Текст книги "100 великих научных открытий"

Фотосинтез

Фотосинтез – один из важнейших биологических процессов, протекающих в природе, ведь именно благодаря ему происходит образование органических веществ из углекислого газа и воды под действием света, а главное – выделяется кислород.

История изучения фотосинтеза началась в 1600 г., когда бельгийский ученый Ян Ван Гельмонт провел несложный эксперимент – поместил веточку ивы (предварительно измерив ее вес) в мешок с 80 кг земли и на протяжении пяти лет поливал дождевой водой. За это время вес ивы увеличился на 65 кг, при том что масса земли уменьшилась всего на 50 г. Откуда взялась столь внушительная прибавка в весе, для ученого осталось загадкой.

Следующий шаг к открытию фотосинтеза был сделан Джозефом Пристли в 1771 г. Он поместил мышь под колпак и через пять дней увидел, что та умерла. Тогда он посадил под колпак еще одну мышь, но рядом с ней положил веточку мяты – и в итоге мышь осталась живой. Это навело ученого на мысль, что существует некий процесс, противоположный дыханию, и что зеленые растения способны очищать и восстанавливать воздух, «испорченный» животными. Через несколько лет после этого открытия Пристли опытным путем узнал о существовании кислорода и понял – первая мышь умерла от его отсутствия, а вторая выжила благодаря веточке мяты, которая выделяла этот важный элемент.

В 1782 г. швейцарский ученый Ж. Сенебье доказал, что углекислый газ (СО₂) под воздействием света разлагается в зеленых органоидах растений – хлоропластах. А пять лет спустя французский ученый Ж. Буссенго обнаружил, что растения поглощают воду не только при разложении, но и при синтезе органических веществ.

Тем не менее исследователи второй половины XIX – начала ХХ в. рассматривали фотосинтез как одноактный процесс разложения углекислого газа посредством хлорофилла – сложного органического соединения, которое придает листьям зеленую окраску и поглощает солнечный свет. В 1864 г. немецкому ботанику Ю. Саксу удалось рассчитать пропорцию потребляемого углекислого газа и выделяемого кислорода – 1:1. Таким образом, была выведена общая формула этого процесса: вода + углекислый газ + свет → углеводы + кислород (6СО₂ + 6Н₂О → С6Н₁₂О₆ + 6О₂).

В 1871 г. К. Тимирязев высказал идею о том, что в ходе фотосинтеза хлорофилл подвергается обратимым окислительно-восстановительным превращениям. В 1905 г. английский физиолог растений Фредерик Блэкман установил основные этапы фотосинтеза, показав, что процесс начинается при слабом освещении и с увеличением светового потока скорость реакций возрастает, однако на определенном этапе дальнейшее усиление освещения уже не приводит к повышению активности фотосинтеза; что повышение температуры при слабом освещении не влияет на скорость фотосинтеза, но при одновременном повышении температуры и усилении освещения скорость процесса растет гораздо заметнее, чем при одном лишь усилении освещения. На основании этих экспериментов Блэкман заключил, что происходят два процесса: первый зависит от уровня освещения, а не от температуры, тогда как второй определяется температурой независимо от яркости света. Позже два процесса получили название «световой» и «темновой» фаз, что не вполне корректно: хотя реакции «темновой» фазы идут и при отсутствии света, но для них необходимы продукты «световой» фазы.

В 1930-х появились высказывания о том, что поглощаемая хлорофиллом энергия света должна быть направлена не на разложение СО₂, а на разрыв одной связи ОН в молекуле воды. Доказательства данного предположения были получены в 1941 г., и решающую роль при этом сыграли исследования с использованием изотопов кислорода (¹⁶О,¹⁷О и¹⁸О), соотношения между которыми в воде, атмосфере и углекислом газе неодинаковы.

В 1945 г. А. Виноградова и Р. В. Тейс обнаружили совпадение изотопного состава кислорода природной воды и синтезированной из водорода и кислорода, выделяемого зеленым листом на свету (фотосинтетического). С. Рубен и М. Камен применили в исследованиях иной принцип. Сначала они дали водорослям воду, обогащенную¹⁸О, ― и растения выделили кислород с очень высокой концентрацией этого изотопа. Затем ученые «подкормили» водоросли углекислым газом, также обогащенным¹⁸О, ― однако на выделенном кислороде это не сказалось. Тогда-то и стало ясно, что основная масса кислорода, выделяемого при фотосинтезе, принадлежит воде, то есть место имеет не разложение СО₂, а распад молекулы воды, вызываемый энергией света.

Собственно, расщепление воды происходит в первой, «световой» фазе фотосинтеза. Еще в 1930-х это показал К. Б. ван Ниль в ходе изучения пурпурной серобактерии, которой для фотосинтеза нужен сероводород (H₂S). Как оказалось, в качестве побочного продукта жизнедеятельности бактерия выделяет атомарную серу, а уравнение ее фотосинтеза выглядит так: СО₂ + Н₂S + свет → углевод + 2S.

Поскольку у серобактерий, в чьем метаболизме роль кислорода играет сера, фотосинтез возвращает эту серу, ван Ниль предположил, что в любом фотосинтезе источником кислорода является не углекислый газ, а вода. Последующие исследования подтвердили: первой стадией процесса является расщепление молекулы воды. Само улавливание энергии состоит из двух этапов и осуществляется в раздельных кластерах молекул – фотосистеме I и фотосистеме II. Номера кластеров отражают порядок, в котором эти процессы были открыты, однако реакции происходят сначала в фотосистеме II и лишь затем – в фотосистеме I.

Итак, процесс запускается в фотосистеме II, когда излучаемые солнцем фотоны попадают в молекулы хлорофилла, содержащиеся в мембранах клеточных органелл хлоропластов. Фотон сталкивается с 250—400 молекулами фотосистемы II, и энергия, резко возрастая, передается молекуле хлорофилла. В результате молекула хлорофилла теряет два электрона (которые принимает другая молекула – акцептор электронов), а молекула воды распадается, и электроны ее атомов водорода возмещают электроны, потерянные хлорофиллом.

После этого выстроенные цепочкой молекулы-переносчики быстро перебрасывают электроны на более высокий уровень, и часть выделенной энергии идет на образование аденозинтрифосфата (АТФ) – одного из основных аккумуляторов энергии в клетке. Тем временем молекула хлорофилла фотосистемы I поглощает фотон и отдает электрон другой молекуле-акцептору, а на место утерянной заряженной частицы встает электрон, прибывший по цепи переносчиков из фотосистемы II. Энергия электрона фотосистемы I и ионы водорода, образовавшиеся при расщеплении воды, идут на образование НАДФ-Н – еще одного источника энергии.

После того как солнечная энергия поглощена и запасена, наступает черед образования глюкозы. Основной механизм синтеза сахаров в растениях был открыт Мелвином Калвином, который в 1940-х вырастил водоросль в присутствии углекислого газа, содержащего радиоактивный углерод-14. Прерывая фотосинтез на разных стадиях, ученый установил химические реакции «темновой» фазы и открыл так называемый цикл Калвина – процесс превращения солнечной энергии в глюкозу. Сначала молекулы углекислого газа соединяются с «помощником» – пятиуглеродным сахаром рибулозодифосфатом (РДФ). Затем за счет энергии солнечного света, запасенной в АТФ и НАДФ-H, происходит шестиуровневая цепочка реакций связывания углерода с образованием глюкозы, выделением кислорода и воссозданием РДФ.

Очевидно, что обеспечение кислородом земной атмосферы – далеко не единственная цель фотосинтеза. Этот биологический процесс необходим не только людям и животным, но и самим растениям, основу жизнедеятельности которых составляют органические вещества, образующиеся в ходе фотосинтеза.

Электролиз

Процесс электролиза – разложения веществ под действием электрического тока – был открыт английским физиком-экспериментатором Майклом Фарадеем (1791—1867). Летом 1832 г. Фарадей провел эксперимент, целью которого было узнать: оказывает ли электрический ток химическое воздействие. Смочив куркумовую бумажку раствором сульфата натрия, ученый поместил ее одним краем против кончика разрядного провода, собирающего отрицательный заряд электрической машины, а другим соединил со вторым проводом. Затем сделал около 50 оборотов машинного диска, который генерировал ток путем трения о специальные подушки, – и «конец бумажки, обращенный к кончику разрядного провода, окрасился благодаря присутствию свободной щелочи». Но вызван ли данный эффект только действием тока? Видоизменив объект исследования, Фарадей поставил опыт, где «не допускалось контакта металла с разлагаемым веществом». Смочив в растворе сульфата натрия и куркумовую бумажку, и лакмусовую, ученый сложил их вместе и на некотором расстоянии от краев закрепил электроды, один из которых был связан с кондуктором машины, собирающим положительный заряд, а другой – с разрядным проводом. Через какое-то время в процессе вращения машины «сделалось очевидным разложение: край лакмусовой бумажки покраснел от выделившейся кислоты, а край куркумовой окрасился от одновременного выделения щелочи». Более того, кислота собралась около отрицательного края, а щелочь – возле положительного.

11 июля Фарадей установил, что бумага, смоченная раствором йодистого калия и крахмала, весьма чувствительна к направлению электрического тока от вольтова столба – устройства в виде вертикального цилиндра, состоящего из соединенных между собой колец цинка, меди и сукна, пропитанных кислотой.

8 сентября Фарадей заметил, что площадь окрашенных участков на бумажках зависит от времени пропускания тока, и решил выяснить количественные соотношения в процессах воздействия электричества на растворы.

22 октября был проведен решающий эксперимент. Фарадей изготовил электролитическую ячейку и расположил у электродов влажные индикаторные бумажки. Между ними чередовались пласты геля, образованного при свертывании коллоидного раствора, содержащего соль (сульфат калия), чистого геля, который проводит ток как обыкновенный раствор, и те же бумажки. Пропуская ток через ячейку, Фарадей наблюдал, что индикаторы окрашиваются только у электродов, причем лакмусовая бумажка показывала кислоту, а куркумовая – щелочь. Все остальные бумажки не окрашивались, и это означало, что электрохимическое действие происходит только у электродов.

Проанализировав свои наблюдения, Фарадей сформулировал теорию электролиза. Жидкости, поддающиеся этому процессу, состоят из частиц с противоположными зарядами. Под действием тока одна частица, связанная в молекулу с другой частицей, испытывает действие иных противоположно заряженных частиц, вступает с ними в соединение и продвигается вперед. Это повторяется до тех пор, пока впереди есть противоположно заряженные частицы, с которыми можно соединиться. Однако у электродов частицу уже не будут окружать другие частицы и, оказавшись под воздействием неуравновешенных сил, она вылетит наружу, «где и выделится».

14 сентября Фарадей доказал, что количество электричества не зависит от напряжения. Несколько раз он повторял опыты с батареей, состоящей то из 7, то из 15 лейденских банок (приборов, запасающих электрический заряд), каждую из которых заряжал 30 оборотами машины, а затем подключал батарею к электрометру. Стрелка электрометра всегда отклонялась на пять с половиной делений, из чего следовало, что «отклоняющая сила электрического тока прямо пропорциональна прошедшему количеству электричества независимо от напряжения последнего».

На другой день Фарадей собрал маленький вольтов столб. Отрегулировав диаметр платиновой и цинковой пластин, глубину их погружения в раствор и концентрацию серной кислоты в растворе, ученый начал работу с батареей и обнаружил, что при ее разряде стрелка электрометра отклоняется на пять с половиной делений за восемь равных промежутков времени. Это показало, что количество электричества не зависит от источникаДалее Фарадей обратил внимание, что величина пятна на фильтровальной бумаге, пропитанной раствором йодистого калия, вокруг прижатой к ней платиновой пластины одинакова, если пропускать одно и то же количество тока от разных источников. А значит, размер пятна (то есть величина химического действия тока) прямо пропорционален времени пропускания тока, иначе говоря, количеству электричества.

Наконец, 10 декабря Фарадей записал первый закон электролиза: «Химическая сила прямо пропорциональна абсолютному количеству прошедшего электричества». Говоря современным языком, масса вещества, образующегося на электроде, прямо пропорциональна количеству электричества, прошедшего через расплав (электролит).

Весной 1833 г. Фарадей разработал более десятка различных модификаций нового прибора, названного им вольтаметром. Такой прибор позволял измерять количество газа, выделяющегося при электрохимической реакции, а также потерю или увеличение массы электрода. Самый простой и удачный вариант представлял собой стеклянную проградуированную трубку, в которую был впаян платиновый электрод, а в верхней части собирался весь выделившийся газ. Фарадей опускал в чашку два таких вольтаметра и проводил электролиз воды, собирая в одной трубке кислород, а в другой водород. В итоге было установлено, что если раствором служит кислота или азотнокислая соль натрия, то на аноде (положительном электроде) почти всегда выделяется кислород, а на катоде (отрицательном электроде) – водород. Когда же в раствор входят азотнокислые соли других металлов, например ртути, меди или серебра, то на аноде тоже образуется кислород, а на катоде – соответственно ртуть, медь либо серебро. Чтобы определить количество образующегося на катоде вещества, Фарадей создал вольтаметр в виде сосуда, куда помещался предварительно взвешенный металлический электрод или чашечка. В качестве анода брался тот же «газовый» вольтаметр, который заполнялся раствором и погружался в сосуд.

Выполнив более 300 опытов, Фарадей изучил электрохимическое поведение и продукты разложения при электролизе 130 различных веществ. И все же необходимо было выяснить, влияют ли размеры электрода на процесс электрохимического разложения. Весной 1833 г. ученый последовательно соединил два вольтаметра с разными по площади электродами. Количество продуктов разложения в обоих сосудах оказалось одинаковым. «Напряжение не оказывает влияния на результаты, ― сделал вывод он, ― если количество электричества остается одинаковым».

Затем Фарадей занялся количественным изучением продуктов электролиза воды, различных кислот, растворов солей и расплавов. Оказалось, что одно и то же количество электричества выделяет в 8 раз больше кислорода (по массе), чем водорода – такая пропорция соответствует соотношению химических эквивалентов водорода и кислорода. То же самое получалось и с другими соединениями и элементами. Весовой состав продуктов реакции Фарадей проверял в самых разных условиях, изменяя концентрацию растворов, полярность, материал электродов. Результаты оставались неизменными.

Исследовав химические реакции в гальваническом элементе, ученый доказал, что количество электричества, получаемое от вольтова столба, соответствует эквивалентному количеству растворившегося в нем цинка. И заключил: «Электричество, которое разлагает определенное количество вещества, равно тому, что выделяется при разложении того же количества вещества».

23 сентября 1833 г. Фарадей наконец записал: «Числа, соответствующие весовым количествам выделяемого вещества, надо назвать электрохимическими эквивалентами…» Они «совпадают с обычными химическими эквивалентами и тождественны им». Так, для ионов водорода, кислорода, хлора, олова, свинца, йода Фарадей установил электрохимические эквиваленты 1; 8; 36; 58; 104; 125, а чуть позже составил таблицу для 18 анионов и 36 катионов.

После сотен опытов ученый сделал расчеты и обнаружил, что в одном гране (66,4 мл) воды «содержится» столько электричества, сколько нужно, чтобы 800 000 раз зарядить его лейденскую батарею из 15 банок 30 оборотами машины, и это количество равносильно «весьма мощной вспышке молнии». На таком основании был сформулирован второй закон электролиза: «Для выделения на электроде одного моля вещества, которое в процессе электрохимической реакции приобретает либо теряет один электрон, необходимо пропустить через ячейку 96 485 кулонов электричества». Иными словами, электрохимические эквиваленты различных веществ пропорциональны их молярным массам и обратно пропорциональны числам, выражающим их химическую валентность (способность атома соединяться с определенным числом других атомов).

Работа Фарадея поражает воображение. Возможность окисления и восстановления веществ электрическим током открыла широкие перспективы как для научных исследований, так и для химической и металлургической технологии. Еще при жизни ученого началось использование гальванопластики, создан первый топливный элемент и изобретен свинцовый аккумулятор.

Периодический закон химических элементов

К середине XIX в. были открыты 63 химических элемента, и попытки найти закономерности в этом наборе предпринимались неоднократно. Первым расположить элементы в порядке возрастания атомного веса попробовал Александр Эмиль Шанкуртуа (1862): в его варианте элементы разместились вдоль винтовой линии, а их химические свойства циклически повторялись по вертикали. Однако эта модель не привлекла внимания ученых.

В 1866 г. свой вариант периодической системы предложил химик и музыкант Джон Александр Ньюлендс, чья модель («закон октав») внешне напоминала менделеевскую, но была скомпрометирована желанием автора найти в таблице мистическую музыкальную гармонию. В 1864 г. Ньюлендс заметил, что если располагать элементы в порядке возрастания их атомного веса, то примерно каждый 8-й будет своего рода повторением 1-го – подобно тому как нота «до» (как и любая другая нота) повторяется в октавах через каждые 7 нот. Элементы, имеющие одинаковый атомный вес (по данным того времени), помещались под одним номером, при этом наметившиеся закономерности быстро разрушались, поскольку в системе не была учтена возможность существования еще не открытых элементов.

Ближе всего к окончательному варианту подошел Юлиус Лотар Мейер (1864), хотя за основу периодичности он взял валентность, которая не является единственной и постоянной для каждого элемента.

Фактически открытие периодического закона произошло 1 марта (17 февраля по старому стилю) 1869 г. В тот день русский химик Дмитрий Менделеев (1834—1907) собирался ехать на химический завод, руководство которого попросило помощи в решении проблем на производстве, как вдруг подумал: а ведь между массой и химическими свойствами должна быть связь. Поездку пришлось отложить – ученый с головой ушел в работу. Написав на карточках основные свойства каждого элемента, включая атомный вес и формулы окислов, он многократно перемещал эти карточки, составлял из них ряды сходных по свойствам элементов, сравнивал ряды один с другим. Тогда уже были известны группы щелочных и щелочноземельных металлов, но именно Менделеев обнаружил, что элементы этих групп попарно отличаются на одинаковое число единиц атомного веса: калий 39 ― кальций 40, натрий 23 ― магний 24. Это и послужило главным толчком к открытию периодического закона.

В первом варианте таблицы – «Опыте системы элементов, основанном на их атомном весе и химическом сходстве» – элементы были расставлены по 19 горизонтальным рядам (рядам сходных элементов, ставших прообразами групп современной системы) и по 16 вертикальным столбцам (прообразам будущих периодов). В 1870 г. Менделеев опубликовал в «Основах химии» второй вариант – «Естественную систему элементов», имеющую более привычный нам вид: горизонтальные столбцы элементов-аналогов превратились в 8 вертикально расположенных групп, а 6 вертикальных столбцов первого варианта преобразовались в периоды с щелочным металлом в начале и галогеном в конце. Каждый период был разбит на 2 ряда, а элементы разных вошедших в группу рядов образовали подгруппы.

После выхода работы в народном сознании закрепилось мнение, будто Менделеев сделал свое открытие во сне. Он сам как-то обмолвился о том, что после трех суток мучительных раздумий забылся сном и вдруг ясно увидел таблицу, «где элементы расставлены, как нужно». Слова были вырваны журналистами из контекста, информация стала передаваться из уст в уста, и в конце концов ученый в сердцах заявил: «Я над ней, может, двадцать пять лет думал, а вы полагаете: сидел, и вдруг пятак за строчку, пятак за строчку, и готово!»

Суть открытия Менделеева заключался в том, что с ростом атомной массы химических элементов их свойства меняются не монотонно, а периодически. После определенного количества разных элементов, расположенных в порядке возрастания атомного веса, свойства начинают повторяться – разумеется, не в точности, а с некоторыми изменениями. В отличие от предшественников, Менделеев взял две основы для классификации элементов: атомную массу и химическое сходство. А для того, чтобы периодичность соблюдалась полностью, немного схитрил: подправил атомные массы некоторых элементов, несколько элементов разместил вопреки принятым в то время представлениям об их сходстве с другими, а также оставил в таблице пустые клетки, где должны были разместиться пока не открытые элементы. Эти клетки Менделеев заполнил выдуманными элементами: «эка-бором», «эка-кремнием» и «эка-алюминием», что дало научной общественности повод обвинить его в подтасовках, а теорию назвать «смехотворной». Только в 1875 г., когда французский химик Л. де Буабодран сообщил об открытии галлия с удельным весом 5,9, стало ясно, что этот элемент идеально подходит на место «эка-алюминия» с таким же весом. В 1879 г. был открыт «эка-бор» – скандий, а в 1885 г. и «эка-кремний» – германий.

В начале XX в., с открытием строения атома, было установлено, что периодичность изменения свойств элементов определяется не атомным весом, а зарядом ядра, равным атомному номеру и числу электронов, распределение которых по электронным оболочкам атома элемента определяет химические свойства последнего.

Дальнейшее развитие периодической системы было связано с заполнением пустых клеток таблицы, в которые помещались все новые и новые элементы: благородные газы, природные и искусственно полученные радиоактивные элементы. В 2010 г., с синтезом 117-го элемента, был завершен седьмой период системы. Но где находится нижняя граница таблицы Менделеева, до сих пор остается загадкой.