Мир, созданный химиками. От философского камня до графена - Образцов Петр Алексеевич - Страница 1

Петр Образцов

Мир, созданный химиками. От философского камня до графена

Предисловие

Как часто в рекламе самых разных товаров звучит фраза: “Здесь нет никакой химии!” Изо всех сил нас призывают покупать йогурты и шампуни, лапшу и мыло, стиральные порошки и сладкую газировку только “из натуральных компонентов”, а также овощи и фрукты, выращенные “без химических удобрений и пестицидов”, короче – без “химии”! Химией пугают детей, домохозяек и пенсионеров.

Должен всех разочаровать: “без химии” ничего не бывает просто потому, что все в мире – от воздуха до человеческого тела и от кефира до Гималайских гор – состоит из химических веществ. Некоторые, правда, считают, что есть вещества “искусственные”, а есть природные, прежде всего органические вещества, из которых состоят живые организмы. Этих некоторых можно смело считать неявными поклонниками витализма – учения, согласно которому нельзя получить органическое вещество в колбе, в лаборатории. Якобы органическое вещество образуется только в результате жизнедеятельности живого существа, отсюда, отсюда, кстати, и сам термин. Латинское “vita” – это жизнь, и живому присуща некая “жизненная сила”. Однако еще в 1828 году Фридрих Вёлер взял и синтезировал мочевину из неорганических веществ – из цианата калия KNCO и сульфата аммония (NH4)2S04. Потом синтетические органические вещества посыпались, как из рога изобилия, который тоже, кстати, представляет собой в основном органическое вещество, а именно белок кератин.

Уже в XX веке были синтезированы действительно отсутствующие в природе органические вещества – прежде всего синтетические органические полимеры, хотя издавна были известны и природные, например кожа, хлопок, шерсть, да и целлюлоза древесины. Правда, до поры до времени об их полимерной структуре не знали. Сейчас представить себе жизнь без пластмасс и прочей синтетики просто невозможно. Читая эту книгу, вы сидите в комнате с окрашенными синтетическими красками обоями, приклеенными к стенам синтетическим клеем. Возможно, на полу у вас лежит пластиковый линолеум, а письменный стол изготовлен из древесно-стружечных плит, сформованных с помощью фенолформальдегидной смолы. На вас рубашка, наполовину сотканная из синтетических нитей, тапочки из пластика или с искусственным мехом. Кресло, скорее всего, тоже из ДСП и искусственной кожи. Еще сто лет назад обо всех этих веществах и материалах даже не подозревали.

Само слово “химия” произошло от арабского “аль-хем”, а то, в свою очередь, – от древнеегипетского “кеми”, что означало одновременно и “черная земля”, и “Египет”. Вероятно, там первые химики и появились. Это были жрецы, знавшие толк в бальзамировании фараонов и священных животных – кошек, а также в изготовлении стекла и получении меди путем восстановления медной руды древесным углем. Скорее всего, именно они, а не арабские алхимики первыми научились перегонять жидкости и получили этиловый спирт. Пиво и пальмовое вино у них было, нагревать напитки в керамических и даже стеклянных сосудах они умели, а догадаться об охлаждении выделяющихся паров уже ничего не стоило.

Впрочем, существует и другая теория происхождения слова “химия” – от китайского слова “цзинь”, золото. Доказательством китайского происхождения и слова, и самой науки является близость звучания “цзинь” (или “кин” по-японски) и древнегреческого “химиа” – металлургия, а также использование ключевого иероглифа “золото” при записи всех китайских слов, обозначающих металлы. Однако многим ученым эта теория кажется не очень убедительной.

В этой книге речь идет о химии, о науке, имеющей богатую историю, в которую, кстати, большой вклад внесли и российские ученые.

Мы вспомним и про алхимию, и про иатрохимию, и про ужасные случаи применения химических открытий – боевые отравляющие вещества и “Циклон Б”, и про драматические обстоятельства открытия радиоактивных элементов. А вот как все начиналось.

Глава 1 В поисках камня

Невозможно сказать, кто из одушевленных обитателей нашей планеты был первым химиком. А вот неодушевленным – можно, таким первым химиком была сама природа. Все процессы образования Земли из газопылевого облака, последующие реакции между различными компонентами раскаленного каменного шара, появление воды, а затем и органических форм жизни, сначала в виде растений, – это все химические процессы. Впрочем, радиоактивный распад, происходящий до сих пор в глубинах планеты и обусловливающий ее высокую по космическим масштабам температуру, все-таки скорее относится к физике. А первым живым химиком можно считать того неандертальца, который сознательно сохранил в пещере зажженную молнией щепку, а потом зажигал от нее так же сознательно подготовленные дровишки. Горение дерева представляет собой типичную химическую реакцию окисления кислородом, которую при желании можно даже записать в виде схемы:

CxHyOz (органические вещества дерева) + О2 → СО2 + Н2О

Несколько позже уже настоящие хомо сапиенсы начали осуществлять довольно сложные реакции восстановления руд различных металлов. Появилась младшая дочь химии – металлургия. Например,

2CuO + C = 2Cu + CO2 (восстановление руды – оксида меди – углеродом)

Восстановление железа из его руды требует гораздо больших температур, которые были достигнуты путем вдувания в горн воздуха кузнечными мехами. Такой способ получения железа был открыт во втором тысячелетии до н. э., по-видимому, хеттами. В гробнице Тутанхамона XIV века до н. э. был обнаружен кинжал с железным лезвием, явно принесенный в дар юному фараону хеттскими послами. Окончательно железный век установился к 1000 году до н. э. Интересно, что железные изделия античных времен демонстрируют высокую устойчивость к коррозии, и лишь в Новейшее время было выяснено, что коррозии способствует сера, содержащаяся в каменном угле для выплавки железа из руды. А в древности использовали древесный уголь, в котором серы практически нет.

Fe3O4 + 2C = 3Fe + 2CO2 (получение железа из руды)

Процессы получения некоторых металлов были известны уже древнеегипетским жрецам, они же составили рецепты бальзамов для мумифицирования своих фараонов, высших чиновников, кошек и прочей живности, и они же, скорее всего, изобрели дистилляцию и соответственно крепкие алкогольные напитки – а не только пиво и слабое винцо, как обычно принято считать. В III веке в египетской Александрии уже сформировались основные положения предшественницы научной химии – алхимии. Числу семи известных тогда планет удачно соответствовали семь известных металлов, тут же было придумано и сопоставление. Серебру соответствовала Луна, золоту – Солнце, ртути – Меркурий, меди – Венера, железу – ясное дело, Марс, олову – Юпитер, свинцу – Сатурн. Причем вначале изучение этих металлов и их соединений даже не следовало бы относить к алхимии, лишь через некоторое время целью исследований стал поиск философского камня и возможности трансмутации, то есть превращения свинца в серебро, а ртути в золото. Уникальная способность ртути образовывать твердые сплавы с золотом и серебром навела химиков прошлого на мысль, что этот металл является первоосновой, первичным металлом.

Со временем утвердились основные положения алхимии, а именно:

Существует material prima – первичная материя, заполняющая все и вся, но загрязненная различными примесями. Удалив эти примеси, можно получить философский камень, превращающий, как уже было сказано, неблагородные металлы в благородные. К сожалению, о бессмысленности этого действия вследствие неминуемой катастрофической инфляции алхимики не подозревали. Кроме того, алхимики свято верили, что философский камень исцеляет все болезни и дарит бессмертие. Заметим, они уже тогда догадались, что желать надо не вечной жизни, а вечной молодости.