Текст книги "Удивительная химия"

Химики соревнуются с природой. Химический конструктор

Всего в природе найдено 90 различных элементов, и еще более 20 получено искусственным путем. Из этих нескольких десятков «кирпичиков» и состоят все окружающие нас тела – воздух, которым мы дышим; бумага, на которой напечатана эта книга, и красители в рисунках и самих буквах; глаза, которые читают этот текст, и клетки мозга, которые анализируют, хорошо ли он написан… На самом деле живые организмы состоят из еще меньшего числа элементов, чем объекты неживой природы. В книге американского ученого Глена Сиборга (он участвовал в создании многих искусственных элементов, а один из элементов даже назван его именем) есть забавная картинка. На фотографии изображен мужчина средних лет в белой рубашке и в галстуке, а на столе перед ним – куча баночек и несколько сосудов с газами. Подпись же гласит: «Здесь изображен известный химик Бернард Харви в двух различных вариантах – в одном случае он в своем нормальном состоянии, в другом – расщеплен на составные элементы».

Люди, не знающие химии, часто удивляются, когда до них доходит информация о том, что из сотни с лишним известных химических элементов в состав растений и животных входит всего два десятка. Действительно, если принять, что Харви весил 70 кг, то на столе должны были бы находиться: 45,5 кг кислорода, 12,6 кг углерода, 7 кг водорода, 2,1 кг азота, 1,4 кг кальция, 700 г фосфора, 260 г калия, 175 г серы, по 100 г натрия и хлора, 30 г магния, 3 г железа и в очень малых количествах несколько других элементов (например, иода – всего 0,03 г, а марганца – 0,01 г). Как же природа ухитрилась из небольшого числа «составных частей» создать такое чудо, как мыслящий человек? А также кустик земляники (и ее запах!), гигантское дерево эвкалипт, крошечного муравья и огромного кита, миллионы других видов растений и животных…

Однако подобных «чудес» в мире немало. Разве не удивительно, что всего 12 нот хроматической гаммы дают бесконечное число разнообразных мелодий – от бесхитростной песни монгольского пастуха до мотивов «Спящей красавицы» П. И. Чайковского?! Разве не удивительно, что всего 16 белых и 16 черных шахматных фигур способны создать огромное разнообразие шахматных комбинаций – начиная от простейшего «детского мата» в два хода и кончая гениальными творениями лучших шахматистов мира?! Наконец, разве не удивительно, что из небольшого числа букв (в венгерском алфавите их 38, в русском – 33, в латинском – 26, в греческом – 24) можно составить бесконечное число слов, выражений и литературных произведений – от «Чижика-пыжика» до «Войны и мира» Л. Н. Толстого.

Так и в химии. Из ограниченного числа элементов, соединенных друг с другом в разных сочетаниях, построены все вещества. Возможности разных сочетаний элементов можно проиллюстрировать на таком примере. Во второй половине XX века ученые выяснили, что для записи всей наследственной информации живого организма достаточно всего нескольких химических элементов! А информация эта, «записанная» в живой клетке, определяет, что именно вырастет из этой клеточки, неразличимой для невооруженного глаза: сибирский кедр, морской конек или человек. Как же удается записать эту информацию?

Аборигены (коренные жители) Америки много веков назад изобрели «узелковую письменность»: к длинной веревке они привязывали шнурки с узелками различной формы. Таким образом они могли передавать разнообразную информацию. Возьмем теперь длинную «веревку», построенную из соединенных друг с другом атомов углерода (эти атомы легко соединяются в цепочки любой длины). Получится молекула, которая не несет никакой информации. Кстати, именно из таких молекул состоит полиэтилен, применяемый для изготовления пакетов, и парафин, из которого делают свечки. Разные свойства полиэтилена и парафина связаны в основном с разной длиной молекул-цепочек. Но если в разных местах этой молекулы присоединить по бокам атомы других элементов (в том числе и углерода), можно получить осмысленное «сообщение». Чтобы его «прочитать», надо знать, из каких элементов состоят боковые группы (кстати, «боковая группа» – обычный химический термин), каково их строение и по каким правилам они присоединяются к центральной нити. Именно по этому принципу природа создала «текст» с определенным биологическим смыслом – его называют генетическим кодом. И вряд ли здесь было бы возможно какое-то другое решение.

Чтобы собрать из готовых деталей какой-либо механизм, надо знать, как он устроен. Именно такая задача в первую очередь стояла перед химиками, которые захотели искусственно получать различные соединения. Химики всегда стремятся сделать что-то совершенно новое, никогда и никем не виданное, в природе не встречающееся (например, даже простейший полимер полиэтилен в природе сам по себе никогда не образуется). А зачем химикам все это было нужно? Ведь далеко не всегда очевидно, что полученное ими новое вещество принесет хоть какую-нибудь пользу! Прежде всего, создавать новые вещества очень интересно! Зачем ребенок строит из песка или из деталей конструктора башни и крепости? Ведь он прекрасно знает, что они ненастоящие. Но – интересно! Химики в этом отношении похожи на детей – им тоже очень интересно «построить» в колбе сложную конструкцию из атомов, синтезировать какое-нибудь вещество с необычными свойствами. Но дело не только в интересе. Многие вещества, которых в природе мало или вообще нет, оказались совершенно необходимы людям. Среди них – удобрения, необходимые для повышения урожайности сельскохозяйственных культур: без них сельское хозяйство уже не смогло бы прокормить выросшее во много раз население Земли. Химики получили также множество разнообразных лекарственных веществ, чтобы избавлять людей от болезней. Или – взрывчатые вещества, с помощью которых, к сожалению, этих же людей можно убивать…

Чтобы получить какое-либо новое вещество или вещество, уже созданное природой, надо знать, какие атомы и в каких пропорциях содержатся в этом веществе. Это – задача аналитической химии, о которой еще будет отдельный рассказ. Но этого мало. Требуется еще установить, в каком порядке должны быть соединены атомы в веществе, т. e. каково его строение. А от строения вещества (порядка соединения атомов) очень сильно зависят его свойства. Например, в молекуле аминокислоты аланина содержатся 3 атома углерода, 7 атомов водорода, 1 атом азота и 2 атома кислорода (химики записывают такую формулу в виде С₃H₇NO₂, обозначая буквами сорт атомов и цифрами их количество в молекуле). Аланин встречается во всех организмах в свободном виде и в составе белков; это бесцветные кристаллы сладкого вкуса. Но те же атомы и в таком же количестве находятся и в молекуле искусственно полученного вещества пропилнитрита – летучей, взрывчатой, очень ядовитой жидкости, пары которой при вдыхании вызывают резкое расширение сосудов, снижение кровяного давления и учащение сердцебиения (похожим действием обладает и всем известный нитроглицерин, так как его строение очень напоминает строение пропилнитрита). Такое существенное различие в свойствах двух соединений одинакового состава объясняется тем, что указанные атомы соединены в этих веществах по-разному: в аланине атом азота соединен с двумя атомами водорода и одним атомом углерода, а в пропилнитрите – с двумя атомами кислорода.

Допустим теперь, что химик узнал, какие элементы и в каком соотношении содержатся в данном веществе; узнал он также, в каком порядке они соединены друг с другом. Сможет ли он теперь самостоятельно получить такое же вещество? Эта задача похожа на такую: человеку сказали, какие детали и в каком количестве содержатся в его телевизоре или автомобиле, а также в каком порядке они соединены друг с другом. Сумеет ли он, воспользовавшись этой информацией, самостоятельно сделать точно такой же телевизор или автомобиль? Понятно, что это зависит от мастерства человека, его знаний и возможностей. Если он должен сначала сам найти нужные руды, выплавить из них разные металлы… ну и так далее, то вряд ли он что-то успеет за всю свою жизнь. Если же это опытный механик, и у него есть все готовые детали, а также хорошие помощники, то за месяц-другой, глядишь, у него что-то и получится.

Примерно такая же ситуация и у химиков. Первые химики все реактивы готовили для себя сами и до «большой» химии было еще далеко. Сначала должны были заработать химические заводы, производящие тысячи разнообразных химических веществ – «заготовок» для будущих искусственных изделий. Одновременно должны были открыться химические лаборатории, в которых бы молодые химики учились премудростям соединения элементов в нужных пропорциях и в нужном порядке. Наконец, ученые-химики должны были разработать способы и приемы разнообразных превращений. Именно поэтому химия начала особенно интенсивно развиваться только во второй половине XIX века.

Все эти условия действуют и в настоящее время: химические предприятия производят вещества для синтезов (такие вещества называются химическими реактивами). Некоторые из них производятся миллионами тонн, потому что они нужны для получения синтетических тканей, моющих веществ, средств защиты растений и множества иных товаров, другие – в количестве всего лишь нескольких граммов или даже миллиграммов (например, радиоактивные препараты).

Подобно тому, как опытный механик из отдельных частей собирает сложный механизм (а при необходимости и сам изготавливает некоторые части), химики научились «разбирать» сложные органические молекулы на составные части и соединять их в иной последовательности – по своему желанию. Появилась также возможность, не затрагивая остов молекулы, заменять в ней отдельные фрагменты другими, что приводит порой к полнейшему изменению всех свойств вещества. Как из рога изобилия посыпались новые методы и приемы синтеза самых разнообразных органических соединений.

Откуда взялись атомы

До сих пор, говоря об атомной теории, о том, как из нескольких сортов атомов, соединенных между собой в разном порядке, получаются совершенно непохожие друг на друга вещества, мы ни разу не задались «детским» вопросом – а откуда взялись сами атомы? Почему атомов одних элементов очень много, а других – очень мало, и распространены они очень неравномерно. Например, всего один элемент (кислород) составляет половину земной коры. Три элемента (кислород, кремний и алюминий) в сумме составляют уже 85 %, а если к ним добавить железо, кальций, натрий, калий, магний и титан, то получим уже 99,5 % земной коры. На долю же нескольких десятков остальных элементов приходится всего 0,5 %. Самый редкий на Земле металл – рений, да и золота с платиной не так уж много, не зря они такие дорогие. А вот другой пример: атомов железа в земной коре примерно в тысячу раз больше, чем атомов меди, атомов меди в тысячу раз больше, чем атомов серебра, а серебра в сто раз больше, чем рения.

Совсем иначе распределены элементы на Солнце: там больше всего водорода (70 %) и гелия (28 %), а всех остальных элементов – только 2 %. Если взять всю видимую Вселенную, то водорода в ней еще больше. Почему так? В древности и в Средние века вопросами о происхождении атомов не задавались, ибо считали, что они существовали в неизменном виде и количестве всегда (а по библейской традиции – были созданы Богом в один день творения). И даже когда атомистическая теория победила и химия начала бурно развиваться, а Д. И. Менделеев создал свою знаменитую систему элементов, вопрос о происхождении атомов продолжал считаться несерьезным. Конечно, изредка кто-либо из ученых набирался смелости и предлагал свою теорию. Как уже говорилось, в 1815 году Уильям Праут высказал предположение, что все элементы произошли из атомов самого легкого элемента – водорода. Как писал Праут, водород – это та самая «первоматерия» древнегреческих философов, которая путем «сгущения» дала все остальные элементы.

В XX веке усилиями астрономов и физиков-теоретиков была создана научная теория происхождения атомов, которая в общих чертах отвечала на вопрос о происхождении химических элементов. Весьма упрощенно эта теория выглядит так. Вначале вся материя была сосредоточена в одной точке с невероятно большой плотностью (10⁸⁰ г/см³) и температурой (10²⁷ К). Эти числа настолько велики, что для них даже не существует названий. Примерно 10 миллиардов лет назад в результате так называемого Большого взрыва эта сверхплотная и сверхгорячая точка начала быстро расширяться. Физики достаточно хорошо представляют себе, как развивались события спустя 0,01 секунды после взрыва. Теория же того, что происходило до этого, разработана значительно хуже, поскольку в существовавшем тогда сгустке материи плохо выполнялись известные ныне физические законы (и чем раньше – тем хуже). Более того, вопрос о том, что было до Большого взрыва, по существу даже не рассматривался, поскольку тогда не было самого времени! Ведь если нет материального мира, т. е. никаких событий, то откуда взяться времени? Кто или что будет его отсчитывать?

Итак, материя начала стремительно разлетаться и остывать. Чем ниже температура, тем больше возможностей для образования разнообразных структур (например, при комнатной температуре могут существовать миллионы различных органических соединений, при +500 °C – лишь немногие, а выше +1000 °C, вероятно, никакие органические вещества существовать не могут, – все они при высокой температуре расщепляются на составные части). По оценкам ученых, через 3 минуты после взрыва, когда температура снизилась до миллиарда градусов, начался процесс нуклеосинтеза (это слово происходит от латинского nucleus — «ядро» и греческого «синтесис» – «соединение, сочетание»), т. е. процесс соединения протонов и нейтронов в ядра различных элементов. Помимо протонов – ядер водорода, появились и ядра гелия; эти ядра еще не могли присоединить электроны и образовать атомы из-за слишком высокой температуры. Первичная Вселенная состояла из водорода (примерно 75 %) и гелия с примесью небольшого количества следующего по массе элемента – лития (в его ядре три протона). Этот состав не изменялся примерно 500 тысяч лет. Вселенная продолжала расширяться, остывать и становилась все более разреженной. Когда температура снизилась до +3000 °C, электроны получили возможность соединяться с ядрами, что привело к образованию устойчивых атомов водорода и гелия.

Казалось бы, что и дальше Вселенная, состоящая из водорода и гелия, должна была расширяться и остывать до бесконечности. Но тогда не было бы не только других элементов, но и галактик, звезд, а также нас с вами. Бесконечному расширению Вселенной противодействовали силы всемирного тяготения (гравитации). Гравитационное сжатие материи в разных частях разреженной Вселенной сопровождалось повторным сильным разогревом – наступила стадия массового образования звезд, которая продолжалась около 100 миллионов лет. В тех состоящих из газа и пыли областях пространства, где температура достигала 10 миллионов градусов, начинался процесс термоядерного синтеза гелия путем слияния ядер водорода. Эти ядерные реакции сопровождались выделением огромного количества энергии, которая излучалась в окружающее пространство: так загоралась новая звезда. Пока в ней было достаточно водорода, сжатию звезды под действием сил тяготения противодействовало излучение, которое «давило изнутри». Наше Солнце также светит за счет «сжигания» водорода. Идет этот процесс очень медленно, так как сближению двух положительно заряженных протонов препятствует сила кулоновского отталкивания. Так что нашему светилу суждены еще долгие годы жизни.

Когда запас водородного горючего подходит к концу, постепенно прекращается и синтез гелия, а вместе с ним затухает мощное излучение. Силы гравитации вновь сжимают звезду, температура повышается и становится возможным слияние друг с другом уже ядер гелия с образованием ядер углерода (6 протонов) и кислорода (8 протонов в ядре). Эти ядерные процессы также сопровождаются выделением энергии. Но и запасам гелия рано или поздно приходит конец. И тогда наступает третий этап сжатия звезды силами гравитации. А дальше все зависит от массы звезды на этом этапе. Если масса не очень велика (как у нашего Солнца), то эффект от повышения температуры при сжатии звезды будет недостаточен, чтобы углерод и кислород могли вступить в дальнейшие реакции ядерного синтеза; такая звезда становится так называемым белым карликом. Более тяжелые элементы «изготовлены» в звездах, которые астрономы называют красными гигантами – их масса в несколько раз больше массы Солнца. В этих звездах и идут реакции синтеза более тяжелых элементов из углерода и кислорода. Как образно выражаются астрономы, звезды – это ядерные костры, зола которых – тяжелые химические элементы.

Выделяющаяся на этом этапе жизни звезды энергия сильно «раздувает» внешние слои красного гиганта; если бы наше Солнце стало такой звездой, Земля оказалась бы внутри этого гигантского шара – перспектива для всего земного не самая приятная. Звездный ветер, «дующий» с поверхности красных гигантов, выносит в космическое пространство синтезированные этими звездами химические элементы, которые образуют туманности (многие из них видны в телескоп).

Красные гиганты живут сравнительно недолго – в сотни раз меньше, чем Солнце. Если масса такой звезды превышает массу Солнца в 10 раз, тогда возникают условия (температура порядка миллиарда градусов) для синтеза элементов вплоть до железа. Ядро железа – наиболее стабильное из всех ядер. Это означает, что реакции синтеза элементов, которые легче железа, идут с выделением энергии, тогда как синтез более тяжелых элементов требует затрат энергии. С затратой энергии идут и реакции распада железа на более легкие элементы. Поэтому в звездах, достигших «железной» стадии развития, происходят драматические процессы: вместо выделения энергии идет ее поглощение, что сопровождается быстрым понижением температуры и сжатием до очень маленького объема; астрономы называют этот процесс гравитационным коллапсом (от латинского слова collapsus — «ослабевший, упавший»; недаром медики так называют внезапное падение кровяного давления, что очень опасно для человека). В ходе гравитационного коллапса образуется огромное число нейтронов, которые, благодаря отсутствию заряда, легко проникают в ядра всех имеющихся элементов. Пересыщенные нейтронами ядра претерпевают особое превращение (его называют бета-распадом), в ходе которого из нейтрона образуется протон; в результате из ядра данного элемента получается следующий элемент, в ядре которого уже одним протоном больше. Ученые научились воспроизводить такие процессы в земных условиях; хорошо известный пример – синтез изотопа плутония-239, когда при облучении нейтронами природного урана (92 протона, 146 нейтронов) его ядро захватывает один нейтрон и образуется искусственный элемент нептуний (93 протона, 146 нейтронов), а из него – тот самый смертоносный плутоний (94 протона, 145 нейтронов), который используется в атомных бомбах. В звездах же, которые претерпевают гравитационный коллапс, в результате захвата нейтронов и последующих бета-распадов образуются сотни различных ядер всех возможных изотопов химических элементов. Коллапс звезды заканчивается грандиозным взрывом, сопровождающимся выбросом огромной массы вещества в космическое пространство – образуется сверхновая звезда. Выброшенное вещество, содержащее все элементы из таблицы Менделеева (и в нашем теле содержатся те самые атомы!), разлетается по сторонам со скоростью до 10 000 км/с, а небольшой остаток вещества погибшей звезды сжимается (коллапсирует) с образованием сверхплотной нейтронной звезды или даже черной дыры. Изредка такие звезды вспыхивают на нашем небосводе, и если вспышка произошла не слишком далеко, сверхновая звезда по яркости затмевает все остальные звезды. И не удивительно: яркость сверхновой звезды может превышать яркость целой галактики, состоящей из миллиарда звезд! Одна из таких «новых» звезд, в соответствии с китайскими хрониками, вспыхнула в 1054 году. Сейчас на этом месте находится известная Крабовидная туманность в созвездии Тельца, а в ее центре расположена быстровращающаяся (30 оборотов в секунду!) нейтронная звезда. К счастью (для нас, а не для синтеза новых элементов), такие звезды вспыхивали пока лишь в далеких галактиках…

В результате «горения» звезд и взрыва сверхновых звезд в космическом пространстве оказались все известные химические элементы. Остатки сверхновых звезд в виде расширяющихся туманностей, «разогретых» радиоактивными превращениями, сталкиваются друг с другом, конденсируются в плотные образования, из которых под действием гравитационных сил возникают звезды нового поколения. Эти звезды (в их числе и наше Солнце) уже с самого начала существования содержат в своем составе примесь тяжелых элементов; такие же элементы содержатся и в окружающих эти звезды газопылевых облаках, из которых образуются планеты. Так что элементы, входящие в состав всех окружающих нас вещей, в том числе и нашего тела, родились в результате грандиозных космических процессов…

Почему же одних элементов образовалось много, а других – мало? Оказывается, в процессе нуклеосинтеза с наибольшей вероятностью образуются ядра, состоящие из небольшого четного числа протонов и нейтронов. Тяжелые ядра, «переполненные» протонами и нейтронами, менее устойчивы и их во Вселенной меньше. Существует общее правило: чем больше заряд ядра, чем оно тяжелее, тем меньше таких ядер во Вселенной. Однако это правило выполняется не всегда. Например, в земной коре мало легких ядер лития (3 протона, 3 нейтрона), бора (5 протонов и 5 или 6 нейтронов). Предполагают, что эти ядра по ряду причин не могут образоваться в недрах звезд, а под действием космических лучей «откалываются» от более тяжелых ядер, накопившихся в межзвездном пространстве. Таким образом, соотношение различных элементов на Земле – отголосок бурных процессов в космосе, которые происходили миллиарды лет назад, на более поздних этапах развития Вселенной.