Текст книги "Мир, созданный химиками. От философского камня до графена"

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.

Алхимики признавали четыре первопричины Аристотеля: тепло, сухость, холод, влажность. Эти первопричины образуются при сочетании четырех стихий: огонь + воздух = тепло, огонь + земля = = сухость, вода + земля = холод, воздух + вода = влажность. При переводе на русский язык названия знаменитого фильма Люка Бессона “Пятый элемент” переводчики не поняли, что в данном случае под словом element имеются в виду именно стихия и фильм про пятую стихию, то есть любовь, должен называться “Пятая стихия”.

Алхимики, поразившись одинаковому количеству планет Солнечной системы и металлов, уверовали в мистическое влияние небесных тел на все процессы, протекающие на Земле, в том числе на зарождение металлов. О том, что Солнце вовсе не планета, вращающаяся вокруг Земли, а независимая звезда, они, разумеется, не знали. До Коперника было еще очень далеко.

Совпадение количества планет и металлов привело их к убеждению, что металлов и не может быть больше семи. Это отражено в занятном стихотворении народовольца Николая Морозова. Просидевший 25 лет в Петропавловской и Шлиссельбургской крепостях революционер не только призывал к оживлению мертвых и критиковал хронологию истории, став предшественником группы математика Фоменко, но и увлекался химией. Но все-таки революционер не сошел с ума, и этот стишок, надо надеяться, отражает не его точку зрения, а алхимиков:

 
Семь металлов создал свет,
По числу семи планет:
Дал нам Космос на добро,
Медь, железо, серебро,
Злато, олово, свинец…
Сын мой! Сера их отец!
И спеши, мой сын, узнать:
Всем им ртуть родная мать!
 

Ну и, наконец, алхимики не сомневались в возможности превращений, трансмутаций, причем считали, что в золото можно превратить не только свинец и ртуть, но и все остальные металлы, прибавив к ним “качество” серебра или золота.

К VIII веку центр алхимии переместился на арабский Восток. Джабир ибн Хайян, называемый в Европе попросту Гебером, придумал ртутно-серную теорию происхождения металлов, впрочем, не сильно отличающуюся от классической. Через пару веков другой алхимик добавил к ртути и сере еще и “твердость”, или философскую соль. Однако практичные арабы не слишком увлекались философией и значительно больше времени посвящали экспериментам. В результате именно им принадлежит честь изобретения большинства видов алхимической, да и просто химической, посуды – реторт, перегонных кубов, разного вида колб, водяных и песчаных бань. После завоевания Месопотамии и Багдада турками многие алхимики бежали в Европу, где передали свои знания европейским ученым. Самым заметным из них был Альберт Великий (XIII век), автор знаменитых “Правил”. В этом объемистом труде впервые описаны все операции, которые использовали алхимики. К ним относятся перегонка, возгонка (сейчас называемая сублимацией), осаждение или преципитация, фильтрование, кристаллизация и кальцинация, или попросту обжиг. Эти операции химики применяют и сейчас, несмотря на появление большого числа чисто физических методов исследования и анализа типа спектроскопии или ядерного магнитного резонанса.

Золотая наша железка

Как и в любом другом виде деятельности человека, в алхимии было много жуликов. Примерно в XVI веке “имя им стало легион”. Занимались эти махинаторы тем, что составляло смысл деятельности классического алхимика, а именно получали золото из неблагородных веществ. В принципе такая трансмутация возможна. Например, из ртути действительно можно получить золото, бомбардируя этот “первичный металл” потоком быстрых нейтронов, что и было сделано американцами в 1940 году. Правда, стоимость такого золота будет раз в сто больше котировок этого металла на Лондонской бирже. Но это не так и важно, поскольку ядерные реакции алхимикам по понятным причинам были неизвестны и недоступны. Соответственно алхимическим махинаторам приходилось изготавливать золото для своих коронованных покровителей из… золота. Точнее, из его соединений.

Простейшим вариантом обмана каких-нибудь Карла или Августа под соответствующими номерами было разложение амальгамы золота – твердого сплава золота со ртутью, по внешнему виду на золото совсем непохожего. А при большом содержании ртути амальгама к тому же может оставаться жидкой, тут уж совсем не уличишь ученого негодяя в обмане. При нагревании амальгамы, хоть твердой, хоть жидкой, ртуть отгоняется и в тигле появляется золото, столь необходимое коронованным особам для выдачи зарплаты своим ландскнехтам и для ублажения очередной любовницы. В различных музеях Европы хранится несколько десятков монет, отчеканенных из такого алхимического золота. Однако в большинстве случаев алхимических фальшивомонетчиков разоблачали и, как правило, казнили. Причем в Германии был даже изобретен особый ритуал казни алхимиков – их вешали на позолоченной виселице, одев в парчовый кафтан.

В XVI веке, во времена Реформации и ослабления католицизма, акции алхимиков сильно пошатнулись. В этой древней науке произошли существенные изменения. Кстати, алхимию не стоит считать какой-то чепухой и набором заблуждений вроде астрологии. Алхимия – настоящая наука, со своими методами исследований, специфическим языком, часто воспроизводимыми результатами и набором пусть невнятных, но теорий. Алхимия нисколько не противоречит химии, а лишь является ее предшественницей. Так вот, реформировал алхимию великий Теофраст Бомбаст фон Гогенгейм (1493–1541), публиковавший свои работы под псевдонимом Парацельс. Греческая приставка пара- означает “возле”, “около” или “отклонение”. Парапсихология – это отклонение от подлинной психологии, это лженаука. Парамагнетики отклоняются в сторону магнитного поля. Но Теофраст Бомбаст при выборе псевдонима использовал первое значение приставки, и поэтому Парацельс означает “около Цельса”, в смысле равный Цельсу. Сам же Авл Корнелий Цельс – это знаменитый древнеримский ученый и врач, составивший энциклопедию знаний начала нашей эры, в частности по терапии, хирургии, гигиене и патологии. Ясно, что Теофраст Бомбаст относился к себе без излишней скромности, что подтверждается текстами его хвастливых сочинений.

Однако именно Парацельсу алхимия обязана поворотом к более материалистическому пониманию веществ и природы и появлением иатрохимии[1]1
  Иатрохимия – направление в науке XVI–XVIII веков, представители которого стремились поставить химию на службу медицине. (Здесь и далее прим. ред.)


[Закрыть]. Парацельс считал, что нужно уже бросить искать философский камень – пора заняться составлением лекарственных препаратов. Парацельс, подтверждая необходимость введения Соли как третьего “принципа” в дополнение к Ртути и Сере, полагал, что любая болезнь есть нарушение равновесия этих “принципов” в организме человека. Для восстановления же равновесия в качестве лекарств он предложил использовать разнообразные вещества неорганического происхождения – соединения мышьяка, свинца, ртути вместе с традиционными растительными препаратами. Соединения этих металлов, как известно, ядовиты в больших концентрациях, но безвредны и даже полезны в малых, поэтому Парацельса можно считать первым гомеопатом, а его иатрохимию – предшественницей этого направления в медицине, пусть и необъяснимого с позиций современной науки, а может, и просто неверного. Но о гомеопатии немного позже.

Чтобы закончить с иатрохимией, а вместе с ней и с классической алхимией, упомянем самого выдающегося представителя иатрохимии Ван Гельмонта (1578–1644). Он первым ввел понятие об истинных простых частях сложных тел, отвергая аристотелевские стихии и алхимические принципы, хотя и не сумел выделить из сложных тел эти самые простые части. Простыми же он считал те вещества, которые можно получить при разложении сложных тел, и поэтому посчитал простым веществом воду, всегда появляющуюся при распаде растений и животных. Ван Гельмонта можно также считать автором количественного анализа, поскольку он первым не просто растворил серебро в “крепкой водке” – азотной кислоте, но и выделил его обратно путем разложения нитрата серебра, причем в строго том же количестве. На алхимическом языке приведенная ниже реакция описывается так: “Крепкая водка пожирает Луну и выделяет лисий хвост, жидкость на песчаной бане сгусти, и получишь адский камень”.

Ag + 2HNO₃ = AgNO₃ + NO₂ + H₂O

“Луна” – это, как уже было сказано, серебро, а “лисий хвост” – оксид азота NO2 рыжего цвета, “адский камень” – это нитрат серебра AgN03, или ляпис, которым прижигают порезы. При этом выделяется бактерицидное серебро в виде мельчайших частиц черного цвета. Серебро восстанавливает из ляписа любая органика, в том числе верхний слой кожи, но Ван Гельмонт получал серебро, “прокаливая адский камень в печи с появлением Луны”.

Однако Ван Гельмонт все-таки был алхимиком, а потому иногда проводил совершенно абсурдные опыты и выдвигал абсолютно фантастические теории. Именно ему принадлежит знаменитый способ изготовления живых организмов, а именно домашних мышей. Напомним, что способ несложен: нужно в корзину для грязного белья насыпать влажного зерна пшеницы и ждать 21 день. Мыши обязательно появятся. Кстати, если производить этот опыт не в городской квартире на пятом этаже, а, скажем, в деревне или на даче, то мыши действительно появятся!

Незадолго до смерти Ван Гельмонта в 1661 году англичанин Роберт Бойль опубликовал книгу “Скептический химик”, в которой назвал эксперимент главным способом изучения природы и предложил методику поиска истинно простых элементов, число которых считал много большим четырех, намекая на стихии Аристотеля. Этот год можно считать концом алхимии и рождением химии, хотя алхимики продолжали заниматься своими поисками философского камня еще длительное время. Более того, как это ни странно, алхимия дожила и до нашего времени! Современная физика атомного ядра фигурирует понятиями кварков, из которых состоят все элементарные частицы – то есть уже не считающиеся элементарными. Этих кварков насчитывается три “поколения”, и современные алхимики спрашивают, а не являются ли эти поколения Ртутью, Серой и Солью? Впрочем, все это не более чем “размышлизмы” – экспериментальной алхимии, разумеется, не существует. Единственно достойное внимания определение современной алхимии звучит следующим образом: “Обычный художник нарисует очень похожий портрет итальянской тетки, а если бы этим занялся алхимик, то вышла бы Джоконда”.

Гомеопатическое ничто

Очень тесно связана с алхимией, в частности с учением об иатрохимии, старинная медицинская практика гомеопатии, имеющая под собой некоторые теоретические обоснования. В 2010 году исполнилось ровно двести лет, как немецкий врач Самуэль Ганеман (1755–1843) выпустил книгу “Органон рационального врачевания”, в которой описал придуманное им новое направление в медицине – гомеопатию. Основной принцип гомеопатии – лечение подобного подобным – предложил еще знаменитый античный врач и ученый Гален. Тех же убеждений придерживался и средневековый корифей алхимии и лекарственного врачевания Парацельс, однако современную гомеопатию связывают прежде всего с именем Ганемана.

Этот сын художника, расписывавшего мейсенский фарфор, попробовал сначала лечить лихорадку (малярию) корой хинного дерева, которая и сама по себе вызывает появление симптомов лихорадки у здорового человека. Исходно он применял довольно большие дозы хины, и больной действительно выздоровел, однако аналогичное использование рвотного камня для лечения неукротимой рвоты и кое-какие другие подобные процедуры привели к обратному эффекту. Но Ганеман свято поверил в основной принцип – лечить подобное подобным – и не прекратил эксперименты, а начал просто уменьшать дозу лекарства, разбавляя его поначалу в сто, а потом и в тысячи, и в миллионы (!) раз.

Таким образом, в гомеопатии лечат болезнь лекарством, которое в больших количествах вызывает у здорового те же симптомы, что проявляются у больного. Например, у наевшегося по неосторожности травки белладонны повышается температура, появляется жар и покраснение. Значит, если у вас повышенная температура, жар и покраснение кожи – например, из-за простуды, – гомеопат назначит вам препарат белладонны в отчаянно большом, совершенно неядовитом разбавлении.

Этот препарат делается так. Берем 1 кубик (миллилитр) крепкого, концентрированного экстракта белладонны в спирте, добавляем 99 кубиков дистиллированной воды и довольно интенсивно встряхиваем раствор. Гомеопаты называют это “потенцированием” и считают важнейшей операцией при изготовлении лекарства. Из полученного раствора отбираем 1 кубик, снова к нему добавляем 99 кубиков дистиллированной воды, встряхиваем и так далее.

После первого разбавления (“разведения” на языке гомеопатов) мы уменьшили концентрацию белладонны в 100 раз, после второго – в 10 тысяч раз. Гомеопаты используют разведения под номерами 5–6, хотя не стесняются использовать и тридцатые, и сотенные разведения. При этом разведение № 6 означает, что исходный экстракт был разбавлен в триллион (!) раз. Тридцатое разведение означает, что экстракт разбавлен в 10⁶⁰ раз!

Именно разведение исходного лекарства в немыслимое количество раз вызывает неприятие гомеопатии врачами-аллопатами (от греческого “аллос” – “другой”), да и самыми обычными гражданами, сохранившими кое-какие воспоминания о школьном курсе химии. В этом курсе упоминается о числе Авогадро, показывающем, например, сколько молекул воды находится в небольшой рюмке с водой. Это число немного меньше 10²⁴, и для той же белладонны такое количество молекул (причем разных молекул, поскольку белладонна – это смесь веществ) будет содержаться как раз в стакане на 100 кубиков. Значит, если мы произведем двенадцатое разведение белладонны – это разбавление в 10²⁴ раз, – то в нашем стакане останется ровно 1 (одна) молекула какого-то вещества из белладонны. При дальнейших разведениях в стакане, разумеется, ни одной молекулы лекарства больше нет. Сотое разведение (в 10²⁰⁰ раз) – просто издевательство над здравым смыслом.

Так говорят аллопаты и не собираются дальше дискутировать на тему гомеопатии. А все успехи гомеопатии объясняют эффектом плацебо (от латинского placeo – быть довольным). Известно, что если вместо настоящего лекарства седовласый профессор в роговых очках и белоснежном халате подсовывает больному щепотку толченого мела, то в 30 % случаев больные выздоравливают. На самом деле они просто и не были больны, хоть и не симулировали. Такие болезни называют психосоматическими, то есть вызываемыми у себя самим больным. Наиболее яркий пример: средневековые фанатики ухитрялись усилием воли вызывать у себя появления стигматов – ран на руках и ногах, совпадающих с ранами на конечностях Иисуса Христа, распятого на кресте. Они не расцарапывали мышцы, нет, раны вызывались именно усилием воли!

Нельзя сказать, что гомеопаты ничего не понимают и не слышат аргументов аллопатов. И, понимая, что против числа Авогадро действительно не попрешь, они пытаются зайти с другого конца. Так, еще в XIX веке использовалось понятие “жизненная сила”, родственное витализму: при разведении и встряхивании гомеопат передает раствору некую мистическую энергию, действующую как исходное лекарство. Сейчас гомеопаты об этой теории не говорят, даже стесняются ее.

Самое современное объяснение – пресловутые “биоэнергоинформационные” свойства воды. В случае гомеопатии адепты теории говорят, что вода окружает молекулы препарата, “запоминает” его свойства и форму молекул, а после удаления этих молекул сама образовавшаяся дырка лечит, как исходный препарат. Давным-давно доказано, что ничего похожего не происходит, молекулы воды постоянно движутся, за мельчайшие доли секунды переходя с места на место. Пожалуй, самым приемлемым объяснением необъяснимого действия гомеопрепаратов является честное утверждение: да, мы пока не знаем, как работают эти калькарии, сульсии и арники. Однако двухвековой опыт гомеопатического лечения больных, в том числе и тех, с хворями которых не справились аллопаты, убеждает в эффективности метода. И с этим трудно не согласиться – все-таки уже (почти) точно известно, что эффект от лечения гомеопрепаратами выше, чем 30 % как при приеме плацебо. Выше, действительно выше. Есть и еще один очень забавный аргумент в пользу гомеопатии: при лечении гомеопрепаратами начисто отсутствуют побочные вредные эффекты. И действительно, как может быть вредной практически чистая вода?

Недавно появилась не подтвержденная пока экспериментально, вполне материалистическая теория, которая хоть как-то объясняет возможный лечебный эффект гомеопатических средств. Ее суть в том, что при многократном разбавлении и встряхивании в воде появляется растворенный диоксид кремния SiO₂ и какие-то другие вещества из самого стекла пробирки. Причем становится ясно, почему нельзя для разведения в миллион раз просто капнуть одну каплю лекарства в бочку с водой, а требуется разбавлять постепенно – для увеличения времени контакта жидкости со стенками пробирки. И встряхивание требуется именно для этого. Расчеты показывают, что в стакане раствора лекарства, не содержащего ни единой молекулы действующего вещества, может содержаться до 2 миллиграммов диоксида кремния. Это раствор с концентрацией вещества, описываемой модным сейчас словечком “нано”. А лечебный эффект препаратов кремния – причем аллопатических препаратов! – при некоторых заболеваниях давно известен. Не исключено, что нанотехнологи когда-нибудь подтвердят эту теорию.

Кстати, одним из самых серьезных критиков гомеопатии был Дмитрий Иванович Менделеев, создатель великой Таблицы химических элементов, которая во многом определила развитие не только химии, но и всего естествознания нашего времени.