Текст книги "Удивительные истории о веществах самых разных"

Бахыт Кенжеев, Петр Образцов
Удивительные истории о веществах самых разных

1. Воздушные пути

Этот раздел о веществах, которых как бы нет – как того же воздуха, – мы естественным образом начнем с антивещества. А дальше будет о газообразных веществах.

Миры Анти-Таганки

Есть научные открытия и концепции, которые (в бесконечно упрощенном и даже, можно сказать, опошленном виде) успешно приживаются в массовой культуре, так сказать, завораживают общественное сознание, иной раз даже проникая в художественную литературу. Среди них, например, черные дыры и озоновые дыры, канцерогены (к которым желтая журналистика причисляет едва ли не все субстанции на свете), ГМО – генно-модифицированные организмы, глобальное потепление. Все это нередко служит основой того, что в старые времена называлось байками, а теперь именуется (калька с английского, разумеется) городскими легендами. И любой выпускник колледжа, получивший ученую степень бакалавра клининга и мерчандайзинга, непременно слышал про антивещество. Существует ли оно в природе – другой вопрос.

В 1928 году гениальный 26‐летний английский физик Поль Дирак вывел довольно абсурдную, с точки зрения здравого смысла, формулу – уравнение Дирака, – из которой следовало, что должен существовать электрон с отрицательной энергией. Однако здравый смысл (после появления теории относительности и квантовой механики изрядно подмочивший свою репутацию) уже утратил былую популярность, и физики согласились, что должна существовать частица с нормальной положительной энергией, но с положительным зарядом (электрон заряжен отрицательно). Эту частицу, позитрон, открыли уже в 1932 году, а в следующем году за свое блестящее предсказание Дирак получил Нобелевскую премию.

Вскоре после открытия позитрона стало понятно, что у любой частицы имеется своя античастица. За элегантным исключением – например, фотон является одновременно античастицей по отношению к самому себе. (Впрочем, у фотона отсутствует масса покоя, так что «полноценным человеком» его считать не приходится.) Такие частицы называются истинно нейтральными, к ним относится и пресловутый бозон Хиггса, на поиски которого уже потратили десяток миллиардов долларов – именно столько стоил Большой адронный коллайдер (БАК), недалеко от которого до сих пор кое‐кто изготовляет дефектный (с большим количеством дырок) швейцарский сыр.

Атеисты (включая одного из авторов) считают, что как из частиц получается вещество, так и из античастиц можно сложить антивещество. Правда, это антивещество живет ничтожное время, тут же взрываясь (аннигилируя) при соприкосновении с веществом. Но где‐то во Вселенной есть этого самого антивещества огромные залежи. И когда человечество построит Очень Большой Звездолет, то он привезет из созвездия Тау Кита Очень Много Антивещества. Мы поместим его в особую ловушку и будем понемногу аннигилировать, а получающуюся энергию тратить на освещение Лас-Вегаса и бизнес-центра Москва-Сити.

Физикам из ЦЕРНа (Европейский центр ядерных исследований) в конце концов удалось‐таки загнать в ловушку немножко антивещества, которое прожило аж 0,17 секунды – это рекорд! Хотя загнанное в ловушку антивещество Дэна Брауна из романа «Ангелы и демоны» может находиться там сколько угодно времени – пока террорист не выпустит этого джинна из бутылки и не взорвет Землю. Предсказание довольно страшное.

Полученное антивещество представляло собой антиводород. Обычный атом водорода состоит (немного упрощенно) из положительного протона, вокруг которого носится отрицательный электрон. Соответственно, в антиводороде вокруг отрицательно заряженного антипротона носится положительно заряженный позитрон. Атомы антиводорода в ЦЕРНе получали и раньше, но так надолго – в первый раз. Это действительно достижение, потому что даже за столь короткое время физикам удается много чего измерить.

Для получения антиводорода физики из ЦЕРНа изготовили огромную магнитную ловушку, весом в несколько тонн (у Дэна Брауна ловушка была размером с трехлитровую банку). Но история с уменьшением размеров и стоимости мобильников раз в сто за пятнадцать лет показывает, что это дело наживное, террористам осталось подождать не так уж и долго. А ждать им есть чего – при аннигиляции всего 1 килограмма антивещества с 1 килограммом вещества выделяется энергия, соответствующая 43 миллионам тонн тротила. Это меньше, чем у рекордной советской водородной «Царь-бомбы» (57 мегатонн), но раз в десять больше, чем было использовано тротила всеми армиями во время Второй мировой войны.

Однако и украсть такое количество антивещества террористам будет довольно трудно и еще труднее купить. Эксперименты по синтезу антивещества обходятся в изрядную копейку – получить не то что килограмм, а даже 1 грамм антиводорода стоило бы триллионы (!) долларов. Впрочем, и эта цена наверняка со временем упадет, и тогда можно будет приступить к практическому использованию антивещества.

Чудовищная энергия, выделяющаяся при аннигиляции, могла бы решить все энергетические проблемы человечества на долгие-долгие годы. Тем более что альтернатива – управляемый термоядерный реактор – явно закисла и энтузиазм по этому поводу погас. (А какие были надежды! Помните нашумевшую статью о холодном термоядерном синтезе? Даже авторы этой книги, признаться, на несколько дней пришли от нее в состояние порядочного воодушевления, представив себе картину будущего: на столе стоит колба с раствором тяжелой воды и кусочком платины, к ней подключен трансформатор, от которого питается вся электротехника в доме, а из особого вентиля выделяется гелий, которым наполняются посеребренные воздушные шарики, – словом, рай!) Однако и в случае аннигиляции неплохо было бы сначала посчитать, а сколько энергии потребуется для изготовления этого антивещества. Не больше ли, чем потом выделится, как, например, в случае замены бензина этиловым спиртом из кукурузы?

Поэтому более реальным представляется использование антивещества в особых целях, скажем, для выделения энергии в ракетных двигателях, то есть там, где цена более или менее безразлична, гораздо важнее чистая эффективность. Подсчитано, что использование аннигиляции позволит слетать на Марс и обратно не за годы, а в течение нескольких дней. Тут еще немало неясностей, но принципиально проблема может считаться решенной – в отличие от самой большой загадки Вселенной, а именно практического отсутствия в ней античастиц.

Увы, за все время наблюдений Вселенной астрономы не обнаружили ни одного объекта, состоящего из антивещества. Не странно ли, если учесть, что по современной теории возникновения Вселенной – теории Большого Взрыва – такая асимметрия невозможна. Частиц и античастиц должно было образоваться поровну. Куда делось антивещество – непонятно, и его ищут. (Один из авторов, придерживаясь христианской веры, считает эту проблему несуществующей, поскольку Господь Бог, по его мнению, в какой‐то момент решил, что не испытывает особой нужды в антивеществе – типа, ну, не нравится оно ему!) Ищут с помощью БАКа, ищут пожарные, ищет милиция, пытаясь воспроизвести условия, существовавшие в первые мгновения после Большого Взрыва, все еще ищут на небе – совсем не исключено (считает другой автор, придерживающийся вольнодумных атеистических воззрений), что мы просто антивещество пока не обнаружили и где‐то за спиной Большой Медведицы оно и прячется. И там как раз и находятся Антимиры, который так волновали Андрея Вознесенского еще в 60‐е годы прошлого века. На Таганке спектакль «Антимиры» давно не идет, но вдруг он продолжает собирать стадионы в Анти-Таганке, в антимирах? Правда, он должен там называться наоборот – «Миры».

 
Живет у нас сосед Букашкин,
в кальсонах цвета промокашки.
Но, как воздушные шары,
над ним горят
Антимиры!
И в них магический, как демон,
Вселенной правит, возлежит
Антибукашкин, академик
и щупает Лоллобриджид.
 
 
Но грезятся Антибукашкину
виденья цвета промокашки.
 
 
Да здравствуют Антимиры!
Фантасты – посреди муры.
Без глупых не было бы умных,
оазисов – без Каракумов.
 
 
Нет женщин – есть антимужчины,
в лесах ревут антимашины.
Есть соль земли. Есть сор земли.
Но сохнет сокол без змеи.
 
 
Люблю я критиков моих.
На шее одного из них,
благоуханна и гола,
сияет антиголова!..
 
 
…Я сплю с окошками открытыми,
а где‐то свищет звездопад,
и небоскребы сталактитами
на брюхе глобуса висят.
 
 
И подо мной вниз головой,
вонзившись вилкой в шар земной,
беспечный, милый мотылек,
живешь ты, мой антимирок!
 
 
Зачем среди ночной поры
встречаются антимиры?
Зачем они вдвоем сидят
и в телевизоры глядят?
 
 
Им не понять и пары фраз.
Их первый раз – последний раз!
Сидят, забывши про бонтон,
ведь будут мучиться потом!
И уши красные горят,
как будто бабочки сидят…
 
 
…Знакомый лектор мне вчера
сказал: «Антимиры? Мура!»
 
 
Я сплю, ворочаюсь спросонок,
наверно, прав научный хмырь.
 
 
Мой кот, как радиоприемник,
зеленым глазом ловит мир.
 

Молодому поколению надо, вероятно, пояснить, что у древних радиоприемников (были такие приборы, находящиеся в таком же отношении к Интернету, как велосипед к авиалайнеру) имелись особые «лампы» (примитивный вариант светодиода) зеленого цвета, помогавшие «настроиться на волну» или «поймать волну». Это было довольно увлекательное занятие.

Итак, за исключением истинно нейтральных частиц у всех других есть своя античастица. Но как быть, например, с нейтроном – электрически нейтральной частицей? В том‐то и дело, что удостоиться звания античастицы можно, не обязательно имея противоположный к частице заряд. У всех элементарных частиц есть целый набор свойств, часть которых доступна человеческому пониманию (например, электрический заряд или магнитный момент), а некоторые никакого соответствия в нашем макромире не имеют. Например – «цвет», но к этому цвету знаменитое «каждый охотник желает знать, где сидит фазан» не имеет никакого отношения; в данном случае это слово обозначает свойство, понятное только физикам. Причем этот цвет имеет числовое значение, например 2/3. Или еще изящнее – свойство «очарование», или «шарм». Так что у некой незаряженной частицы шарм равен, скажем, единице, а у античастицы – нулю. Впрочем, это случается и в макромире.

Дырявая дыра (озон)

Увы, некоторые химические элементы тоже склонны к нетрадиционной ориентации, в последнее время занимающей умы многих наших соотечественников. Действительно, Господь (как считает один из авторов) или Природа (как считает другой автор) создавали элементы для того, чтобы они плодились и размножались, то есть вступали в связь с другими элементами, образуя все разнообразие химических веществ. У людей два пола, у элементов – куда больше, но разница тут непринципиальна.

Возьмем, например, кислород. Его задача (согласно Богу или, если угодно, Природе) – соединяться с другими элементами, отбирая у них электроны. Вот что об этом пишут умные люди.

Сильный окислитель взаимодействует практически со всеми элементами, образуя оксиды. Степень окисления –2. Как правило, реакция окисления протекает с выделением тепла и ускоряется при повышении температуры (это и есть горение). Пример реакций, протекающих при комнатной температуре:

Окисляет соединения, которые содержат элементы с немаксимальной степенью окисления:

Окисляет большинство органических соединений:

Кислород реагирует непосредственно (при нормальных условиях, при нагревании и/или в присутствии катализаторов) со всеми простыми веществами, кроме золота и инертных газов (гелий, неон, аргон, криптон, ксенон, радон); реакции с галогенами происходят под воздействием электрического разряда или ультрафиолета. Косвенным путем получены оксиды золота и тяжелых инертных газов (ксенон, радон). Во всех двухэлементных соединениях кислорода с другими элементами он играет роль окислителя, кроме соединений с фтором.

Результатом является здоровое потомство окислов, живущее уже собственной жизнью и вступающее в реакцию с другими веществами, обеспечивая, таким образом, химическое (по аналогии с биологическим) разнообразие на нашей планете, да и во Вселенной заодно.

Однако огромная часть атомов кислорода отлынивает от выполнения своего исконного предназначения и соединяется попросту друг с другом в молекулы О₂, теряя на этот противоестественный союз значительную часть своего окислительного потенциала. Но и этим безобразием дело не ограничивается. Под влиянием ионизирующего излучения некоторые представители атомов кислорода окончательно теряют стыд и соединяются по трое в молекулы озона О₃. Остается только развести руками и поговорить о свойствах этого вещества и его роли в нашей жизни.

Впервые озон обнаружил в 1785 году голландский физик и ботаник Мартин ван Марум по характерному запаху и окислительным свойствам, которые приобретает воздух после пропускания через него электрических искр, а также по способности окислять ртуть при обычной температуре, вследствие чего она теряет свой блеск и начинает прилипать к стеклу. Все мы знаем, что воздух после грозы (то есть пропускания через него электрических разрядов) начинает «пахнуть озоном», то есть кажется более свежим. Вот как расхваливает озон в своих стихах 1989 года, посвященных Семену Кирсанову, поэт Давид Самойлов:

 
Он, невнимательный к природе,
Вдруг вспомнил летние дожди,
Когда все было на исходе,
Когда все было позади.
 
 
Тогда в Москве палило лето,
И долго не было дождя,
Лишь погромыхивало где‐то,
Грозою город обходя.
 
 
Но словно по его заказу
Блеснул изломанный разряд,
Ударил гром. И сразу, сразу
На город рухнул дождепад.
 
 
Со всех сторон хлестало, перло,
Блистало, грохало. И он
Вдохнул в истерзанное горло
Благоухающий озон.
 
 
От этих запаха и влаги
Легчало у него в груди,
Когда ложилось на бумаге
Про эти летние дожди.
 

Поэтам дозволяется многое, но справедливости ради отметим, что озон, эта аллотропная модификация кислорода, чрезвычайно агрессивен, поскольку легко распадается на обычную молекулу О₂ и атомарный кислород, способный окислить едва ли не любое вещество. Органику он разрушает напрочь, металлы (за исключением золота, платины и иридия) превращает в окиси, сульфиды – в сульфаты, серу – в серную кислоту, и так далее.

Озон образуется во многих процессах, сопровождающихся выделением атомарного кислорода, например при разложении перекисей, окислении фосфора и т. п. В промышленности его получают из воздуха или кислорода в озонаторах действием электрического разряда. Сжижается O₃ легче, чем O₂, и потому их несложно разделить.

Полезен ли озон для человека? Прямо скажем, что компот или свиная отбивная действуют на наш организм гораздо благотворнее. Высокая окисляющая способность озона и образование во многих реакциях с его участием свободных радикалов кислорода делают его крайне ядовитым. Говорят даже, что при долгом нахождении в среде с повышенной концентрацией этого газа он может стать причиной мужского бесплодия. В России озон относится к вредным веществам первого, самого высокого класса опасности.

Впрочем, человечество ухитрилось и ему найти применение. В качестве окислителя он используется для стерилизации медицинских инструментов, в химическом синтезе, для отбеливания бумаги и очистки масел. В качестве непревзойденного обеззараживающего средства – для очистки воздуха, помещений и одежды, а главное – водопроводной воды, представляя собой прекрасную замену хлору (от озона в воде не остается неприятного привкуса). В Европе подобную обработку проходит 95 процентов водопроводной воды; есть станции озонирования и в России, например в Москве и Нижнем Новгороде. Кроме того, озоном обрабатываются многие марки родниковой воды в бутылках (что, пожалуй, и лишнее, поскольку в такой воде микробов быть не должно с самого начала).

Да, несправедливо будет не упомянуть об озонотерапии, когда больных – в частности, онкологических – заставляют дышать озоном, вводят его в суставы и в подкожную клетчатку в чистом виде, а в кровеносное русло – смешивая с физиологическим раствором и/или кровью пациента. Думается, что толченый рог носорога и печень тигра все‐таки полезнее, а услуги хорошего шамана, которые, во всяком случае, вам не повредят, обойдутся значительно дешевле.

А теперь перейдем к главной роли озона в качестве спасителя жизни на нашей планете. Дело в том, что в верхних слоях атмосферы под действием солнечного излучения образуется и поддерживается озоновый слой. Значительная часть ультрафиолета при этом поглощается, не достигает земли и, соответственно, не истребляет птиц, белочек, людей и прочих крокодилов, которые в противном случае вымерли бы еще пару миллиардов лет назад, а может быть, и вовсе бы не зародились.

Все бы хорошо, но (как и в случае пресловутого глобального потепления) алчное человечество роет само себе могилу, способствуя разрушению этого волшебного слоя. Так, по крайней мере, думает большинство ученых (к которым авторы не относятся). В докладе Всемирной метеорологической организации (ВМО) за 2012 год отмечено, что озоновый слой над Арктическим регионом уменьшается почти каждую зиму, но в предыдущие годы слой становился тоньше не более чем на 30 процентов, а за зиму 2010 – 2011 годов снижение составило рекордные 40 процентов. Авторы доклада обвиняют в этом, во‐первых, используемые в быту химические соединения и, во‐вторых, необычайно низкие зимние температуры в стратосфере.

Так называемая «озоновая дыра», то есть область с пониженной на 30 процентов и более концентрацией озона, регулярно образуется над Антарктидой именно из‐за ежегодно низких температур в стратосфере над этим континентом. При этом образуются облака из мелких кристаллов льда, на поверхности которых осаждаются химические вещества земного происхождения, которые и вступают в реакцию с озоном. В Арктике ситуация иная, здесь стратосферная температура может вообще не упасть до тех –80^ºС, при которых образуется дыра. И в отдельные годы уменьшения озонового слоя над Арктикой вообще не происходит.

Впервые образование «озоновой дыры» было зафиксировано над Антарктидой в 1985 году английской экспедицией. Вскоре нашли и «виновника» распада озона. Большинство образующихся в результате человеческой деятельности веществ не в состоянии добраться до стратосферы и разлагаются еще в нижних слоях атмосферы. И только чрезвычайно инертные соединения углерода с хлором и фтором – фреоны достигают озонового слоя и подвергаются воздействию этого высокоактивного окислителя. Фреонов нам не жалко, а вот озон в результате таких реакций превращается в обычный кислород О₂, не задерживающий вредный ультрафиолет.

Главными механизмами распада озона являются азотный, кислородный, водородный и галогеновый. Эти реакции представляют собой каталитические циклы, поэтому их также называют соответствующими циклами.

Кислородный цикл (механизм Чэпмена):

Азотный цикл (NO_x):

Водородный цикл (HO_x):

Хлорный цикл (ClO_x):

Паника поднялась, когда выяснилось, что в хлорном цикле могут участвовать упомянутые фреоны, созданные человеком для нужд холодильной промышленности и для употребления в аэрозолях. Изучение химии этих соединений проводилось еще с начала 70‐х годов прошлого века, а после сообщений об «озоновой дыре» химики довольно быстро разобрались в особенностях реакции фреонов с озоном, названной циклом Молина. За эту работу в 1995 году трое ученых получили Нобелевскую премию – несомненно, под влиянием озоновой истерии, поскольку сама‐то работа ничего выдающегося с научной точки зрения не представляет.

Еще до признания заслуг этих ученых в 1989 году почти 200 стран-членов ООН подписали Монреальский протокол по веществам, разрушающим озоновый слой, и взяли на себя обязательство сначала сократить, а потом и вовсе отказаться от употребления фреонов, обвиненных в общемировом геноциде. И со временем производство этих веществ во многих странах было действительно свернуто. Например, в России аэрозольные баллончики с дезодорантами или краской теперь заполняют крайне пожароопасными бутаном и пропаном, а в холодильниках используют фторуглероды.

Последнее очень важно, поскольку оказалось, что виноваты не сами фреоны, а содержащийся в них хлор. Соединения же углерода только с фтором (фторуглероды) безвредны. Но когда это выяснилось, сразу же возник вопрос: а являются ли пресловутые фреоны единственным источником хлора? Ответ был известен давным-давно: при извержении лишь одного среднего вулкана, которые происходят каждый год, выделяется во много раз большее количество хлора, чем можно набрызгать из всех баллончиков всего мира.

Речь не идет о том, чтобы Нобелевскую премию у знаменитой троицы отобрать. Следует всего лишь прекратить озоновую истерию. Кому может повредить ультрафиолет в безлюдных Арктике и Антарктике? И при чем тут несчастные аэрозоли? Дыра то образуется, то пропадает, так было уже десятки раз, и никому особенно навредить не может. Кстати, в докладе ВМО за 2014 год уже констатируется стабилизация размеров озоновой дыры – правда, это отрадное событие объяснено именно сокращением выпуска фреонов.

Авторы этой книги в данном вопросе, как вы поняли, занимают ретроградную позицию, полагая, что фреоны не более виновны в истончении озонового слоя, чем пукающие метаном коровы – в антропогенном глобальном потеплении (а это одна из официальных причин, объясняющих данное печальное явление). Всякий раз, когда совестливые ученые призывают остановить гибель нашей планеты, вызванную глобальным потеплением, нам вспоминается знаменитая картина Брейгеля «Охотники на снегу»: не только шедевр живописи, но и свидетельство того, что во Фландрии XVII века стояли настоящие русские зимы – с сугробами и замерзающими прудами. К началу XX века эти суровые зимы сошли на нет, причем промышленная революция (равно как и невоспитанные коровы) не играла в этом решительно никакой роли, поскольку ее масштабы в то время были слишком скромны.

Впрочем, мы ни на чем не настаиваем. Пускай читатель придет к выводу самостоятельно. Что до озона, то и ему (точнее, озоновому слою, который – о, поэтическая вольность! – размещен поэтом не в стратосфере, а прямо у поверхности земли) нашлось место в российской поэзии, например, в поэме Андрея Вознесенского «Оза», в свое время весьма и весьма впечатлившей публику 60‐х годов прошлого века. Вот соответствующий отрывок:

 
Ты мне снишься под утро,
как ты, милая, снишься!..
Почему‐то под дулами,
наведенными снизу,
 
 
ты летишь Подмосковьем,
хороша до озноба,
вся твоя маскировка —
30 метров озона!
 
 
Твои миги сосчитаны
наведенным патроном,
30 метров озона —
вся броня и защита!
 
 
В том рассвете болотном,
где полет безутешен,
но пахнуло полетом,
и – уже не удержишь.
 
 
Дай мне, Господи, крыльев
не для славы красивой —
чтобы только прикрыть ее
от прицела трясины.
 
 
Пусть еще погуляется
этой дуре рисковой,
хоть секунду – раскованно.
Только пусть не оглянется.
 
 
Пусть хоть ей будет счастье
в доме с умным сынишкой.
Наяву ли сейчас ты?
И когда же ты снишься?
 
 
От утра ли до вечера,
в шумном счастье заверчена,
до утра? поутру ли? —
за секунду до пули.