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 RNCO и сульфата аммония (NH₄) ₂SO₄. 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:

С_xH_yO_z (органические вещества дерева) + O₂ > CO₂ + H₂O

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