вещества свой цвет и любой человек (если он не дальтоник) может достаточно уверенно определить этот цвет. Однако у каждого правила есть исключения.

Прежде всего, однозначно определяются только чистые (так называемые монохроматические – от греч. mono – «один» и chroma – «цвет») цвета, например цвет лазерного луча. Чистые цвета встречаются в жизни не так часто. Поэтому изобретено много слов, обозначающих различные оттенки: бирюзовый, лазоревый, вишневый, бежевый, каштановый, цвета морской волны, слоновой кости… А для непонятного грязноватого оттенка употребляют даже слово «серо-буро-малиновый». Кстати, деление видимого спектра на семь цветов – условное. Действительно, кто же видел в радуге все цвета – от красного до фиолетового? Почему же цветов в радуге именно семь? С древних времен число 7 почиталось как магическое. Возможно, это связано с тем, что в старину было известно всего семь металлов (золото, серебро, медь, железо, свинец, олово, ртуть), а также семь движущихся небесных тел (в отличие от так называемых неподвижных звезд), которые сопоставлялись с металлами: Солнце (золото), Луна (серебро), Меркурий (ртуть), Венера (медь), Марс (железо), Юпитер (олово) и Сатурн (свинец): «Семь металлов создал свет по числу семи планет». Как результат – масса пословиц и поговорок, в которых фигурирует семерка (попробуйте вспомнить хотя бы десяток из них).

Древние изображения на современных почтовых марках семи небесных тел, соответствующих им богов и алхимических знаков металлов

Человеческий глаз легко обмануть. Изданы специальные альбомы под названием «оптические иллюзии», в которых прямые кажутся кривыми и наоборот, более длинные отрезки – короткими, а круги – овалами и т. д. Иллюзии бывают и цветовые. Самая известная (в то же время самая удивительная) состоит в том, что смесь всех цветов спектра в определённой пропорции воспринимается нами как белый цвет. Всем известен бурый «цвет йода». На самом деле бурый цвет имеет не сам йод, а йодная настойка. Кристаллический йод имеет серый цвет, а его кристаллы обладают металлическим блеском. Пары́ йода фиолетовые; такой же цвет имеют растворы йода в так называемых инертных растворителях – четыреххлористом углероде, гексане (этот углеводород – один из компонентов бензина) и др. Растворы йода в бензоле или в спирте бурые из-за того, что йод образует с молекулами этих веществ комплексы. Если капнуть йодной настойкой на ломтик сырого картофеля или белого хлеба, появится синее окрашивание. Это – цвет комплекса йода с крахмалом. Такой же цвет и у дезинфицирующего вещества йодинола, которым полощут горло; в нем йод образует комплекс с поливиниловым спиртом – этот комплекс удлиняет воздействие йода, а также уменьшает его раздражающее действие.

Новозеландский преподаватель химии из Палмерстон-Норта (найдите этот город на карте!) Тревор Китсон любит озадачивать своих учеников таким трюком. Сначала он рассказывает им, что растворимость различных веществ зависит от полярности растворителя. Полярными называется растворители, молекулы которых несимметричны, причем разные их части имеют противоположные заряды. Например, вода – сильнополярный растворитель, поэтому в ней хорошо растворяются многие ионные соединения, например соли. В то же время неполярные симметричные молекулы серы S_8 и белого фосфора Р_4 в воде не растворяются.

Полярность определяет и возможность взаимного смешения двух жидкостей. Это подметили еще алхимики, сформулировав правило «подобное растворяется в подобном». Например, полярная вода не смешивается с неполярным гексаном. Гексан – очень легкая жидкость (плотность 0,65 г/см^3), поэтому, если налить в один сосуд воду и гексан, слой гексана будет вверху. Но так как обе жидкости бесцветны, Китсон сообщает учащимся, что четкая граница между ними будет хорошо видна, если подкрасить воду перманганатом калия (это вещество часто называют «марганцовкой»). Он достает из картонной коробки две колбы – с гексаном и с красно-фиолетовым раствором перманганата, отливает из каждой понемногу в цилиндр и показывает, что нижний, водный слой, окрашенный в знакомый всем цвет KMnO_4, отделен от бесцветного верхнего слоя гексана четкой границей. Оставив цилиндр на столе, он убирает колбы обратно в коробку и продолжает урок. Через некоторое время ему требуется повторить опыт. Снова из коробки достаются две колбы – с прозрачной и красно-фиолетовой жидкостью, которые наливаются во второй цилиндр. Но на этот раз окрашенный раствор почему-то оказывается наверху!

Китсон хватается за голову: «Да что же это такое! Почему мне так не везет? Вечно эти химикаты надо мной издеваются!». И лишь самые догадливые ученики понимают, что преподаватель их просто разыгрывает. Но в чем тут дело, они, конечно, объяснить не могут. Тогда Китсон добавляет в первый цилиндр воду из-под крана, а во второй – гексан. Результат тоже удивительный: в первом цилиндре увеличивается в объеме нижний, бесцветный слой (там и была вода), а во втором – верхний, окрашенный! Становится очевидным, что окрашенный слой во втором цилиндре – вовсе не водный раствор перманганата, а раствор в легком гексане. «Но ведь перманганат калия KMnO_4 – это полярная соль, – удивляются ученики. – И вы сами говорили, что в гексане он растворяться не должен!». «А это вовсе и не перманганат, а йод, – сообщает преподаватель. – Молекулы йода неполярные, поэтому йод хорошо растворяется в гексане».

Но почему же раствор йода в гексане перепутали с раствором перманганата в воде? Оказывается окраска у этих растворов почти одинаковая. Происходит так потому, что оба раствора поглощают свет с длиной волны от 400 до 600 нм, причем максимум поглощения в обоих случаях тоже совпадает (около 520 нм). Поэтому если удачно подобрать концентрацию веществ, то на глаз такие растворы невозможно различить! В то же время отличить один раствор от другого очень легко с помощью прибора, регистрирующего спектр, то есть поглощение раствором света с разной длиной волны. Полоса поглощения йода «гладкая», тогда как на полосе перманганата четко видны отдельные зубцы.

Другой «фокус» связан с тем, что некоторые вещества могут иметь одновременно разный цвет! Как же такое возможно? Известно множество соединений, которые могут излучать свет, оставаясь холодными. Такие вещества называют люминофорами (от лат. lumen – «свет» и греч. phoros – «несущий»). Твердые неорганические люминофоры состоят обычно из оксидов, сульфидов, фосфатов и силикатов металлов с активирующими добавками сурьмы, марганца, олова, серебра, меди и других тяжелых металлов. Порошок люминофора светится, когда на него попадает синий или ультрафиолетовый свет – как в ртутных лампах или поток быстрых электронов – как на экранах телевизоров и мониторов компьютеров (не жидкокристаллических).

После возбуждения вещество может излучить свет практически сразу. Такое свечение называют флуоресценцией (или флюоресценцией) – от названия минерала флюорита (CaF_2), у которого впервые обнаружено это явление. Химики синтезировали множество соединений, способных светиться разными цветами, оставаясь холодными. Флуоресцируют некоторые шампуни и экстракты для ванн, яркие краски бакенов, цветных афиш, дорожных знаков, деталей одежды. Флуоресценцию можно наблюдать у специальных красок для фломастеров (маркеров), когда их освещают солнечным светом.

Хинин

Все эти флуоресцирующие красители поглощают фиолетовые и синие солнечные лучи, энергия которых высока, а излучают зеленые, оранжевые или красные – с меньшей энергией. Флуоресцируют в ультрафиолете специальные Хинин краски, используемые при изготовлении банкнот; так кассиры проверяют их подлинность. Сильной флуоресценцией обладает хинин – сложное органическое соединение, которое используют не только как лекарство от малярии, но и добавляют к тонизирующим напиткам для придания им чуть горьковатого привкуса; такие напитки ярко светятся под действием ультрафиолетовых лучей.

Флуоресцирующие краски и волокна на бумажных купюрах ярко светятся в ультрафиолетовых лучах. Эти краски – одно из средств защиты денег от подделки

Флуоресценцию используют не только для изготовления красок. Вот только один пример. В США решили посмотреть, как пресная вода реки Гудзон смешивается с соленой водой Атлантического океана. С этой целью в реку вылили бочку (400 литров) флуоресцирующего красителя родамина. А измерять флуоресценцию современные приборы могут с очень высокой чувствительностью. Так, родамин можно заметить при разведении в 100 миллиардов раз – т. е. 1 г, растворенный в 100 000 т воды – это почти 1700 больших железнодорожных цистерн!

Флуоресцентное излучение распространяется во все стороны. Если в колбу налить, например, щелочной раствор красителя флуоресцеина, то такой раствор будет обладать одновременно двумя цветами. Если на него смотреть прямо, так чтобы колба находилась между источником света (например, лампой) и глазом, то в проходящем свете этот раствор будет желтоватокрасным. Если же расположить колбу сбоку от лампы (лучше люминесцентной), то раствор будет иметь очень красивый зеленый цвет! Это цвет флуоресцентного излучения с длиной волны 513 нм, которое возникает при поглощении раствором в более коротковолновой части спектра. Во время Второй мировой войны двунатриевую соль флуоресцеина вследствие ее исключительно яркой флуоресценции при дневном свете использовали для покрытия морских опознавательных знаков.

Флуоресцеин

Говоря о флуоресцеине, невозможно не вспомнить знаменитого американского физика Роберта Вуда, любившего пошутить. Вот как описан его «эксперимент» с этим веществом в книге В. Сибрука «Роберт Вуд. Современный чародей физической лаборатории». Флуоресцеин «Даже для свадебной поездки Вуд не упустил возможности химической шутки. Одним из веществ, которые студенты Ремсена[1] приготовляли, был флуоресцеин, то самое удивительное соединение, крупинка которого, величиной с булавочную головку, растворенная в бочке воды, заставляет ее светиться под лучами солнца изумрудно-зеленым светом. Летчики, сбитые и спустившиеся на воду в теперешней войне, применяют его, чтобы создать огромное зеленое пятно на поверхности воды, которое легко заметить со спасательного самолета. Йеллоустонский парк, который он посетил в предыдущем году, тоже вошел в маршрут путешествия, и Вуду пришло в голову, что гейзер «Старый Верный» будет удивительным зрелищем, если в нем растворить достаточную дозу флуоресцеина. Он приготовил пинту этого вещества, в виде густой темно-коричневой жидкости, закупорил его как следует в широкогорлую бутылку – этого количества вполне хватило бы, чтобы сделать небольшое озерко светящимся, – и спрятал в свой чемодан. По дороге на восток, после приключений в Калифорнии и Аляске, они сделали большой тур по Йеллоустону, и Вуд приготовил для гейзера свою бутылку флуоресцеина. Об этом эпизоде он рассказывает так: «Мы нашли, что „Старый Верный“ слишком хорошо охраняется сторожами, чтобы там можно было что-нибудь устроить, но я вспомнил, что есть место еще лучше – знаменитый Изумрудный источник. Большая партия туристов с проводником собиралась отправиться туда пешком, но я уже знал дорогу, и мы вдвоем вышли раньше них, и вокруг знаменитого источника никого не было. Сильный поток воды выходил из туннеля, и как только мы услыхали голоса туристов, я откупорил бутылку с флуоресцеином и бросил ее в середину озерца. Она опускалась глубже и глубже, пока не исчезла из виду, оставляя за собой зеленый хвост. Несколько минут ничего не случилось, а потом из глубины выплыло огромное облако, похожее на грозовую тучу, удивительного зеленого цвета; оно росло и принимало все более сложные формы, приближаясь к поверхности, а когда подошли туристы, все озерко светилось в лучах солнца, как настоящий изумруд. Мы слышали, как гид монотонно бормотал свое описание: „Перед вами, леди и джентльмены, Изумрудный источник, называемые так из-за зеленоватого цвета… боже мой! Я никогда не видал такой штуки, а я живу здесь уже десять лет!“ Туристы были восхищены, и мы тоже».

Йодный термометр

Красивый фиолетовый цвет паров йода позволяет проделать с ними много интересных опытов. При комнатной температуре кристаллы йода испаряются очень медленно, но если их подогреть, над твердым йодом появляются тяжелые фиолетовые пары. А может ли йод расплавиться? Конечно, может, как и большинство веществ молекулярного строения. Температура плавления йода 112,9 °С, температура кипения 183,0 °С. Однако увидеть жидкий йод не так-то просто. И не только потому, что этому мешают интенсивно окрашенные фиолетовые пары. Дело в том, что молекулы йода в кристалле очень слабо связаны друг с другом, поэтому кристаллы легко возгоняются, т. е. испаряются без плавления. Чтобы кристаллический йод перешел в жидкость, нужно либо нагревать его очень быстро (чтобы плавление происходило быстрее возгонки), либо проводить опыт в закрытой посуде небольшого объема, чтобы создать над жидким иодом достаточное давление паров.

При температуре плавления давление паров йода над жидкостью приближается к 100 мм рт. ст. Если давление будет меньше, жидкость не образуется или очень быстро испарится – вот почему в открытой посуде кристаллы следует нагревать быстро.

Это можно пояснить таким примером. Испаряться (возгоняться) могут кристаллы не только йода, но и многих других веществ, в том числе и воды. Все знают, что будет, если нагревать очень холодный кусок льда – при 0 °С он расплавится. Но если лед нагревать исключительно медленно, до воды дело не дойдет: лед испарится раньше! Действительно, хорошо известно, что выстиранное белье на морозе тоже высыхает, хотя и не так быстро, как в теплом помещении (зато на морозе в нем не успевают развиваться микроорганизмы, и такое белье «пахнет свежестью»). Так же и кристаллы йода – при недостаточно быстром нагреве в открытом сосуде они испарятся быстрее, чем расплавятся. Быстрый нагрев способствует также тому, что пары йода над кристаллами не успеют «далеко уйти» от поверхности и создадут нужное для образования жидкости давление.

Если кристаллы йода оставить в запаянной ампуле на длительный срок, можно наблюдать интересное явление: постепенно мелкие кристаллики будут исчезать, а более крупные – расти. Теоретически в ампуле должен остаться один большой хорошо оформленный кристалл, только это может занять слишком много времени. Процесс, однако, можно значительно ускорить, если предварительно откачать из ампулы воздух. Явление это объясняется стремлением вещества максимально уменьшить свою поверхность – именно поэтому, как вода в отсутствие тяготения принимает форму шара, поверхность которого при данном объеме минимальна. Механизм «поедания» маленьких кристалликов большими такой. Чем меньше кристалл, тем больше над ним давление паров. Испарившиеся с него молекулы в ограниченном объеме будут оседать на больших кристаллах. В воздухе этот процесс идет очень медленно, так как молекулам йода требуется много времени, чтобы путем диффузии через воздух добраться до нужного места. В вакууме молекулы воздуха не мешают молекулам йода передвигаться от кристалла к кристаллу, поэтому процесс сильно ускоряется, особенно если ампулу положить в теплое место.

Диффузия в воздухе приводит к тому, что при нагревании закрытого сосуда с кристаллами йода оторвавшиеся от поверхности кристаллов молекулы I_2 довольно долго «путешествуют» в воздухе, пока не достигнут стенки. Именно поэтому мы видим эти пары. причем чем выше температура, тем интенсивнее окраска, так как давление пара над кристаллами быстро увеличивается с температурой. Эту зависимость довольно давно и с высокой точностью измерили. Некоторые результаты таких измерений приведены в таблице.

Эти данные позволяют вычислить, при какой температуре пары йода станут видны. Конечно, это зависит от размера сосуда: то, что глаз не заметит в пробирке, он легко увидит в большой колбе (очень сильно разбавленный раствор окрашенного вещества в тонком слое тоже можно не увидеть, но окраску легко заметить, если налить раствор в высокий цилиндр и посмотреть на него сверху). Зависимость оптического поглощения среды А от толщины слоя l и от концентрации вещества с определяется уравнением Ламберта – Бера: A = εcl, где ε – коэффициент пропорциональности (он называется молярным коэффициентом по глощения данного вещества при данной длине волны). Оптическое поглощение А (величина безразмерная) определяется тем, сколько света пропускает слой жидкости или газа: чем больше света задерживается, тем больше величина А, причем зависимость не прямая, а логарифмическая. Так, при А = 1 через слой вещества проходит 10 % света (и 90 % поглощается); при А = 2 проходит 1 %; при А = 3 – только 0,1 % и т. д.

Как показывает опыт, глаз человека может увидеть окраску многих веществ, если А ≥ 0,1. Попробуем оценить оптическое поглощение паров йода при толщине слоя 1 см (пробирка). Сильнее всего йодные пары поглощают в зеленой области спектра (520–530 нм), где ε ≈ 700 л/(моль · см). При 20 °С давление паров йода р = = 0,2 мм рт. ст., а концентрация c = 1,1 · 10–5 моль/л; для перевода давления в концентрацию использовано уравнение идеальных газов, которое дает c = p/RT, откуда с (моль/л) = 0,016p (мм)/T. В результате получаем для оптического поглощения А = 700 · 1,1 · 10–5 = = 0,0077. При таком малом оптическом поглощении свет почти не задерживается парами, и мы их не видим (чуть заметная окраска будет при толщине слоя около 15 см).

Нагреем теперь пробирку с кристаллами йода так, чтобы давление паров выросло до 5 мм рт. ст., т. е. немного выше 60 °С. При этой температуре c = 0,016 · 5/335,5 = 2,38 · 10–4 моль/л, A = 700 · 2,28 · 10–4 = 0,17. Значит, в горячем сосуде пары йода будут хорошо видны, особенно при увеличении толщины слоя (например, в большой колбе). При охлаждении эти пары начнут оседать на стенках в виде небольших кристалликов, хорошо видных на фотографии (их размер будет зависеть от скорости охлаждения). Эксперимент подтверждает проведенные приблизительные оценки. Когда кристаллы йода в запаянной ампуле диаметром 2 см медленно нагревали в воде, время от времени наблюдая за ее цветом, чуть заметная глазом на белом фоне окраска паров йода появилась при 40 °С. При этой температуре давление паров йода р = 1,03 мм, концентрация с = 4,3 · 10–5 моль/л и А = 700 · 5,26 · 10–5 · 2 = 0,074, что близко к приблизительному значению А = 0,1.

Колба с йодом, нагретая солнцем

Быстрое увеличение давления паров с температурой (и, соответственно, интенсивность их окраски) использовал профессор химии Карлетонского колледжа (штат Миннесота) Ричард У. Раметте. Несколько граммов кристаллов йода он поместил в большую колбу и тщательно зацементировал ее горловину. Затем он поместил эту колбу горлом вниз среди камней на своем участке рядом с домом, расположенном в южной части штата Аризона. Ночью йод конденсировался, образуя на стенках красивый узор из мелких кристалликов. А когда утром всходило жаркое аризонское солнце (место, где живет Раметте, находится на широте Сирийской пустыни!) и раскаляло камни, йод частично возгонялся, и колба становилась красно-фиолетовой. Чем выше была температура, тем больше йода возгонялось, так что по интенсивности окраски профессор мог судить о температуре на улице, глядя на колбу прямо из окошка, а заодно любуясь цепью гор Санта-Рита вдали, пальмами и другой южной растительностью. Судя по интенсивности окраски паров йода, температура колбы во время фотографирования, возможно, превышала 50 °С.

Блуждания молекул и… людей

Опыты с йодом позволяют проникнуть в то, как движутся молекулы в результате диффузии в воздухе и в «свободном полете» в вакууме. Если на дно пробирки поместить кристаллический йод и начать нагревать его, то снизу будут подниматься тяжелые фиолетовые пары, которые медленно заполнят пробирку, частично оседая на более холодных стенках в виде мелких кристалликов. Если же поместить кристаллы йода на дно стеклянной ампулы, выкачать из нее с помощью хорошего насоса воздух до очень малого остаточного давления, а потом герметично запаять, то при нагревании донышка ампулы никаких паров в ней не замечается, но на холодных стенках немедленно начинают оседать мельчайшие серые кристаллики йода. Если в ампуле находится не мелкий порошок йода, а один крупный кристалл (такой кристалл вырастет сам по себе, если вакуумированную ампулу оставить в покое на несколько месяцев), то при нагревании донышка ампулы небольшим пламенем кристалл начинает смешно дрожать и подпрыгивать. А так как йод очень тяжелый (плотность 4,94 г/см^3, почти вдвое больше, чем у гранита), в тишине отчетливо слышен стук. Как объяснить все эти явления?

При нагревании кристалла молекулы йода начинают намного быстрее отрываться от его поверхности. Если в ампуле воздух, то из-за столкновений с молекулами О_2 и N_2 молекулы I_2 могут снова вернуться и прилипнуть к поверхности. Если же в сосуде вакуум, такого шанса у молекул йода нет, и они будут лететь прямолинейно и равномерно, пока не столкнутся со стенкой, к которой и прилипнут (стенка холодная).

Быстро ли летят молекулы? Эта задача была решена еще в XIX в., когда трудами Джеймса Максвелла, Людвига Больцмана, других ученых была создана молекулярно-кинетическая теория газов. В соответствии с этой теорией средняя скорость молекул , где М – молекулярная масса газа (кг/моль), R – газовая постоянная (8,31 Дж/(моль К)), T – абсолютная температура. Как известно, кинетическая энергия тела, в том числе и молекулы, определяется формулой Е = Mu^2/2. Подставляя в эту формулу выражение для u, получаем: Е = 3RТ/2, т. е. энергия молекул не зависит от их массы, а только от температуры. По этому поводу Максвелл в своем докладе «Пояснения к динамической теории газов», сделанном в 1859 г., сказал: «Динамическая теория говорит нам также и о том, что происходит, когда молекулы различных масс сталкиваются друг с другом. Бо́льшие массы будут двигаться медленнее меньших, так что в среднем каждая молекула, большая или малая, будет иметь ту же энергию движения».

Если в формулу для средней скорости молекул подставить приведенное значение R, а молекулярную массу выражать в более привычных для химиков единицах (г/моль), то получим формулу . По этой формуле нетрудно рассчитать, с какой скоростью движутся в газе разные молекулы. Сразу видно, что чем выше температура и чем легче молекулы, тем быстрее они движутся. Но эта зависимость не очень сильная, так как величины М и Т находятся под знаком корня.

Рассчитаем, например, с какой скоростью движутся при комнатной температуре (Т = 293 К) молекулы самого легкого газа, водорода, – М = 2 г/моль. Из формулы получаем удивительный результат: u = 1,94 км/с – намного быстрее пули! Самые тяжелые молекулы UF_6 с М = 352 (это вещество в виде газа используют для разделения изотопов урана) движутся при комнатной температуре, со средней скоростью около 145 м/с. Небольшое повышение температуры, как следует из формулы, увеличивает скорость молекул не очень сильно. Так, при 55 °С (328 К) давление паров над UF_6 достигает 1 атм, и при этой температуре молекулы вещества в газе движутся со средней скоростью около 155 м/с, т. е. лишь немного быстрее.

Молекулы йода – одни из самых тяжелых (М = 254), и их средняя скорость равна примерно 170 м/с при 20 °С. Теперь понятно, почему мы не видим паров йода при его возгонке в вакууме: даже тяжелые молекулы движутся слишком быстро, достигают стенки за время меньше одной тысячной секунды, и их невозможно увидеть – как не видно летящие пули. Расчет показывает, что пары при возгонке йода в вакууме станут видны, если каждую секунду с поверхности будет испаряться 1 г вещества! Такой скорости в ампуле достичь невозможно, так как при нагревании донышка ампулы теплота передается только нижней поверхности кристалла, который тут же и испаряется, отбирая при этом тепловую энергию.

Испарение в вакууме именно нижней части большого кристалла при сильном нагревании донышка ампулы объясняет и подпрыгивание этого кристалла. Вылетающие вниз с большой скоростью молекулы I_2 создают реактивную тягу, приподнимающую кристалл. Но как только кристалл отрывается от горячей поверхности, он немного остывает, скорость испарения снижается, и кристалл падает на дно. После этого процесс повторяется.

Посмотрим теперь, что происходит при нагревании кристаллического йода в ампуле с воздухом. Молекулы I_2, оторвавшись от поверхности и летя с огромной скоростью, тем не менее не могут улететь далеко, так как тут же сталкиваются с молекулами воздуха, которых огромное количество: примерно 2,5 · 10^19 в 1 см^3 при комнатной температуре и давлении 1 атм. После каждого столкновения молекула случайным образом изменяет направление своего движения, пролетая в среднем от одного столкновения до другого небольшое расстояние λ. Оказывается, путем простых экспериментов можно определить это расстояние (оно называется свободным пробегом), а также рассчитать, как часто данная молекула сталкивается с другими. Знать частоту столкновений очень важно, в частности, для химической кинетики – науки, которая изучает скорость химических реакций.

Несмотря на то что молекулы воздуха все время «путаются под ногами» молекул йода (такое меткое выражение употребил лауреат Нобелевской премии по химии Николай Николаевич Семёнов), пары йода тем не менее распространяются все дальше от кристаллов. Это явление называется диффузией (слово происходит от лат. diffusio – «распространение», «растекание»). Быстрее всего диффузия происходит в газах, намного медленнее – в жидкостях, совсем медленно – в твердых телах.

Задача о диффузионном движении молекулы очень похожа на задачу о броуновском движении. В 1827 г. английский ботаник Роберт Броун, наблюдая в микроскоп за взвешенными в воде мельчайшими частицами (например, за зернами, выделенными из клеток пыльцы некоторых растений), неожиданно обнаружил, что эти частицы непрерывно совершают хаотические движения. И лишь много десятилетий спустя ученые поняли, что это явление связано с беспорядочными ударами невидимых молекул воды. Когда, наблюдая за частицами в микроскоп, на носили на клетчатой бумаге их положение через определенное время (например, каждые полминуты), получались ломаные линии – такие, как приведены на рисунке. Оказалось, что очень малые частицы подвержены со всех сторон непрерывным ударам молекул воды и эти удары не компенсируют друг друга (как в случае больших частиц). Если бы мы могли следить за положением данной молекулы в ходе ее непрерывных соударений с другими и нанесли эти положения на бумагу, то получилась бы такая же картинка.

Зарисовка последовательных положений трех броуновских частиц (капельки камеди размером около 1 мкм в эмульсии), сделанная французским физиком Жаном Перреном в 1908 г.

В этом хаосе движений смогли разобраться в начале ХХ в. Альберт Эйнштейн и польский физик Мариан Смолуховский, которые решили задачу о случайных блужданиях молекулы (или очень маленькой частицы). Сравнивая движения молекул и броуновских частиц, Смолуховский отмечал, что «частицы, взвешенные в жидкой или газообразной среде, ведут себя так, как если бы они были самостоятельными молекулами с нормальной кинетической энергией, но соответственно с гораздо меньшей длиной свободного пути».

Остроумные физики вскоре обозвали случайные блуждания молекулы или броуновской частицы «прогулкой пьяницы» (по-английски the drunkard’s walk), причем с помощью этой «модели» оказалось возможным легко и наглядно вывести основную формулу для диффузии. В такой необычной форме задача о случайных блужданиях звучит так. Поздно вечером из кабачка, расположенного в середине улицы (пункт 0), вышел подвыпивший моряк и направился… допустим, к ближайшей остановке; обе они находятся в нескольких сотнях метров по обе стороны от кабачка. Улица освещена фонарями на столбах, расстояние между которыми равно λ. Моряк не помнит, в какую сторону нужно идти от пункта 0, и выбирает направление произвольно. Дойдя до ближайшего фонаря, он немного отдыхает, ухватившись за столб, а потом идет дальше, до следующего фонаря, а так как он не помнит, откуда пришел, то может направиться в любую сторону с равной вероятностью. Спрашивается, дойдет ли он в конце концов до какой-нибудь остановки или так и будет совершать колебания около начального пункта 0, то удаляясь ненамного от него, то опять приближаясь?

Решение этой строго научной задачи такое: постепенно моряк будет все дальше удаляться от начального пункта, хотя и значительно медленнее, чем если бы он двигался только в одну сторону. Это можно показать достаточно простым способом.

Нам нужно выразить расстояние SN от нулевой точки до местоположения моряка после N его блужданий от одного фонаря до другого, если известно среднее расстояние между столбами λ. (Отметим сразу, что для молекулы величина S соответствует диффузионному смещению – расстоянию, на которое продвинутся пары йода в воздухе или окрашенные ионы в воде; величина λ соответствует среднему свободному пробегу молекулы – расстоянию, которое она пролетает в свободном полете от одного столкновения до другого; величина N соответствует числу столкновений за определенное время – время, за которое диффузия прошла на расстояние S.)

А теперь немного простой математики. Дойдя до первого фонаря, моряк пройдет расстояние S_1 = ±λ: + λ, если он пошел вправо, и – λ, если пошел влево от точки 0. Но нам не важно, в какую сторону пошел моряк, а важно только, какое расстояние он прошел. Чтобы избавиться от знаков, возведем обе части этого равенства в квадрат: S_1^2 = λ^2.

Пусть теперь, совершив N – 1 таких блужданий, моряк оказался на расстоянии SN–1 от начала. Пройдя до следующего фонаря, он очутится либо дальше, либо ближе к точке 0, т. е. SN = SN–1± λ.

Избавляемся от неопределенности в знаках таким способом. Возводим обе части равенства в квадрат: (SN)2 = (SN–1)2 ± 2λSN–1 + λ^2. Теперь представим себе, что моряк много раз совершил единичное блуждание от точки SN–1 к точке SN. В половине случаев, когда точка SN расположена дальше, чем точка SN–1, мы получим (SN)2 = (SN–1)2 + 2λSN–1 + λ^2, а в половине случаев, когда точка SN расположена ближе к началу, чем точка SN–1, мы получим (SN)2 = = (SN–1)2 – 2λSN + λ^2. Таким образом, плюсы и минусы взаимно сократятся, и в среднем квадрат удаления после N-го блуждания будет равен (SN)2 = (SN–1)2 + λ^2.

Исходя из этой формулы и учитывая, что S_1^2 = λ^2, получаем, что S_2^2 = S_1^2 + λ^2 = 2λ^2 (квадрат предыдущего значения плюс λ^2), S_3^2 = = 3λ^2 и т. д. То есть квадрат смещения после N-го блуждания (SN)2 = Nλ^2 или  .

Вот мы и получили основную формулу для процесса случайных блужданий. Из нее следует, например, что трезвый моряк, идущий все время в одном направлении, пройдя N = 100 столбов, расстояние между которыми λ = 20 м, удалится от точки 0 на 2000 м = 2 км. Подвыпивший же моряк удалится от начала всего на . Но все же в какую-нибудь сторону удалится!

Другой пример. Многие, возможно, замечали, что шнур от телефонной трубки часто очень сильно закручен в одну сторону. Причина может быть та же: если много раз снимать трубку, а потом класть ее на рычаг, случайно повернув то в одну сторону, то в другую, то в конце концов трубка окажется много раз повернутой в какую-нибудь одну сторону, и для распрямления провода его придется раскручивать.

Теория случайных блужданий имеет и более важное практическое приложение. Говорят, что без компаса и в отсутствие ориентиров (солнце, звезды, шум шоссе или железной дороги и т. п.) человек бродит в лесу, по полю в буране или в густом тумане кругами, все время возвращаясь на прежнее место. На самом деле он ходит не кругами, а примерно так, как движутся молекулы или броуновские частицы. На исходную точку он вернуться может, но только случайно. А вот свой путь он пересекает много раз – как броуновская частица на рисунке. Рассказывают также, что замерзших в пургу людей находили «в каком-нибудь километре» от ближайшего жилья или дороги. Однако на самом деле у человека не было никаких шансов пройти этот километр, и вот почему.

Чтобы рассчитать, насколько сместится человек в результате случайных блужданий, надо знать ту самую величину λ; в данном случае это расстояние, которое человек может пройти по прямой, не имея никаких ориентиров. Эту величину с помощью студентов измерил профессор математики Московского государственного университета инженерной экологии Б. С. Горобец. Он, конечно, не оставлял их одних в дремучем лесу или на заснеженном поле, все было проще: студента ставили в центре пустого стадиона, завязывали ему глаза и просили в полной тишине (чтобы исключить ориентирование по звукам) пройти до конца футбольного поля. Оказалось, что в среднем студент проходил по прямой всего лишь около 20 м (когда отклонение от прямой не превышало 5°), а потом начинал все более отклоняться от первоначального направления. В конце концов он останавливался, далеко не дойдя до края.

Пусть теперь человек идет (вернее, блуждает) в лесу со скоростью 2 км/ч (для дороги это очень медленно, но для густого леса – очень быстро!), тогда если величина λ равна 20 м, то за час он пройдет 2 км, но сместится всего лишь на 200 м, за два часа – примерно на 280 м, за три часа – 350 м, за 4 часа – 400 м и т. д. А двигаясь по прямой с такой скоростью, человек за 4 часа прошел бы 8 км и, скорее всего, вышел бы если не к жилью, то к дороге, просеке, речке, высоковольтной линии. Поэтому в инструкциях по технике безопасности полевых работ есть такое правило: если ориентиры потеряны (сплошная облачность, не слышно шума шоссе или железной дороги), надо оставаться на месте, обустраивать убежище и ждать окончания ненастья (может выглянуть солнце) или помощи. В лесу же двигаться по прямой помогут ориентиры – деревья или кусты, причем каждый раз надо держаться двух таких ориентиров – одного спереди, другого сзади. Но, конечно, лучше всего брать с собой компас…

Вернемся теперь к молекулярной диффузии. Итак, молекула йода хаотично мечется между огромным количеством мешающих ей молекул воздуха, постепенно смещаясь все дальше – в соответствии с выведенной формулой. Скорость движения молекулы I_2 при комнатной температуре равна, как мы помним, 170 м/с. В отсутствие столкновений (например, в глубоком вакууме космического пространства) эта молекула, двигаясь по прямой в одном направлении, прошла бы за время t расстояние L = ut. Это же расстояние можно получить, сложив все отрезки между столкновениями: L = λN. Таким образом, ut = λN. В случае же диффузии, при частых столкновениях, молекула сместится на значительно меньшее расстояние: S = λ√N. Исключив из этих двух формул не очень интересное для нас значение N (ведь оно зависит от времени диффузии), получим очень важную формулу: S^2 = uλt, или λ = = S^2/ut. А частота столкновений равна Z = N/t = u/λ = u^2t/S^2.

Формулы получены, настало время ими воспользоваться. Для этого нужен не очень сложный эксперимент. Поместим кристаллик йода на дно пробирки и поставим ее в теплую воду, чтобы ускорить диффузию. Эксперимент показывает, что при температуре 59 °С (332 К) за две минуты (120 с) пары йода поднялись примерно на 6 см. При этой температуре средняя скорость молекул йода равна 160 = = 183 м/с. Таким образом, средний свободный пробег молекул I_2 равен λ = S^2/(ut) = (0,06 м)2/(183 · 120) ≈ 1,6 · 10–7 м = 0,16 мкм – ничтожно малая величина! А вот частота столкновений получилась огромной: Z = u/λ = 183/1,6 · 10–7 ≈ ≈ 1,1 · 10^9, т. е. более миллиарда столкновений в секунду! С такой частотой сталкиваются между собой и молекулы воздуха. Двигаясь по прямой со скоростью 183 м/с, молекула йода за те же две минуты пролетела бы примерно 22 км!

Полученные значения для молекул йода не очень точны, так как массы молекул I_2, O_2 и N_2 сильно отличаются (в 254/29 = = 8,8 раза), и в формулы для диффузии необходимо вводить поправки. Однако качественно проведенные расчеты дают правильный результат. Это можно подтвердить известными данными для диффузии. Например, для самодиффузии молекул кислорода в кислороде при нормальных условиях средний свободный пробег λ = 0,12 мкм – величина того же порядка, что и полученная для йода (0,16 мкм).

Средний свободный пробег молекул (и частота столкновений), конечно, сильно зависит от давления газа. Так, на высоте 10 км (примерно уровень самой высокой горы на Земле) давление воздуха снижается до 210 мм рт. ст., а средний свободный пробег молекул О_2 и N_2 увеличивается до 2 мкм, хотя и остается очень маленьким. На высоте 50 км (давление 0,76 мм рт. ст., т. е. в 1000 раз ниже нормального) λ = 0,08 мм, а на высоте 100 км (давление там снижается до 6 · 10–4 мм рт. ст.) λ = 9,5 см. Это уже хороший вакуум. При таком давлении электроны в кинескопе телевизора смогут почти свободно долетать до экрана, рисуя на нем изображение; если же вакуум в телевизионной трубке хоть немного нарушится, узкий электронный луч сильно «размажется» по дороге, сталкиваясь с молекулами воздуха, и никакого изображения не получится. В космосе в условиях высокого вакуума столкновений практически нет, и средний свободный пробег достигает многих тысяч километров.

Теперь попробуем оценить, через какое время мы почувствовали бы запах разлитых духов, если бы молекулы пахучего вещества распространялись в воздухе только за счет диффузии. Результат окажется удивительным. Действительно, молекулярная масса у многих пахучих веществ примерно такая же, как у молекул йода. В таком случае на расстояние S = 3 м эти молекулы диффундировали бы в течение времени t = S^2/uλ = 9/183 ·1,6 ·10–7 ≈ 300 000 c = 85 часов! Понятно, что мы чувствуем запах намного быстрее в результате не диффузии, а потоков воздуха, т. е. конвекции.

До сих пор мы рассматривали диффузию в газах. В жидкостях она происходит намного медленнее. Например, смещение для ионов кобальта в водном растворе (эти ионы розового цвета) описывается формулой S^2 = Dt = 7,3 · 10–6t см^2/с (величина D называется коэффициентом диффузии, она получена экспериментально и аналогична произведению uλ в полученной ранее формуле). Поэтому, например, через 1000 с (около 17 мин) эти ионы пройдут в растворе всего лишь = 0,085 см ≈ 1 мм.

Диффузию в жидкостях легко наблюдать экспериментально. Проще всего это сделать для окрашенных ионов. Приготовим в небольшой баночке (например, из-под пенициллина) раствор желатина такой концентрации, чтобы в холодильнике он превратился в студень (обычно достаточно приготовить 2—3%-ный раствор в теплой воде, дождавшись полного растворения желатина после его набухания). С помощью маленького пинцета аккуратно поместим в центр баночки небольшой кристаллик хорошо растворимой в воде окрашенной соли, например медного купороса или перманганата калия. Через некоторое время вокруг кристаллика образуется окрашенный шарик, который медленно увеличивается в диаметре в результате диффузии ионов во всех направлениях от кристалла. Коллоидный раствор желатина практически не влияет на диффузию ионов в воде; его назначение – препятствовать конвективным потокам жидкости, которые неизбежно возникают в растворе, перемешивают его и смазывают картину. Правда, перманганат-ионы могут реагировать с желатином, задубливая его, поэтому для количественных измерений надо использовать кристаллик инертного органического красителя, например бриллиантового зеленого. Но для качественной характеристики диффузии опыт с перманганатом калия весьма нагляден: с ним граница диффузии видна более четко. За день радиус шарика достигает примерно 0,8 см.

Можно поступить и иначе: поместить кристаллик перманганата калия на дно узкой трубочки, запаянной с одного конца, и с помощью шприца с тонкой иглой осторожно наполнить трубочку водой. За диффузией в этом случае следят по перемещению окрашенной границы между раствором и чистой водой (в узкой трубке конвективные потоки жидкости затруднены).

Когда холодильнику жарко

Обычный холодильник, который есть теперь практически в каждом доме, не смог бы работать без химического вещества со специально подобранными физическими свойствами. Как работает холодильник? В нем используется так называемый круговой термодинамический цикл. Он осуществляется с помощью рабочего тела, которое называется холодильным агентом или просто хладагентом. Это может быть любой сжижающийся газ, в том числе пары воды, аммиак, смесь пропана и пропилена, фреоны (они же хладоны) и даже воздух. Обычно в бытовых холодильниках хладагентом служат фреоны – их известно множество. Вот лишь некоторые из них.

Несколько слов о цифровых обозначениях фреонов – для любознательных. Первая цифра – число атомов углерода минус 1 (для производных метана эта цифра опускается). Вторая цифра – число атомов водорода плюс 1. Третья – число атомов фтора (если оно больше 9, то перед ним ставится дефис). При наличии двойной связи в качестве четвертой цифры ставится 1, а при наличии атомов брома – буква В, за которой следует число этих атомов. При наличии изомеров приведенное обозначение соответствует наиболее симметричному соединению (наименьшая разность масс двух частей молекулы), постепенное снижение симметричности обозначается буквами a, b, c и т. д. Пусть, например, хладагентом служит фреон-114 (1,1,2,2-тетрафтор-1,2-дихлорэтан, CF_2Cl–CF_2Cl). При нормальном атмосферном давлении и комнатной температуре это газ (он сжижается при охлаждении до 3,5 °С). В компрессоре газообразный фреон сжимается (этот процесс сопровождается нагреванием). Нагретый газ, проходя через конденсатор (радиатор), отдает тепло окружающему воздуху, а сам охлаждается. Конденсатор расположен на задней стенке холодильника, в рабочем состоянии он всегда горячий; вот почему нельзя ставить холодильник вплотную к стенке – это ухудшает циркуляцию воздуха у конденсатора и отвод от него тепла.

Охлаждение сжатого газа приводит к его сжижению (конденсации); этот процесс также сопровождается отводом тепла в окружающую среду. Из конденсатора жидкий фреон поступает в специальное устройство – дроссель, назначение которого – резко снизить давление (это достигается путем прохождения вещества через небольшое отверстие с последующим увеличением объема); при этом часть жидкости испаряется, а ее температура резко падает. Каждый может легко почувствовать это явление, как говорится, собственной кожей, если будет интенсивно махать мокрой рукой. А ведь жидкий фреон испаряется намного легче, чем вода: для испарения одного грамма воды требуется 2260 Дж, а одного грамма фреона-114 – всего 134 Дж, почти в 17 раз меньше! В испарителе (он расположен в морозильной камере холодильника) жидкость полностью выкипает, что сопровождается дальнейшим значительным понижением температуры. Пары холодного фреона откачиваются компрессором, сжимаются, и далее цикл повторяется.

Компрессор холодильника может создать определенное давление. Достаточно ли будет этого давления, чтобы сжатый газообразный хладагент после охлаждения в конденсаторе перешел в жидкое состояние? Это зависит и от температуры в помещении (сжатый газ охлаждается воздухом), и от мощности компрессора, и от природы хладагента. Для каждого соединения имеется своя зависимость температуры кипения жидкости (или температуры конденсации газа, что одно и то же) от давления. Пусть компрессор данного холодильника способен создать давление 4 атм. При таком давлении пары фреона-114 сконденсируются в жидкость, если их температура будет не выше 45 °С. Так оно обычно и бывает, если на кухне не слишком жарко, например 25 °С. Но если температура в помещении повысится, положим, до 30 °С, пары фреона в конденсаторе не смогут остыть в достаточной степени, чтобы при 4 атмосферах превратиться в жидкость: для этого потребуется более высокое давление, которое компрессор не дает. Конечно, дросселирование сжатого газа в компрессоре газообразного фреона тоже приведет к некоторому понижению температуры. Однако охлаждение при этом будет значительно слабее, чем при испарении жидкости.

Теперь представим себе, что у другого, более мощного, холодильника компрессор может создать давление 6 атм. При таком давлении пары фреона-114 будут конденсироваться в жидкость даже при температуре 60 °С, поэтому холодильник с таким компрессором будет работать и в том случае, когда на кухне очень жарко (например, в тропических странах). Вот почему в очень жаркое лето одни холодильники работают исправно, а другие – нет.

Если в холодильнике используется фреон-12, зависимость его температуры кипения от давления и соответственно требования к компрессору будут другими. Температура кипения этого вещества составляет –29,8 °С при давлении 1 атм, 20 °С при 5,7 атм, 40 °С при 9,7 атм и 60 °С при 15,3 атм. Следовательно, для сжижения этого хладагента требуется (при данной температуре) более высокое давление.

Сравнительно высокие давления требуются и для сжижения аммиака: при атмосферном давлении 1 атм он кипит при температуре –33,6 °С, если повысить давление до 10 атм – при 25,7 °С, до 20 атм – при 50,1 °С, до 30 атм – при 66,1 °С. То есть если хладагентом служит аммиак, требуются значительно более мощные компрессоры (такие холодильники работают, например, на мясокомбинатах). Преимущество аммиака – в очень высокой теплоте испарения: 1 кг кипящего аммиака отбирает у окружающей среды 1370 кДж, тогда как 1 кг фреона-12 – только 162 кДж. Однако аммиак – ядовитый газ с сильным запахом, что при его утечке создает большие проблемы. Фреоны лишены этих недостатков: они не ядовиты, не горят, не имеют запаха. В холодильных машинах применяют несколько десятков различных фреонов и их смесей. Наиболее распространены фреон-12, фреон-22 и фреон-13 (последний применяется для создания очень низких температур, требующихся для хранения продуктов в течение длительного времени). В холодильных установках в нефтехимической и газовой промышленности применяются некоторые углеводороды: этан, пропан, этилен.

В заключение рассказа о холодильнике – старая задача: как изменится температура в комнате, если открыть дверцу стоящего в ней холодильника? Оказывается, эта задача имеет несколько решений. Обычно говорят, что правильный ответ – никак не изменится, потому что для создания холода внутри холодильника его агрегат нагревает воздух в помещении. В связи с этим вспоминается такая анекдотичная история. В один из американских журналов пришло письмо, автор которого, простая домохозяйка, внесла очень интересное предложение: «В последнее время так много говорят о глобальном потеплении. Может быть, стоит правительствам всех стран предписать своим гражданам в определенный день включить на сильное охлаждение все кондиционеры в домах и офисах и открыть все окна и двери?».

По поводу этого письма Г. И. Шифф, который преподавал в университете Мак-Гилла в Монреале, рассказал одну поучительную историю. В начале 1950-х гг. он задал своим студентам популярный вопрос: как изменится температура в помещении, если открыть дверцу холодильника. Один из студентов ответил, что в комнате станет холоднее. Преподаватель, конечно, начал снова терпеливо объяснять законы термодинамики, говорить про то, что «вырабатывая холод» внутри холодильника, агрегат в то же время заметно нагревает воздух в помещении. Однако студент упрямо стоял на своем: «Нет, в моей комнате станет холоднее! Там, где я живу, на все комнаты стоит один компрессор в подвале, поэтому холодильник у меня воздух не греет».

Преподавателю ничего не оставалось, как согласиться. Вероятно, студент жил в небольшом общежитии на несколько комнат, которое было оборудовано такими холодильниками. В некоторых наших научных учреждениях аналогично вакуум создается одним мощным насосом, к которому можно подключиться из разных помещений, а на краниках в лабораториях можно прочитать: «воздух», «газ», «вакуум». Значит, компрессор в упомянутом общежитии нагревал воздух только в подвале, а в комнатах «вырабатывал» только холод!

Кстати, можно придумать еще одну ситуацию. В любом современном холодильнике есть реле, которое выключает компрессор, когда температура внутри понизится до определенного значения (оно задается ручкой-регулятором). Так, если регулятор стоит в положении, которое соответствует, положим, температуре в морозильной камере –10 °С, то как только температура в ней превысит это значение, специальный датчик даст команду реле включить компрессор. И холодильник будет «урчать» до тех пор, пока температура снова не понизится до заданного предела, после чего автоматически выключится. Такой режим «труда и отдыха» значительно удлиняет срок службы компрессора и экономит электро энергию.

Теперь представим себе, что холодильник очень старый и в нем нет реле. В таком холодильнике компрессор работает непрерывно. Пусть после длительной работы внутри этого холодильника накопилось много снега и льда. И если комната хорошо изолирована, то после открывания дверцы холодильника температура в комнате понизится, пока не растает весь снег со льдом. Правда, понижение температуры будет очень незначительным. Когда же весь лед растает, температура в комнате больше меняться не будет. А вот если открыть дверцу обычного холодильника, то температура в комнате повысится, так как компрессор будет работать более длительное время (или даже непрерывно).

«Почему взлетает шарик, наполненный гелием?»

Статью под таким названием опубликовал уже упоминавшийся профессор химии Раметте. Он рассказал интересную историю о споре, который случился у него с коллегой, преподавателем физики. Как-то этот физик спросил его, как пишет Раметте, «со своей обычной вредной улыбочкой» о том, понимает ли химик молекулярно-кинетическую теорию газов. Дальше между ними произошёл примерно такой диалог (в вольном пересказе и с комментариями химика).

– Раз вы понимаете основы теории, представьте себе полностью изолированную комнату. Будет ли воздух в ней гомогенным, то есть полностью однородным, а движения молекул хаотичными?

– Конечно, это известно всякому, кто слышал о молекулярно-кинетической теории газов. Я имею в виду «гомогенный на макроуровне» (с этим типом надо быть настороже!).

– О’кей, тогда почему шарик, надутый гелием, взлетит в этой комнате к потолку?

– Я подозреваю, что вы к чему-то клоните (недаром у него такая самодовольная улыбка, но я не поддамся). По закону Архимеда тело (а у нас это шарик с гелием), погруженное в жидкость (а у нас – в воздух), выталкивается с силой, равной весу вытесненной жидкости (воздуха). Гелий в шарике весит меньше, чем вытесненный воздух. Вот и все.

– Нет, не все! (Ишь, как уставился!) Это просто наблюдение, но вовсе не объяснение. То есть я хочу спросить, почему закон Архимеда «работает». Как объяснить на молекулярном уровне, почему шарик летит вверх? Или, если на то пошло, почему лодка плавает? Что за сила толкает шарик вверх? Думайте! (Наверное, он заметил мое замешательство и решил таким способом «подбодрить».)

– Ах, вот вы о чем! Ну это элементарно: причина в ударах молекул воздуха о шарик. Каждый такой удар передает шарику крошечный импульс, а так как таких ударов – мириады каждую секунду, они и толкают шарик вверх.

– Хм-м, но ведь вы только что сказали, что молекулы движутся совершенно хаотично, а воздух гомогенный! Так разве частота ударов по шарику сверху и снизу не будет одинакова? В таком случае шарик не должен взлетать, а будет просто свободно парить в воздухе! (Вот злорадствует!) Именно так ведь с ним и будет на космической станции, где нет силы тяжести.

– Ну уж здесь вы не правы: ведь и на орбите земное притяжение никуда не исчезло, просто и сама станция, и все, что в ней, находятся в состоянии свободного падения, поэтому только кажется, что там нет силы тяжести. (Итак, счет один-один!).

– Правильное замечание. (А чего покраснел-то?) Ну а дальше что?

– Я думаю, что знаю, в чем дело. Во-первых, нельзя говорить, что воздух полностью гомогенен. Из-за притяжения Земли молекулы воздуха притягиваются вниз.

– Ха-ха, тогда шарик должен испытывать больше ударов сверху, чем снизу, тогда почему же он взлетает, а не опускается на пол? М-да, чтобы выиграть время, извинюсь, что мне надо срочно отлучиться на минутку, а сам подумаю. Ну вот, теперь можно и вернуться к столику.

– Решение такое. Из-за гравитации воздух внизу более плотный, поэтому концентрация молекул воздуха больше у нижней части шарика, чем у верхней. Поэтому и частота ударов о шарик снизу больше, чем сверху.

– Мои поздравления! Вы первый из тех, кому я задавал этот вопрос и кто в конце концов пришел к правильному выводу. (Ну «в конце концов» он мог бы и не говорить… Ничего, сейчас он у меня попляшет, потому что я тоже придумал и для него задачку.)

– Спасибо, коллега, но есть один вопросик. Разве все эти рассуждения о градиенте плотности не применимы также и к гелию в шарике? А значит, молекулы гелия тоже ударяют о нижнюю часть шарика чаще, чем о верхнюю, только изнутри! Значит, эти удары должны уравновешивать внешние, со стороны молекул воздуха. (Ага, вот он и занервничал, и похоже, что сказать-то ему нечего.)

– Ого, посмотрите на часы: мы так заболтались, а я опаздываю на занятия! В то же время завтра? Химик, кстати, тоже был рад передышке, поскольку у него самого не было ответа на поставленный вопрос. Вечером он просмотрел статьи, опубликованные в популярных журналах. Нашел статью о сравнении подъемной силы гелия и водорода, но в ней не было ничего для него нового. Тогда он в Интер нете в поисковой системе набрал atmospheric pressure equation, на что получил 76 200 ссылок. Четвертая из них привела его к статье Карла Нейва, преподавателя факультета астрономии и физики университета штата Джорджия: http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/ kinetic/barfor.html На этом сайте Раметте нашел известную баромерическую формулу, из которой можно приближенно рассчитать, как изменяется давление воздуха с высотой, если температуру на любой высоте принять равной 0 °С: Р = Роexp(–h/8), где h – высота в километрах. При точных расчетах зависимости давления от высоты следует учитывать понижение температуры воздуха с высотой в тропосфере (далее температура вновь растет). Атмосферное давление зависит также от места измерения, температуры воздуха и погоды. Приведём зависимость среднегодового давления (в привычных миллиметрах ртутного столба) от высоты:

Если, например, в Москве давление в какой-то день равно 745 мм рт. ст. (обычное для города давление), то в верхних этажах высотного здания оно будет на 20 мм ниже, на верхушке Останкинской телебашни оно снизится уже на 45 мм. Те, кто живет в горной местности, постоянно находятся в области пониженного давления. Так, в Алма-Ате давление всегда понижено на 60–70 мм, а в Мехико – на 180 мм! Последнее особенно чувствовали спортсмены, когда в 1968 г. в этом городе проводились Олимпийские игры.

Но вернемся к статье Раметте и шарику с гелием. Средняя молекулярная масса воздуха М = 29, и если диаметр шарика 25 см, то отношение атмосферного давления в верхней и нижней точке P/Po = 0,999971. Именно эта ничтожная разница (всего 0,022 мм, что не фиксируется обычным барометром) и приводит к выталкивающей силе, достаточной, чтобы поднять легкий шарик (по расчетам Раметте, эта сила равна в данном случае 14 г). Гелий намного легче воздуха (М = 4), и для него внутри шарика P/Po = 0,999996. Так что разность в давлении внутри шарика меньше, чем снаружи. Соответственно меньше и разность в числе ударов молекул гелия и воздуха о верхнюю и нижнюю часть шарика.

Удовлетворенный химик с трудом дождался следующего дня, чтобы посрамить физика. Каково же было его разочарование, когда тот первым делом сказал: «Я тут немного подумал и пришел к простому выводу: так как молекулярная масса гелия намного меньше, чем средняя для воздуха, градиентом плотности гелия в шарике можно пренебречь». Более того, физик не искал барометрическую формулу в учебниках или в Интернете, а сам ее вывел! Перед тем как разойтись, физик все же взял свое в свойственной ему манере:

– Ну хорошо, вы разобрались с шариком, из чего следует, что проблема эта легкая. А теперь подумайте над такой. Вы привязываете шарик с тяжелым углекислым газом к потолку своего автомобиля, так что он свисает сверху до середины салона. А шарик с гелием вы привязываете к сиденью, и он тоже витает в центре автомобиля, но привязан снизу. Когда вы резко берете с места, ваше тело по инерции вдавливается в кресло. А что будет с двумя шариками? И что будет с ними при резком торможении?

Физик ушел с самодовольным видом, помахав небрежно рукой на прощание. Химик задумался. Но нельзя же признать себя побежденным! Проще всего посмотреть, как будут в действительности вести себя такие шарики, а уж потом можно подобрать этому объяснение. Задумано – сделано. Химику не составило большого труда надуть два шарика нужными газами (вместо дорогого гелия он вполне мог взять и водород, с которым эффект должен проявиться еще ярче) и в конце рабочего дня привязать их соответствующим образом в своей машине. Чтобы не отвлекаться, находясь за рулем, он посадил в машину в качестве наблюдателя своего внука. То, что произошло во время разгона и резкого торможения, не дало автору заснуть ночью до тех пор, пока он не нашел наблюдавшемуся явлению удовлетворительного объяснения. После чего решил обязательно спросить своего коллегу о механизме работы сифона (на молекулярном уровне!), а также почему ученые решили, что молекула воды имеет формулу Н_2О. Дело в том, что редко кто может достаточно четко объяснить и то и другое! Тем более если заранее не известно, что водород и кислород состоят из двухатомных молекул. Над этим вопросом в XIX в. химики ломали головы десятки лет, и со времен Дальтона довольно долго формулу воды записывали как НО.

Что же показал эксперимент с шариками в автомобиле? Оказалось, что шарики в обоих случаях отклоняются в противоположных направлениях! Объяснить это можно так. При разгоне и торможении автомобиль движется с ускорением, и это ускорение эквивалентно гравитации, только повернутой на 90°. Значит, и шарики с тяжелым и легким газом будут вести себя так же, как в комнате, т. е. двигаться в разные стороны. Действительно, когда машина трогается с места, воздух из-за инерции уплотняется у задней стенки, а при торможении – у передней (конечно, все окна в автомобиле должны быть при этом закрыты). Поэтому при разгоне легкий шарик движется вперед, а тяжелый – назад. При торможении же шарик с гелием отклоняется назад, а с углекислым газом – вперед. А вот смог ли физик ответить на вопросы о сифоне и формуле воды?

Течет ли стекло?

В популярных статьях и даже в некоторых учебниках говорится, что стекло – это та же жидкость, только переохлажденная и потому очень вязкая. В таком случае стекло должно медленно течь, особенно под нагрузкой, – примерно как кусок твердого с виду вара. Если к такому куску приложить большое кратковременное усилие, например стукнуть молотком, он разлетится на куски – как это видно на фотографии. Но если его оставить на длительное время, то через несколько месяцев (или лет – в зависимости от температуры) он превратится в плоскую лепешку. Процесс значительно ускорится, если на кусок вара положить кирпич. Зависимость от температуры вязкости подобных смолообразных веществ (в СИ вязкость изменяется в единицах паскаль на секунду) была измерена еще в 1914 г. итальянским физиком Альфредо Покеттино. Для образца, с которым он работал, вязкость составила примерно 10^9 Па · с при 10 °C, а при 30 °С она снизилась более чем в тысячу раз.

Красивый эксперимент, демонстрирующий течение очень вязкой жидкости, был поставлен в 1927 г. Томасом Парнеллом, профессором физики в университете австралийского штата Квисленд (город Брисбен). Он поместил (вернее, налил) в стеклянную воронку с запаянным кончиком разогретый кусок вара и оставил его там на три года. За это время смола равномерно заполнила всю нижнюю часть воронки, включая носик. В 1930 г. Парнелл вскрыл кончик воронки. Эксперимент начался! И как свидетельствует Книга рекордов Гиннесса, это самый длительный в истории эксперимент.

Через 8 лет, в декабре 1938 г., из воронки в стоящий под ней стаканчик упала первая капля. Примерно столько же времени пришлось ждать падения второй капли – это произошло в феврале 1947 г. В сентябре 1948 г. Парнелл скончался, но его дело было продолжено. Третья капля упала быстрее – в апреле 1954 г. Четвертая – опять через 8 лет, в мае 1962 г. Пятая – в августе 1970 г., шестая – в апреле 1979-го, седьмая – в июле 1988-го… На фотографии, сделанной вскоре после падения шестой капли, видно, что должно пройти еще много времени, прежде чем упавшая капля растечется по поверхности смолы в стакане.

Впоследствии воронку со штативом поместили под стеклянный колпак. Удивительно, что никто не видел, как капля падает – это всегда происходит неожиданно, нередко ночью. Пытались установить в помещении веб-камеру, но когда в конце ноября 2000 г. падала восьмая капля, камера именно в нужный момент отказала! Более длительное время, потребовавшееся для падения последней капли (свыше 12 лет), объясняется тем, что в лекционной аудитории, в фойе которой расположена воронка, был установлен большой кондиционер (в Австралии жарко: Брисбен находится на широте, соответствующей Кувейту в Северном полушарии). Понижение температуры заметно увеличило вязкость смолы.

Поставленный Парнеллом эксперимент позволил оценить вязкость смолы; результаты были опубликованы в 1984 г. в Европейском физическом журнале. Трудности при расчетах были связаны с тем, что вязкость очень сильно зависит от температуры, которая изменяется от месяца к месяцу. Так, самой холодной июльской зимой среднесуточная температура опускалась до 9,0 °C, тогда как жарким январским летом она повышалась 29,8 °С. Конечно, внутри помещения колебания температуры были не такими большими. В среднем оценка вязкости смолы дала значение 2,3 · 10^8 Па · с. Для сравнения: вязкость воды при комнатной температуре составляет 1,0 ·10–3 Па · с, глицерина – 1,48 Па · с, а при 0 °С повышается до 1,2 · 10^4 Па · с, вязкость очень густой смазки – до 5 ·10^3 Па · с. Интересно, что, по оценкам, вязкость земного шара составляет порядка 10^20 Па · с.

Итак, эксперимент наглядно продемонстрировал, что смола действительно является очень вязкой жидкостью. А что со стеклом? Старинные стекла в церквях, которым много сотен лет, и правда нередко имеют с краю утолщение. Этот факт иногда считают доказательством очень медленного течения стекла под действием собственного веса. Однако специалисты по консервации старинных стекол отрицают сам факт их «натекания» на нижнюю раму, т. е. утолщение стекла именно в нижней части. А один из реставраторов даже заявил, что, вынимая из переплетов средневековые стекла, он видел сотни случаев, когда стекло было толще именно в верхней части! Поэтому нельзя считать достоверным и такое объяснение: в старину стекла изготовляли неровными, и при установке удобнее было располагать их более толстым концом вниз.

Существует еще более убедительный аргумент: если бы оконное стекло обнаруживало признаки течения на протяжении нескольких столетий, то можно себе представить, что было бы с вулканическим стеклом – обсидианом, пролежавшим порой миллионы лет! Оно бы просто протекло через трещины в горных породах или образовало нечто наподобие плоских лепешек. Однако такого никогда не наблюдается. По составу же (от 66 до 77 % SiO_2) вулканическое стекло не сильно отличается от старинного (50–75 % SiO_2), поэтому и вязкость их должна быть одного порядка. Астрономы, работающие с телескопами-рефлекторами, возраст которых превышает 100 лет, также не замечали деформации стеклянных зеркал. А ведь малейшее искажение формы зеркала привело бы телескоп в негодность.

А что изменится, если к стеклу приложить большую нагрузку? Будет ли оно в таком случае течь, пусть даже очень медленно? Такие опыты были проведены еще в 1920-х гг. Р. Дж. Рэлеем и К. Д. Спенсером. Они подвешивали за концы длинную стеклянную трубку или палочку, а в центре размещали груз. Эти опыты дали отрицательный результат – даже через много лет стеклянный стержень после снятия нагрузки практически оставался таким же, каким был в начале эксперимента. В начале 1950-х гг. в опытах с очень высоким давлением было показано, что под нагрузкой происходит не вязкое течение стекла (как у вара или густой смолы), а его неэластичная деформация в результате медленной диффузии ионов натрия, которых в стекле много. Аналогичные явления наблюдались и в поверхностных слоях быстро охлажденного стекла, которые находятся под сильным механическим напряжением.

Что же происходит при охлаждении жидкого стекла? Сначала оно переходит в пластичное состояние. Именно в таком состоянии стеклодувы и формуют из стекла различные изделия. При дальнейшем охлаждении стекло при температуре Tg (она называется температурой стеклования, индекс g – от англ. glass – «стекло») становится твердым. Конкретное значение Tg зависит как от скорости охлаждения, так и от способа его определения (например, по повышению вязкости свыше 10^12 Па · с). Ниже температуры стеклования вещество становится хрупким и разрушается при деформации. Для обычного стекла температура стеклования может достигать 1000 °С и выше. Для пластмасс значения Tg могут варьировать от очень низких (–120 °С для силиконовых полимеров) до достаточно высоких (до 400 °С для полиимидов).

Некоторые жидкости при понижении температуры легко переохлаждаются, и кристаллы в них не образуются. Переохлажденная жидкость, температура которой ниже температуры кристаллизации, может, быстрее или медленнее, кристаллизоваться и переходить в истинно твердое состояние. Хорошо известен опыт по охлаждению горячего насыщенного раствора тиосульфата натрия: если раствор чистый, он не закристаллизуется, но стоит внести в него затравку – кристаллик тиосульфата, как немедленно вся масса раствора перейдет в кристаллы. Аналогично, хотя и не так просто, можно закристаллизовать глицерин (при температуре ниже +17,9 °С).

Может ли что-то подобное происходить со стеклом? Иногда на старых стеклянных изделиях можно найти белесые непрозрачные пятна, которые часто считают следствием такого медленно протекающего процесса кристаллизации (его называют расстекловыванием). На самом деле это результат действия на поверхность стекла воды или ее паров, а также углекислого газа, которые образуют корочку непрозрачного гидратированного диоксида кремния. То есть с химической точки зрения этот процесс примерно такой же, как выделение «кремниевой кислоты» при стоянии на воздухе силикатного клея. С подобным явлением знакомы и музейные работники: если влажность воздуха выйдет из допустимых пределов, на изделиях из стекла могут появиться следы старения.

При настоящей кристаллизации стекла в его массе (а не только с поверхности) образуются ситаллы – вещества, получаемые в результате частичной направленной кристаллизации стекол при их термической обработке. Они были получены только во второй половине ХХ в. В ситаллах очень мелкие кристаллики (до 2 мкм) силиката распределены в обычном стекле. Эти вещества обладают высокой прочностью, твердостью, химической стойкостью. Из них делают трубопроводы, химические реакторы, зеркала больших телескопов, электрические изоляторы и многое другое. Один из способов получения ситаллов состоит в частичной кристаллизации стекла путем его нагрева до размягчения и введения специальных затравок – центров кристаллизации. Что же касается обычного стекла, не содержащего таких центров, то расчеты показали, что даже при создании оптимальных условий доля закристаллизованного стекла за 1000 лет не превысит 0,0001 %. В реальных же условиях достижение такой степени кристалличности потребует от миллиона до 10^17 лет!

Химическое взаимодействие стекла с водой приводит еще к одному известному процессу – преобразованию вулканического стекла обсидиана (оно образуется при быстром застывании лавы) в частично закристаллизованную горную породу перлит. Помимо обсидиана известны природные стекла, имеющие неземное происхождение. Так, образцы лунного стекла испещрены ямками и канавками от ударов микрометеоритов, но на них нет следов кристаллизации, что неудивительно ввиду отсутствия на Луне паров воды. Другой тип стекла, который обнаруживают в разных местах в виде зеленоватых кусочков, называется тектитом. Поскольку находки тектитов не связаны с вулканами, полагают, что они имеют неземное происхождение. В тектитах, в отличие от обсидианов, тоже не нашли следов микрокристаллов. Это объясняется тем, что в обсидиане присутствует вода, поэтому микрокристаллические области в этом минерале свидетельствуют о начале процесса его перехода в перлит, а не о «настоящей» кристаллизации стекла, в которой не должны участвовать вода или другое постороннее вещество. Все эти данные свидетельствуют о том, что старение античных стекол – результат химических реакций, а не чисто физического процесса кристаллизации.

В книге Г. Смита «Драгоценные камни», изданной в Лондоне в 1972 г. (в русском переводе – в 1980-м), говорится, что в стекле, в отличие от кристалла, «нет закономерного расположения атомов… Различие между двумя типами структур можно сравнить с различием между батальоном солдат, выстроенных для парада, и простой толпой людей». Однако современная наука не вполне согласна с такой трактовкой. В стекле имеются области, в которых в расположении атомов имеется определенный порядок. Они возникают и исчезают под действием нагрева, давления или нагрузки. Самый известный пример – отжиг стекла. Если расплавленное стекло быстро охладить, образуется метастабильное состояние, которое при некоторых условиях может привести даже к взрывному разрушению. Чтобы избежать этого, стекло переводят в более стабильное состояние, выдерживая его при температуре ниже температуры размягчения. Это и есть отжиг.

В июле 2002 г. сотрудник химического факультета университета штата Орегон в городе Корваллисе Стивен Хокс опубликовал статью с безапелляционным названием: «Стекло не течет, не кристаллизуется и не является жидкостью». Говоря о структуре стекла, Хокс цитирует статью специалиста по физике и химии твердого тела К. А. Энджела, опубликованную в 1995 г. в журнале Science. Ее автор подчеркивает, что атомы и ионы в стекле находятся вблизи минимума потенциальной энергии. В противном случае медленное движение к минимуму приводило бы к текучести, чего не наблюдается даже в геологической шкале времен (если только температура стекла не превышает 0,5 Tg). То есть стекла нельзя считать полностью аморфными структурами. Но если стекло – не «застывшая жидкость», то что же это? Свою статью Хокс заключает таким определением: «Стекло – это жесткое твердое тело, обладающее пониженной степенью молекулярной упорядоченности и соответственно более высокой энтропией, чем кристалл, но более высоким порядком (меньшей энтропией), чем жидкость».

Посмотрим, что скажет наука о стекле в будущем.

«Вечный звонок»

Когда в 1799 г. итальянский физик Алессандро Вольта построил первый в мире источник постоянного тока («вольтов столб»), никто не знал, откуда появляется, казалось бы, неисчерпаемая электрическая энергия. Сам Вольта полагал, что получил неиссякаемый источник электрической энергии. Однако в начале XIX в. большинство физиков уже интуитивно понимали, что вечного двигателя быть не может. Так, в изданном в 1829 г. «Трактате о гальванизме» английский врач и ученый Питер Марк Роже писал по поводу работ Вольты, что кажущийся неиссякаемым источник энергии в действительности таковым не является: «Все силы и источники движения, причины которых нам известны, при совершении ими свойственных им действий иссякают в той же мере, в какой эти действия возникают». Действительно, любой гальванический элемент, любая «батарейка» рано или поздно вырабатывают свой ресурс.

Что же могло смутить Вольту? Если химический источник тока сделан качественно и не совершает работы (не включен ни в какую электрическую цепь), то напряжение на нем может практически не меняться в течение очень длительного времени. Многие «изобретатели» видели в этом указание на возможность построить вечный двигатель. И такие приборы были построены! Вероятно, самый известный из них – электрический звонок, хранящийся в музее физических приборов Кларендонской физической лаборатории в английском университетском городе Оксфорде. Этот звонок, без всякой подзарядки или смены батареи, исправно (и непрерывно) работает уже свыше полутора веков! Так что в буквальном смысле слова он действительно «вечный».

Звонок устроен так. Под стеклянным колпаком расположены две гальванические батареи. Никто не знает точно, из чего они сделаны. Судя по времени изготовления, это могут быть так называемые замбониевые столбы, описанные в 1812 г. итальянским физиком Джузеппе Замбони. Это гальваническая батарея, в которой электродами служат несколько тысяч тонких дисков диаметром около 20 мм из серебряной и цинковой фольги (применялись и другие металлы). А между ними вместо влажных фланелевых или картонных кружков, которые были у Вольты, помещена сухая бумага. Как и любая бумага, она содержит небольшое количество влаги, поглощенной из воздуха, которая и служит электролитом. все устройство либо помещается в герметичную стеклянную трубку, либо погружается в расплавленную серу или смолу. Из-за очень высокого внутреннего сопротивления такая батарея дает очень слабый ток, но служит долго.

В «вечном звонке» в каждой батарее находится около двух тысяч таких гальванических пар, и вместе они дают напряжение около 2000 В. Для герметичности обе батареи залиты расплавленной серой – это препятствует пересыханию батареи и проникновению в них кислорода (он реагирует с цинком). К каждой батарее (к разным их полюсам) присоединены латунные чашечки звонка, а между ними на тонкой нити колеблется полый металлический шарик диаметром около 4 мм. Притянувшись к одной чашечке под действием электростатических сил, шарик получает высоковольтный заряд того же знака и потому отталкивается от этой чашечки и притягивается к другой, заряд которой противоположен по знаку. Там он отдает свой заряд и снова начинает притягиваться к другой чашечке. Так шарик попеременно ударяет в чашечки, вызывая тихое, еле слышное позвякивание (на том же принципе работает и маятник в Мантуе). Каждый раз шарик «вечного двигателя» переносит очень малый заряд; это соответствует ничтожно малому току разряда двух батарей, которые таким образом могут работать буквально веками (и все же не бесконечно долго!) – при условии хорошей изоляции гальванических батарей от атмосферы. Частота колебаний составляет около 2 Гц, так что за время своего существования прибор позвонил уже более 11 миллиардов раз, и не исключено, что механические части звонка износятся быстрее, чем иссякнет электродвижущая сила батарей!

Кто и когда изготовил этот звонок, неизвестно. В записях музея есть лишь информация о том, что «вечный звонок» был куплен в 1840 г. оксфордским профессором физики Робертом Уокером в лавке научных приборов в Лондоне. Однако историкам науки известно, что еще в 1815 г. в «Еженедельном вестнике искусств и ремесел королевства Баварии» появилось сообщение о новом perpetuum mobile – «вечном двигателе», построенном неким Рамисом из Мюнхена. Конструкция Рамиса принципиально не отличалась от описанного «вечного звонка». Источником тока в ней тоже служил «замбониев столб».

Парадоксы электролиза

Во многих учебниках и учебных пособиях процессы, происходящие при прохождении электрического тока через растворы электролитов, трактуются на первый взгляд достаточно просто и понятно. Утверждается, что в ходе электролиза «под действием электрического тока» происходит разложение электролита. При этом «под действием электрического поля, создаваемого напряжением, приложенным к электродам», катионы в растворе движутся к катоду и там разряжаются, а анионы соответственно движутся к аноду и на нем разряжаются. Но так ли это на самом деле? Рассмотрим несколько экспериментальных фактов, которые противоречат такому упрощенному изложению и на первый взгляд выглядят парадоксально.

Факт первый. Электропроводность в растворе невозможна без одновременного электролиза.

Пусть в заполненном водой сосуде размером 10 × 10 × 10 см (его объем равен 1 л) растворен 1 моль NaCl (массовая доля хлорида натрия в таком растворе при 20 °С равна 6 %). Разместим у противоположных стенок сосуда два электрода из инертного материала (например, платины) площадью 1 дм^2. По таблицам электропроводности водных растворов находим, что при комнатной температуре сопротивление между электродами будет равно примерно 0,1 Ом. Подадим на электроды небольшое постоянное напряжение U = = 0,1 В. Если такое напряжение подать на металлический проводник (например, медный) с тем же сопротивлением R = 0,1 Ом, то через него пойдет ток I = U/R = 1 A. Однако амперметр, включенный в цепь с раствором соли, покажет, что ток через раствор не идет. Не пойдет он и при повышении напряжения на электродах в 10 раз. В чем же отличие медного провода (проводник первого рода) от раствора электролита (проводник второго рода)?

В металлическом проводнике движутся электроны, и если цепь замкнута, то число электронов, покидающих данный объем металла, в точности равно числу электронов, приходящих в этот объем. Происходит это на всем протяжении цепи, начиная от генератора электроэнергии, даже если длина цепи составляет тысячи километров. (Напомним, что после замыкания цепи начало направленного движения электронов в ней распространяется со скоростью света, хотя сами электроны в металле движутся неизмеримо медленнее: их скорость измеряется миллиметрами в секунду и зависит от напряжения.) Чтобы привести электроны в движение, достаточно приложить к концам проводника очень малое напряжение, поэтому закон Ома в металлах выполняется очень хорошо в большом диапазоне напряжений.

В проводниках второго рода движутся не электроны, а ионы. Чтобы электрическая цепь, включающая источник напряжения, подводящие провода, электроды и раствор электролита, оказалась замкнутой, необходимо как-то «состыковать» электронную и ионную проводимость. Такая «состыковка» происходит на границе раствора и электродов. Источник напряжения «нагнетает» электроны на катод и «откачивает» их из анода. Однако электроны не могут «войти» в раствор с катода и «выйти» из раствора на анод. Электроны могут быть «изъяты» из катода лишь в результате их взаимодействия с ионами или нейтральными молекулами в растворе, которые при этом восстанавливаются. На аноде же ионы или нейтральные молекулы окисляются, отдавая свои электроны металлу. Только таким образом цепь можно замкнуть: в металлических проводниках ток будут переносить электроны, в растворе (или расплаве) – ионы. Важно, что восстанавливаться и окисляться на электродах могут одни частицы, а переносить заряд в растворе – совершенно другие.

Электродные процессы восстановления и окисления не могут идти, если сила, «нагнетающая» и «откачивающая» электроны (т. е. напряжение на электродах) меньше некоторого определенного значения. Минимальная разность потенциалов, которую необходимо создать между электродами, чтобы начался электролиз, называется напряжением разложения электролита. Оно зависит как от типа электролита (0,70 В для нитрата серебра и 2,35 В для сульфата цинка), так и от его концентрации (1,26 В при электролизе соляной кислоты с концентрацией 2 моль/л и 1,69 В при ее концентрации 0,03 моль/л). Существенное значение имеет также плотность тока и материал электрода. Например, чтобы водород из раствора кислоты выделялся на свинцовом катоде, требуется более высокое напряжение, чем в случае платинового катода. Из сказанного следует вывод, что именно процессы на электродах создают саму возможность протекания электрического тока через раствор. Поэтому правильнее говорить, что разложение электролита происходит не «под действием электрического тока», а в результате процессов окисления-восстановления на электродах. Протекание тока через раствор – следствие, а не причина электродных процессов.

Факт второй. В растворе невозможно даже в малой степени разделение катионов и анионов.

Именно поэтому при напряжениях, недостаточных для протекания электродных реакций, ток через раствор не идет даже в первый момент.

Подтвердим и это положение расчетом. В массе раствора электролита положительные и отрицательные заряды – катионы и анионы перемешаны совершенно равномерно, так что в любом малом объеме раствора (если этот объем существенно превосходит размеры молекул и ионов) число катионов в точности равно числу анионов. Представим себе, что в описанном выше сосуде с раствором хлорида натрия началось направленное движение катионов к катоду, а анионов – к аноду, а на электродах никаких процессов не происходит. Тогда в растворе должно произойти разделение зарядов: в прикатодном пространстве станет чуть больше катионов, а в прианодном – анионов (в остальной массе раствора баланс зарядов не изменится, так как на смену ионам, ушедшим в сторону одного из электродов, придут новые с тем же знаком). Выберем около одного из электродов, например катода (его площадь, как и раньше, равна 100 см^2), тонкий слой жидкости толщиной 1 мкм = 10–4 см; его объем равен 10–2 см^3, и в нем находится 10–5 моль катионов и анионов. Суммарный заряд ионов каждого знака равен примерно 1 кулону (так как заряд одного моля ионов равен примерно 96 500 Кл; это число называется постоянной Фарадея). Подсчитаем работу, необходимую для перемещения разделяющихся около катода катионов (они к катоду притягиваются) и анионов (они от катода отталкиваются), от расстояния между ними r_1 = 1 мкм до r_2 = 2 мкм. Эта работа равна (q^2/4πεε_0)(1/r_1 – 1/r_2), где q – суммарный заряд ионов в кулонах, ε – диэлектрическая проницаемость среды (для водных растворов можно принять ε = 80), ε_0 – электрическая постоянная (ее называют также диэлектрической проницаемостью вакуума), равная 8,85 · 10–12 Кл/(В · м). Подставляя указанные значения в формулу, получаем, что энергия разделения зарядов вблизи катода всего на 0,001 мм составляет 5,6 · 10^18 (Кл.В) = 5,6 · 10^18 Дж. Чтобы выполнить такую работу, не хватит мощности всех электростанций мира! (Мощность очень крупной АЭС составляет примерно 10 ГВт = 10^10 Вт = 10^10 Дж/с; для выработки 5,6 · 1 0^18 Дж такая станция должна непрерывно работать 17 лет.)

Вывод очевиден: заряды катионов и анионов по всему объему раствора должны быть в точности скомпенсированы, поэтому направленное движение катионов или анионов в одну сторону должно обязательно компенсироваться либо приходом в это место новых зарядов того же знака из объема раствора, либо возникновением новых зарядов около электродов в результате электродных процессов. Факт третий. При прохождении тока через раствор электролита направленное движение носителей заряда в объеме раствора происходит очень медленно и исключительно за счет теплового движения – диффузии.

Пусть в описанном выше электролизере протекает ток силой 1 А (это достаточно большой ток – он вдвое больше того, который течет через горящую 100-ваттную лампу). Рассчитаем, с какой скоростью катионы и анионы должны подходить к электродам, чтобы обеспечить такой ток. Пусть скорость направленного движения ионов к электродам (электрохимики называют такое движение миграцией) составляет v см/с. При концентрации раствора 1 моль/л = 0,001 моль/см^3 в тонком слое раствора около электрода (его площадь равна 100 см^2, а объем – 100v см^3) находится 0,001 · 100v = 0,1v моль ионов каждого знака. Суммарный заряд всех этих ионов, дошедших за 1 с до электрода, равен 0,1v · 96500 ≈ 10000v Кл. Поскольку 1 А = 1 Кл · с, получаем из равенства 10 000v = 1, что v = 0,0001 см/с = 1 мкм/с. С такой же скоростью ионы – переносчики тока должны направленно двигаться к электродам и во всем объеме раствора.

Полученное значение значительно меньше скорости диффузии ионов, т. е. их ненаправленного хаотического (теплового) движения. Смещение частицы на расстояние S за счет диффузии задается формулой S^2 = Dt, где D – коэффициент диффузии, t – время (такая формула нам знакома из рассказа про «путешествие» молекул). Для водных растворов D имеет порядок 10–5 см^2/с. Коэффициент диффузии уменьшается с увеличением молекулярной массы иона и увеличивается с температурой. Так, из справочника узнаем, что для одномолярного раствора NaCl при комнатной температуре D = 1,2 · 10–5 см^2/с. При t = 1 с получаем: S^2 = = 1,2 · 10–5 см^2 и S = 3,5 · 10–3 см = 35 мкм. Так что ненаправленное тепловое движение ионов в рассмотренном случае происходит в десятки раз быстрее направленного их движения к электродам.

Факт четвертый. В объеме водного раствора электролита напряженность электрического поля близка к нулю.

Не следует думать, что если к электродам во время электролиза приложена разность потенциалов, например 5 В, то при расстоянии между электродами 10 см в любой точке раствора ионы находятся под действием электрического поля напряженностью 0,5 В/см (и соответственно движутся под действием этого поля). Это действительно было бы так, если бы между электродами был непроводящий газ или неполярная жидкость (например, бензол). В растворах же электролитов напряженность электрического поля вдали от электродов практически равна нулю. Происходит это по следующей причине. Когда электроды погружают в раствор электролита, вблизи их поверхности возникает так называемый двойной электрический слой. Часть ионов одного знака адсорбируется на электроде; эти заряды притягивают к себе ионы противоположного знака. В результате на границе между металлом и раствором образуется подобие плоского конденсатора, в котором и происходит скачок потенциала. Такая модель приэлектродного процесса была предложена еще в 1879 г. немецким ученым Германом Гельмгольцем.

Последующие исследования показали, что двойной электрический слой устроен сложнее: тепловое движение ионов как бы размывает внешнюю «обкладку конденсатора», так что часть ионов уходит из этой обкладки в так называемую диффузную часть двойного слоя, а другая часть остается вблизи поверхности. Поэтому двойной слой состоит из плотной части (в честь немецкого физика его называют также слоем Гельмгольца) и размытой диффузной части, а потенциал спадает от электрода более медленно. Размеры плотной части очень малы и сопоставимы с диаметром молекул и ионов (десятые доли нанометра), тогда как диффузная часть обычно значительно более протяженная. Конкретный ее размер зависит главным образом от концентрации электролита и может изменяться от сотен нанометров (доли микрометра) в очень разбавленных растворах до нескольких нанометров в концентрированных растворах электролитов. Но в любом случае это ничтожно малое расстояние по сравнению с размерами сосуда с раствором.

В результате образования двойного электрического слоя вблизи электродов разность потенциалов в электролите при движении от катода к аноду изменяется практически только в непосредственной близости от электродов, скачком падая до нуля уже на очень малом расстоянии от электрода. В объеме раствора ионы совершают только тепловые (диффузионные) движения. И только попав в область, непосредственно прилегающую к электроду, ионы начинают направленно двигаться под действием электрического потенциала.

Но как же ионы попадают к электродам из объема раствора, если на них не действует приложенная к электродам разность потенциалов? Не следует думать, что диффузионное движение частиц всегда ненаправленное. Так, если в одной части раствора концентрация каких-либо ионов понизится, тут же возникнет диффузионный поток этих ионов, направленный на выравнивание концентраций. Именно этим объясняется равномерное распределение (спустя достаточное время) ионов в закрытой колбе с чистой водой, если в нее внести кристалл растворимой соли. Ионы двигаются преимущественно из области с высокой их концентрацией (вблизи кристалла, где раствор насыщен ими) в область с низкой или нулевой концентрацией. Этим же объясняется и распространение запаха вещества в неподвижном воздухе: молекулы пахучего вещества диффундируют из области с высокой их концентрацией в область, где их концентрация мала. Следует, правда, учесть, что в чистом виде подобное явление в воздухе наблюдать очень трудно, так как малейшие потоки воздуха (конвективное движение) полностью «смазывает» диффузионное движение. Направленная диффузия ионов возникает и в том случае, когда необходимо скомпенсировать недостаток тех или иных зарядов в каком-либо объеме электролита.

Итак, ионы попадают к электродам в результате диффузии. В ходе электролиза пространство около катода и анода обедняется определенными ионами (они превращаются в газы, оседают на электроде или превращаются в другие вещества), и в эти области сразу же устремляются ионы из раствора, чтобы «покрыть недостачу». Следует отметить, что из этого правила возможны и исключения. Например, при разделении заряженных частиц в растворе методом электрофореза в ряде случаев (например, для разделения биохимических препаратов) используют очень высокие напряженности электрического поля – порядка 500 В/см. В таком случае уже нельзя пренебрегать миграцией заряженных частиц под действием электрического поля даже в отдалении от электродов. Факт пятый. Известны примеры электродных процессов, в которых катионы разряжаются не на отрицательно заряженном катоде, как это обычно происходит, а на положительно заряженном аноде; и наоборот – анионы могут разряжаться (восстанавливаться) на катоде.

В качестве примера можно привести восстановление на катоде солей пероксодисерной кислоты (надсульфатов): S_2O_82– + 2e = 2SO_42–. На катоде происходит и восстановление многих комплексных анионов металлов при гальваническом серебрении, золочении, меднении, цинковании из цианидных электролитов. Раньше считалось, что металл осаждается, как это ему положено, при восстановлении катионов, которые образуются в результате частичной диссоциации комплексных ионов, например: [Ag(CN)2]– = Ag+ + 2CN–, Ag+ + e = Ag^0. Однако цианидные комплексы тяжелых металлов настолько прочны, что, например, уже при содержании цианид-ионов в растворе, равном 0,25 моль/л, концентрация свободных ионов серебра пренебрежимо мала и составляет всего 10–20 моль/л. В настоящее время установлено, что выделение металлического серебра на катоде действительно идет непосредственно из отрицательно заряженного комплексного аниона: [Ag(CN)2]– + e = Ag + 2CN–. Подойти к катоду анионы могут только в результате диффузии, которая таким образом «преодолевает» противоположное действие электрического поля вблизи электрода. Аналогично происходит восстановление на катоде цинка из щелочных цианидных электролитов: [Zn(CN)4]2– + 2e = = Zn + 4CN–, хотя при достаточно высокой концентрации в растворе ионов OH– на катоде происходит в основном восстановление нейтральных молекул Zn(OH)2.

Приведенные примеры показывают, что представление о движении катионов и анионов к электродам в массе раствора под действием электрического поля не соответствует реальности. Поле действует на ионы лишь в непосредственной близости (в атомном масштабе) от электродов, а на расстоянии уже нескольких микрометров в большинстве случаев электрическое поле в растворе практически отсутствует.

Факт шестой. Известны электрохимические процессы, при которых некоторые ионы вообще не движутся направленно к соответствующему электроду! Это происходит, например, при электрохимическом рафинировании меди. Как протекает этот процесс? Рассмотрим, как движутся ионы в растворе при электролизе раствора сульфата меди с медными электродами. В этом случае медный анод растворяется: Cu^0 – 2e = Cu2+, а на катоде происходит выделение меди: Cu2+ + 2e = Cu^0. Этот процесс «перегонки» меди с анода на катод широко применяется в промышленности для очистки (рафинирования) меди. А что происходит в массе электролита? Уменьшение концентрации ионов меди вблизи катода тут же возмещается диффузией этих ионов из раствора. Аналогично обогащение этими ионами прианодного пространства за счет растворения анода приводит к их направленному диффузионному потоку в раствор. В результате ионы Cu2+ равномерно движутся от анода к катоду, а их концентрация в любой области раствора остается постоянной (исключение составляют только очень малые приэлектродные объемы: в непосредственной близи от анода раствор обогащен ионами меди, а вблизи катода обеднен ими). Любопытно то, что ток в растворе переносится только ионами меди, тогда как сульфат-анионы «стоят на месте» (вернее, ненаправленно диффундируют так, как будто через раствор вовсе не идет ток!). Последнее можно доказать, если проводить электролиз в загущенном растворе (чтобы предотвратить конвекционное перемешивание) с использованием изотопно меченных сульфат-ионов (например, нуклидом 35S с периодом полураспада около 3 месяцев). Если ввести меченые ионы SO_42– в какую-то область, то измерения радиоактивности различных точек раствора покажут, что эти ионы в том же месте и останутся, лишь медленно диффундируя равномерно во все стороны.

Рассмотрим теперь электролиз водного раствора сульфата натрия в отсутствие перемешивания (загущенный раствор). Когдато химики (и физики) думали, что в таком растворе на катоде происходит восстановление натрия до металла, который тут же реагирует с водой с выделением водорода: 2Na + 2H_2O = = 2NaOH + H_2. На аноде же, как полагали, происходит окисление сульфат-анионов до свободных радикалов: 2SO_42– – 4e = 2ŚO_4, которые далее реагируют с водой, выделяя кислород и регенерируя исходные анионы: 2S·O_4 + 2H_2O = 2SO_42– + 4H+ + O_2. На самом деле происходят другие процессы. Для разряда ионов Na+ на катоде требуется отрицательный потенциал не менее 2,7 В. Создать такой потенциал при электролизе водных растворов невозможно, так как при гораздо меньших напряжениях произойдет восстановление на катоде всегда имеющихся в избытке ионов воды: 2H_2O + 2e = 2OH– + H_2. (Более детальный механизм этого процесса включает одноэлектронное восстановление молекул воды с образованием анион-радикалов H_2Ó–, которые быстро распадаются на анион OH– и радикал ÓH; далее этот радикал восстанавливается вторым электроном.) Поскольку избыток отрицательных зарядов ни в какой части раствора невозможен, возникновение каждого аниона ОН– в прикатодном пространстве сопровождается диффузией к нему противоиона – катиона Na+ из раствора. В результате около катода образуется щелочь – гидроксид натрия.

Разряд сульфат-анионов требует положительного потенциала на аноде не менее 2 В, тогда как уже при напряжении 1,23 В идет окисление молекул воды: 2H_2O – 4e = 4H+ + O_2 (этот процесс также не элементарный и идет в несколько стадий). Для сохранения нейтральности раствора в сторону анода диффундируют сульфат-анионы, так что в прианодном пространстве накапливается серная кислота. Очевидно, что, если раствор перемешивать, гидроксид натрия и серная кислота (вернее, ионы Н+ и ОН–) нейтрализуют друг друга.

Следует отметить, что ток в растворе в данном случае переносят как катионы Na+, так и анионы SO_42–, причем они диффундируют соответственно в сторону катода и анода ровно с такой скоростью, которая соответствует скорости электродных процессов, а скорость этих процессов, в свою очередь, определяет, какой силы ток пойдет через раствор. Например, если сильно уменьшить концентрацию в растворе воды (разбавив ее веществом, которое не участвует в электродных реакциях), то скорость диффузии молекул Н_2О к катоду и аноду замедлится, и это обстоятельство ограничит силу проходящего через раствор тока (предполагается, что сами электродные реакции окисления и восстановления идут быстро).

В заключение – интересный процесс, при котором на аноде все же происходит окисление сульфат-анионов. Это произойдет, если их концентрация будет очень высока. Аналогичный процесс происходит и в случае концентрированного раствора гидросульфата, из которого окислением на аноде получают надсерную кислоту: 2HSO_4– – 2e– = H_2S_2O_8 и ее соли. Электрохимическим окислением на аноде в промышленности получают также перманганат калия KMnO_4, диоксид марганца MnO_2, хлорную кислоту HClO_4 и ее соли, хлорат натрия NaClO_3 и другие вещества. Используется электролиз и для получения некоторых органических соединений. Так, в огромных количествах, исчисляемых миллионами тонн, получают с помощью электросинтеза динитрил адипиновой кислоты NC(CH_2)6CN – исходное вещество для синтеза найлона.

Примечания

1

Американский химик Айра Ремсен был известен как блестящий педагог и основатель «Американского химического журнала». В 1879 г. он совместно со своим сотрудником Константином Фальбергом впервые получил сахарин.

Content

Илья Абрамович Леенсон
Занимательная химия для детей и взрослых

Предисловие

Глава 1 Вещи и вещества

Азид в мешке

Пигменты и красители

Магнитом – по опилкам

Какого цвета чернила?

«Ракета» из баллона

Засыплем в баки алюминий?

«Резиновая древесина»

Экология по-американски и по-советски

Химик находит выход

«Консервированные кристаллы»

В чем растворяется золото?

Загадочный элемент – полоний

Открытие полония

Изотопы полония и их излучение

Полоний в природе

Полоний и человек

Получение полония

Свойства полония

Применение полония

Как их сосчитать?

Глава 2 Химия и нумизматика

Монетные металлы

Сколько стоит монета?

Когда металл дороже денег

Монеты на уроках химии

Химия и химики на монетах и марках

Глава 3 Расследование

Загадки оксалата

О вкусах – с химической точки зрения

На вкус и на цвет товарищей нет

Горькое, соленое, кислое

Слаще сладкого

Теории вкуса

Маша и бромтолуол

«Ряд активности металлов Бекетова» – миф или реальность?

«Свеча горела…»

Приближаемся к равновесию…

Этилен – из полиэтилена?

Золотой шар Менделеева

Глава 4 Химия и жизнь

«Сито для лекарств»

Сюрпризы грамицидина

«Когда молекула смотрится в зеркало»

Поляризация света и оптическая активность

Открытие Пастера

Хиральные лекарства

Сжигание жира с химической точки зрения

Почему щелкают суставы?

Принцип ле Шателье – не только в химии

Серебро и человек

Огниво с платиной

Химики разоблачают подделки

Глава 5 Химические рекорды

Элементы, атомы и молекулы

Молекулы «под напряжением». Взрывчатые вещества

Диковинки в мире молекул

Вкус и запах

Рекорды окраски

Яды и токсины

На что способны химики

Химики-долгожители

Глава 6 Химия плюс физика

Какого это цвета?

Йодный термометр

Блуждания молекул и… людей

Когда холодильнику жарко

«Почему взлетает шарик, наполненный гелием?»

Течет ли стекло?

«Вечный звонок»

Парадоксы электролиза

Примечания