Страница:
Илья Абрамович Леенсон
Удивительная химия
Предисловие
Во второй половине XIX века многие ученые, особенно физики, всерьез полагали, будто все основные открытия в науке уже сделаны, и жалели своих преемников, ученых XX века, на долю которых останутся только кое-какие уточнения. В связи с этим вспоминается история, случившаяся с выдающимся немецким физиком, лауреатом Нобелевской премии Максом Планком (1858–1947); именно он «изобрел» в 1900 году кванты, которые породили массу новых «квантовых» наук, в том числе и квантовую химию. Когда молодой Планк пришел к семидесятилетнему профессору Мюнхенского университета Филиппу Жолли (1809–1884), известному своим изобретением воздушного термометра, и сказал, что хотел бы посвятить себя теоретической физике, то услышал неожиданную отповедь: «Молодой человек! Зачем вы хотите испортить себе жизнь? Ведь здание теоретической физики уже в основном завершено. Стоит ли браться за такое бесперспективное дело?»
Совершенно иначе смотрят на эту проблему современные ученые. Вот что написано в предисловии к одной из книг по химии: «Далекие от науки люди часто полагают, что раз уж существует какая-либо солидная наука, то уж, конечно, зиждется она на прочном и основательном фундаменте; дело нынешнего поколения – постройка очередного этажа, поскольку все остальное здание уже построено. Однако ни один исследователь так не думает. Более того, именно в фундаменте науки часто обнаруживаются серьезные недоделки, возникает необходимость существенной перестройки основных, опорных представлений. Исследования, направленные на совершенствование этих представлений, и называют фундаментальными – не за объем, а именно за направленность».
Автор другой книги по химии, хотя и смотрит на ту же проблему несколько иначе, фактически говорит о том же: «Вот человек трудится всю жизнь. Творение вырастает во всей красе. Проходят годы. Увенчанный лаврами строитель, может быть, еще жив. Но сооружение уже кажется уродливым и никчемным. Приходят другие люди с отбойными молотками. Монолит теории превращается в гранитную крошку, и пыль застилает все вокруг. На освободившемся месте возводится нечто воздушное из стекла и металла. Может быть, и это чудо техники обречено на слом. Кто знает? Но оно прекрасно и необходимо – сейчас… И фасад, и внутренняя планировка “здания науки” непрерывно меняются. И как надежда на совершенство, незыблемо стоят фундаментальные теории – творения великих мастеров».
К таким фундаментальным теориям, без сомнения, можно отнести периодический закон, открытый Д. И. Менделеевым (1834–1907) в 1869 году. Об этом законе его автор писал в конце своей жизни: «По-видимому, периодическому закону будущее не грозит разрушением, а только надстройка и развитие обещается». Так оно и случилось.
Как видим, многие ученые представляют себе науку как строящееся здание, и это очень образное представление – ведь все видели, как строится дом. Однако современную науку, в том числе и химию, можно представить не только как бесконечно строящееся здание, но и в виде красочной мозаики, над которой в разных местах трудится множество мастеров. Одни начищают «свое» небольшое стеклышко до блеска и занимаются этим всю жизнь; иногда над одним стеклышком трудится несколько человек одновременно (при этом они вполне могут быть незнакомы друг с другом и даже говорить на разных языках). Другие заменяют старые, покрытые пылью и потускневшие детали на новенькие, только что изготовленные в их лабораториях, или же встраивают их на «пустые места». Третьи скептически оглядывают всю картину и пытаются давать рекомендации другим, что и как необходимо делать. Четвертые… В общем, жизнь в мастерской бьет ключом и каждый может найти себе в химии дело по душе.
В этой книжке вы познакомитесь лишь с некоторыми «стеклышками» из огромной «химической мозаики». Одни из них появились сравнительно недавно, при жизни нынешнего поколения. Другим – много веков. Это – те самые фундаментальные химические понятия, которым время не грозит уничтожением. Даже если вы еще не начали изучать химию в школе, вы поймете все, о чем написано в этой книжке (ну, может быть, почти все). В ней даже нет химических формул, которые обычно пугают новичков. Если же вы в химии не новичок и любите эту науку, то тоже найдете здесь для себя много нового и интересного. А если у вас есть к тому же склонность к экспериментированию, желание все проверить, что называется, собственными руками, то эта книжка поможет вам провести некоторые не очень сложные эксперименты. Ведь недаром говорят, что лучше один раз увидеть, чем сто раз услышать. Особенно это относится к химии. Химия – наука прежде всего экспериментальная (по крайней мере такой она была последние 300 лет). И в химии особенно важно проделать своими руками хотя бы некоторые наиболее простые эксперименты, увидеть их результаты и постараться понять, почему наблюдается именно это явление, а не какое-либо другое. Понять же различные химические явления школьнику XXI века намного легче, чем его сверстнику из далекого прошлого, так как при изучении того или иного явления он может опираться на факты и теории, установленные и разработанные многими поколениями ученых. В память о них английский химик Джозеф Уильям Меллор (1865–1938), закончив в 1937 году, после пятнадцатилетней титанической работы, шестнадцатитомную энциклопедию по неорганической химии, написал с признательностью на титульном листе своего труда: «Посвящается рядовым огромной армии химиков. Их имена забыты, их работы остались…»
Но начнем мы эту книжку с несколько неожиданного вопроса.
Совершенно иначе смотрят на эту проблему современные ученые. Вот что написано в предисловии к одной из книг по химии: «Далекие от науки люди часто полагают, что раз уж существует какая-либо солидная наука, то уж, конечно, зиждется она на прочном и основательном фундаменте; дело нынешнего поколения – постройка очередного этажа, поскольку все остальное здание уже построено. Однако ни один исследователь так не думает. Более того, именно в фундаменте науки часто обнаруживаются серьезные недоделки, возникает необходимость существенной перестройки основных, опорных представлений. Исследования, направленные на совершенствование этих представлений, и называют фундаментальными – не за объем, а именно за направленность».
Автор другой книги по химии, хотя и смотрит на ту же проблему несколько иначе, фактически говорит о том же: «Вот человек трудится всю жизнь. Творение вырастает во всей красе. Проходят годы. Увенчанный лаврами строитель, может быть, еще жив. Но сооружение уже кажется уродливым и никчемным. Приходят другие люди с отбойными молотками. Монолит теории превращается в гранитную крошку, и пыль застилает все вокруг. На освободившемся месте возводится нечто воздушное из стекла и металла. Может быть, и это чудо техники обречено на слом. Кто знает? Но оно прекрасно и необходимо – сейчас… И фасад, и внутренняя планировка “здания науки” непрерывно меняются. И как надежда на совершенство, незыблемо стоят фундаментальные теории – творения великих мастеров».
К таким фундаментальным теориям, без сомнения, можно отнести периодический закон, открытый Д. И. Менделеевым (1834–1907) в 1869 году. Об этом законе его автор писал в конце своей жизни: «По-видимому, периодическому закону будущее не грозит разрушением, а только надстройка и развитие обещается». Так оно и случилось.
Как видим, многие ученые представляют себе науку как строящееся здание, и это очень образное представление – ведь все видели, как строится дом. Однако современную науку, в том числе и химию, можно представить не только как бесконечно строящееся здание, но и в виде красочной мозаики, над которой в разных местах трудится множество мастеров. Одни начищают «свое» небольшое стеклышко до блеска и занимаются этим всю жизнь; иногда над одним стеклышком трудится несколько человек одновременно (при этом они вполне могут быть незнакомы друг с другом и даже говорить на разных языках). Другие заменяют старые, покрытые пылью и потускневшие детали на новенькие, только что изготовленные в их лабораториях, или же встраивают их на «пустые места». Третьи скептически оглядывают всю картину и пытаются давать рекомендации другим, что и как необходимо делать. Четвертые… В общем, жизнь в мастерской бьет ключом и каждый может найти себе в химии дело по душе.
В этой книжке вы познакомитесь лишь с некоторыми «стеклышками» из огромной «химической мозаики». Одни из них появились сравнительно недавно, при жизни нынешнего поколения. Другим – много веков. Это – те самые фундаментальные химические понятия, которым время не грозит уничтожением. Даже если вы еще не начали изучать химию в школе, вы поймете все, о чем написано в этой книжке (ну, может быть, почти все). В ней даже нет химических формул, которые обычно пугают новичков. Если же вы в химии не новичок и любите эту науку, то тоже найдете здесь для себя много нового и интересного. А если у вас есть к тому же склонность к экспериментированию, желание все проверить, что называется, собственными руками, то эта книжка поможет вам провести некоторые не очень сложные эксперименты. Ведь недаром говорят, что лучше один раз увидеть, чем сто раз услышать. Особенно это относится к химии. Химия – наука прежде всего экспериментальная (по крайней мере такой она была последние 300 лет). И в химии особенно важно проделать своими руками хотя бы некоторые наиболее простые эксперименты, увидеть их результаты и постараться понять, почему наблюдается именно это явление, а не какое-либо другое. Понять же различные химические явления школьнику XXI века намного легче, чем его сверстнику из далекого прошлого, так как при изучении того или иного явления он может опираться на факты и теории, установленные и разработанные многими поколениями ученых. В память о них английский химик Джозеф Уильям Меллор (1865–1938), закончив в 1937 году, после пятнадцатилетней титанической работы, шестнадцатитомную энциклопедию по неорганической химии, написал с признательностью на титульном листе своего труда: «Посвящается рядовым огромной армии химиков. Их имена забыты, их работы остались…»
Но начнем мы эту книжку с несколько неожиданного вопроса.
ИЗ ЧЕГО ВСЕ СОСТОИТ?
На этот с виду простой вопрос люди разных профессий ответят по-разному Про стол и стул многие скажут, что они сделаны из дерева (а может быть, пластмассы; бывают и металлические стулья, неспециалисты скажут про них – «железные»). Бутылка или стакан сделаны из стекла; дешевая ложка или кастрюля – из алюминия, ложка получше – из нержавеющей стали, а ложка из богатого старинного дома – из серебра; гвоздь или иголка – из железа. Из железа сделан и автомобиль (но, конечно, кроме железа, в нем есть и стекло, и пластмасса, и много разных других материалов). Все это совершенно правильно. Хотя химик может и уточнить, сказав, что стул сделан из древесины, которая состоит в основном из целлюлозы. О стуле из пластмассы он может сказать – из какой именно пластмассы. Такое же уточнение он может сделать и в отношении пластмассовой бутылки. Например, увидев в нижней ее части выдавленную латинскими буквами надпись РЕТ, он сразу поймет, что это – сокращенное международное обозначение пластмассы (полиэтилентерефталата).
Но даже специалисту не всегда легко так же просто сказать, из чего состоят, например, волосы или кожа человека, какое-нибудь лекарство или мазь в тюбике. Он может лишь сказать, что это сложная смесь – композит.
А теперь вопрос потруднее: из чего состоит дерево, стекло, пластмасса, алюминий, железо, а также множество других металлов, их сплавов и неметаллов? Мало кто из людей задумывался раньше над такими «ненужными» вопросами. Атак ли они не нужны? Ведь если знать, «из чего сделаны» разные металлы, то, может быть, удастся превратить свинец в золото? И не так уж важно, что свинец темный, тусклый, легко плавится, а если его нагреть посильнее, он и вовсе превратится в «окалину» желтого цвета – в свинцовый глет или в красный свинцовый сурик (эти вещества издавна использовали для приготовления глазурей и красок). А вот золото – желтое, блестящее, расплавить его намного труднее, оно никогда не «портится», не превращается при нагревании в окалину, не растворяется в кислотах. Недаром алхимики (так называли средневековых химиков) считали золото «царем металлов». Они были потрясены, когда обнаружили «адскую смесь» из соляной и азотной кислот, которая оказалась способна растворить само золото! Эту смесь так и назвали – царская водка (рис. 1.1).
Рис. 1.1. Рисунок из алхимического трактата: лев, символизирующий царскую водку, пожирает солнце – символ золота
А главное – золото всегда было мерилом ценностей, обладание золотом означало обладание всем остальным. На небольшой кусочек золота, который даже ребенок спрячет в кулачке, можно было купить раба или целый воз хлеба. Свинец же был сравнительно дешев; его использовали даже для починки водопроводных труб, а иногда из свинца делали и сами трубы. Недаром по-английски водопроводчик – plumber (от латинского plumbum — свинец). Почему же золото надо «делать» именно из свинца?
Ну, это древним было понятно: ведь свинец, как и золото, – тяжелый металл. (На самом деле свинец заметно легче: если кубик золота размером 1 дм3 весит 19,3 кг, то такой же кубик свинца – «всего лишь» 11,3 кг; правда, дошкольник, пожалуй, не поднимет ни тот ни другой.)
Согласно иной «теории», золото надо было делать из ртути, которая тяжелее свинца: литр этой жидкости весит 13,6 кг.
Так что полное ведро со ртутью обычному человеку даже от пола не оторвать!
Однако несмотря на многовековые старания тысяч алхимиков (рис. 1.2), никому из них не удалось превратить свинец не то что в золото, но даже в очень похожее на свинец олово. И постепенно становилось все более очевидным, что превратить один металл в другой вообще невозможно. А почему?
Рис. 1.2. Лаборатория алхимика. Старинный рисунок
Чтобы превратить одно вещество в другое, например газ этилен в полимер, из которого делают полиэтиленовые пакеты и другие изделия, прежде всего надо знать, что общего у этих веществ, как они устроены. А потом уже думать о том, как их можно «перестроить». В такой перестройке и заключается сущность химических превращений. Тысячи и тысячи проведенных опытов убедили ученых в том, что превращения одних веществ в другие происходят не только в природе – их можно провести искусственно. Более того, можно получить искусственным путем такие вещества, которых в природе никогда не существовало. И таких веществ сейчас известно более 25 миллионов! Посмотрите на тот же прозрачный легкий пакет, который иногда неправильно называют «целлофановым», – он сделан на химическом заводе из замечательного водонепроницаемого вещества – полиэтилена; еще не так давно полиэтилен стоил дорого, и хозяйки, которые сейчас просто выбрасывают грязные пакеты, когда-то их стирали, а потом сушили на веревке, как белье. Люди старшего поколения помнят, как у станций метро стояли будки, где мастера, чьи руки были сплошь перепачканы пастой разных цветов, заправляли использованные стержни для шариковых ручек! Сегодня в это просто трудно поверить.
Но не все превращения оказались возможными. Например, никто не смог из угля сделать серу. Еще в XVIII веке ученые убедились в том, что существуют химические элементы – самые простые вещества, которые друг в друга не превращаются. А в XX веке, когда стало понятно, как устроены атомы, это убеждение получило теоретическое объяснение. Но прежде должно было возникнуть и оформиться само понятие химического элемента.
Но даже специалисту не всегда легко так же просто сказать, из чего состоят, например, волосы или кожа человека, какое-нибудь лекарство или мазь в тюбике. Он может лишь сказать, что это сложная смесь – композит.
А теперь вопрос потруднее: из чего состоит дерево, стекло, пластмасса, алюминий, железо, а также множество других металлов, их сплавов и неметаллов? Мало кто из людей задумывался раньше над такими «ненужными» вопросами. Атак ли они не нужны? Ведь если знать, «из чего сделаны» разные металлы, то, может быть, удастся превратить свинец в золото? И не так уж важно, что свинец темный, тусклый, легко плавится, а если его нагреть посильнее, он и вовсе превратится в «окалину» желтого цвета – в свинцовый глет или в красный свинцовый сурик (эти вещества издавна использовали для приготовления глазурей и красок). А вот золото – желтое, блестящее, расплавить его намного труднее, оно никогда не «портится», не превращается при нагревании в окалину, не растворяется в кислотах. Недаром алхимики (так называли средневековых химиков) считали золото «царем металлов». Они были потрясены, когда обнаружили «адскую смесь» из соляной и азотной кислот, которая оказалась способна растворить само золото! Эту смесь так и назвали – царская водка (рис. 1.1).
Рис. 1.1. Рисунок из алхимического трактата: лев, символизирующий царскую водку, пожирает солнце – символ золота
А главное – золото всегда было мерилом ценностей, обладание золотом означало обладание всем остальным. На небольшой кусочек золота, который даже ребенок спрячет в кулачке, можно было купить раба или целый воз хлеба. Свинец же был сравнительно дешев; его использовали даже для починки водопроводных труб, а иногда из свинца делали и сами трубы. Недаром по-английски водопроводчик – plumber (от латинского plumbum — свинец). Почему же золото надо «делать» именно из свинца?
Ну, это древним было понятно: ведь свинец, как и золото, – тяжелый металл. (На самом деле свинец заметно легче: если кубик золота размером 1 дм3 весит 19,3 кг, то такой же кубик свинца – «всего лишь» 11,3 кг; правда, дошкольник, пожалуй, не поднимет ни тот ни другой.)
Согласно иной «теории», золото надо было делать из ртути, которая тяжелее свинца: литр этой жидкости весит 13,6 кг.
Так что полное ведро со ртутью обычному человеку даже от пола не оторвать!
Однако несмотря на многовековые старания тысяч алхимиков (рис. 1.2), никому из них не удалось превратить свинец не то что в золото, но даже в очень похожее на свинец олово. И постепенно становилось все более очевидным, что превратить один металл в другой вообще невозможно. А почему?
Рис. 1.2. Лаборатория алхимика. Старинный рисунок
Чтобы превратить одно вещество в другое, например газ этилен в полимер, из которого делают полиэтиленовые пакеты и другие изделия, прежде всего надо знать, что общего у этих веществ, как они устроены. А потом уже думать о том, как их можно «перестроить». В такой перестройке и заключается сущность химических превращений. Тысячи и тысячи проведенных опытов убедили ученых в том, что превращения одних веществ в другие происходят не только в природе – их можно провести искусственно. Более того, можно получить искусственным путем такие вещества, которых в природе никогда не существовало. И таких веществ сейчас известно более 25 миллионов! Посмотрите на тот же прозрачный легкий пакет, который иногда неправильно называют «целлофановым», – он сделан на химическом заводе из замечательного водонепроницаемого вещества – полиэтилена; еще не так давно полиэтилен стоил дорого, и хозяйки, которые сейчас просто выбрасывают грязные пакеты, когда-то их стирали, а потом сушили на веревке, как белье. Люди старшего поколения помнят, как у станций метро стояли будки, где мастера, чьи руки были сплошь перепачканы пастой разных цветов, заправляли использованные стержни для шариковых ручек! Сегодня в это просто трудно поверить.
Но не все превращения оказались возможными. Например, никто не смог из угля сделать серу. Еще в XVIII веке ученые убедились в том, что существуют химические элементы – самые простые вещества, которые друг в друга не превращаются. А в XX веке, когда стало понятно, как устроены атомы, это убеждение получило теоретическое объяснение. Но прежде должно было возникнуть и оформиться само понятие химического элемента.
Первые теории строения мира
Первые теории о том, как устроены вещества, почему они такие разные и как могут превращаться друг в друга, появились более 2500 лет тому назад. В то время над этими вопросами размышляли философы; в переводе с греческого слово «философ» означает «любитель мудрости». Никаких опытов они не проводили, практическое применение знаний многих из них тоже мало интересовало. Главное для них было – как все происходит, и почему так, а не иначе. То есть они занимались тем же, чем занимаются современные физики и химики-теоретики. При этом древние философы считали, что до всего человек может дойти собственным умом, путем строгих логических рассуждений. И на этом пути они достигли удивительных, выдающихся результатов!
С древних времен одним из главных вопросов, занимающих философов, был вопрос: из чего все состоит? Первым на него попытался ответить греческий философ Фале́с (640–550 до н. э.). Он полагал, что, поскольку одни вещества могут превращаться в другие, все они «сделаны» из одного и того же «первичного вещества» и являются только его разновидностями. Таким веществом Фалес считал воду, причем, конечно, не воду в реке, а воду как некую идеальную субстанцию, которая является «прародительницей» всего остального. Действительно, всякий знает, что чистая вода не имеет ни формы, ни цвета, ни запаха. Более того, она легко переходит из одного состояния в другое – замерзает в лед или превращается в пар. Много тысячелетий назад среди вечных снегов в Альпах, на территории современной Швейцарии, нашли очень красивые, совершенно бесцветные кристаллы, весьма напоминающие чистый лед. Древние натуралисты так их и назвали – «кристаллос»; это слово происходит от греческого «криос» – «лед». Полагали, что лед, образующийся в горах, на сильном морозе, становится твердым как камень и теряет способность таять при нагревании. Один из самых авторитетных античных философов Аристотель (384–322 до н. э.) писал, что «кристаллос рождается из воды, когда она полностью утрачивает теплоту». Римский поэт Клавдиан в 390 году уже новой эры то же самое описал красивыми стихами:
Если вода может застыть в красивый твердый минерал, а также превратиться в пар, то почему она не может превратиться и во все остальное? Идея о воде как «первичном элементе» помогала объяснять единство вечно существующей материи: «Ничто не возникает из ничего, и ничто не исчезает, – писал греческий философ Анаксагор (ок. 500–428 до н. э.), – происходит только перераспределение тех вещей, которые существовали прежде». Это была очень глубокая и, по существу, правильная идея.
Конечно, древние не знали, да и не могли знать, что же представляют собой эти первоначала. Не все соглашались с Фалесом. Были философы, считавшие, что первооснова всех вещей – воздух, который, сгущаясь, превращается в воду и землю, а из них возникает все остальное. Другие полагали, что первоэлементом является огонь – ведь он так переменчив, так непостоянен. Но почему должно быть только одно «первоначало», только один первичный элемент, из которого все и построено? Почему все «детали мирового конструктора» должны быть одинаковыми? Скорее всего, их больше – но сколько?
Сейчас известно, что в природе существует около 90 различных «первоначал» – атомов. Но если бы об этом сказали грекам, они бы, скорее всего, возмутились: «Зачем в “конструкторе” так много лишних деталей! Достаточно всего нескольких!» Между тем мир очень сложен, он заключает в себе огромное множество различных веществ. Можно ли свести сложное к простому? Можно ли, исходя из нескольких «первоначал», построить все разнообразие веществ со всеми их свойствами? Это был ключевой вопрос науки. Сейчас ребенок, у кого есть хороший конструктор, скажет: «Да, можно – если в конструкторе есть детали нескольких сортов и этих деталей очень много, то из них можно построить все, что угодно!»
Многие философы, и среди них Эмпедокл (ок. 400 – ок. 430 дон. э.) и Аристотель, считали, что «первичных начал» всего четыре – это «земля», «вода», «воздух» и «огонь». Эти слова взяты в кавычки, потому что «вода» у Аристотеля – это не знакомая всем жидкость, а, как у Фалеса, лишь носитель определенных качеств: влажности и холода. Чем больше в каком-нибудь теле «воды», тем оно холоднее и более влажное. Соединение элементов с противоположными свойствами невозможно: теплота не может соединиться с холодом, а влага с сухостью. По Аристотелю, свойства элементов комбинируются попарно (рис. 1.3): вода влажная и холодная, огонь сухой и горячий, воздух теплый и влажный, земля холодная и сухая.
Рис. 1.3. Элементы Аристотеля в сочетании с разными «качествами»
К этим четырем «земным элементам» Аристотель присоединил нематериальный, «эфирный» элемент, который проникает во все вещи – quinta essentia, т. е. «пятая сущность»; вот откуда возник термин «квинтэссенция», который означает самое главное, важное, наиболее существенное.
Можно ли из четырех «первичных начал» и «эфира» построить все остальные тела? Аристотель и его последователи считали, что можно, если четыре «первичных начала» с помощью «пятой сущности» способны превращаться друг в друга. Так, вода может превращаться в воздух и землю, потому что их общим свойством является влажность. Таким образом появилась «химическая теория», показывающая, как одни вещества могут превращаться в другие.
Великий греческий философ Платон (ок. 428 – ок. 348 до н. э.) сделал очень интересную вещь: он уподобил каждое «первоначало» правильному выпуклому многограннику. Таких многогранников существует всего пять, и их часто называют «Платоновыми телами» (рис. 1.4). Напомним, что правильным называется выпуклый многогранник, построенный из одинаковых правильных многоугольников. Например, из четырех равносторонних треугольников можно сделать тетраэдр – многогранник с четырьмя вершинами, четырьмя гранями и шестью ребрами, т. е. фигуру в форме пакета, в котором когда-то продавали молоко. Кстати, «тетра» по-гречески означает «четыре», а «эдра» – «поверхность, сторона». Из шести квадратов легко получается второе платоново тело – куб. Из восьми равносторонних треугольников состоит октаэдр, в переводе с греческого – «восьмигранник» (представьте себе две египетские пирамиды, сложенные вместе своими основаниями, – это и будет октаэдр). Из двенадцати правильных пятиугольников получается двенадцатигранник – додекаэдр. Икосаэдр («эйкос» по-гречески «двадцать») состоит из двадцати равносторонних треугольников. Других правильных многогранников не существует. Попробуйте склеить все эти фигурки из бумаги. Кстати, это не просто забава. Именно такой «детской игрой» занимались ученые, открывшие новый тип молекул, построенных из атомов углерода; они назвали их фуллеренами – по имени современного архитектора Роберта Бакминстера Фуллера, который строил купола из многогранников. За это открытие они в 1996 году получили высшую научную награду – Нобелевскую премию по химии. Самая симметричная и красивая молекула – бакминстерфуллерен – имеет 60 вершин и состоит из 20 шестиугольников и 12 пятиугольников. Конечно, эта фигура не является правильной (ведь в ней есть и пяти-, и шестиугольники), зато она выглядит точно так же, как современный футбольный мяч!
Рис. 1.4. Пять правильных многогранников – платоновых тел: 1 – тетраэдр; 2 – октаэдр; 3 – икосаэдр; 4 – куб; 5 – додекаэдр
Самое интересное, что Платон, пораженный совпадением количества правильных многогранников с числом «сущностей» природы, посчитал это равенство отнюдь не случайным. И он пришел к заключению, что огонь построен из «колючих» тетраэдров, воздух – из более «округлых» октаэдров, вода – из еще более «круглых» икосаэдров, а земля – из кубов, которые могут плотно прилегать друг к другу. Оставался еще додекаэдр, и Платон решил, что такую красивую и совершенную форму имеет весь мир – Вселенная!
Далеко не все философы соглашались с таким представлением об устройстве мира. Так, Демокрит (ок. 460 – ок. 370 до н. э.) считал, что все тела состоят из множества мельчайших частичек, названных им атомами (в переводе – «неделимые»). Логично было предположить, что существуют различные «сорта» атомов с разными размерами и формой. Они могут сцепляться друг с другом, например, с помощью крючочков или как-нибудь иначе. Скомбинировав атомы разными способами, как детали в конструкторе, можно получать разные вещества, а также превращать одни вещества в другие. Считали, например, что золото и серебро «растут» под землей, когда атомы группируются в нужном порядке. Поэтому не удивительными кажутся попытки, предпринимавшиеся в течение многих веков, превратить неблагородные металлы в благородные.
Учение о том, что все вещества состоят из мельчайших частиц, получило название атомистической теории. Эта теория – одно из наиболее важных, фундаментальных понятий в науке. Догадки древних, основанные лишь на размышлении, в принципе не так уж далеки от современных представлений: существует ограниченное число различных типов атомов (т. е. элементов), которые могут по-разному соединяться друг с другом, давая огромное разнообразие веществ с разными свойствами. А процесс перестройки взаимного расположения атомов составляет сущность химической реакции. Атомистическая теория была величайшим достижением человеческого разума. Очень образно о ней сказал лауреат Нобелевской премии по физике Ричард Фейнман (1918–1988): «Если бы в результате какой-то мировой катастрофы все накопленные научные знания оказались бы уничтоженными и к грядущим поколениям живых существ перешла бы только одна фраза, то какое утверждение, составленное из наименьшего количества слов, принесло бы наибольшую информацию? Я считаю, что это – атомная гипотеза (можно называть ее не гипотезой, а фактом, но это ничего не меняет): все тела состоят из атомов – маленьких телец, которые находятся в беспрерывном движении, притягиваются на небольшом расстоянии, но отталкиваются, если одно из них плотнее прижать к другому. В одной этой фразе… содержится невероятное количество информации о мире, стоит лишь приложить к ней немного воображения и чуть соображения».
Никаких реальных «доказательств» существования атомов у древних, конечно, не было и быть не могло – только рассуждения. Например такие: что будет, если, допустим, яблоко разрезать пополам? Сейчас ответ очевиден даже малому ребенку: получатся две половины яблока. А если каждую половину снова разрезать пополам? Получатся четвертинки. Потом – восьмушки, потом – шестнадцатые доли… Через некоторое время, скажете вы, придется взять увеличительное стекло и лезвие бритвы, потом – микроскоп и специальные инструменты. А потом?
Те из вас, кто учился музыке, возможно, вспомнят основу музыкальной грамоты: целая по длительности нота делится на половинки, последние – на четверти, потом идут восьмые доли, шестнадцатые, тридцать вторые, очень редко – шестьдесят четвертые… Меньшими долями композиторы обычно не пользуются, так как их уже трудно «втиснуть» в нужный отрезок времени. О связи музыки и химии мы еще поговорим, а пока подумаем над таким вопросом: можно ли (хотя бы теоретически) создавать все более и более короткие звуки? И есть ли у этого процесса предел? Вопрос этот на самом деле очень непрост, и ответ на него также не очевиден, как и в случае с яблоком: возможно ли до бесконечности делить его на все более и более мелкие части, или когда-то наступит предел? Древнегреческий философ Левкипп (ок. 500–440 до н. э.) был, возможно, первым человеком на Земле, который две с половиной тысячи лет назад понял (рассуждая чисто логически), что процесс «разрезания яблока» должен рано или поздно прекратиться. Это произойдет тогда, когда мы дойдем до мельчайших частичек, из которых состоят не только яблоки, но и все остальные тела. Эти частички ученик Левкиппа – Демокрит назвал атомами. Демокрит считал, что существуют различные «сорта» атомов с разными размерами и формой. Именно этим объясняются различия в свойствах разных тел.
Атомистический взгляд на мир очень образно и поэтично изложил древнеримский поэт и философ Тит Лукреций Кар (ок. 99–55 до н. э.), которого обычно называют просто Лукрецием. В своей поэме «О природе вещей» он ни разу не употребил слова «атом», хотя и был знаком с этим понятием. Вместо него он использовал более десятка синонимов: «начала», «первоначала», «семена вещей» и др. Некоторые из них («корпускула», «элемент») позднее стали научными терминами. Атомистическое учение Лукреция во многом совпадает с современными представлениями. И если бы последние два тысячелетия его поэму изучали во всех существовавших тогда учебных заведениях, история человечества могла пойти по совершенно иному пути.
Теперь самое время ознакомиться с некоторыми строчками замечательной поэмы Лукреция.
Прежде всего Лукреций предупреждает читателя, что «начала» так малы, что увидеть их нет никакой возможности. Однако размышления над природными процессами убеждают нас в том, что они все же существуют, а не являются плодом фантазии. Вот, почитайте выдержки из его поэмы в переводе Ф. А. Петровского:
С древних времен одним из главных вопросов, занимающих философов, был вопрос: из чего все состоит? Первым на него попытался ответить греческий философ Фале́с (640–550 до н. э.). Он полагал, что, поскольку одни вещества могут превращаться в другие, все они «сделаны» из одного и того же «первичного вещества» и являются только его разновидностями. Таким веществом Фалес считал воду, причем, конечно, не воду в реке, а воду как некую идеальную субстанцию, которая является «прародительницей» всего остального. Действительно, всякий знает, что чистая вода не имеет ни формы, ни цвета, ни запаха. Более того, она легко переходит из одного состояния в другое – замерзает в лед или превращается в пар. Много тысячелетий назад среди вечных снегов в Альпах, на территории современной Швейцарии, нашли очень красивые, совершенно бесцветные кристаллы, весьма напоминающие чистый лед. Древние натуралисты так их и назвали – «кристаллос»; это слово происходит от греческого «криос» – «лед». Полагали, что лед, образующийся в горах, на сильном морозе, становится твердым как камень и теряет способность таять при нагревании. Один из самых авторитетных античных философов Аристотель (384–322 до н. э.) писал, что «кристаллос рождается из воды, когда она полностью утрачивает теплоту». Римский поэт Клавдиан в 390 году уже новой эры то же самое описал красивыми стихами:
Любопытно, что такой же ход рассуждений был и у мудрецов древнего Китая и Японии – лед и горный хрусталь обозначали там одним и тем же словом. Интересно, как в разных странах и в разное время людям приходят в голову одни и те же идеи! Со временем, конечно, стало ясно, что горный хрусталь и лед – различные вещества. Однако оба термина сохранились: «кристалл» – в физике, химии, минералогии, «хрусталь» – в стекольном деле, где хрусталем называют особое стекло, например, с добавками соединений свинца.
Ярой альпийской зимой лед превращается в камень.
Солнце не в силах затем камень такой растопить.
(Пер. М. Ильинского)
Если вода может застыть в красивый твердый минерал, а также превратиться в пар, то почему она не может превратиться и во все остальное? Идея о воде как «первичном элементе» помогала объяснять единство вечно существующей материи: «Ничто не возникает из ничего, и ничто не исчезает, – писал греческий философ Анаксагор (ок. 500–428 до н. э.), – происходит только перераспределение тех вещей, которые существовали прежде». Это была очень глубокая и, по существу, правильная идея.
Конечно, древние не знали, да и не могли знать, что же представляют собой эти первоначала. Не все соглашались с Фалесом. Были философы, считавшие, что первооснова всех вещей – воздух, который, сгущаясь, превращается в воду и землю, а из них возникает все остальное. Другие полагали, что первоэлементом является огонь – ведь он так переменчив, так непостоянен. Но почему должно быть только одно «первоначало», только один первичный элемент, из которого все и построено? Почему все «детали мирового конструктора» должны быть одинаковыми? Скорее всего, их больше – но сколько?
Сейчас известно, что в природе существует около 90 различных «первоначал» – атомов. Но если бы об этом сказали грекам, они бы, скорее всего, возмутились: «Зачем в “конструкторе” так много лишних деталей! Достаточно всего нескольких!» Между тем мир очень сложен, он заключает в себе огромное множество различных веществ. Можно ли свести сложное к простому? Можно ли, исходя из нескольких «первоначал», построить все разнообразие веществ со всеми их свойствами? Это был ключевой вопрос науки. Сейчас ребенок, у кого есть хороший конструктор, скажет: «Да, можно – если в конструкторе есть детали нескольких сортов и этих деталей очень много, то из них можно построить все, что угодно!»
Многие философы, и среди них Эмпедокл (ок. 400 – ок. 430 дон. э.) и Аристотель, считали, что «первичных начал» всего четыре – это «земля», «вода», «воздух» и «огонь». Эти слова взяты в кавычки, потому что «вода» у Аристотеля – это не знакомая всем жидкость, а, как у Фалеса, лишь носитель определенных качеств: влажности и холода. Чем больше в каком-нибудь теле «воды», тем оно холоднее и более влажное. Соединение элементов с противоположными свойствами невозможно: теплота не может соединиться с холодом, а влага с сухостью. По Аристотелю, свойства элементов комбинируются попарно (рис. 1.3): вода влажная и холодная, огонь сухой и горячий, воздух теплый и влажный, земля холодная и сухая.
Рис. 1.3. Элементы Аристотеля в сочетании с разными «качествами»
К этим четырем «земным элементам» Аристотель присоединил нематериальный, «эфирный» элемент, который проникает во все вещи – quinta essentia, т. е. «пятая сущность»; вот откуда возник термин «квинтэссенция», который означает самое главное, важное, наиболее существенное.
Можно ли из четырех «первичных начал» и «эфира» построить все остальные тела? Аристотель и его последователи считали, что можно, если четыре «первичных начала» с помощью «пятой сущности» способны превращаться друг в друга. Так, вода может превращаться в воздух и землю, потому что их общим свойством является влажность. Таким образом появилась «химическая теория», показывающая, как одни вещества могут превращаться в другие.
Великий греческий философ Платон (ок. 428 – ок. 348 до н. э.) сделал очень интересную вещь: он уподобил каждое «первоначало» правильному выпуклому многограннику. Таких многогранников существует всего пять, и их часто называют «Платоновыми телами» (рис. 1.4). Напомним, что правильным называется выпуклый многогранник, построенный из одинаковых правильных многоугольников. Например, из четырех равносторонних треугольников можно сделать тетраэдр – многогранник с четырьмя вершинами, четырьмя гранями и шестью ребрами, т. е. фигуру в форме пакета, в котором когда-то продавали молоко. Кстати, «тетра» по-гречески означает «четыре», а «эдра» – «поверхность, сторона». Из шести квадратов легко получается второе платоново тело – куб. Из восьми равносторонних треугольников состоит октаэдр, в переводе с греческого – «восьмигранник» (представьте себе две египетские пирамиды, сложенные вместе своими основаниями, – это и будет октаэдр). Из двенадцати правильных пятиугольников получается двенадцатигранник – додекаэдр. Икосаэдр («эйкос» по-гречески «двадцать») состоит из двадцати равносторонних треугольников. Других правильных многогранников не существует. Попробуйте склеить все эти фигурки из бумаги. Кстати, это не просто забава. Именно такой «детской игрой» занимались ученые, открывшие новый тип молекул, построенных из атомов углерода; они назвали их фуллеренами – по имени современного архитектора Роберта Бакминстера Фуллера, который строил купола из многогранников. За это открытие они в 1996 году получили высшую научную награду – Нобелевскую премию по химии. Самая симметричная и красивая молекула – бакминстерфуллерен – имеет 60 вершин и состоит из 20 шестиугольников и 12 пятиугольников. Конечно, эта фигура не является правильной (ведь в ней есть и пяти-, и шестиугольники), зато она выглядит точно так же, как современный футбольный мяч!
Рис. 1.4. Пять правильных многогранников – платоновых тел: 1 – тетраэдр; 2 – октаэдр; 3 – икосаэдр; 4 – куб; 5 – додекаэдр
Самое интересное, что Платон, пораженный совпадением количества правильных многогранников с числом «сущностей» природы, посчитал это равенство отнюдь не случайным. И он пришел к заключению, что огонь построен из «колючих» тетраэдров, воздух – из более «округлых» октаэдров, вода – из еще более «круглых» икосаэдров, а земля – из кубов, которые могут плотно прилегать друг к другу. Оставался еще додекаэдр, и Платон решил, что такую красивую и совершенную форму имеет весь мир – Вселенная!
Далеко не все философы соглашались с таким представлением об устройстве мира. Так, Демокрит (ок. 460 – ок. 370 до н. э.) считал, что все тела состоят из множества мельчайших частичек, названных им атомами (в переводе – «неделимые»). Логично было предположить, что существуют различные «сорта» атомов с разными размерами и формой. Они могут сцепляться друг с другом, например, с помощью крючочков или как-нибудь иначе. Скомбинировав атомы разными способами, как детали в конструкторе, можно получать разные вещества, а также превращать одни вещества в другие. Считали, например, что золото и серебро «растут» под землей, когда атомы группируются в нужном порядке. Поэтому не удивительными кажутся попытки, предпринимавшиеся в течение многих веков, превратить неблагородные металлы в благородные.
Учение о том, что все вещества состоят из мельчайших частиц, получило название атомистической теории. Эта теория – одно из наиболее важных, фундаментальных понятий в науке. Догадки древних, основанные лишь на размышлении, в принципе не так уж далеки от современных представлений: существует ограниченное число различных типов атомов (т. е. элементов), которые могут по-разному соединяться друг с другом, давая огромное разнообразие веществ с разными свойствами. А процесс перестройки взаимного расположения атомов составляет сущность химической реакции. Атомистическая теория была величайшим достижением человеческого разума. Очень образно о ней сказал лауреат Нобелевской премии по физике Ричард Фейнман (1918–1988): «Если бы в результате какой-то мировой катастрофы все накопленные научные знания оказались бы уничтоженными и к грядущим поколениям живых существ перешла бы только одна фраза, то какое утверждение, составленное из наименьшего количества слов, принесло бы наибольшую информацию? Я считаю, что это – атомная гипотеза (можно называть ее не гипотезой, а фактом, но это ничего не меняет): все тела состоят из атомов – маленьких телец, которые находятся в беспрерывном движении, притягиваются на небольшом расстоянии, но отталкиваются, если одно из них плотнее прижать к другому. В одной этой фразе… содержится невероятное количество информации о мире, стоит лишь приложить к ней немного воображения и чуть соображения».
Никаких реальных «доказательств» существования атомов у древних, конечно, не было и быть не могло – только рассуждения. Например такие: что будет, если, допустим, яблоко разрезать пополам? Сейчас ответ очевиден даже малому ребенку: получатся две половины яблока. А если каждую половину снова разрезать пополам? Получатся четвертинки. Потом – восьмушки, потом – шестнадцатые доли… Через некоторое время, скажете вы, придется взять увеличительное стекло и лезвие бритвы, потом – микроскоп и специальные инструменты. А потом?
Те из вас, кто учился музыке, возможно, вспомнят основу музыкальной грамоты: целая по длительности нота делится на половинки, последние – на четверти, потом идут восьмые доли, шестнадцатые, тридцать вторые, очень редко – шестьдесят четвертые… Меньшими долями композиторы обычно не пользуются, так как их уже трудно «втиснуть» в нужный отрезок времени. О связи музыки и химии мы еще поговорим, а пока подумаем над таким вопросом: можно ли (хотя бы теоретически) создавать все более и более короткие звуки? И есть ли у этого процесса предел? Вопрос этот на самом деле очень непрост, и ответ на него также не очевиден, как и в случае с яблоком: возможно ли до бесконечности делить его на все более и более мелкие части, или когда-то наступит предел? Древнегреческий философ Левкипп (ок. 500–440 до н. э.) был, возможно, первым человеком на Земле, который две с половиной тысячи лет назад понял (рассуждая чисто логически), что процесс «разрезания яблока» должен рано или поздно прекратиться. Это произойдет тогда, когда мы дойдем до мельчайших частичек, из которых состоят не только яблоки, но и все остальные тела. Эти частички ученик Левкиппа – Демокрит назвал атомами. Демокрит считал, что существуют различные «сорта» атомов с разными размерами и формой. Именно этим объясняются различия в свойствах разных тел.
Атомистический взгляд на мир очень образно и поэтично изложил древнеримский поэт и философ Тит Лукреций Кар (ок. 99–55 до н. э.), которого обычно называют просто Лукрецием. В своей поэме «О природе вещей» он ни разу не употребил слова «атом», хотя и был знаком с этим понятием. Вместо него он использовал более десятка синонимов: «начала», «первоначала», «семена вещей» и др. Некоторые из них («корпускула», «элемент») позднее стали научными терминами. Атомистическое учение Лукреция во многом совпадает с современными представлениями. И если бы последние два тысячелетия его поэму изучали во всех существовавших тогда учебных заведениях, история человечества могла пойти по совершенно иному пути.
Теперь самое время ознакомиться с некоторыми строчками замечательной поэмы Лукреция.
Прежде всего Лукреций предупреждает читателя, что «начала» так малы, что увидеть их нет никакой возможности. Однако размышления над природными процессами убеждают нас в том, что они все же существуют, а не являются плодом фантазии. Вот, почитайте выдержки из его поэмы в переводе Ф. А. Петровского:
…Начала вещей недоступны для глаза…
Существуют тела, которых мы видеть не можем.
Запахи мы обоняем различного рода,
Хоть и не видим совсем, как в ноздри они проникают.
И, наконец, на морском берегу, разбивающем волны,
Платье сырее всегда, а на солнце вися, оно сохнет;
Видеть, однако, нельзя, как влага на нем оседает,